EDA課程設(shè)計(模電部分)

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1 EDA 設(shè)計實驗報告 院 系 專 業(yè) 姓 名 學 號 完成時間 2010 09 2 目 錄 實 驗 一 單 級 放 大 電 路 3 實 驗 二 負 反 饋 放 大 電 路 10 實 驗 三 階 梯 波 發(fā) 生 器 16 3 實驗一 單級放大電路 要求 1 給出單級放大電路原理圖 2 給出電路飽和失真 截止失真和不失真且信號幅度最大時的輸出信號波 形圖 并給出三種狀態(tài)下電路靜態(tài)工作點值 3 給出測試三極管輸入 輸出特性曲線和 rbe r ce 值的實驗圖 并 給出測試結(jié)果 4 給出測量輸入電阻 輸出電阻和電壓增益的實驗圖 給出測試結(jié)果并和 理論計算值進行比較 5 給出電路的幅頻和相頻特性曲線 并給出電路的 fL f H 值 6 分析實驗結(jié)果 1 放大電路原理圖 2 三種工作狀態(tài)下的輸出波形及靜態(tài)工作點 4 1 飽和失真 飽和失真時的輸出波形圖 滑動變阻器取 800 歐姆時輸出波形飽和失真 輸出波形如下 此時該放大電路的靜態(tài)工作點為 故 Ube V 1 V 4 0 671V Ib 129 96uA Uce V 5 V 4 0 201V Ic 8 53mA 2 截止失真 當滑動變阻器取 8 千歐姆時 輸出波形截止失真 5 此時該電路的靜態(tài)工作點為 故 Ube V 1 V 4 0 609V Ib 9 944uA Uce V 5 V 4 10 575 V Ic 599 392uA 3 最大不失真 經(jīng)過調(diào)整比較 得出當滑動變阻器取 2 千歐姆時 該放大電路有最大不失真輸 出 6 T2 T1 1 748mV 在誤差允許范圍之內(nèi) 此時該放大電路的靜態(tài)工作點為 故 Ube V 1 V 4 0 65V Ib 43 817uA Uce V 5 V 4 5 39V Ic 5 496mA 3 三極管的相關(guān)參數(shù)及輸入輸出特性曲線 1 三極管的輸入特性曲線 測試電路圖如下 7 利用直流掃描分析 DC sweep 作出輸入特性曲線如下 2 輸出特性曲線 測試電路如下 同樣利用直流掃描分析 作出其輸出特性曲線如下 8 3 值 rbe 和 rce 的測算 根據(jù) 值的定義 Ic Ib 故取輸出特性曲線上的中間 5 條計算 得 Ic Ib 6 2189 1 0829 4 100 128 4 rce Uce Ic 即為輸出特性曲線的放大區(qū)斜率的倒數(shù) 故 rce Uce Ic 12 44K rbe Ube Ib 根據(jù)輸入特性曲線 其值為曲線斜率的倒數(shù) 故 rbe Ube Ib 600 4 輸入輸出電阻及電壓增益 1 輸入電阻測量 在輸入端并上交流電壓表 串入交流電流表 測得結(jié)果如下 故輸入電阻 Ri Ui Ii 335 2 輸出電阻測量 在輸出端斷開負載 加上信號源 并上交流電壓表 串入交流電流表 測 得結(jié)果如下 故輸出電阻 Ro Uo Io 570 3 電壓增益測量 9 在輸入輸出端分別并上交流電壓表 測得結(jié)果如下 故電壓增益 Au Uo Ui 100 65 滿足設(shè)計要求 4 與理論值比較 根據(jù)單級放大電路的微變等效模型 有 Ri Rb1 Rb2 rbe 250 與測量 值基本吻合 同理 Ro Rc 600 與測量值 570 基本相等 Au Rc Rl rbe 105 與測算值 100 65 相差無幾 證明了理論的正確性 5 幅頻相頻特性曲線及 fL fH 值 1 利用 multisim 中提供的交流掃描分析工具 進行幅頻相頻分析 得其幅 頻相頻特性曲線如下 2 利用圖上自帶的標尺 讀出幅度為最大幅度的 0 707 倍時的對應頻率 即為 fL fH 值 得 fL 306Hz fH 30 3MHz 即為所求結(jié)果 10 6 分析實驗結(jié)果 根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)截圖 可以大致得出以下結(jié)論 1 當發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏時 三極管工作在放大狀態(tài) 此時 Ic Ib 為一 恒定值 當 Uce 約等于 1 2Vcc 時 且輸入信號幅度合適 電路有最大不 失真輸出 2 當發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)正偏時 三極管工作在飽和狀態(tài) 此時 Uce 約等 于零 當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏時 三極管工作在截止狀態(tài) 此時 Uce 有最大管壓降 3 從測得的輸入輸出特性曲線得出的理論值與相關(guān)測算值的比較可以看出 當輸入信號幅度相對較小 放大電路的 等參數(shù)近似不變 可以利用三 極管微變等效電路進行分析 結(jié)果與實際吻合的很好 4 對于共發(fā)射極放大電路 若輸入信號幅度過大或電路的靜態(tài)工作點設(shè)置 不合理 會出現(xiàn)輸出波形削頂?shù)慕刂故д婧拖鞯椎娘柡褪д?5 分壓偏置的共射放大電路 輸入電阻較小 輸出電阻較大 電路放大倍 數(shù)較大 但電壓增益受負載影響較大 6 由以上頻幅特性分析可知 該放大電路的頻帶較寬 適用于中頻放大 但輸出波形與輸入波形相位相反 實驗二 負反饋放大電路 要求 1 給出引入電壓串聯(lián)負反饋電路的實驗接線圖 2 給出兩級放大電路的電路原理圖 3 給出負反饋接入前后電路的放大倍數(shù) 輸入電阻 輸出電阻 并驗證 AF 1 F 4 給出負反饋接入前后電路的頻率特性和 fL fH 值 以及輸出開始出現(xiàn)失 真時的輸入信號幅度 11 5 分析實驗結(jié)果 1 引入反饋的兩級放大電路實驗圖 由單級放大電路的結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù) 利用電容將兩個單級放大電路耦合 構(gòu)成 兩級放大電路 同時 將輸出端電壓通過電阻引回間接輸入端 構(gòu)成電壓串聯(lián) 負反饋 具體電路設(shè)計如下 2 反饋前后的輸入輸出電阻及放大倍數(shù) 1 輸入電阻 在電路輸入端串入交流電流表 分別測量開關(guān)閉合與斷開時的輸入電阻 開關(guān)斷開 沒引入負反饋時的輸入電壓和電流 故未反饋輸入電阻為 Ri 1 45k 開關(guān)閉合 引入反饋時的輸入電壓和電流 12 故反饋輸入電阻為 Rif 2 07k 2 輸出電阻 去掉負載和信號源 在輸出端加入信號源 并上交流電壓表 串入交流電流表 開關(guān)斷開 沒引入負反饋時的輸出電壓和電流 故未反饋輸出電阻為 Ro 560 開關(guān)閉合 引入反饋時的輸出電壓和電流 故反饋輸出電阻為 Rof 28 3 電壓增益 未反饋時的輸入輸出電壓為 故未反饋電壓增益為 Au 1084 引入反饋時的輸入輸出電壓為 故反饋電壓增益為 Auf 135 4 驗證 Auf 1 F 由以上電路圖可知 1 F 1500 10 10 151 13 由測量結(jié)果知 Auf 135 151 故結(jié)論成立 3 反饋前后電路頻幅特性及最大不失真輸入信號幅度 1 反饋前電路頻幅特性 反饋前 電路頻幅特性如下 其截止頻率數(shù)據(jù)如下 故 fL 97Hz fH 1 05MHz 2 反饋后電路頻幅特性 反饋后電路頻幅特性如下 14 其截止頻率數(shù)據(jù)如下 故 fL 154Hz fH 10 41MHz 3 最大不失真輸入幅度 未接入反饋時 調(diào)節(jié)輸入信號幅度 觀察輸出 當輸出恰好出現(xiàn)失真時 其輸 出波形如下 15 此時電路的輸入信號幅度為 3 2mV 接入反饋時 調(diào)節(jié)輸入信號幅度 當有最大不失真幅度時 輸出波形為 此時電路的輸入信號幅度為 18 3mV 4 實驗結(jié)果分析 由以上實驗結(jié)果及數(shù)據(jù) 大致可以得出如下結(jié)論 1 反饋的類型是由反饋的量是電流還是電壓決定 反饋的組態(tài)是看反饋量 是否直接引回輸入端 判斷反饋的正負可采用瞬時極性法 2 串聯(lián)組態(tài)反饋增加電路的輸入電阻 電壓反饋減小輸出電阻 負反饋減 小電路的放大倍數(shù) 但會增加放大電路的穩(wěn)定性 16 3 F Xf Xo 當 AF 1 時 Auf 1 F 此時該放大電路進入深度負反饋 輸 入信號幾乎全部由反饋信號提供 4 負反饋電路增加了放大電路的通頻帶 提高了電路的放大穩(wěn)定性 使輸 入信號的最大不失真幅度增大 有效抑制了反饋環(huán)內(nèi)的非線性失真 5 負反饋又可分為交流負反饋和直流負反饋 交流負反饋穩(wěn)定放大倍數(shù)和 改變輸入輸出電阻 直流負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點 實驗三 階梯波發(fā)生器 要求 1 給出階梯波發(fā)生器實驗原理圖 圖中器件均要有型號和參數(shù)值標注 2 介紹電路的工作原理 3 給出電路的分段測試波形和最終輸出的階梯波 并回答以下問題 a 調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變階梯波的周期 b 調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變階梯波的輸出電壓范圍 1 階梯波發(fā)生器原理圖 依據(jù)所學知識和相關(guān)原理以及所給元件設(shè)計總電路如下 2 介紹電路的工作原理 17 該階梯波發(fā)生電路的原理框圖如下 依據(jù)框圖原理 分別設(shè)計各功能模塊的電路如下 1 方波發(fā)生電路 利用集成運放構(gòu)成比較器 其反相輸入端并接電容 正相輸入端接電阻分 壓 提供恒定的比較電壓 利用電容的充放電 從而實現(xiàn)比較器輸出電位的翻 轉(zhuǎn) 也就輸出了方波 其中穩(wěn)壓二極管保證輸出恒幅方波 調(diào)節(jié)電容值 可以 調(diào)節(jié)輸出方波的頻率 電路如下 18 輸出波形如下 從輸出波形可以看出 電容充放電 當電位超過門限電壓時 運放輸出電壓就 會發(fā)生翻轉(zhuǎn) 電路也就產(chǎn)生持續(xù)輸出方波 2 微分電路 利用 RC 電路組成微分電路 微分信號取自電阻兩端 電路如下 19 電路輸出脈沖波形如下 3 限幅電路 為了產(chǎn)生階梯波 送到積分電路的信號必須只有正向脈沖 可以利用二極管的 單向?qū)щ娦?對輸出脈沖信號進行限幅 檢波 電路如下 經(jīng)限幅 檢波 電路后輸出波形為 20 4 積分累加電路 利用前級電路產(chǎn)生的正脈沖信號 利用積分器可以產(chǎn)生階梯信號 積分器由 集成運放與 RC 電路構(gòu)成 其中積分信號取自電容兩端電壓 通過調(diào)整 RC 的 值可改變輸出階梯波的階梯高度 電路如下 積分后輸出階梯波形如下 21 5 比較器及控制電路 由積分電路輸出波形可知 隨著積分的進行 電路最后會達到飽和 不再 輸出階梯波 因此 利用比較器 通過輸出電壓比較 在電路達到飽和之前 實現(xiàn)控制積分電路復位 從而實現(xiàn)持續(xù)周期性階梯波的輸出 通過電阻分壓 設(shè)定集成運放正相端的比較電壓 改變相關(guān)阻值 就可以改變復位電壓 從而 防止電路達到飽和 電路設(shè)計如下 電路輸出波形如下 22 6 電子開關(guān)電路 電子開關(guān)電路融合在比較器電路中 比較器輸出通過二極管接到結(jié)型場效 應管的柵極 場效應管的源極和漏極并在電源的兩端 構(gòu)成一個電子開關(guān) 比 較器通過輸出電壓的翻轉(zhuǎn)從而控制電子開關(guān)的開與合 進而控制積分電路的復 位 同時 比較器的輸出端還通過二極管與方波發(fā)生器的反相端相連 從而實 現(xiàn)電路的同步功能 3 波形輸出和調(diào)節(jié) 各分段電路和總電路的輸出波形在原理敘述里都已給出 就不重復截取 輸出波形的調(diào)節(jié) 1 改變階梯波的周期 1 通過調(diào)節(jié)方波發(fā)生器中的 R2 和 C1 的值 可以改變 RC 電路的 值 從而改變階梯波的周期 2 也可以改變方波發(fā)生電路中的 R4 與 R1 的比值 從而改變比較電壓 也可以改變階梯波周期 3 通過改變比較控制電路中的 R8 R9 R10 的值 可以改變階梯的 總高度 而每級階梯高度和周期一定 所以總周期也就發(fā)生改變 初始波形 23 C1 改為 100nF 時的輸出波形 R2 改為 100K 時的輸出波形 R1 改為 20K 時的輸出波形 24 R10 改為 2K 時的輸出波形 2 改變階梯波電壓輸出范圍 階梯波的電壓輸出 最終決定于比較器的比較電壓的設(shè)置 因此 改變 R8 R9 R10 的值才可以改變階梯波的電壓輸出范圍 同上圖 R10 2K 3 改變每一級階梯的高度 根據(jù)微 積分電路的計算公式 微分電路和積分電路的 RC 乘積只影響輸 出波形的幅度 而不改變波形的周期 因此 改變其 RC 乘積 即可改變每一 階的高度 以下僅舉一例 積分電路 C3 改為 200nF 時的輸出波形 25 4 實驗拓展 要求通過調(diào)整電路相關(guān)元件參數(shù)以及比較器的門限電壓 使階梯波發(fā)生器 輸出上升沿形式的波形 通過對電路原理的仔細分析和理解 我發(fā)現(xiàn)要產(chǎn)生上升沿形式波形 應當 要實現(xiàn)以下步驟 1 要改變積分器的積分形式 要使積分脈沖為負脈沖 通過調(diào)整限幅電路二 極管的極性就可以使電路輸出負脈沖 從而使電路產(chǎn)生上升階梯波 2 解決積分器的飽和問題 由于積分器的自身特性 當為上升沿積分時 一 開始就會發(fā)生飽和 通過仔細研究發(fā)現(xiàn) 通過調(diào)整積分器正相端的接地電 阻阻值 取 50K 以上 可以有效的抑制初始飽和的發(fā)生 3 改變比較器的門限電壓 由于輸出波形要為正值 可以通過調(diào)節(jié)比較器輸 入端的分壓電阻和電源值 來改變門限電壓值 我設(shè) 10V 和 0V 4 電子開關(guān)復位控制電路 由于電路極性的改變和控制電壓的變化 應將 NPN 型場效應管換為 PNP 型 同時電路同步二極管的極性也當改變 才 能完成電路的同步功能 具體電路及波形如下 1 負脈沖電路 26 輸出波形為 2 積分電路 27 輸出波形為 3 加入比較器及控制電路 28 輸出波形為 此外 利用集成運放構(gòu)成反相器也是一種可行的方法 而且十分簡便 殊途同 歸 只要實現(xiàn)的所要的目的就行 在實際中理當如此 現(xiàn)將反相電路展示如下 29 其反相前后輸出波形為 從上圖可以看出電路成功實現(xiàn)上升沿階梯波輸出 5 實驗結(jié)論及體會 通過階梯波發(fā)生電路的設(shè)計 主要有以下結(jié)論和體會 1 熟悉了集成運放構(gòu)成方波發(fā)生器 積分電路和電壓比較器的原理 和應用 2 明白了電路設(shè)計的一般方法 即自頂向下的模塊化設(shè)計方法 先 獨立設(shè)計各功能部分 再將各功能模塊組合起來 構(gòu)成一個實際 30 應用電路 3 體會到方波類波形變換的基本方法 即通過微分電路和積分電路 的變換處理 結(jié)合電壓比較器以達到所需的信號要求 4 利用這些基本電路的組合 可以產(chǎn)生方波 脈沖波 三角波等基 本波形 以及它們的組合形式 如實驗中的周期階梯波 這在 實際應用是非常重要的 實驗感想 通過本次為期一周的 EDA 設(shè)計實驗 模電部分 我從中收獲良多 在此 作結(jié) 以期對以后的實驗工作提供指導 磨刀不誤砍柴工 在接到實驗要求之后 我不是急急忙忙的趕進度 而是 認認真真的將上個學期所學的模電課本復習一遍 之后感覺對相關(guān)知識點的理 解更加透徹 設(shè)計起實驗來游刃有余 科學實驗當嚴謹 在實驗過程中 還是犯了一些錯誤 主要是由于疏忽 將一些數(shù)據(jù)弄混 走了一些彎路 所以 在科研實驗中 應當努力培養(yǎng)科學嚴 謹?shù)淖黠L 否則會造成滿盤皆輸?shù)暮蠊?要多請教老師和同學 獨學而無友 則孤陋而寡聞 在實驗過程中 碰到 一些疑難問題 在老師的指導和同學的熱情幫助之下都迎刃而解 勤學好問 是搞好研究的必要條件 堅持獨立思考和自主創(chuàng)新 在實驗過程中 大都同學選用 在 200 以上的 2N2222A 型三極管 而我選用 只有 120 左右的 2N2712 型三極管 同樣設(shè)計 出了滿足實驗要求的電路 其中的參數(shù)設(shè)計經(jīng)歷了多次反復驗證 最終才滿足 要求 雖然過程有些艱辛 但在其中也提高了我的理論水平 科研的本質(zhì)要求 誠實 在實驗過程中 遇到困難 我也曾想過找份往 屆論文 也曾想過捏造一些數(shù)據(jù) 但內(nèi)心的不安促使我踏實地將實驗認真完成 下去 要成為一個真正的科研工作者 首要的條件就是誠實 只有自己動手實驗和操作 才能真正掌握知識 獲得快樂 當經(jīng)過細細思 考而設(shè)計出的上升沿階梯波發(fā)生器在輸出波形的那一霎那 我的心中充滿無限 的快樂 感覺之前的付出都是值得的 在本次實驗中 除了所學知識的理解加深 與實踐結(jié)合更緊密之外 我還 熟練掌握了 Multisim 11 0 的使用方法 看到了計算機輔助設(shè)計 EDA 的高效 性 明白了 EDA 設(shè)計的一般過程和原理 在此 十分感謝在實驗中給我以悉心 指導的老師以及熱忱幫助的同學