第6章模擬電子技術(shù)MULTISIM仿真實(shí)驗(yàn)課件

第6章

模擬電子技術(shù)Multisim仿真實(shí)驗(yàn)

6.1二極管特性仿真實(shí)驗(yàn)

6.2單相整流濾波電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.3單管共發(fā)射極放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.4射極跟隨器仿真實(shí)驗(yàn)

6.5差動(dòng)放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.6負(fù)反饋放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.7正弦波振蕩電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.8集成運(yùn)放線性應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)

6.9電壓比較器仿真實(shí)驗(yàn)

6.10有源濾波電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.11功率放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.12串聯(lián)穩(wěn)壓電路仿真實(shí)驗(yàn)

6.1二極管特性仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)測(cè)量二極管的伏安特性，掌握二極管各工作區(qū)的特點(diǎn)。

(2)掌握二極管正向電阻、反向電阻的特性。

(3)用溫度掃描的方法測(cè)試二極管電壓及電流隨溫度變化的情況，了解溫度對(duì)二極管的影響。2．實(shí)驗(yàn)原理

半導(dǎo)體二極管主要是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，為非線性元件，具有單向?qū)щ娦浴Ｒ话愣O管的伏安特性可劃分成4個(gè)區(qū)：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)。

3．實(shí)驗(yàn)電路

(1)測(cè)試二極管正向伏安特性電路，如圖6-1所示。

圖6-1測(cè)試二極管正向伏安特性電路

(2)測(cè)試二極管反向伏安特性電路，如圖6-2所示。

圖6-2測(cè)試二極管反向伏安特性電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量二極管的正向伏安特性。

按圖6-1連接電路，按a鍵或Shift+a鍵改變電位器的大小，先將電位器的百分?jǐn)?shù)調(diào)為0%，再逐漸增加百分?jǐn)?shù)，從而可改變加在二極管兩端正向電壓的大小。啟動(dòng)仿真開關(guān)，將測(cè)量的結(jié)果依次填入表6-1中。

表6-1正向伏安特性測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：從表6-1中RD的值可以看出，二極管的電阻值不是一個(gè)固定值。當(dāng)在二極管兩端加正向電壓時(shí)，若正向電壓比較小，則二極管呈現(xiàn)很大的正向電阻，正向電流非常小，稱為“死區(qū)”。當(dāng)二極管兩端的電壓達(dá)到0.6V左右時(shí)，電流急劇增大，電阻減小到只有幾十歐姆，而兩端的電壓幾乎不變，此時(shí)二極管工作在“正向?qū)▍^(qū)”。

(2)測(cè)量二極管的反向伏安特性。

按圖6-2連接電路。改變RW的百分比，啟動(dòng)仿真開關(guān)，將測(cè)量的結(jié)果依次填入表6-2中。

表6-2反向伏安特性測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：由表6-2所示的測(cè)試結(jié)果可知，二極管加上反向電壓時(shí)，電阻很大，電流幾乎為0。比較表6-1和表6-2，二極管反偏電阻大、而正偏電阻小，說明二極管具有單向?qū)щ娦?。但若加在二極管上的反向電壓太大時(shí)，二極管進(jìn)入反向擊穿區(qū)，反向電流急劇增大，而電壓值變化很小。

(3)研究溫度對(duì)二極管參數(shù)的影響。

對(duì)圖6-1所示電路進(jìn)行溫度掃描分析，RW調(diào)到70%，啟動(dòng)分析菜單中的TemperatureSweep選項(xiàng)，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中的SweepVariationType欄選擇List，在Value欄輸入掃描的溫度0、27和100，選擇節(jié)點(diǎn)6為分析變量，點(diǎn)擊Simulate按鈕，仿真結(jié)果如圖6-3所示。

圖6-3溫度掃描的結(jié)果

5．結(jié)論

隨著溫度的升高，二極管的正向壓降減少，PN結(jié)具有負(fù)的溫度特性。

6.2單相整流濾波電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)連接一個(gè)單相橋式整流濾波電路，掌握電路的結(jié)構(gòu)形式。

(2)測(cè)量電路中各電壓波形，掌握整流濾波電路的工作原理。

2．實(shí)驗(yàn)原理

(1)利用二極管的單向?qū)щ娦?，將正?fù)變化的交流電變成單一方向的脈動(dòng)電。常見的電路形式有半波整流、全波整流和橋式整流。

(2)利用電容的“通交隔直”的特性，將整流后脈動(dòng)電壓中的交流成分濾除，得到較平滑的電壓波形。

3．實(shí)驗(yàn)電路

單向整流濾波實(shí)驗(yàn)電路如圖6-4所示，將電路中XMM1調(diào)到交流電壓擋，XMM2調(diào)到直流電壓擋。當(dāng)J1開關(guān)打開時(shí)，電路是一個(gè)橋式整流電路；當(dāng)J1開關(guān)閉合時(shí)，電路是一個(gè)橋式整流電容濾波電路。

圖6-4單相整流濾波實(shí)驗(yàn)電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量變壓器的輸出波形。變壓器后的電路暫不要連接，用示波器測(cè)量變壓器的輸入、輸出波形，輸出波形與輸入波形完全相同，只是幅度不同，如圖6-5所示。

(2)將電路按圖6-4所示電路進(jìn)行連接，先將J1斷開，用示波器同時(shí)觀察輸入波形和橋式整流輸出波形，波形如圖6-6所示。同時(shí)打開萬用表讀取數(shù)據(jù)，U1≈21.972V，U2≈18.468V。

(3)將J1閉合，用示波器再次同時(shí)觀察輸入波形和整流濾波后的輸出波形，波形如圖6-7所示。同時(shí)讀取萬用表的數(shù)據(jù)，U1≈21.972V，U2≈27.474V。

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

觀察圖6-5、圖6-6和圖6-7所示波形圖，可知變壓器只改變初次級(jí)電壓幅度，不改變其波形；經(jīng)橋式整流后，變壓器將正、負(fù)變化的交流電壓變換成了單一方向的全波脈動(dòng)電壓；再經(jīng)過電容濾波，把脈動(dòng)電壓中的交流成分濾掉，輸出較平滑的電壓波形。

從測(cè)得數(shù)據(jù)分析，橋式整流后負(fù)載上的平均電壓約是輸入電壓有效值的0.9倍；經(jīng)過濾波后，輸出電壓的平均值增加了，負(fù)載上的電壓約是輸入電壓的1.2倍。

圖6-5變壓器輸入、輸出波形

圖6-6橋式整流電路的輸入、輸出波形

圖6-7橋式整流電容濾波電路的輸入、輸出波形

6．問題探討

(1)將橋式整流電路中的一個(gè)二極管開路，重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有什么變化？

(2)將負(fù)載電阻R1改為10Ω，觀察輸出波形的變化。

6.3單管共發(fā)射極放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)建立單管共發(fā)射極放大電路。

(2)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察靜態(tài)工作點(diǎn)的改變對(duì)輸出波形和電壓放大倍數(shù)的影響。

(3)測(cè)量電路的放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。

2．實(shí)驗(yàn)原理

晶體三極管具有電流放大作用，可構(gòu)成共射、共基、共集三種組態(tài)放大電路。為了保證放大電路能夠不失真地放大信號(hào)，電路必須要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，信號(hào)的傳輸路徑必須暢通，而且輸入信號(hào)的頻率要在電路的通頻帶內(nèi)。

3．實(shí)驗(yàn)電路

在第2章中我們創(chuàng)建了一個(gè)單管共射放大電路，并對(duì)它進(jìn)行了簡單的仿真，下面我們繼續(xù)仿真分析該電路，如圖6-8所示。

圖6-8單管共發(fā)射極放大電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)放大電路基極電阻RW，可以改變UB的大小，從而改變?nèi)龢O管的靜態(tài)工作點(diǎn)，用示波器監(jiān)測(cè)輸出波形，當(dāng)RW調(diào)到30%時(shí)電路處于放大狀態(tài)。這時(shí)可用儀表測(cè)量電路的靜態(tài)值，也可采用靜態(tài)工作點(diǎn)分析方法分析得到電流的靜態(tài)值。詳細(xì)的仿真過程見第2章第2.2節(jié)。

(2)測(cè)試電壓放大倍數(shù)。當(dāng)電路處于放大狀態(tài)時(shí)，用示波器或萬用表的交流電壓擋測(cè)量輸入、輸出信號(hào)，用公式AV?=

Uo/Ui算出電路的放大倍數(shù)。示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-9所示，根據(jù)示波器參數(shù)的設(shè)置和波形的顯示可以知道輸出信號(hào)的最大值Uom

=?1000mV，輸入信號(hào)的最大值Uim

=?100?mV，放大倍數(shù)Av?=

Uom/Uim

=?1000?mV/100?mV?=?10。再注意到輸入、輸出波形是反相的關(guān)系，它的放大倍數(shù)應(yīng)該是負(fù)值，所以Av?=?-10。

圖6-9處于放大狀態(tài)的波形

(3)測(cè)量輸入電阻。測(cè)量輸入電阻時(shí)的電路如圖6-10所示，接入輔助測(cè)試電阻R1，用示波器監(jiān)測(cè)輸出波形要求不失真，電壓表和電流表設(shè)置為交流“AC”狀態(tài)，讀取電壓表和電流表的數(shù)據(jù)。

電路的輸入電阻為

圖6-10測(cè)量輸入電阻時(shí)的電路

(4)測(cè)量輸出電阻。測(cè)量輸出電阻時(shí)的電路如圖6-11所示，在負(fù)載支路加一個(gè)開關(guān)J1，在J1斷開時(shí)測(cè)量輸出電壓Uo1，在J1閉合時(shí)測(cè)量輸出電壓Uo2，Uo1、Uo2測(cè)量值如圖6-12所示。

圖6-11測(cè)量輸出電阻時(shí)的電路

圖6-12開關(guān)斷開和閉合輸出電壓測(cè)量結(jié)果

(5)測(cè)量電路的頻率特性。電路頻率特性的測(cè)量有兩種方法，一種是使用波特圖儀來測(cè)量，另一種是采用交流分析法分析得到電路的頻率特性曲線。下面采用交流分析的方法測(cè)量電路的頻率特性。

將RW調(diào)在30%的位置，電路處于放大狀態(tài)。啟動(dòng)分析菜單中的ACAnalysis...菜單命令，在打開的對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，選擇輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)為分析節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖6-13所示。

圖6-13電路仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻率的高端放大倍數(shù)很大，通頻帶很寬，這與實(shí)際電路是不相符的，原因在于在這次實(shí)驗(yàn)電路中采用的三極管是虛擬三極管。若將虛擬三極管更換成現(xiàn)實(shí)元件2N2222A元件再仿真一次，得到的仿真波形如圖6-14所示。顯示數(shù)軸，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以測(cè)得電路的下限頻率f1≈59Hz，上限頻率f2≈6.3MHz，通頻帶BW=f2-f1=6.3MHz-59Hz=6.24MHz。

圖6-14仿真結(jié)果

5．結(jié)論

(1)要使放大電路工作在放大狀態(tài)，必須給三極管加上合適的靜態(tài)偏置。

(2)共射放大電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)是反相的。

(3)共射放大電路的輸入電阻較大，輸出電阻也較大。

(4)電路在通頻帶內(nèi)具有放大能力，超出通頻帶的頻率范圍，放大倍數(shù)減小。

(4)仿真時(shí)盡量采用現(xiàn)實(shí)元件箱中的元件，使仿真更接近于實(shí)際情況。

6．問題探討

(1)如何確定最佳的靜態(tài)工作點(diǎn)？

(2)將發(fā)射極旁路電容C2拆除，對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)有什么影響？對(duì)交流信號(hào)有什么影響?

(3)如何提供本次實(shí)驗(yàn)電路的放大倍數(shù)？

6.4射極跟隨器仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)進(jìn)一步掌握靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法，深入理解靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。

(2)調(diào)節(jié)電路的跟隨范圍，使輸出信號(hào)的跟隨范圍最大。

(3)測(cè)量電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。

(4)測(cè)量電路的頻率特性。

2．實(shí)驗(yàn)原理

在射極跟隨器電路中，信號(hào)由基極和地之間輸入，由發(fā)射極和地之間輸出，集電極交流等效接地，所以，集電極是輸入/輸出信號(hào)的公共端，故稱為共集電極電路。又由于該電路的輸出電壓是跟隨輸入電壓變化的，所以又稱為射極跟隨器。

3．實(shí)驗(yàn)電路

射極跟隨器電路如圖6-15所示。

圖6-15射極跟隨器

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整。按圖6-15連接電路，輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅度為100mV、頻率為1kHz的正弦信號(hào)。調(diào)節(jié)RW，使信號(hào)不失真輸出。

(2)跟隨范圍調(diào)節(jié)。增大輸入信號(hào)直到輸出出現(xiàn)失真，觀察出現(xiàn)了飽和失真還是截止失真，再增大或減小RW

，使失真消除。再次增大輸入信號(hào)，若出現(xiàn)失真，再調(diào)節(jié)RW

，使輸出波形達(dá)到最大不失真輸出，此時(shí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是最佳工作點(diǎn)，輸入信號(hào)是最大的跟隨范圍。最后輸入信號(hào)增加到4V，RW調(diào)在6%，電路達(dá)到最大不失真輸出。最大輸入、輸出信號(hào)波形如圖6-16所示。

圖6-16最大輸入、輸出信號(hào)波形

(3)測(cè)量電壓放大倍數(shù)。觀察圖6-16所示輸入、輸出波形，射極跟隨器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，幅度基本相等，所以，放大倍數(shù)AV≈1。

(4)測(cè)量輸入電阻。測(cè)量輸入電阻電路如圖6-17所示，在輸入端接入電阻R6=1kW

，XMM1調(diào)到交流電流擋，XMM2調(diào)到交流電壓擋，輸入端輸入頻率為1000Hz，電壓為1V的輸入信號(hào)，示波器監(jiān)測(cè)輸出波形不能失真。打開仿真開關(guān)，兩臺(tái)萬用表的讀數(shù)如圖6-18所示。所以，電路的輸入電阻為

圖6-17輸入電阻測(cè)試電路

圖6-18測(cè)量結(jié)果

(5)測(cè)量輸出電阻。在測(cè)量共射極放大電路的輸出電阻時(shí)，采用的是不接負(fù)載時(shí)測(cè)一次輸出電壓，再接負(fù)載測(cè)一次，通過計(jì)算得到輸出電阻的大小。這里再介紹一種測(cè)量輸出電阻的方法，即將電路的輸入端短路，將負(fù)載拆除，在輸出端加交流電源，測(cè)量輸出端的電壓和電流，如圖6-19所示。

電路的輸出電阻為

圖6-19輸出電阻測(cè)試電路

(6)測(cè)量電路的頻率特性。采用波特圖儀來測(cè)量電路的頻率特性。波特圖儀的連接如圖6-20所示。打開波特圖儀的面板，圖6-21所示是幅頻特性曲線，圖6-22所示是相頻特性曲線，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如圖中所示。移動(dòng)數(shù)軸，可以讀取電路的下限頻率和上限頻率，求得通頻帶。并且從幅頻曲線可以知道，在通頻帶內(nèi)，輸出與輸入的比約為1∶1；從相頻曲線可以看到，在通頻帶內(nèi)，電路的輸出與輸入相位差為0，說明輸出與輸入信號(hào)同相。

圖6-20波特圖儀測(cè)量電路的頻率特性

圖6-21幅頻特性曲線

圖6-22相頻特性曲線

5．結(jié)論

射極跟隨器具有下列特點(diǎn)：

(1)電壓放大倍數(shù)接近于1，輸出與輸入同相，輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的變化，電路沒有電壓放大能力。

(2)輸入電阻高，輸出電阻低，說明電路具有阻抗變換作用，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

6.5差動(dòng)放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建差動(dòng)放大電路，熟悉差動(dòng)放大電路的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2)分析差動(dòng)放大電路的放大性能，掌握差動(dòng)放大電路差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)和共模抑制比的測(cè)量。

(3)觀察和了解差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制能力。

2．實(shí)驗(yàn)原理

基本差動(dòng)放大電路可以看成由兩個(gè)電路參數(shù)完全一致的單管共發(fā)射極電路所組成。差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大能力，而對(duì)共模信號(hào)具有抑制作用。差模信號(hào)指電路的兩個(gè)輸入端輸入大小相等，極性相反的信號(hào)。共模信號(hào)指電路兩個(gè)輸入端輸入大小相等，極性相同的信號(hào)。差動(dòng)放大電路有雙端輸入和單端輸入兩種輸入方式，有雙端輸出和單端輸出兩種輸出方式。單端輸入可以等效成雙端輸入，所以，下面研究雙端輸入、單端輸出和雙端輸出時(shí)差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)及共模抑制比。

3．實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路如圖6-23所示，這是一個(gè)雙端輸入長尾式差動(dòng)放大電路，輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為1kHz、幅度為100mV的正弦交流信號(hào)。

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量差模輸入時(shí)，電路的放大倍數(shù)。按圖6-23連接電路，用示波器同時(shí)測(cè)量兩輸入端的波形，可以看到兩輸入信號(hào)幅度都是50mV，且相位相反。

測(cè)量輸出信號(hào)波形，可以采用示波器觀察單端輸出的波形，但由于還要測(cè)量雙端輸出時(shí)的輸出波形，所以下面用瞬態(tài)分析的方法得到兩單端輸出的波形，再利用后處理器，將兩波形相減得到雙端輸出電壓波形。

圖6-23差動(dòng)放大電路

啟動(dòng)分析菜單中的TransientAnalysis...命令，在彈出的對(duì)話框中選取兩輸出端(節(jié)點(diǎn)3和4)為分析變量，將Endtime設(shè)置為0.002sec，為了得到比較平滑的曲線，將minimumnumberoftimepoint設(shè)為1000，其余相不變，仿真結(jié)果如圖6-24所示。

圖6-24差動(dòng)放大電路單端輸出電壓波形

圖6-25雙端輸出波形

從圖6-25中可以看出：雙端輸出時(shí)只有交流成分，直流分量為0，這是因?yàn)閺碾p端輸出時(shí)，直流分量相互抵消。雙端輸出交流電壓的幅值為3.9791V，雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)Aud=3.9791V/100mV=39.791，約為單端輸出時(shí)的2倍。

(2)測(cè)量共模輸入時(shí)電路的放大倍數(shù)。共模輸入時(shí)電路如圖6-26所示。

圖6-26共模輸入時(shí)電路

當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，用瞬時(shí)分析法分析得到電路單端輸出波形如圖6-27所示。從圖中可以看出：由于Multisim仿真元件非常一致，在共模作用時(shí)，單端輸出時(shí)兩輸出端得到的信號(hào)完全相同，這時(shí)信號(hào)中既有直流成分(靜態(tài)值)，又有交流成分(輸出信號(hào))，輸出信號(hào)的峰-峰值為6.4875-6.3904=0.0971V，幅值為0.0971/2=0.04855V。單端輸出時(shí)共模電壓放大倍數(shù)Auc1=0.04855V/100mV=0.4855。

圖6-27共模輸入時(shí)單端輸出電壓波形

若采用雙端輸出，輸出信號(hào)幾乎為0，共模放大倍數(shù)Auc≈0。

(3)共模抑制比。單端輸出時(shí)共模抑制比為

雙端輸出時(shí)共模抑制比為因?yàn)楣材７糯蟊稊?shù)Auc≈0，趨近于∞。5．結(jié)論

(1)差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大能力，對(duì)共模信號(hào)有抑制作用。

(2)電路差模放大倍數(shù)越大，共模放大倍數(shù)越小，則共模抑制比越大，電路性能越好。

(3)雙端輸出比單端輸出性能要好。

6．問題探討

(1)如何進(jìn)一步提高單端輸出時(shí)電路的共模抑制比？

(2)當(dāng)信號(hào)單端輸入時(shí)，如何等效成雙端輸入進(jìn)行分析？

6.6負(fù)反饋放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建負(fù)反饋放大器，掌握電路引入負(fù)反饋的方法。

(2)研究負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響。

2．實(shí)驗(yàn)原理

在放大電路中引入負(fù)反饋，可以改善放大電路的性能指標(biāo)，如提高增益的穩(wěn)定性、減小非線性失真、展寬通頻帶、改變輸入/輸出電阻等。根據(jù)引入反饋方式的不同，可以分為電壓串聯(lián)型負(fù)反饋、電壓并聯(lián)型負(fù)反饋、電流串聯(lián)型負(fù)反饋和電流并聯(lián)型負(fù)反饋。

3．實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路如圖6-28所示。按a或A調(diào)整Rw1大小，從而可以調(diào)整第一級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；按b或B調(diào)整Rw2大小，從而可以調(diào)整第二級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；按c鍵控制J2接不同的負(fù)載；按Space鍵控制J1閉合或斷開。當(dāng)J1斷開時(shí)，電路是一個(gè)兩級(jí)共射放大電路；當(dāng)J1閉合時(shí)，電路中引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

圖6-28負(fù)反饋放大電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量電壓放大倍數(shù)。按圖6-28連接電路，設(shè)置信號(hào)源為幅值2mV，頻率為1kHz的正弦交流信號(hào)。調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在放大狀態(tài)。按Space鍵選擇是否接入負(fù)反饋，按c鍵選擇不同的負(fù)載，示波器監(jiān)測(cè)輸出波形，在輸出波形不失真的情況下，用萬用表交流電壓擋測(cè)量輸出電壓的大小，將數(shù)據(jù)填入表6-3中。

表6-3測(cè)

量

結(jié)

果

(2)測(cè)量輸入電阻。通過測(cè)量輸入電壓和輸入電流來計(jì)算輸入電阻。

分析表6-4中數(shù)據(jù)可知，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，提高了放大電路的輸入電阻。

表6-4輸入電阻測(cè)量值

(3)測(cè)量輸出電阻。通過測(cè)量輸出端接負(fù)載(RL=2.4kW)時(shí)的輸出電壓UOL和不接負(fù)載時(shí)的輸出電壓Uo，計(jì)算輸出電阻值。

分析表6-5中數(shù)據(jù)可知，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，降低了放大電路的輸出電阻。

表6-5輸出電阻測(cè)量值

(4)觀察負(fù)反饋對(duì)非線性失真的改善。將輸入信號(hào)幅值改為20mV，負(fù)載接RL1，按Space鍵斷開J1，不接負(fù)反饋，打開仿真開關(guān)，用示波器觀察輸入、輸出信號(hào)波形，如圖6-29所示，由圖可看出輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。按Space鍵閉合J1，引入負(fù)反饋，打開仿真開關(guān)，觀察到的輸入、輸出波形如圖6-30所示，由圖可看出非線性失真已基本消除。

圖6-29無負(fù)反饋電路輸入、輸出波形

圖6-30負(fù)反饋電路輸入、輸出波形

(5)觀察負(fù)反饋對(duì)放大電路頻率特性的影響。將圖6-28中的示波器換成波特圖儀(注意波特圖儀的連接)，具體設(shè)置可參考前面的相關(guān)內(nèi)容。按Space鍵斷開或閉合負(fù)反饋支路，分別測(cè)試電路的頻率特性。圖6-31所示為沒有負(fù)反饋時(shí)電路的幅頻特性曲線，圖6-32所示為引入負(fù)反饋時(shí)電路的幅頻特性曲線。

圖6-31無負(fù)反饋電路的幅頻曲線

圖6-32負(fù)反饋電路的幅頻曲線

5．結(jié)論

引入負(fù)反饋可以改善電路的交流性能：

(1)提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

(2)減小電路的非線性失真。

(3)改變輸入、輸出電阻的大小。

(4)展寬通頻帶。

6．問題探討

(1)反饋電阻對(duì)負(fù)反饋放大倍數(shù)和通頻帶有什么影響？在Multisim中如何快速地觀察反饋電阻的參數(shù)變化對(duì)負(fù)反饋放大倍數(shù)和通頻帶的影響？

(2)電源電壓的波動(dòng)對(duì)負(fù)反饋增益是否有影響？

6.7正弦波振蕩電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建正弦波振蕩電路。

(2)分析正弦波振蕩電路性能。

2．實(shí)驗(yàn)原理

正弦波振蕩電路是一種具有選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)的放大電路。振蕩的條件是環(huán)路增益為1，即AF=1。其中A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。為了使電路能夠起振，應(yīng)使環(huán)路的增益AF略大于1。

根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，可以把正弦波振蕩電路分為RC振蕩電路和LC振蕩電路。RC振蕩電路主要用來產(chǎn)生小于1MHz的低頻信號(hào)，LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生大于1MHz的高頻信號(hào)。圖6-33文氏橋式正弦波振蕩電

3．實(shí)驗(yàn)電路

文氏橋式正弦波振蕩電路如圖6-33所示。

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)構(gòu)建圖6-33所示的文氏橋式正弦波振蕩電路。

(2)打開仿真開關(guān)，用示波器觀察文氏橋式正弦波振蕩電路的起振及振蕩過程。測(cè)得的輸出波形如圖6-34所示。注意：要將屏幕下方的滑動(dòng)塊拖至最左端觀察起振過程。

移動(dòng)數(shù)據(jù)指針，可測(cè)得振蕩周期T=6.3ms，則振蕩頻率f=1/T=1/6.4ms≈158Hz，與理論計(jì)算值基本一致。起振時(shí)間大約為114ms。

圖6-34R5=15kW時(shí)的振蕩電路輸出波形

(3)改變R5的值，R5分別取10?kW和30?kW，觀察輸出波形。當(dāng)R5?=?10?kW時(shí)，沒有輸出信號(hào)，因?yàn)殡娐返姆糯蟊稊?shù)A?=?1?+(R5/R4)=?1+(10/6)＜3，AF＜1，電路不能起振；當(dāng)R5?=?30?kW時(shí)，示波器波形如圖6-35所示。比較圖6-34和6-35可以看出，隨著R5的增大，起振速度加快，起振時(shí)間大約是12ms，但振蕩頻率沒有改變。

圖6-35R5?=?30?kW時(shí)的輸出波形

(4)將電阻R1和R2的阻值都改為2kW

。打開仿真開關(guān)，從示波器觀察輸出波形，如圖6-36所示。比較圖6-36和圖6-34可知，當(dāng)振蕩頻率減小為原來的1/2時(shí)，起振速度同時(shí)也減慢了，起振時(shí)間大約是300ms。

圖6-36R1=R2=2kW?時(shí)的輸出波形

(5)雙擊二極管D1和D2，設(shè)置為開路狀態(tài)，測(cè)得輸出波形，如圖6-37所示，輸出產(chǎn)生了失真。

圖6-37D1和D2開路時(shí)輸出波形

5．結(jié)論

(1)在起振時(shí)，電路的環(huán)路增益必須大于1。

(2)電路中要有自動(dòng)穩(wěn)幅電路，以使穩(wěn)幅振蕩以后，環(huán)路的增益等于1。

(3)通過改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，可以改變振蕩信號(hào)的頻率。

6.8集成運(yùn)放線性應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)研究集成運(yùn)放線性應(yīng)用的主要電路(加法電路、減法電路、微分電路和積分電路等)，掌握各電路結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)算功能。

(2)觀察微分電路和積分電路波形的變換。

2．實(shí)驗(yàn)原理

集成運(yùn)放實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高增益多級(jí)直接耦合放大電路。它的應(yīng)用主要分為兩類，一類是線性應(yīng)用，此時(shí)電路中大都引入了深度負(fù)反饋，運(yùn)放兩輸入端間具有“虛短”或“虛斷”的特點(diǎn)，主要應(yīng)用是和不同的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成各種運(yùn)算電路，如加法、減法、微分、積分等。另一類就是非線性應(yīng)用，此時(shí)電路一般工作在開環(huán)或正反饋的情況下，輸出電壓不是正飽和電壓就是負(fù)飽和電壓，主要應(yīng)用是構(gòu)成各種比較電路和波形發(fā)生器等。本次實(shí)驗(yàn)主要研究集成運(yùn)放的線性應(yīng)用。

3．實(shí)驗(yàn)電路

集成運(yùn)放線性應(yīng)用的加法電路、減法電路、積分電路和微分電路分別如圖6-38～圖6-41所示。

圖6-38加法電路

圖6-39減法電路

圖6-40積分電路

圖6-41微分電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量加法電路輸入/輸出關(guān)系。按圖6-38連接電路，兩輸入信號(hào)V1和V2從集成運(yùn)放的反相輸入端輸入，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。設(shè)置V1=2V，V2=3V，電壓表選擇“DC”，打開仿真開關(guān)，測(cè)得輸出電壓Uo=-5V。反相輸入加法運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為

按圖6-38中給定的各參數(shù)計(jì)算得

Uo?=?-(V1?+V2)=?-5V

(3)觀察積分電路輸入、輸出波形。按圖6-40連接電路，雙擊函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入信號(hào)設(shè)置頻率為100Hz，幅值為5V的方波信號(hào)。打開示波器，觀察輸入、輸出波形，如圖6-42所示。輸入信號(hào)是方波，輸出信號(hào)是三角波，可見，積分電路具有波形變換的功能。積分電路的輸出與輸入之間的關(guān)系為

圖6-42積分電路輸入、輸出波形

(4)觀察微分電路輸入、輸出波形。按圖6-41連接電路，雙擊函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入信號(hào)設(shè)置頻率為100Hz，幅值為5V的三角波信號(hào)。打開示波器，觀察輸入、輸出波形，如圖6-43所示。輸入信號(hào)是三角波，輸出信號(hào)是矩形波，可見，微分電路也具有波形變換的功能。微分電路的輸出與輸入之間的關(guān)系為

圖6-43微分電路輸入、輸出波形

6.9電壓比較器仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)并分析過零比較器性能。

(2)用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)并分析滯回比較器性能。

(3)用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)并分析窗口比較器性能。

2．實(shí)驗(yàn)原理

電壓比較器的功能是能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)與一個(gè)參考電壓進(jìn)行大小比較，并用輸出高、低電平來表示比較的結(jié)果。電壓比較器的特點(diǎn)是電路中的集成運(yùn)放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。輸出與輸入之間呈現(xiàn)非線性傳輸特性。

過零比較器的特點(diǎn)是閾值電壓等于零。閾值電壓指輸出由一個(gè)狀態(tài)跳變到另一個(gè)狀態(tài)的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。

滯回比較器的特點(diǎn)是具有兩個(gè)閾值電壓。當(dāng)輸入逐漸由小增大或由大減小時(shí)，閾值電壓不同。滯回比較器抗干擾能力強(qiáng)。

窗口比較器的特點(diǎn)是能檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)給定的參考電壓之間。

3．實(shí)驗(yàn)電路

過零比較器、滯回比較器和窗口比較器的實(shí)驗(yàn)電路分別如圖6-44～圖6-46所示。

圖6-44過零比較器

圖6-45滯回比較器

圖6-46窗口比較器

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)構(gòu)建圖6-44所示的過零比較器電路，穩(wěn)壓二極管采用IN4733A。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1kHz，幅值為2V的正弦信號(hào)。打開仿真開關(guān)，用示波器觀察過零比較器的輸入、輸出波形，移動(dòng)數(shù)據(jù)指針，讀取輸出波形的幅值。過零比較器的輸入、輸出波形如圖6-47所示，從波形可以看出，輸入信號(hào)過零時(shí)，輸出信號(hào)就跳變一次。輸出高低電平的值由穩(wěn)壓二極管限制，約為5.5V。

圖6-47過零比較器輸入、輸出波形

(2)構(gòu)建圖6-45所示的滯回比較器電路。打開仿真開關(guān)，示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-48所示。移動(dòng)數(shù)據(jù)指針，可以讀取其幅值，當(dāng)輸入由小到大逐漸增大到1.1V時(shí)，輸出由高電平跳變到低電平；當(dāng)輸入由大到小逐漸減小到-1.1V，輸出由低電平跳變到高電平。因此，該滯回比較器的下限閾值電壓為-1.1V，上限閾值電壓為1.1V。

圖6-48滯回比較器輸入、輸出波形

(3)構(gòu)建圖6-46所示的窗口比較器電路。打開仿真開關(guān)，示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-49所示。由于兩個(gè)參考電壓分別是1V和-1V，可以觀察到，當(dāng)輸入信號(hào)處于-1V～1V窗口范圍內(nèi)時(shí)，輸出為低電平，在窗口外，不管信號(hào)如何，輸出均為高電平。該窗口比較器的上、下限閾值電壓分別是1V和-1V。

圖6-49窗口比較器輸入、輸出波形

5．結(jié)論

比較上面三種形式的比較器，雖然電路的性能不同，但共同點(diǎn)是輸出不是高電平就是低電平，再仔細(xì)觀察電路，可以發(fā)現(xiàn)集成運(yùn)放不是工作在開環(huán)狀態(tài)就是工作在正反饋狀態(tài)，所以，電路工作在集成運(yùn)放的非線性區(qū)。

6．問題探討

(1)如何改變滯回比較器的上、下限閾值電壓？

(2)窗口比較器中D1和D2兩只二極管的作用是什么?

6.10有源濾波電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建有源低通濾波電路，掌握有源濾波電路的結(jié)構(gòu)形式。

(2)分析有源低通濾波電路性能。

2．實(shí)驗(yàn)原理

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子器件。RC電路具有選頻作用，但對(duì)信號(hào)沒有放大作用，而且?guī)ж?fù)載能力很差，因此，通常采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)與有源器件相配合組成有源濾波器。有源濾波器按通過頻率的范圍，可分為高通、低通、帶通和帶阻等。本次實(shí)驗(yàn)主要研究有源低通濾波電路。有源低通濾波電路允許從零到某個(gè)截止頻率的信號(hào)無衰減地通過，而對(duì)其他的頻率信號(hào)有抑制作用。

有源低通濾波電路可分為一階有源低通濾波電路和二階壓控電壓源低通濾波電路。一階有源低通濾波電路由一節(jié)RC電路和同相比例放大電路構(gòu)成。其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)，即A0=1+(Rf/Ri)，截止角頻率w0=1/RC，傳遞函數(shù)為

一階有源濾波電路的濾波效果不夠好。當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)，信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)也受到衰減。

二階壓控電壓源低通濾波電路由兩節(jié)RC電路和同相比例放大電路構(gòu)成。其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)，即A0=1+(Rf/Ri)，傳遞函數(shù)為

w0=1/RC為特征角頻率；Q=1/(3-A0)為等效品質(zhì)因數(shù)。

二階壓控電壓源低通濾波電路衰減率可以達(dá)到40dB/十倍頻，而且在截止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定提升。

3．實(shí)驗(yàn)電路

一階低通濾波電路和二階壓控電壓源低通濾波器電路分別如圖6-50和圖6-51所示。

圖6-50一階低通濾波電路

圖6-51二階壓控電壓源低通濾波電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)分析一階低通濾波電路的性能。按圖6-50構(gòu)建一階低通濾波電路。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為1V的正弦信號(hào)。打開仿真開關(guān)，示波器上顯示一階有源低通濾波電路的輸入、輸出波形，如圖6-52所示。輸出信號(hào)的相位滯后輸入信號(hào)的相位，低通濾波電路的相位是滯后型的。測(cè)量輸入、輸出波形的幅值分別為1V和1.6V，計(jì)算得到電壓放大倍數(shù)約為1.6。同相比例運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)為2，信號(hào)有所衰減。

圖6-52一階有源濾波電路的輸入、輸出波形

波特圖儀測(cè)量的幅頻特性曲線如圖6-53所示，從幅頻特性曲線可以看出，這是一個(gè)低通電路，移動(dòng)數(shù)據(jù)指針到最大值的0707倍處，得到截止頻率約為15Hz。再將指針移到10Hz處，可以讀得放大倍數(shù)約為1.6，與波形測(cè)量結(jié)果是吻合的。

圖6-53一階有源低通濾波電路的頻率特性

(2)分析二階低通濾波電路的性能。按圖6-51構(gòu)建二階壓控電壓源低通濾波電路。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為1V的正弦信號(hào)。打開仿真開關(guān)，示波器上顯示二階壓控電壓源低通濾波電路的輸入、輸出波形，如圖6-54所示。輸出信號(hào)的相位滯后輸入信號(hào)的相位，再次說明低通濾波電路的相位是滯后型的。測(cè)量輸入、輸出波形的幅值分別為1V和2.2V，計(jì)算得到電壓放大倍數(shù)約為2.2。同相比例運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)為2，輸出信號(hào)在此頻率處得到一定的提升。

圖6-54二階壓控電壓源低通濾波電路的輸入、輸出波形

波特圖儀測(cè)量的幅頻特性曲線如圖6-55所示，它與一階低通濾波電路頻率特性相較可以看出，轉(zhuǎn)折區(qū)更陡峭，在轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)一個(gè)峰值，進(jìn)一步提升低頻處的放大倍數(shù)，使特性更理想。將指針移到10Hz處，可以讀得放大倍數(shù)約為2.2，與波形測(cè)量結(jié)果是吻合的。

圖6-55二階壓控電壓源低通濾波電路頻率特性

6.11功率放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，熟悉電路結(jié)構(gòu)形式。

(2)分析OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的性能。

2．實(shí)驗(yàn)原理

功率放大電路的主要作用是向負(fù)載提供較大功率。按功放管工作位置設(shè)置的不同可分為甲類、乙類和甲乙類放大等形式。按電路的結(jié)構(gòu)可分為阻容耦合、變壓器耦合和互補(bǔ)對(duì)稱等類型的功率放大電路。目前應(yīng)用較為廣泛的功率放大電路有OCL型功率放大電路和OTL型功率放大電路。OTL互補(bǔ)功率放大電路的特點(diǎn)是輸出端不需要變壓器，只需要一個(gè)大電容，其電路僅需要單電源供電。OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的特點(diǎn)是輸出端不需要變壓器或大電容，因此易于做成集成電路，但是需要雙電源供電。

3．實(shí)驗(yàn)電路

OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路如圖6-56所示。

圖6-56OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖6-56所示連接OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。Q1為NPN晶體管，Q2為PNP晶體管。選擇要求盡可能地匹配。信號(hào)發(fā)示生器產(chǎn)生頻率為1kHz、幅值為2V的正弦交流信號(hào)作為輸入信號(hào)。示波器的A通道接輸入信號(hào)，B通道接輸出信號(hào)。J1和J2開關(guān)通過Space鍵控制接通上面或下面，接通上面時(shí)電路為甲乙類功率放大電路，接通下面時(shí)，電路為乙類功率放大電路。

(2)打開仿真開關(guān)，按Space鍵接通下面的位置，此時(shí)電路工作在乙類狀態(tài)