模擬電路實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì).pptVIP

第4章 模擬電路實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì) 4 1模擬電路實(shí)驗(yàn)4 1 1模擬電路常用器件與儀器4 1 2單管共射放大器及負(fù)反饋4 1 3射極跟隨器4 1 4差動(dòng)放大器4 1 5低頻功率放大器4 1 6RC正弦波振蕩器4 2直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 在電子線路中 研究含有線性電阻 電容和電感元件的電路 有直流和交流穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)電路 屬于基礎(chǔ)理論電路 相對比較容易理解 而研究以非線性元件二極管和三極管為核心的電路 因?yàn)榻恢绷鞑⒋?元件的多種作用與工作電壓的變化密切相關(guān) 不便于初學(xué)者理解和掌握 模擬電路就是以三極管為核心 處理模擬信號的電路 初學(xué)者往往對模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)感到困惑 概念多而抽象 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間又有限 尤其是前幾章的內(nèi)容 稀里糊涂就過去了 給后面的學(xué)習(xí)帶來不少困難 在這一章里 我們主要對模擬電路中的幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真和分析 然后給出兩個(gè)模擬電路設(shè)計(jì)的綜合實(shí)例 目的在于使讀者對這一部分的仿真元件及儀器有個(gè)基本的掌握 幫助大家更好地理解和學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù) 借助軟件 反復(fù)學(xué)習(xí)和驗(yàn)證 最終克服學(xué)習(xí)中的難關(guān) 4 1模擬電路實(shí)驗(yàn) 這一節(jié) 我們把模擬電子技術(shù)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)詳細(xì)介紹給大家 使大家對Proteus中的模擬電子技術(shù)部分仿真元器件和虛擬儀器有較為詳細(xì)的了解 并能夠熟練掌握和使用 同時(shí) 可以使廣大電子技術(shù)初學(xué)者和愛好者能夠在不進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的情況下順利完成實(shí)驗(yàn) 測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和獲得實(shí)驗(yàn)波形 設(shè)計(jì)出自己想要的理想電路 實(shí)現(xiàn)預(yù)定的電路功能 從而減少元件的浪費(fèi) 縮短設(shè)計(jì)周期 提高設(shè)計(jì)成功率 首先 來看一看Proteus中有哪些模擬電路中常用的仿真器件和虛擬儀器能夠供我們使用吧 4 1 1模擬電路常用器件與儀器 1 模擬電路常用器件模擬電路中常用的器件主要有三極管 二極管 電阻 電容 電感 變壓器 直流電源 信號源 集成運(yùn)放等 下面我們來看這些元件如何拾取 1 三極管如何在Proteus的浩瀚元件庫中找到自己想要的三極管元件呢 打開Proteus的元件拾取對話框 在類別 Category 中的 Transistors 子類就是三極管 單擊 Transistors 出現(xiàn)如圖4 1中所示的元件 這些元件和我們平時(shí)常用的國產(chǎn)三極管的型號不太一致 比如常用的國產(chǎn)高頻小功率管3DG6對應(yīng)于2N5551 替換的原則是雙方的管型一致 另外參數(shù)也要一樣 當(dāng)然根據(jù)設(shè)計(jì)需求允許有誤差 元件替換對應(yīng)也可以在網(wǎng)上查找 如果只是一般的原理仿真 可以直接輸入 NPN 或 PNP 來拾取通用元件即可 如果用到場效應(yīng)管 則可以在對應(yīng)的子類中查找 如圖4 1中右側(cè)所示 圖4 1三極管元件拾取對話框 2 二極管二極管的種類很多 包括整流橋 整流二極管 肖特基二極管 開關(guān)二極管 隧道二極管 變?nèi)荻O管和穩(wěn)壓二極管 打開Proteus的元件拾取對話框 選中 Category 中的 Diodes 出現(xiàn)如圖4 2所示的對話框 一般來說 選取子類 Sub category 中的 Generic 通用器件即可 圖4 2右邊給出通用器件的查尋結(jié)果 可以單擊來看看需要使用哪種元件 圖4 2二極管元件拾取對話框 3 電阻電阻的分類為 Resistors 子類有0 6W和2W金屬膜電阻 3W 7W和10W繞線電阻 通用電阻 熱電阻 NTC 排阻 ResistorPacks 可變電阻 Variables 及家用高壓系列加熱電阻絲 常用電阻可直接輸入通用電阻 RES 拾取即可 然后再修改參數(shù) 這里我們主要說一下比較常用的可變電阻 直接輸入 POT 或 POT 可找到四個(gè)或三個(gè)相關(guān)元件 POT 為一般滑動(dòng)變阻器 觸頭不能拉動(dòng) 需選中后打開元件屬性對話框 修改 STATE 來改變觸頭的位置 STATE 的初始值為5 觸頭位于中間 改為10后 觸頭位于最上 如圖4 3所示 由于調(diào)整不方便 一般不使用此元件 而使用下面的幾個(gè)滑動(dòng)變阻器 圖4 3滑動(dòng)變阻器元件屬性對話框 POT HG 滑動(dòng)變阻器的好處是可以直接用鼠標(biāo)來改變觸頭位置 精確度和調(diào)整的最小單位為阻值的1 比如一個(gè)1k 的電阻 精確到10 而一個(gè)100k 的電阻只能精確到1k 所以 當(dāng)電阻較大時(shí) 考慮把它分成兩部分串聯(lián) 一部分為較大阻值的固定電阻 另一部分為較小阻值的滑動(dòng)電阻 這樣比較科學(xué) POT LIN 和 POT LOG 滑動(dòng)變阻器和 POT HG 一樣可以通過鼠標(biāo)來改變觸頭位置 但精確度和調(diào)整的最小單位均為阻值的10 讀者可以根據(jù)需要和調(diào)整精度來選擇所需要的滑動(dòng)變阻器 4 電容模擬電路中常用的電容為極性電容 即電解電容 其實(shí)無極性電容和電解電容在使用時(shí)沒什么區(qū)別 只不過當(dāng)電容值較大時(shí) 一般在1 F以上時(shí) 要做成電解電容 放大電路中的耦合電容一般為10 100 F 為電解電容 特別注意的是 電解電容的正極性端的直流電位一定要高于負(fù)極性端才能正常工作 否則會出現(xiàn)意外現(xiàn)象 常用的無極性電容的名稱為 CAP 極性電容為 CAP ELEC 還有一個(gè)可動(dòng)畫演示充放電電荷的電容為 CAPACITOR 極性電容 CAP ELEC 的原理圖符號正端不帶填充 負(fù)端方框中填充有斜紋 使用時(shí)可直接輸入名字拾取即可 5 電感和變壓器電感和變壓器同屬電感 Inductors 這一分類 只不過在子類中 又分為通用電感 表面安裝技術(shù) SMT 電感和變壓器 一般來說 使用電感時(shí)直接拾取 INDUCTOR 元件 使用變壓器時(shí) 要看原 副邊的抽頭數(shù)而定 打開元件拾取對話框 選取 Inductors 大類下的子類 Transformers 如圖4 4所示 在右側(cè)顯示出變壓器可選元件 常用的是前四種 名稱前綴為 TRAN 也可以直接輸入這個(gè)前綴來搜尋變壓器 為了幫助大家記憶變壓器的名稱 以第一個(gè)變壓器 TRAN 1P2S 為例來說明它的含義 TRAN 是變壓器的英文 TRANSFORMER 的縮寫 P 是原邊 PRIMARY 的意思 S 是副邊 SECONDORY 的意思 而后面三個(gè)變壓器都是飽和變壓器 如 TRSAT2P2S2B 即SaturatedTransformerwithsecondaryandbiaswindings 意思是具有副邊和偏置線圈的飽和變壓器 圖4 4變壓器拾取對話框 變壓器在調(diào)用時(shí) 由于對稱按鈕可能處于選中狀態(tài) 原 副邊繞組的位置就顛倒了 使用時(shí)要注意 尤其是原邊和副邊繞組數(shù)目相同的變壓器 這涉及到原 副邊的匝比是升壓或降壓變壓器的問題 變壓器的匝比是通過改變原 副邊的電感值來實(shí)現(xiàn)的 打開 TRAN 2P2S 變壓器的元件屬性對話框 如圖4 5所示 原邊和副邊的電感值都是1H 即變比n為1 1 如果我們想使它成為n 10 1的降壓變壓器 可以改變原邊電感 也可改變副邊電感 還可以兩者同時(shí)改變 但要保證 即原 副邊電壓比值等于原邊電感與副邊電感的平方比 改變原 副邊的電感值分別為100H和1H 也可以為1H和0 01H 即原副邊電壓比為10 1 此變壓器為降壓變壓器 如圖4 6所示 圖4 5變壓器屬性對話框 圖4 6修改變壓器變比 變壓器變比設(shè)定后 在原邊加一個(gè)交流源 ALTERNATOR 使它為幅值100V 頻率為50Hz 同時(shí)在原邊加一個(gè)交流電壓表 在副邊也加一交流電壓表 運(yùn)行仿真 顯示原邊電壓有效值為70 7V 副邊電壓有效值為7 07V 變壓為10 1 如圖4 7所示 圖4 7變壓器變比仿真 6 交 直流電源直流電源通常有單電池 CELL 和電池組 BATTERY 兩種 可任意改變其值 單相交流電源為 ALTERNATOR 可改變其幅值 半波峰值 和頻率 如圖4 8所示 圖4 8交 直流電源 7 集成運(yùn)放打開元件拾取對話框 選取 OperationalAmplifiers 分類 顯示子類有 Dual Deal Octal Quad Single Triple 分別為雙運(yùn)放 即一個(gè)集成芯片內(nèi)所包含的兩個(gè)相同運(yùn)放 理想運(yùn)放 八運(yùn)放 四運(yùn)放 單運(yùn)放和三運(yùn)放 我們常用的集成運(yùn)放是通用的理想運(yùn)算放大器 可直接選子類 Deal 中的 OP1P 如果知道集成運(yùn)放的名稱 也可直接查尋 比如對常用的四運(yùn)放LM324直接輸入 LM324 即可 2 模擬電路仿真中的常用儀器模擬電路中常用的仿真儀器主要有交流電壓表 交流電流表 直流電壓表 直流電流表 信號發(fā)生器 示波器和揚(yáng)聲器 單擊工具欄中的虛擬儀器圖標(biāo) 如圖4 9所示 在對象選擇區(qū)出現(xiàn)所有的虛擬儀器名稱列表 其中 OSCILLOSCOPE SIGNALGENERATOR DCVOLTMETER DCAMMETER ACVOLTMETER ACAMMETER 分別為示波器 信號發(fā)生器 直流電壓表 直流電流表 交流電壓表和交流電流表 交 直流電壓表和交 直流電流表的量程都可以設(shè)定 比如可以設(shè)定一個(gè)交流電壓表為毫伏表 如圖4 9所示 只需改變元件屬性中的 DisplayRange 為 Millivolts 即可 圖4 9交流毫伏表的量程設(shè)定 信號發(fā)生器的用法在3 2 7節(jié)已經(jīng)介紹 下面主要說明示波器和揚(yáng)聲器的用法 1 示波器Proteus的虛擬示波器能完成四個(gè)通道 A B C D 的波形顯示與測量 待測的四個(gè)輸入信號分別與示波器的四個(gè)通道相接 信號的另一端應(yīng)接地 在前面的例子中我們已經(jīng)熟悉了示波器的原理圖符號 下面介紹仿真運(yùn)行后示波器界面各部分旋鈕的功能 圖4 10是示波器仿真運(yùn)行后的界面 圖4 10示波器運(yùn)行仿真后的界面 以通道A為例 Position 旋鈕用來調(diào)整波形的垂直位移 下面的旋鈕用來調(diào)整波形的幅度顯示比例 外面的黃色箭頭是粗調(diào) 里面的黃色小箭頭是細(xì)調(diào) 當(dāng)讀刻度時(shí) 應(yīng)把里層的箭頭順時(shí)針調(diào)到最右端 四個(gè)通道的對應(yīng)旋鈕使用方法一樣 在 Horizontal 下方的兩個(gè)旋鈕分別用來調(diào)整波形的水平位移和掃描頻率 當(dāng)用鼠標(biāo)單擊黑色的波形顯示區(qū)域后 也可以通過滾動(dòng)鼠標(biāo)滑輪來調(diào)整掃描頻率 其他旋鈕可保持原位不動(dòng) 在運(yùn)行過程中如果關(guān)閉掉示波器 需要從主菜單 Debug 中選取最下面 VSMOscilloscope 來重現(xiàn) 2 揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器在模擬電路的仿真中也經(jīng)常用到 可直接輸入 Speaker 來調(diào)用 兩個(gè)接線端不分正負(fù) 因?yàn)樗邮盏氖墙涣髂M信號 要注意驅(qū)動(dòng)信號的幅值和頻率應(yīng)在揚(yáng)聲器的工作電壓和頻率范圍之內(nèi) 否則不會響 當(dāng)揚(yáng)聲器不會鳴響時(shí) 可能是因?yàn)樾盘柗N類不匹配 比如數(shù)字信號 或揚(yáng)聲器的電壓設(shè)的太大而需要修改 揚(yáng)聲器的屬性參數(shù)對話框如圖4 11所示 圖4 11揚(yáng)聲器屬性參數(shù)對話框 在模擬電路中 單管共射放大器及負(fù)反饋是非常重要的內(nèi)容 這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)通常合并在一塊電路板中來做 接下來我們討論單管共射放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)及動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)試與測量 最后來觀察兩級放大電路中負(fù)反饋帶來的影響 單管共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試單管共射放大器及負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)的電路如圖4 12所示 我們先考慮單管共射放大器部分 即前一級電路 如圖4 13所示 4 1 2單管共射放大器及負(fù)反饋 圖4 12單管共射放大器及負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)電路圖 圖4 13單管共射放大器實(shí)驗(yàn)電路圖 照圖4 12把整個(gè)電路圖連接好 兩級參數(shù)可取一樣 接上直流電源 信號發(fā)生器和示波器 下面調(diào)試第一級的靜態(tài)工作點(diǎn) 即找到一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 然后再用直流表測量出來 把開關(guān)按圖示位置設(shè)定好 按仿真運(yùn)行按鈕 把信號發(fā)生器的頻率調(diào)為1kHz 幅值盡可能大 直到觀察到示波器顯示的輸出波形出現(xiàn)雙頂失真為止 如圖4 14中的波形 a 所示 看看這個(gè)失真的波形是否上下對稱失真 如果不對稱 調(diào)整圖4 13中的滑動(dòng)變阻器RV1來改變靜態(tài)工作點(diǎn)使波形看似對稱 如圖4 14中的波形 b 所示 因?yàn)檠劬吹降膶ΨQ失真并不一定是真的對稱 所以還需減小信號發(fā)生器的幅值 使波形一端的失真剛好消失 如圖4 14中的波 形 c 所示 這驗(yàn)證了靜態(tài)工作點(diǎn)仍然不合適 進(jìn)一步調(diào)整滑動(dòng)變阻器 使波形兩端出現(xiàn)對稱失真 再減小信號發(fā)生器的幅值 使波形一頂失真消失 反復(fù)幾次 直到波形兩頂?shù)氖д鎰偤猛瑫r(shí)消失 如圖4 14中的波形 d 所示 這時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)是最合適的 保持滑動(dòng)變阻器的位置不要再動(dòng)了 圖4 14單管共射放大器調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)波形 調(diào)試的原理是來自于單管共射放大電路三極管的輸出特性 如圖4 15所示 為NPN雙極型三極管的輸出特性曲線 其中的斜線為交流負(fù)載線 靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)位于交流負(fù)載線的中點(diǎn)Q 交流信號在變化時(shí)才能得到最大不失真的輸出波形 如果靜態(tài)工作點(diǎn)位于交流負(fù)載線的Q 點(diǎn) 則輸出波形如圖中的失真波 即集電極電流稍有增加 三極管便進(jìn)入飽和區(qū) 產(chǎn)生飽和失真 使放大能力下降 一般來說 調(diào)整基極電阻 可方便地改變靜態(tài)工作點(diǎn)的值 圖4 15三極管的輸出特性與靜態(tài)工作點(diǎn) 上述的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方法 就是故意讓輸出波形失真來看失真的對稱度 從而判斷靜態(tài)工作點(diǎn)是否位于交流負(fù)載線的中間 因?yàn)楹线m的靜態(tài)工作點(diǎn)并不意味著不會產(chǎn)生失真 只要輸入信號足夠大 就會產(chǎn)生失真 只不過是產(chǎn)生對稱的失真 通過反復(fù)調(diào)整輸入信號的幅值和基極電阻的大小 來觀察和改變靜態(tài)工作點(diǎn) 從而找到一個(gè)最佳靜態(tài)工作點(diǎn) 只有找到了最佳靜態(tài)工作點(diǎn) 接下來的動(dòng)態(tài)參數(shù)測量才有意義 給定一塊電路板 不能盲目地去進(jìn)行數(shù)據(jù)測量 雖然電容隔直 R6左邊的交流信號源的短路線可以省去 開路即可 但在沒有電容的直接耦合電路中卻不能開路 為了養(yǎng)成良好的習(xí)慣 建議使交流信號短接而不是開路 把三個(gè)直流電壓表和一個(gè)直流電流表 毫安表 連接 可測得如表4 1所示的數(shù)據(jù) 其中 IC的數(shù)據(jù)是約等 圖4 16靜態(tài)工作點(diǎn)的測量 注意 三個(gè)電壓表一定直接連接到三極管的三個(gè)極上 不能在電容C1前或電容C2后測量 表4 1中后兩列是計(jì)算值 3 單管共射放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量前面提到 靜態(tài)工作點(diǎn)的合適與否直接影響交流輸出信號的幅值 那么是不是 有了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)后 輸出電壓與信號源的比就一定能夠得到最大值呢 不是的 影響放大倍數(shù)的還有放大電路的幾個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù) 輸入電阻 輸出電阻和帶寬 首先來討論電壓放大倍數(shù)的測量 1 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)有兩種含義 一種是輸出電壓對信號源的比值 即 另一種是輸出電壓對輸入電壓的比值 即 由于Proteus的虛擬信號源都是理想電壓源 沒有內(nèi)阻 所以圖4 16所示的電路中用電阻R6 10k 來模擬信號源內(nèi)阻 當(dāng)然與實(shí)際相比有些大了 真正分到放大電路中的信號電壓是R6的右端 即基極 到地之間 的交流電壓 另外一部分電壓降落在R6上 在輸入端接信號發(fā)生器 在信號發(fā)生器上并聯(lián)一個(gè)交流毫伏表以測信號源電壓的有效值 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為10mV 把示波器接在輸出端 觀察輸出波形 以不失真為準(zhǔn) 斷開負(fù)載電阻使放大電路空載 在輸出端接交流電壓表 運(yùn)行仿真 各表讀數(shù)如圖4 17所示 可計(jì)算合上開關(guān)SW3加上負(fù)載后 輸出電壓的幅值會下降 請大家自己測量和計(jì)算并分析原因 圖4 17空載時(shí)電壓放大倍數(shù)的測量 由于是單管共射放大電路 所以輸出波形和輸入波形是倒相的 放大倍數(shù)應(yīng)該是負(fù)值 示波器的輸入輸出波形如圖4 18所示 圖4 18輸入與輸出波形 2 輸入電阻放大電路的輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的無源網(wǎng)絡(luò)的等效電阻 計(jì)算此電阻要先畫出放大電路的微變等效電路 也可以直接通過實(shí)驗(yàn)方法來測量 這樣更方便和快捷 其原理如下 如圖4 19所示 可以把放大電路的交流通路看成是二端口網(wǎng)絡(luò) 輸入端為含有內(nèi)阻的信號源 輸出端接負(fù)載 其中 Ri為輸入電阻 Ro為輸出電阻 當(dāng)電路設(shè)計(jì)好后 二端口的參數(shù)就確定不變了 空載時(shí) 輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值是定值 但由于二端口外的元件US RS及RL是隨不同的用戶使用而定的 所以根據(jù)兩端串聯(lián)分壓原理 Ri與Ro會分別影響Ui與Uo的值 從而引起輸出電壓的變化而影響電壓放大倍數(shù) 在圖4 19中的輸入端 有 如果知道US RS及Ui 就可以算出Ri 測量輸入電阻的原理就如此 回頭看實(shí)驗(yàn)圖4 17 US 10 3mV Ui 4 07mV RS 10k 則可算出Ri 10 7k 可見 輸入電阻越大 放大電路分得的電壓就越大 輸出電壓就越大 當(dāng)然這里模擬用的內(nèi)阻RS有點(diǎn)過大 圖4 19輸入 輸出電阻測量原理圖 3 輸出電阻根據(jù)圖4 19不難理解 如果把放大電路再看成一個(gè)電壓源 對負(fù)載供電 則輸出電阻Ro就是這個(gè)電壓源的內(nèi)阻 Ro越小 負(fù)載上分得的電壓就越大 放大電路的性能就越好 因此有 其中為空載電壓 測量輸出電阻的實(shí)驗(yàn)是 分別測出空載和帶負(fù)載情況下的輸出電壓 Uo及負(fù)載電阻RL 就可以算出Ro的值 4 帶寬前面分別提到靜態(tài)工作點(diǎn) 交流輸入及輸出電阻會影響放大電路的電壓放大倍數(shù) 但當(dāng)這些參數(shù)都設(shè)計(jì)合理后 是不是放大電路的性能就完美無缺了呢 其實(shí) 前面提到的放大都是對某一固定頻率信號的幅值進(jìn)行的放大 我們在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候 通常把信號頻率調(diào)節(jié)到1kHz 如果保持信號的幅值不變而改變其頻率 會發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)在某些頻段會保持不變 而在另一些頻段則會突然下降 甚至為零 這就是我們所說的頻率響應(yīng) 即頻率對放大倍數(shù)的影響 不同的放大電路的頻率響應(yīng)是不一樣的 這主要是因?yàn)殡娐分械碾娙?耦合電容 旁路電容 極間電容等 的阻抗會隨頻率而改變 從而導(dǎo)致電路的輸入 輸出阻抗變化 影響輸出電壓的大小 在單管共射放大電路中 頻率過高和過低都會造成放大倍數(shù)的衰減 只有在中頻段 放大倍數(shù)才穩(wěn)定不變 這一段的頻率范圍稱為帶寬 通常用fBW來表示 測量單管共射放大電路帶寬的方法是 在放大電路輸入端先加一小信號 比如10mV 1kHz 用示波器觀察輸出電壓波形 要保證輸出波形不失真 調(diào)節(jié)示波器的掃描旋鈕 讓波形集中 調(diào)整示波器的垂直增益 使輸出波形正好占據(jù)10格 如圖4 20所示 圖4 20中頻段輸出波形的幅度 接下來減小信號發(fā)生器的頻率 調(diào)整示波器的掃描旋鈕 使波形在頻率較低的情形下仍能相對集中 以便觀察幅值所占的格數(shù) 繼續(xù)減小信號發(fā)生器的頻率值 直到輸出波形在示波器中所占的格數(shù)減為7格 如圖4 21所示 這時(shí)讀信號發(fā)生器的頻率為13Hz 即放大電路的下限轉(zhuǎn)折頻率fL 以同樣的方法讀出上限轉(zhuǎn)折頻率為400kHz 即fH 這個(gè)放大電路的帶寬fWH fH fL約為400kHz 根據(jù)單管共射放大倍數(shù)頻率響應(yīng)的幅頻特性 如圖4 22所示 在中頻段 即13Hz 400kHz范圍內(nèi) 放大倍數(shù)基本恒定 當(dāng)頻率小于13Hz或大于400kHz時(shí) 放大倍數(shù)按每10倍頻程20分貝的速度上升或衰減 圖中顯示的是理想幅頻特性 其實(shí) 在轉(zhuǎn)折頻率處 中頻放大倍數(shù)要下降3dB 即是原來的0 707倍 圖4 21截止頻率時(shí)的輸出波形的幅度 在本實(shí)驗(yàn)中 因?yàn)檩斎胄盘栁醋?輸出電壓變?yōu)樵瓉淼? 7倍 即放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉淼? 7倍 故改變信號頻率 使輸出電壓的幅值由原來的10格縮為7格時(shí) 即轉(zhuǎn)折頻率所對應(yīng)的幅值 就測出了轉(zhuǎn)折頻率和帶寬 圖4 22單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 4 負(fù)反饋在單管共射放大電路實(shí)驗(yàn)的一開始 我們給出的實(shí)驗(yàn)電路板是一個(gè)含有負(fù)反饋的兩級放大電路 如圖4 12所示 可以判斷出該負(fù)反饋為電壓串聯(lián)負(fù)反饋 因?yàn)殡妷捍?lián)負(fù)反饋能夠使放大電路的輸出電阻變小 輸入電阻增大 拓展了帶寬 從而改善了該兩級放大電路的動(dòng)態(tài)性能 但是所有這些都是以犧牲放大倍數(shù)為代價(jià)的 本實(shí)驗(yàn)我們先分別調(diào)試好兩級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) 然后在斷開負(fù)反饋的情況下 按照前面介紹的方法 測試兩級放大電路的整體輸入電阻 輸出電阻 電壓放大倍數(shù)和帶寬 合上開關(guān)SW2 在接上負(fù)反饋的情況下 把以上四個(gè)參數(shù)再測量一遍 進(jìn)行比較 找出它們之間的關(guān)系 為了節(jié)約時(shí)間 四個(gè)參數(shù)的測量應(yīng)該這樣來做比較方便 比如測輸入電阻 一次把含有負(fù)反饋和不含負(fù)反饋兩種情況都測了 先把開關(guān)SW2撥到斷開位 讀輸入端信號電壓 然后再把開關(guān)SW2撥到閉合位 重讀一遍 其他參數(shù)依此類推 通過測量和比較 得出的結(jié)果是 4 1 3射極跟隨器 共集電極放大電路又叫射極跟隨器 因?yàn)樗碾妷簭纳錁O輸出且與輸入電壓大小幾乎相等 相位一致 就好像輸出電壓總是跟隨輸入電壓的變化一樣 射極跟隨器并不能放大電壓 它能夠放大電流 它的輸入電阻高 輸出電阻低 電路的動(dòng)態(tài)性能比較好 適合做多級放大電路的初級和末級 但由于差動(dòng)放大電路和功率放大電路的出現(xiàn) 在高性能運(yùn)放的輸入級和輸出級一般不使用射極跟隨器 如圖4 23所示 是單管共集放大電路 在該實(shí)驗(yàn)中 我們主要完成以下工作 測量靜態(tài)工作點(diǎn) 測量動(dòng)態(tài)參數(shù) 觀察輸入 輸出波形 圖4 23射極跟隨器實(shí)驗(yàn)電路 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的測試按照圖4 23的接線 先進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試 由于射極跟隨器的電壓不能被放大 所以在調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)需要加比較高的輸入電壓才能觀察到失真的出現(xiàn) 一般從1V加起 逐漸加大 靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整合適后 照圖4 24接線 測量靜態(tài)工作點(diǎn) 注意 測量靜態(tài)工作點(diǎn)所用的都是直流表 測量集電極電位的電壓表可省去 因?yàn)榧姌O直接接12V直流電源 電流表要在屬性對話框中改為毫安表 注意電流從正端流向負(fù)端 測得的數(shù)據(jù)如圖4 24中各電表所示 列于表4 2中 圖4 24射極跟隨器的靜態(tài)工作點(diǎn)測量電路 2 測量動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)仍然是電壓放大倍數(shù) 輸入電阻 輸出電阻和帶寬 照圖4 23接線 運(yùn)行仿真 把信號發(fā)生器的頻率調(diào)為1kHz 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅度使電路的輸入電壓為2V 讀得信號發(fā)生器的電壓有效值為2 02V 輸出電壓有效值為1 99V 于是可以算出各動(dòng)態(tài)參數(shù) 電壓放大倍數(shù) 表4 2射極跟隨器靜態(tài)工作點(diǎn)測量值 輸入電阻輸出電阻保持輸入信號不變 空載和接負(fù)載時(shí)分別測得輸出電壓 如圖4 25和圖4 26所示 可計(jì)算輸出電阻如下 圖4 25射極跟隨器動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量 圖4 26射極跟隨器輸出電阻的測量 通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn) 此射極跟隨器的輸入電阻高達(dá)到200k 輸出電阻低至27 4 電壓放大倍數(shù)接近1但小于1 至于帶寬 讀者可以借鑒前面單管共射放大電路的方法自己來測算 下面來觀察輸入輸出電壓波形 3 觀察輸入輸出波形在以上各動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量過程中 前提是輸出電壓不失真 最好是把示波器接在輸出端 每測量或改變一個(gè)參數(shù) 都要觀察輸出電壓的波形 確保是在不失真狀態(tài)下 現(xiàn)在的主要目的是觀察 對比輸入輸出電壓波形 驗(yàn)證輸出電壓是否與輸入電壓大小相等 方向相同 在輸入端加上使輸出不失真的合適輸入電 壓 使輸出空載 把輸入 輸出分別接到示波器的A B通道 調(diào)節(jié)示波器的掃描旋鈕和A B通道的垂直位移及增益旋鈕 保持兩通道的增益一致 垂直位移稍有不同 否則兩波形將重疊 觀察到的波形如圖4 27所示 由此可驗(yàn)證射極跟隨器名稱的由來 圖4 27射極跟隨器的輸入輸出波形 差動(dòng)放大器用在多級放大電路的第一級 主要目的是減少零漂 與單管共射放大電路相比 差動(dòng)放大器使用了雙倍的元件卻得到同樣的電壓放大倍數(shù) 但它卻具有相當(dāng)高的共模抑制比 即對共模信號的放大倍數(shù)近似為零 差動(dòng)放大器的實(shí)驗(yàn)主要測電路的靜態(tài)工作點(diǎn) 單端和雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Ad 共模電壓放大倍數(shù)Ac及共模抑制比KCMRR 圖4 28是差動(dòng)放大器的實(shí)驗(yàn)電路 其中T3 R1 R2 RE3構(gòu)成恒流源 T3的集電極電流為恒流源的輸出 兩位開關(guān)K用來選擇差動(dòng)放大器射極接電阻還是接恒流源 當(dāng)K撥到左邊 差動(dòng)放大器接10k的射極電阻RE 撥到右邊接恒流源 4 1 4差動(dòng)放大器 共模抑制能力更強(qiáng) RW是調(diào)零電阻 在仿真時(shí) 因?yàn)槲覀兛梢宰龅讲顒?dòng)對管及相應(yīng)的元件完全對稱 而在實(shí)際電路中卻不能 利用調(diào)零電阻RW來調(diào)節(jié)兩個(gè)共射放大電路的對稱性 開關(guān)SW1用來在測靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)短接信號源 圖4 28差動(dòng)放大器實(shí)驗(yàn)電路 1 電路調(diào)零在測各參數(shù)之前 先進(jìn)行電路調(diào)零 如圖4 29所示 在T1 T2管兩集電極之間接一直流伏特表 閉合開關(guān)SW1 把開關(guān)K打在左側(cè) 這時(shí)電路中全部為直流電量 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RW 使電表的讀數(shù)接近零為止 調(diào)零完成 去掉電壓表 保持RW的觸頭位置不變 圖4 29調(diào)零電路 2 測量靜態(tài)工作點(diǎn)在只有直流電源作用的情況下 測得電路中的基極電位 射極電位 集電極電位和集電極電流 照圖4 30連接電路 測得的數(shù)據(jù)如表4 3所示 圖4 30差動(dòng)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)測量電路 3 單端輸出時(shí)的放大倍數(shù)和共模抑制比 1 單端輸出差模電壓放大倍數(shù)打開SW1 在差模輸入端接一信號源 并聯(lián)交流毫伏表 運(yùn)行仿真 調(diào)節(jié)信號源的頻率為1kHz 調(diào)節(jié)信號源的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為200mV 在T1管的集電極接一交流伏特表 如圖4 31所示 最好在T1管集電極接示波器 觀察輸出電壓波形不失真為準(zhǔn) 表4 3差動(dòng)放大器靜態(tài)工作點(diǎn)測量值 先把開關(guān)K撥到左側(cè) 測得T1管的集電極輸出電壓為7 79V 再把開關(guān)K撥到右側(cè) 測得T1管的集電極輸出電壓為6 55V 可計(jì)算出射極分別接電阻和恒流源時(shí)的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為 圖4 31差動(dòng)放大器的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)測量電路 2 單端輸出共模電壓放大倍數(shù)如圖4 32所示 把T1 T2管的兩輸入端并聯(lián) 再接一頻率為1kHz 有效值約為100mV的共模輸入信號 圖4 32差動(dòng)放大器的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)測量電路 先把開關(guān)K撥到左側(cè) 測得T1管的集電極輸出電壓為6 38V 再把開關(guān)K撥到右側(cè) 測得T1管的集電極輸出電壓為4 71V 可分別計(jì)算出射極接電阻和恒流源時(shí)的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)為計(jì)算結(jié)果表明 單端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)小于差模電壓放大倍數(shù) 理想情況下 由于射極電阻較大 共模抑制能力強(qiáng) 共模電壓放大倍數(shù)應(yīng)接近零 但這里無論接10k 的射極電阻還是接恒流源 共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想 即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來 但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下 由于射極電阻較大 共模抑制能力強(qiáng) 共模 放大倍數(shù)應(yīng)接近零 但這里無論接10k 的射極電阻還是接恒流源 共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想 即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來 但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下 第二種接法共模電壓放大倍數(shù)要小些 效果更好些 這只是測試電路 日常應(yīng)用中的共模輸入電壓一般來自溫度或其他因素 非我們故意加之 而是系統(tǒng)輸入中所不能剔除的部分 通過差動(dòng)電路來抑制 3 單端輸出時(shí)的共模抑制比把單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)比上共模電壓放大倍數(shù) 它們的絕對值即共模抑制比 能反映一個(gè)電路對共模信號的抑制能力 此值越大越好 可求得本實(shí)驗(yàn)電路接射極接電阻和接電流源時(shí)的共模抑制比分別為4 雙端輸出時(shí)的放大倍數(shù)和共模抑制比按照前面介紹的差模輸入信號和共模輸入信號的接法 在輸入端分別接1kHz 有效值約為100mV的差模和共模輸入信號 在T1和T2管的集電極之間接一交流電壓表 測得雙端輸出時(shí)的差模輸出電壓和共模輸出電壓分別為7 26V和0V 如圖4 33所示 a 差模輸出 b 共模輸出 圖4 33差動(dòng)放大器的雙端輸出測量電路 可算出雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù) 共模電壓放大倍數(shù)以及共模抑制比分別為可見 雙端輸出時(shí)的共模抑制能力最強(qiáng) 而我們平時(shí)所見的電路大部分在差動(dòng)電路后面還要接單端輸入電路 故單端輸出應(yīng)用比較多 這就要求射極電阻足夠大 最好接理想恒流源 它的電阻接近 5 輸出波形的觀察在差模輸入時(shí) 如果輸入信號的正極性端接T1管的基極 由于共射電路的倒相性 單端輸出從T1管的集電極對地的輸出電壓是和輸入差模信號倒相的 相反 對于同樣的輸入信號 從T2管的集電極輸出電 壓是和輸入電壓同相的 如圖4 34所示 分別是單端輸出時(shí)的兩個(gè)輸出電壓及差模輸入電壓 請大家判斷分別是哪個(gè)波形 雙端輸出時(shí) 如果選擇T1管的集電極為輸出電壓的正極性端 則輸出電壓與輸入電壓同相 否則反相 圖4 34單端輸出時(shí)的電壓波形 這里要討論的低頻功率放大器是一個(gè)OTL 無輸出變壓器 電路 5V單直流電源供電 輸出端接1000 F的大電容 通過充放電 做負(fù)電源使用 原理上和OCL電路還是一樣的 如圖4 35所示 電路中采用由R5 C3組成的自舉電路來抬高A點(diǎn)的電位 在本實(shí)驗(yàn)中 我們主要調(diào)試和觀察交越失真波形 測量最大不失真輸出電壓及計(jì)算最大輸出效率 4 1 5低頻功率放大器 圖4 35低頻功率放大器 1 觀察交越失真波形照圖4 35連接 并連接直流電壓表和直流毫安表 調(diào)節(jié)RV1 使A點(diǎn)的直流電位達(dá)到2 5V 調(diào)節(jié)RV2使毫安表的讀數(shù)在5 10mA之間 這時(shí) 兩個(gè)管子的VCE均為2 5V 電容C2通過直流電源 T1和8 揚(yáng)聲器負(fù)載充電至2 5V 圖4 36輸出波形的交越失真現(xiàn)象 圖4 35中的RV2和D1是專門用來消除輸出波形的交越失真的 但現(xiàn)在我們故意來調(diào)節(jié)RV2使Q2與Q3兩基極間電壓減小 從而在輸出波形中出現(xiàn)交越失真 首先對圖4 35做些改動(dòng) 斷開C1與地之間的短路線 接交流信號發(fā)生器 在C2后接示波器 運(yùn)行仿真 使信號發(fā)生器的頻率為1kHz 調(diào)節(jié)其幅值 觀察示波器上的波形使其不出現(xiàn)上下頂失真 接下來把RV2往下調(diào) 直到輸出波形出現(xiàn)交越失真為止 如圖4 36所示 2 最大不失真輸出電壓及輸出效率觀察了交越失真之后 繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RV2 使其值變大 直至交越失真消失為止 然后加大輸入信號的幅值 使輸出波形上下頂出現(xiàn)失真 然后調(diào)節(jié)RV1 使失真對稱 減小輸入信號幅值 觀察失真是否真的對稱 這樣反復(fù)調(diào)節(jié)RV1和減小輸入信號幅值 直到輸出波形上下頂?shù)牟ㄐ问д鎰倓偼瑫r(shí)消失為止 這時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)是合適的 測量此時(shí)的輸出電壓有效值 即為最大輸出電壓 方法是在輸出端接一交流電壓表 讀出電壓表的讀數(shù)Uo 425mV 這個(gè)輸出電壓有點(diǎn)小的原因主要是兩個(gè)功放管性能不是太匹配 輸出效率等于最大不失真輸出電壓時(shí) 負(fù)載功率與直流電源功率的比值 在圖4 35中 我們可以讀出直流電源的電流為7 79mA 電壓為5V 則功率PE為電路的效率 為 4 1 6RC正弦波振蕩器 正弦波振蕩器由四部分組成 分別是放大電路 選頻網(wǎng)絡(luò) 正反饋電路和穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 正弦波振蕩電路的典型特征是無交流輸入信號 卻在輸出端產(chǎn)生了正弦波輸出信號 它的原理是 在直流電源閉合的一瞬間 頻率豐富的干擾信號串入振蕩電路的輸入端 經(jīng)過放大后出現(xiàn)在電路的輸出端 但是由于幅值很小而頻率又雜 不是我們希望的輸出信號 此信號再經(jīng)過選頻兼正反饋網(wǎng)絡(luò) 把某一頻率信號篩選出來 而其他信號被抑制 再送回放大電路的輸入端 整個(gè)電路的回路增益應(yīng)略大于1 這樣不斷的循環(huán)放大 得到失真的輸出信號 最后經(jīng)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可輸出一個(gè)頻率固定 幅值穩(wěn)定的正弦波信號 正弦波振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4 37所示 根據(jù)正弦波振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來區(qū)分和命名正弦波振蕩電路 RC電路有RC串并聯(lián)振蕩電路 三節(jié)RC移相式振蕩電路和雙星型振蕩電路 LC電路有變壓器反饋式振蕩電路 電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式振蕩電路以及石英晶體振蕩電路等 本實(shí)驗(yàn)介紹RC串并聯(lián)振蕩電路 如圖4 38所示 這個(gè)電路共由三部分組成 T1 T2組成的兩級共射放大電路 R1 C1 R2 C2組成的串并聯(lián)選頻兼正反饋網(wǎng)絡(luò)以及RW和RF組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 圖4 37正弦波振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖 先把滑動(dòng)變阻器RW調(diào)到最上邊 使引入負(fù)反饋?zhàn)钊?放大電路的放大倍數(shù)最大 合上開關(guān)SW1 觀察示波器的波形如圖4 39左圖所示 出現(xiàn)失真波形 慢慢向下調(diào)節(jié)RW 加大負(fù)反饋?zhàn)饔?輸出波形逐漸化成圖4 39右圖所示的正弦波 圖4 38RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路 電路的頻率由R1 R2 和C1 C2 決定 即可以讀出示波器的掃描旋鈕刻度為0 1ms 格 一個(gè)正弦波周期所占的格數(shù)約為10格 算出周期為1ms 即頻率為周期的倒數(shù)1kHz 這與通過參數(shù)計(jì)算的結(jié)果基本一致 圖4 39正弦波振蕩電路的輸出波形 4 2直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 利用Proteus來設(shè)計(jì)綜合模擬電路非常方便 它有豐富的元件庫及仿真儀器 能夠節(jié)約時(shí)間和元件成本 縮短設(shè)計(jì)周期 調(diào)試方便 并且設(shè)計(jì)的一次成功率高 本節(jié)我們一起來設(shè)計(jì)一個(gè)模擬電子技術(shù)中常用的電路 通過例子對Proteus各種功能的綜合應(yīng)用更加得心應(yīng)手 直流穩(wěn)壓電源是大家頗為熟悉的電路了 這里我們設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 具體要求如下 輸出電壓在1 25V 37V可調(diào) 最大輸出電流為1 5A 電壓調(diào)整精度達(dá)0 1 1 題目分析直流穩(wěn)壓電源的作用是通過把50Hz的交流電變壓 整流 濾波和穩(wěn)壓從而使電路變成恒定的直流電壓 供給負(fù)載 如圖4 40所示 設(shè)計(jì)出的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)不以電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變換而改變 圖4 40直流穩(wěn)壓電源的組成 直流穩(wěn)壓電源的種類有很多 常用的是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 而由于集成技術(shù)的發(fā)展 集成穩(wěn)壓器件方便而可靠 逐漸代替了串聯(lián)直型直流穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管及相關(guān)電路 主要的集成穩(wěn)壓器件有 固定式穩(wěn)壓器件W78XX和W79XX 可調(diào)式穩(wěn)壓器件W117 W217和W317 W78XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定正電壓 而W79XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定負(fù)電壓 它們的輸出電壓各有7個(gè)等級 W78XX輸出電壓有5V 6V 9V 12V 15V 18V和24V 如W7805輸出 5V直流電壓 W7809輸出 9V直流電壓 輸出電流有三個(gè)等級 分別為1 5A 0 5A M 和0 1A L 如W7805最大輸出電流為1 5A W78M05最大輸出電流為0 5A W78L05最大輸出電流為0 1A 可調(diào)式穩(wěn)壓器件LM117 LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路 LM117 LM317的輸出電壓范圍是1 25V至37V 負(fù)載電流最大為1 5A 它的使用非常簡單 僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓 此外 它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好 LM117 LM317內(nèi)置有過載保護(hù) 安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路 調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高得多的紋波抑制比 LM117 LM317有許多特殊的用法 比如把調(diào)整端懸浮到一個(gè)較高的電壓上 可以用來調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓 只要輸入輸出電壓差不超過LM117 LM317的極限就行 當(dāng)然還要避免輸出端短路 還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程電壓上 實(shí)現(xiàn)可編程的電源輸出 可調(diào)整輸出電壓低到1 2V 保證1 5A輸出電流 典 型線性調(diào)整率0 01 典型負(fù)載調(diào)整率0 1 80dB紋波抑制比 輸出短路保護(hù) 過流 過熱保護(hù) 調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù) 標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝 LM117 LM317在1 25V至37V之間連續(xù)可調(diào) 調(diào)整端的電流可忽略不計(jì) 因而有其中 UREF是集是穩(wěn)壓器件的輸出電壓 為1 25V 如圖4 41所示 改變R2的值 UO的值即可改變 當(dāng)R2短路時(shí) UO最小 為UREF即1 25V 當(dāng)R2大于零時(shí) UO都大于UREF 最大可達(dá)37V 集成穩(wěn)壓器件的封裝如圖4 42所示 圖4 41集成可調(diào)直流穩(wěn)壓器件的接法 圖4 42集成直流穩(wěn)壓器件的封裝 2 電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上分析 我們來設(shè)計(jì)一個(gè)由集成穩(wěn)壓器件構(gòu)成的直流可調(diào)穩(wěn)壓電源 按照圖4 40所示的直流穩(wěn)壓電源的組成 來分步