電路CAA課設(shè)任務(wù)書(單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)及交流掃描分析)

1、1 概述1.1 PSpice簡介一、 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸進(jìn)入電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。模擬電路中的電路分析、數(shù)字電路中的邏輯模擬，甚至是印制電路板、集成電路版圖等等都開始采用計(jì)算機(jī)輔助工具來加快設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)成功率。而大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得原始的設(shè)計(jì)方法無論是從效率上還是從設(shè)計(jì)精度上已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前電子工業(yè)的要求，所以采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來完成電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)勢在必行。同時(shí)，微機(jī)以及適合于微機(jī)系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的迅速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成為提高電子線路設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量的不可缺少的重要工具。 在電路設(shè)計(jì)工作方面，最初使用的是Protel公司DOS版本的Ta

2、ngo軟件，在當(dāng)時(shí)這一軟件被看作是多么的先進(jìn)，因?yàn)樵谶@以前沒有人能像電腦那樣快速、準(zhǔn)確的畫出電路圖，制出電路板。如今，隨著Windows95/98及NT操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，一些更方便、快捷的電路設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生。如：Tango、Protel、OrCAD、PSpice、Electronics Workbench、VeriBest、PAD2000等。PSpice是較早出現(xiàn)的EDA(Electronic Design Automatic,電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件之一，也是當(dāng)今世界上著名的電路仿真標(biāo)準(zhǔn)工具之一，1984年1月由美國Microsim公司首次推出。它是由Spice發(fā)展

3、而來的面向PC機(jī)的通用電路模擬分析軟件。 Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的電路仿真程序，它在眾多的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具軟件中，是精度最高、最受歡迎的軟件工具。隨后，版本不斷更新，功能不斷完善?；贒OS操作系統(tǒng)的PSpice5.0以下版本自80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用。目前廣泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年開發(fā)的基于Windows環(huán)境的仿真程序，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的

4、EDA商業(yè)軟件開發(fā)商OrCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice產(chǎn)品正式并入OrCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中,成為OrCAD/PSpice。但PSpice仍然單獨(dú)銷售和使用，推出的最新版本為PSpice 9.1。PSpice軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成網(wǎng)表，模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序

5、中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點(diǎn)使得PSpice受到廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。 在國外，PSpice軟件的使用非常流行。在大學(xué)里，它是工科類學(xué)生必會(huì)的分析與設(shè)計(jì)電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到定型過程中不可缺少的設(shè)計(jì)工具。世界各國的半導(dǎo)體元件公司為它提供了上萬種模擬和數(shù)字元件組成的元件庫，使PSpice軟件的仿真更可靠，更真實(shí)。 PSpice軟件幾乎完全取代了電路和電子電路實(shí)驗(yàn)中的元件、面包板、信號源、示波器和萬用表。有了此軟件就相當(dāng)有了電路和電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室。 1.2 PSpice的優(yōu)越性電路設(shè)計(jì)

6、軟件有很多，它們各有特色。如Protel和Tango，它對單層/雙層電路板的原理圖及PCB圖的開發(fā)設(shè)計(jì)很適合，而對于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來說OrCAD更有優(yōu)勢。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSpice可以說獨(dú)具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSpice軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。其主要優(yōu)點(diǎn)有： 1. 圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡單 由Dos版本的PSpice到Windows版本的PSpice，使得該軟件由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSpice 60

7、以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實(shí)際操作很快掌握該軟件。 2. 實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好 在PSpice中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。 3. 功能強(qiáng)大，集成度高 在PSpice內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪

8、聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無法比擬的。 另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows版本的PSpice更優(yōu)于Dos版本的PSpice，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是

9、廣大電子電路設(shè)計(jì)師的好幫手。2 理論分析圖2-1電路原理圖2.1靜態(tài)分析和直流通道所謂放大電路的靜態(tài)是指輸入信號為零時(shí)的工作狀態(tài)。在靜態(tài)情況下，電路中各處的電壓和電流均為直流，分別用、和和表示。所謂直流通路就是放大電路處于靜態(tài)時(shí)直流電流流通的路徑。（一）分析放大電路靜態(tài)的方法通常有估算法和圖解法兩種。1. 用估算法確定。靜態(tài)工作點(diǎn)為，其中，。2. 用圖解法確定。所謂圖解法，就是利用晶體管的特性曲線，用作圖的方法來分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察輸出信號的電壓變化情況。晶體管是一種非線性元件，其集電極電流與集電極發(fā)射極間的電壓之間不是線性關(guān)系。可利用晶體管的輸出特性曲線，采用作圖的方法求放大電路的

10、靜態(tài)值，此靜態(tài)值表現(xiàn)為輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)，稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過圖解法能夠直觀地分析并了解到靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路工作的影響。 （二）放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)與失真的關(guān)系。如果靜態(tài)工作點(diǎn)選在放大區(qū)的中間,這時(shí)輸出電壓的波形和輸入電壓波形是相似的正弦波,這時(shí)稱為線性動(dòng)態(tài)范圍相反。如果靜態(tài)工作點(diǎn)沒有選擇在放大區(qū)，而是沿負(fù)載線偏上或者偏下，這時(shí)輸出的電壓波形可能進(jìn)入三極管輸出特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)，進(jìn)入這兩個(gè)區(qū)的輸出電壓信號不能保證與輸入電壓信號相似，這種情況的輸出信號叫做非線性失真，其中進(jìn)入截止區(qū)的失真稱截止失真；進(jìn)入飽和區(qū)的失真稱為飽和失真。2.2動(dòng)態(tài)分析與交流通道 所謂放大電路的動(dòng)態(tài)時(shí)指

11、放大電路接入交流信號（或變化信號），電路中各電流和電壓的變化情況。動(dòng)態(tài)分析是了解放大電路信號的傳輸過程和波形變化。直流分量與交流分量共存是放大電路的特點(diǎn)，但在分析問題是，有時(shí)只考慮交流問題，而忽略直流的影響，這就是交流信號所作用的電路，及交流通道。（二）分析放大電路的交流信號。放大電路加入輸入信號的工作狀態(tài)即為動(dòng)態(tài)。在分析放大電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用交流通路。從圖可以看出電路帶上負(fù)載，輸出電壓是集電極電流流過并聯(lián)電阻所產(chǎn)生的電壓，即當(dāng)確定后輸出電壓決定于；交流負(fù)載線的斜率是-要確定這條線必須有一點(diǎn)，即是靜態(tài)工作Q點(diǎn)，所以交流負(fù)載線是輸出特性上過Q點(diǎn)，且斜率為的直線。交流負(fù)載線的物理意義是：放

12、大器動(dòng)態(tài)時(shí)工作點(diǎn)移動(dòng)的軌跡。3 運(yùn)行結(jié)果3.1靜態(tài)工作點(diǎn)分析（1）用Capture軟件畫好電路圖。（2）建立模擬類型分組。建立模擬類型分組是為了便于管理。在Capture的原理圖編輯窗口（Schematic1：Page下單擊PSpice/New Simulation Profire命令。在Name欄鍵入模擬類型組的名稱。（3）設(shè)置分析類型與參數(shù)。完成類型模擬分組DC，單擊Creat按鈕，在出現(xiàn)對話框中的Analysis type選中Bias Point。在Option欄中選General Settings。在Output File Options欄中選Include detailed項(xiàng)。（4）

13、正弦信號源的設(shè)定。它共有6個(gè)參數(shù)需要設(shè)置。（5）BJT晶體管的值設(shè)為100.單擊三極管使之激活，即可更改。（6）運(yùn)行PSpice。圖3-1靜態(tài)工作Q點(diǎn)3.2 交流掃描分析（1）用Capture軟件畫好電路圖。信號源選用，交流電壓源VAC，幅值是0.1V。（2）設(shè)置分析類型與參數(shù)。模擬類型組用AC，在Analysis Type欄中選AC Sweep/Noise。在options選General Settings，在AC Sweep/Noise中設(shè)置Start填入1k在End填入10M在Points/decade欄填入4，即在該頻率范圍內(nèi)每10倍頻間隔計(jì)算4個(gè)點(diǎn)。（3）運(yùn)行PSpice并查看分析結(jié)

14、果。在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Trances命令，在Add Trances對話框中，用光標(biāo)點(diǎn)中V(1)，單擊OK，即顯示單端輸出的頻率特性曲線。在下端的Trances Expression文本中鍵入V（1，2）單擊OK即顯示雙端輸出的頻率特性曲線。（4）查看雙端輸出是電壓增益的波特圖。在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Trances命令，在下端的Trances Expression文本中鍵入DB（V（1）/V（Vs：+），即顯示電壓增益的幅頻特性曲線。即將增益V（1）/V（Vs：+）轉(zhuǎn)換成分貝表示。,即顯示電壓增益的相頻特性曲線。圖3-2輸入電壓波形圖3-3輸出電壓

15、波形圖3-4輸出電壓的幅頻特性曲線3-5輸出電壓的相頻特性曲線4 圖表分析與總結(jié)（1）根據(jù)圖3-1分析知道靜態(tài)工作點(diǎn)Q的計(jì)算符合公式，。靜態(tài)分析時(shí)，應(yīng)注意直流通路（原則是大電容開路，大電感短路，直流電源不變信號源短路但，保留內(nèi)阻.)然后利用上述公式計(jì)算單光共射極放大電路。對放大電路的要求，應(yīng)輸出電壓盡可能大，但它受到三極管的非線性的限制。當(dāng)信號過大或工作點(diǎn)選取不合適，輸出電壓波形將產(chǎn)生失真。（2）當(dāng)交流信號源輸入時(shí)（交流通路理性狀態(tài)直流電源內(nèi)阻為零，通常視直流電源交流短路，即直流電源是交流地）根據(jù)圖形得知交流輸入電壓時(shí)，輸出電壓大放大頻率響應(yīng)幅頻特性曲線知，電路圖為單擊放大器的高頻響應(yīng)。頻率大于一定數(shù)值時(shí)，交流信號輸入時(shí)可能不會(huì)有輸出電壓，是較高頻率信號濾過.。（3）總