1、 南 京 理 工 大 学EDA 设计（ ）实验报告作 者 :学 号：学 院 (系 ):专 业 :指导老师： 实验日期： 10.27 - 10.30 2014 年 11 月吴少琴摘 要本次 EDA 实验主要由四个实验组成，分别是单级放大电路的设计与仿真、差动放大电路的设计与仿真、负反馈放大电路的设计与仿真、阶梯波发生器电路的设计。通过电路的设计和仿真过程，进一步强化对模拟电子线路知识的理解和应用，增强实践能力和对仿真软件的运用能力。关键词 EDA 设计 仿真 目 录实验一 单级放大电路的设计与仿真 1实验二 差动放大电路的设计与仿真 11实验三 负反馈放大电路的设计与仿真 18实验四 阶梯波发生
2、器电路的设计 29总结 42参考文献 42EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 1 页 共 45 页实验一 单级放大电路的设计与仿真一、实验目的1、掌握放大电路静态工作点的调试方法。2、掌握方法电路在不失真状态下电路参数的计算方法。3、掌握放大电路饱和失真和截止失真时的波形状态并了解其形成原因。4、观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。二、实验要求1. 设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率 10kHz(峰值 5mV) ，负载电阻 8k，直流供电电源为 12V。要求设计指标为电压增益 50 至 100 倍之间，带宽大于 1MHz。2. 调节电路静态工作点(调节偏
3、置电阻)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。3. 调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。在此状态下测试： 电路静态工作点值； 三极管的输入、输出特性曲线和 、 rbe 、 rce值； 电路的输入电阻、输出电阻和电压增益； 电路的频率响应曲线和 fL、 fH值。三、实验步骤（一）单级放大电路原理图EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 2 页 共 45 页图 1.1 单级放大电路原理图（2）电路工作在失真状态（1）饱和失真调节偏置电阻得到电路饱和失真状态下的输出波形如下：图 1.2 饱和失真输出波形因为工作点设置不合理，
4、没有在放大区而处在饱和区中，下边波形被削波，导致饱和失真。用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 3 页 共 45 页图 1.3 饱和失真时的静态工作点分析饱和失真的静态工作点为：Ib=7.90920uA，I c=771.00174uA，VCEQ=V4-V7=4.29647-3.89129=0.40518V，VBEQ=V3-V7=4.51810-3.89129=0.62681V。此时 VCEQVBEQ，所以满足三极管饱和失真条件，电路出现饱和失真，工作在饱和区。（2）截止失真调节偏置电阻得到电路截止失真状态下的输出波形如下：图 1.4 截止
5、失真输出波形因为工作点设置不合理，没有在放大区而处在截止区中，上边波形被削波，导致截止失真。用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 4 页 共 45 页图 1.5 截止失真时的静态工作点分析截止失真的静态工作点为：Ib=789.13801uA，I c=104.61178uA，VCEQ=V4-V7=10.95388-0.52700=10.42688V，VBEQ=V3-V7=1.07656-0.52700=0.54956V。此时 VBEQVCEQ，截止区内集电结反偏，发射结反偏或正偏电压非常小，可知满足截止失真条件，三极管工作在截至区。（3）电
6、路工作在不失真状态（1）调节偏置电阻得到电路在最大不失真状态下的输出波形如下：图 1.6 最大不失真状态下的输出波形用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 5 页 共 45 页图 1.7 最大不失真状态下的静态工作点分析不失真状态下的静态工作点为：IBQ=4.53658uA，I cQ=546.54625uA，VCEQ=V4-V7=6.53460-2.75538=3.77922V，VBEQ=V3-V7=3.36376-2.75538=0.60838V。（2）测试三极管在最大不失真状态下的 、r be、r ce值。1）求解 ： = I cQ/I
7、BQ =546.54625/4.53658=120.482）输入特性曲线 及 的测量常 数CEUBufi|)(ber将处于最大不失真工作状态的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其 等效直CEU流源电压值，电路图如下：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 6 页 共 45 页图 1.8 三极管输入特性曲线电路测试图运用直流扫描分析，得三极管输入特性曲线如下图：图 1.9 三极管输入特性曲线由公式 得 r be=dx/dy=7.46k。BEbeiur3）输出特性曲线 及 的测量常 数BiCEf|)(cer取三极管，重新搭接电路，其中 Ib取上述测出的 IbQ的值，电路图如下：EDA 设 计
8、 （ ） 实 验 报 告 第 7 页 共 45 页图 1.10 三极管输出特性曲线电路测试图将 Ib、V ce均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在 为不同取值时的输入Bi特性曲线：图 1.11 三极管输出特性曲线再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即 Ib=4.53658uA 时的输出特性曲线如下：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 8 页 共 45 页图 1.12 Ib=IBQ 时三极管输出特性曲线由公式 得，r ce=dx/dy=23.99k。CEceiur（3）电路基本参数的测定1）电压放大倍数的测定电路图如下：图 1.13 电压放大倍数测定电路EDA 设
9、计 （ ） 实 验 报 告 第 9 页 共 45 页电压增益测量值 AV=Uo/Ui=247.15/3.535=69.9电压增益理论值 Av=-(R 3/RL/rce)/rbe= -71.78相对误差 E=（71.78-69.9）/71.78=26%2）输入电阻的测定电路图如下：图 1.14 输入电阻测定电路输入电阻测量值：R i=Ui/Ii= 4.92k输入电阻理论值：R i=R4/R2/rbe=4.90k相对误差 E=（4.92-4.90）/4.90=0.4%3）输出电阻的测定电路图如下：图 1.15 输出电阻测定电路输出电阻实验值：Ro=Uo/Io=7.06k输出电阻理论值：Ro=R 3
10、/rce=7.05EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 10 页 共 45 页相对误差 E=（7.06-7.05）/7.05=0.1%4）电路的幅频和相频特性图：对设计的单极放大电路做交流分析，得到幅频和相频特性曲线：图 1.16 幅频相频特性曲线根据曲线可得：上下限频率 f L=263.5429Hz 、f H =2.8175MHz带宽 BW=2.8173MHz四、实验小结通过本次单级放大电路的设计和仿真实验，我们掌握了 multisim 的基本操作，对单级放大电路有了更加深刻的理解，对三极管的小信号模型、性能参数，单级放大电路的各项性能指标有了感性的认识，这些都是在平时上课过程中学习不
11、到的东西。在此过程中，我们掌握了放大电路静态工作点的分析、三极管输入输出曲线、放大电路幅频和相频特性曲线的绘制，以及电路参数的计算方法等等。由相对误差计算来看，本次实验基本成功。EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 11 页 共 45 页实验二 差动放大电路的设计与仿真一、实验目的1、掌握长尾式差动放大电路静态工作点的调试方法和电路参数测试。2、掌握长尾式差动放大电路差、共模增益的测试方法。二、实验要求1.设计一个长尾式差动放大电路，给定阻值为 100k 的射极公共电阻，要求空载时的 大于 20。VDA2.测试电路两个三极管的静态工作点值和在该静态工作点下的 、 、 值。berc3.空载
12、下给电路分别输入差模和共模交流小信号，分别测试电路的双端输出的差模增益 、单端输出的差模增益 、双端输出的共模增益 以及单端输出的共模VDA1VDAVCA增益 值。 1C三、实验步骤（一）差动放大电路原理图EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 12 页 共 45 页图 2.1 差动放大电路原理图由数据计算得：A vd=284.762/10=28.520，电路符合要求。（二）静态工作点值和 、 、 值测定berc因为 Q1 和 Q2 完全对称，所以其 、 rbe 、 rce值完全相同，测试结果如下：图 2.2 静态工作点分析由数据计算得：IB1=IB2=451.06691nA , IC1=
13、IC2=56.89644uAVCEQ1=VCEQ2=V1-V3=V5-V3=11.677VVBEQ1=VBEQ2=V2-V3=V4-V3=530.49880mV测试三极管在此静态工作点下的 、r be、r ce值。4）求解 ： = I cQ/IBQ =56.89644/0.45107=126.145）输入特性曲线 及 的测量常 数CEUBufi|)(berEDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 13 页 共 45 页将处于该静态工作点的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其 等效直流源电CEU压值，电路图如下：图 2.3 三极管输入特性曲线电路测试图运用直流扫描分析，得三极管输入特性曲线如
14、下图：图 2.4 三极管输入特性曲线EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 14 页 共 45 页由公式 得 r be=dx/dy=75.7k。Bbeiur6）输出特性曲线 及 的测量常 数BiCEf|)(cer取三极管，重新搭接电路，其中 Ib取上述测出的 IbQ的值，电路图如下：图 2.5 三极管输出特性曲线电路测试图将 Ib、V ce均作为分析参数进行直流扫描，得出在 Ib=IBQ时三极管的输出特性曲线：图 2.6 Ib=IBQ 时三极管输出特性曲线EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 15 页 共 45 页由公式 得，r ce=dx/dy=370.75k。Cceiur（三）电
15、路电压增益的测量（1）双端输出差模增益益 VDA图 2.7 双端输出差模增益测量电路测量值 A VD=Uo/Ui=284.762/10=28.48理论值 A VD=-（R c/Rce）/R be=-24.99相对误差 E=（28.48-24.99）/24.99=13.9%（2）单端输出的差模增益 1VDAEDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 16 页 共 45 页图 2.8 单端输出差模增益测量电路测量值 A VD1=Uo/Ui=142.383/10=14.24理论值 A VD1=-（R c/Rce）/2Rbe=-12.50相对误差 E=（14.24-12.50）/12.50=13.9%
16、（3）双端输出的共模增益 VCA图 2.9 双端输出共模增益测量电路EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 17 页 共 45 页测量值 A VC=Uo/Ui0理论值 A VC=0相对误差 E=0%（4）单端输出的共模增益 1VCA图 2.10 单端输出共模增益测量电路测量值 A VC1=Uo/Ui=369.648/5000=0.0739理论值 A VC1=-（R c/Rce）/R be+2(1+)R ee=0.0713相对误差 E=（0.0739-0.0713）/0.0713=3.6%4、实验小结从上述计算结果可以看出，差模电压增益实测值与理论值的误差相对较大，而共模电压增益实际测量值与
17、理论值的误差相对较小。实验误差产生的原因可能是在用斜率求解 rbe、r ce时取点不够精准，计算结果有所偏差。EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 18 页 共 45 页实验三 负反馈放大电路的设计与仿真一、实验目的1、掌握阻容耦合放大电路静态工作点的调试。2、了解负反馈对电路放大倍数、输入输出电阻和频率特性的影响。二、实验要求1.设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率 10kHz(有效值 1mv) ，负载电阻 10k，电压增益在 100-200 倍之间。2.给电路引入电压串联负反馈：测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非
18、线性失真的影响。三、实验步骤（一）阻容耦合两级电压放大电路原理图（1）未引入反馈图 3.1 未引入负反馈原理图（2）引入电压串联负反馈EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 19 页 共 45 页图 3.2 引入负反馈原理图（2）负反馈接入前后放大倍数 AV、输入电阻 、输出电阻 的测定iRo（1）电压放大倍数 AV接入前：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 20 页 共 45 页图 3.3 未引入负反馈电压放大倍数由测量数据计算得：Av=VO/Vi=174.715/0.999962=174.72接入后：图 3.4 引入负反馈电压放大倍数由测量数据计算得：Av=Vo/Vi=3.48
19、1/0.999962=3.48结论：引入电压串联负反馈，使电压放大倍数减小。（2）输入电阻 iREDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 21 页 共 45 页接入前：图 3.5 未引入负反馈输入电阻由测量数据计算得：Ri=Vi/Ii=999.962/0.169813=5.89k接入后：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 22 页 共 45 页图 3.6 引入负反馈输入电阻由测量数据计算得：Ri=Vi/Ii=999.955/0.155946=6.41k结论：引入电压串联负反馈，使输入电阻增大。（3）输出电阻 o接入前：图 3.7 未引入负反馈输出电阻由测量数据计算得：Ro=V0/Io
20、=999.962/1.526=655.28EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 23 页 共 45 页接入后：图 3.8 引入负反馈输出电阻由测量数据计算得：Ro=Vo/Io=999.962/109.273=9.15结论：引入电压负反馈，使输出电阻减小。（4）验证 AF=1/kfEDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 24 页 共 45 页图 3.9 验证 AF=1/kf线路图由数据可得：V iV f因为 Kf=Vf/Vo ， A F=Vo/Vi所以 AF=1/kf（3）负反馈接入前后电路的幅频特性分析接入前的幅频特性曲线：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 25 页 共 4
21、5 页图 3.10 未引入负反馈幅频特性fL=333.5975Hz ， f H=204.3611kHz带宽 BW=204.0275kHz接入后的幅频特性曲线：图 3.11 引入负反馈幅频特性fL=31.6598Hz ， f H=14.8561MHz带宽 BW=14.8561MHzEDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 26 页 共 45 页结论：引入电压串联负反馈可以扩展宽频带。（4）负反馈对电路非线性失真的影响（1）接入负反馈前当信号源幅度为 1mV 时，可以被不失真放大，输出波形如下：图 3.12 信号源幅度为 1mV调节信号源幅度至 5mV 时，输出波形开始失真，输出波形如下：图 3.13 信号源幅度为 5mV当信号源幅度为 10mV 时，输出波形明显失真：EDA 设 计 （ ） 实 验 报 告 第 27 页 共 45 页图 3.14 信号源幅度为 10mV（2）接入负反馈后当信号源幅度为 1mV 时，可以被不失真放大，输出波形如下：图 3.15 信号源幅度为 1mV调节信号源幅度为 10mV，输出波形仍为正常放大状态：图 3.16 信号源幅度为 10mV
