EDA专业课程设计模电部分.doc

EDA专业课程设计模电部分

EDA设计实验报告

院 系：

专 业：

姓 名：

学 号：

完成时间：

目 录

实验一 单级放大电路················3

实验二 负反馈放大电路··············10

实验三 阶梯波发生器················16

实验一 单级放大电路
要求：
1. 给出单级放大电路原理图。
2. 给出电路饱和失真、截止失真和不失真且信号幅度最大时的输出信号波形图，并给出三种状态下电路静态工作点值。
3. 给出测试三极管输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值的实验图，并给出测试结果。
4. 给出测量输入电阻、输出电阻和电压增益的实验图，给出测试结果并和理论计算值进行比较。
5. 给出电路的幅频和相频特性曲线，并给出电路的fL、fH值。
6. 分析实验结果。

1、 放大电路原理图

2、 三种工作状态下的输出波形及静态工作点
（1）饱和失真
饱和失真时的输出波形图
滑动变阻器取800欧姆时输出波形饱和失真，输出波形如下：

此时该放大电路的静态工作点为：

故 Ube=V(1)-V(4)= Ib=
Uce=V(5)-V(4)= Ic=

(2)截止失真
当滑动变阻器取8千欧姆时，输出波形截止失真：

此时该电路的静态工作点为：

故 Ube=V(1)-V(4)= Ib=
Uce=V(5)-V(4)= V Ic=

(3)最大不失真
经过调整比较，得出当滑动变阻器取2千欧姆时，该放大电路有最大不失真输出：

T2-（-T1）= ,在误差允许范围之内。
此时该放大电路的静态工作点为：

故 Ube=V(1)-V(4)= Ib=
Uce=V(5)-V(4)= Ic=

3、 三极管的相关参数及输入输出特性曲线
（1） 三极管的输入特性曲线
测试电路图如下：

利用直流扫描分析（DC sweep）作出输入特性曲线如下：

（2）输出特性曲线
测试电路如下：

同样利用直流扫描分析，作出其输出特性曲线如下：

（3） β值、rbe和rce的测算
根据β值的定义，β=Ic/Ib,故取输出特性曲线上的中间5条计算
得β= Ic/Ib=（）/4*100=
rce=△Uce/△Ic，即为输出特性曲线的放大区斜率的倒数
故rce=△Uce/△Ic=
rbe=△Ube/△Ib,根据输入特性曲线，其值为曲线斜率的倒数
故rbe=△Ube/△Ib=600Ω

4、 输入输出电阻及电压增益
（1） 输入电阻测量
在输入端并上交流电压表，串入交流电流表，测得结果如下：

故输入电阻Ri=Ui/Ii=335Ω
（2） 输出电阻测量
在输出端断开负载，加上信号源，并上交流电压表，串入交流电流表，测得结果如下：

故输出电阻Ro=Uo/Io=570Ω
（3） 电压增益测量
在输入输出端分别并上交流电压表，测得结果如下：

故电压增益Au=Uo/Ui= 满足设计要求
（4） 与理论值比较
根据单级放大电路的微变等效模型，有Ri=Rb1∥Rb2∥rbe=250Ω,与测量值基本吻合；
同理，Ro=Rc=600Ω,与测量值570Ω基本相等；
Au=(βRc∥Rl)/rbe=105,，证明了理论的正确性。

5、 幅频相频特性曲线及fL、fH值
（1） 利用multisim中提供的交流扫描分析工具，进行幅频相频分析，得其幅频相频特性曲线如下：

（2） 利用图上自带的标尺，，即为fL、fH值。得fL=306Hz，fH=，即为所求结果。

6、 分析实验结果
根据以上实验数据和相关截图，可以大致得出以下结论：
（1） 当发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大状态，此时Ic/Ib为一恒定值。当Uce约等于1/2Vcc时，且输入信号幅度合适，电路有最大不失真输出。
（2） 当发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和状态，此时Uce约等于零；当发射结和集电结都反偏时，三极管工作在截止状态，此时Uce有最大管压降。
（3） 从测得的输入输出特性曲线得出的理论值与相关测算值的比较可以看出，当输入信号幅度相对较小，放大电路的β等参数近似不变，可以利用三极管微变等效电路进行分析，结果与实际吻合的很好。
（4） 对于共发射极放大电路，若输入信号幅度过大或电路的静态工作点设置不合理，会出现输出波形削顶的截止失真和削底的饱和失真。
（5） 分压偏置的共射放大电路，输入电阻较小，输出电阻较大，电路放大倍数较大，但电压增益受负载影响较大。
（6） 由以上频幅特性分析可知，该放大电路的频带较宽，适用于中频放大，但输出波形与输入波形相位相反。

实验二 负反馈放大电路

要求：
1. 给出引入电压串联负反馈电路的实验接线图。
2. 给出两级放大电路的电路原理图。
3. 给出负反馈接入前后电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻，并验证AF»1/F。
4. 给出负反馈接入前后电路的频率特性和fL、fH值，以及输出开始出现失真时的输入信号幅度。
5. 分析实验结果。

1、引入反馈的两级放大电路实验图

由单级放大电路的结果及相关数据，利用电容将两个单级放大电路耦合，构成两级放大电路。同时，将输出端电压通过电阻引回间接输入端，构成电压串联负反馈。具体电路设计如下：

2、反馈前后的输入输出电阻及放大倍数
（1）输入电阻
在电路输入端串入交流电流表，分别测量开关闭合与断开时的输入电阻:
开关断开，没引入负反馈时的输入电压和电流

故未反馈输入电阻为：Ri=

开关闭合，引入反馈时的输入电压和电流

故反馈输入电阻为：Rif=

（2）输出电阻
去掉负载和信号源，在输出端加入信号源，并上交流电压表，串入交流电流表
开关断开，没引入负反馈时的输出电压和电流

故未反馈输出电阻为：Ro=560Ω

开关闭合，引入反馈时的输出电压和电流

故反馈输出电阻为：Rof=28Ω

（3）电压增益
未反馈时的输入输出电压为

故未反馈电压增益为：Au=1084

引入反馈时的输入输出电压为：

故反馈电压增益为：Auf=135

（4）验证Auf»1/F
由以上电路图可知1/F=(1500+10)/10=151
由测量结果知Auf=135»151,故结论成立。

3、反馈前后电路频幅特性及最大不失真输入信号幅度
（1）反馈前电路频幅特性
反馈前，电路频幅特性如下：

其截止频率数据如下：

故fL=97Hz ， fH=

（2）反馈后电路频幅特性
反馈后电路频幅特性如下

其截止频率数据如下：

故fL=154Hz ， fH=

（3）最大不失真输入幅度
未接入反馈时，调节输入信号幅度，观察输出，当输出恰好出现失真时，其输出波形如下：

接入反馈时，调节输入信号幅度，当有最大不失真幅度时，输出波形为：

4、实验结果分析
由以上实验结果及数据，大致可以得出如下结论：
（1） 反馈的类型是由反馈的量是电流还是电压决定，反馈的组态是看反馈量是否直接引回输入端，判断反馈的正负可采用瞬时极性法；
（2） 串联组态反馈增加电路的输入电阻，电压反馈减小输出电阻，负反馈减小电路的放大倍数，但会增加放大电路的稳定性；
（3） F=Xf/Xo,当AF>>1时，Auf»1/F，此时该放大电路进入深度负反馈，输入信号几乎全部由反馈信号提供；
（4） 负反馈电路增加了放大电路的通频带，提高了电路的放大稳定性，使输入信号的最大不失真幅度增大，有效抑制了反馈环内的非线性失真；
（5） 负反馈又可分为交流负反馈和直流负反馈。交流负反馈稳定放大倍数和改变输入输出电阻，直流负反馈稳定静态工作点。

实验三 阶梯波发生器
要求：
1. 给出阶梯波发生器实验原理图，图中器件均要有型号和参数值标注。
2. 介绍电路的工作原理。
3. 给出电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波，并回答以下问题：
(a) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？
(b) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？

1、 阶梯波发生器原理图
依据所学知识和相关原理以及所给元件设计总电路如下：

2、 介绍电路的工作原理
该阶梯波发生电路的原理框图如下：

依据框图原理，分别设计各功能模块的电路如下：
（1） 方波发生电路
利用集成运放构成比较器，其反相输入端并接电容，正相输入端接电阻分压，提供恒定的比较电压。利用电容的充放电，从而实现比较器输出电位的翻转，也就输出了方波。其中稳压二极管保证输出恒幅方波，调节电容值，可以调节输出方波的频率。
电路如下：

输出波形如下：

从输出波形可以看出，电容充放电，当电位超过门限电压时，运放输出电压就会发生翻转，电路也就产生持续输出方波。
（2） 微分电路
利用RC电路组成微分电路，微分信号取自电阻两端。电路如下：

电路输出脉冲波形如下：

（3） 限幅电路
为了产生阶梯波，送到积分电路的信号必须只有正向脉冲，可以利用二极管的单向导电性，对输出脉冲信号进行限幅（检波）。电路如下：

经限幅（检波）电路后输出波形为：

（4） 积分累加电路
利用前级电路产生的正脉冲信号，利用积分器可以产生阶梯信号。积分器由集成运放与RC电路构成，其中积分信号取自电容两端电压。通过调整RC的值可改变输出阶梯波的阶梯高度。电路如下：

积分后输出阶梯波形如下：

（5） 比较器及控制电路
由积分电路输出波形可知，随着积分的进行，电路最后会达到饱和，不再输出阶梯波。因此，利用比较器，通过输出电压比较，在电路达到饱和之前，实现控制积分电路复位，从而实现持续周期性阶梯波的输出。通过电阻分压，设定集成运放正相端的比较电压，改变相关阻值，就可以改变复位电压，从而防止电路达到饱和。电路设计如下：

电路输出波形如下：

（6） 电子开关电路
电子开关电路融合在比较器电路中，比较器输出通过二极管接到结型场效应管的栅极，场效应管的源极和漏极并在电源的两端，构成一个电子开关。比较器通过输出电压的翻转从而控制电子开关的开与合，进而控制积分电路的复位。同时，比较器的输出端还通过二极管与方波发生器的反相端相连，从而实现电路的同步功能。

3、 波形输出和调节
各分段电路和总电路的输出波形在原理叙述里都已给出，就不重复截取。
输出波形的调节：

1、改变阶梯波的周期：
（1） 通过调节方波发生器中的R2和C1的值，可以改变RC电路的τ值，从而改变阶梯波的周期；
（2） 也可以改变方波发生电路中的R4与R1的比值，从而改变比较电压，也可以改变阶梯波周期；
（3） 通过改变比较控制电路中的R8、R9、R10的值，可以改变阶梯的总高度，而每级阶梯高度和周期一定，所以总周期也就发生改变。

初始波形：

C1改为100nF时的输出波形：

R2改为100K时的输出波形：

R1改为20K时的输出波形：

R10改为2K时的输出波形：

2、改变阶梯波电压输出范围：
阶梯波的电压输出，最终决定于比较器的比较电压的设置，因此，改变R8、R9、R10的值才可以改变阶梯波的电压输出范围。（同上图R10=2K）

3、改变每一级阶梯的高度：

根据微、积分电路的计算公式，微分电路和积分电路的RC乘积只影响输出波形的幅度，而不改变波形的周期。因此，改变其RC乘积，即可改变每一阶的高度。以下仅举一例：

积分电路C3改为200nF时的输出波形：

4、 实验拓展
要求通过调整电路相关元件参数以及比较器的门限电压，使阶梯波发生器输出上升沿形式的波形。

通过对电路原理的仔细分析和理解，我发现要产生上升沿形式波形，应当要实现以下步骤：
（1）要改变积分器的积分形式。要使积分脉冲为负脉冲，通过调整限幅电路二极管的极性就可以使电路输出负脉冲，从而使电路产生上升阶梯波；

（2）解决积分器的饱和问题。由于积分器的自身特性，当为上升沿积分时，一开始就会发生饱和。通过仔细研究发现，通过调整积分器正相端的接地电阻阻值（取50KΩ以上），可以有效的抑制初始饱和的发生；

（3）改变比较器的门限电压。由于输出波形要为正值，可以通过调节比较器输入端的分压电阻和电源值，来改变门限电压值（我设10V和0V）;

（4）电子开关复位控制电路。由于电路极性的改变和控制电压的变化，应将NPN型场效应管换为PNP型。同时电路同步二极管的极性也当改变，才能完成电路的同步功能。

具体电路及波形如下：
（1） 负脉冲电路

输出波形为：

（2）积分电路

输出波形为：

（3）加入比较器及控制电路

输出波形为：

此外，利用集成运放构成反相器也是一种可行的方法，而且十分简便。殊途同归，只要实现的所要的目的就行，在实际中理当如此。

现将反相电路展示如下：

其反相前后输出波形为：

从上图可以看出电路成功实现上升沿阶梯波输出。

5、 实验结论及体会
通过阶梯波发生电路的设计，主要有以下结论和体会：
（1） 熟悉了集成运放构成方波发生器、积分电路和电压比较器的原理和应用；

（2） 明白了电路设计的一般方法，即自顶向下的模块化设计方法。先独立设计各功能部分，再将各功能模块组合起来，构成一个实际应用电路；

（3） 体会到方波类波形变换的基本方法，即通过微分电路和积分电路的变换处理，结合电压比较器以达到所需的信号要求；

（4） 利用这些基本电路的组合，可以产生方波、脉冲波、三角波等基本波形，以及它们的组合形式（如实验中的周期阶梯波），这在实际应用是非常重要的。

实验感想
通过本次为期一周的EDA设计实验（模电部分），我从中收获良多。在此作结，以期对以后的实验工作提供指导。
磨刀不误砍柴工。在接到实验要求之后，我不是急急忙忙的赶进度，而是认认真真的将上个学期所学的模电课本复习一遍。之后感觉对相关知识点的理解更加透彻，设计起实验来游刃有余。
科学实验当严谨。在实验过程中，还是犯了一些错误，主要是由于疏忽，将一些数据弄混，走了一些弯路。所以，在科研实验中，应当努力培养科学严谨的作风，否则会造成满盘皆输的后果。
要多请教老师和同学。独学而无友，则孤陋而寡闻。在实验过程中，碰到一些疑难问题，在老师的指导和同学的热情帮助之下都迎刃而解。勤学好问，是搞好研究的必要条件。
坚持独立思考和自主创新。在实验过程中，大都同学选用b在200以上的2N2222A型三极管，而我选用b只有120左右的2N2712型三极管，同样设计出了满足实验要求的电路。其中的参数设计经历了多次反复验证，最终才满足要求。虽然过程有些艰辛，但在其中也提高了我的理论水平。
科研的本质要求——诚实。在实验过程中，遇到困难，我也曾想过找份往届论文，也曾想过捏造一些数据，但内心的不安促使我踏实地将实验认真完成下去。要成为一个真正的科研工作者，首要的条件就是诚实。
只有自己动手实验和操作，才能真正掌握知识，获得快乐。当经过细细思考而设计出的上升沿阶梯波发生器在输出波形的那一霎那，我的心中充满无限的快乐，感觉之前的付出都是值得的。
在本次实验中，除了所学知识的理解加深，与实践结合更紧密之外，我还熟练掌握了Multisim ，看到了计算机辅助设计（EDA）的高效性，明白了EDA设计的一般过程和原理。在此，十分感谢在实验中给我以悉心指导的老师以及热忱帮助的同学！