【ch04】基礎(chǔ)性電路分析設(shè)計與仿真

基礎(chǔ)性電路分析設(shè)計與仿真“電子設(shè)計系列規(guī)劃教材電子線路CAD仿真與綜合設(shè)計(第2版)第四章01二極管特性分析與仿真二極管特性及工作原理1.二極管PN結(jié)是半導體器件中非常重要的結(jié)構(gòu)，二極管就是一個由P型半導體和N型半導體構(gòu)成的PN結(jié)。利用PN結(jié)的正向?qū)щ娞匦?，可以制作各種類型的二極管。根據(jù)二極管所用的材料，可分為鍺(Ge)二極管和硅(Si)二極管；根據(jù)二極管的用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等；根據(jù)二極管的管芯結(jié)構(gòu)，可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管等。其I-V特性方程為二極管特性分析與仿真二極管特性及工作原理2.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種用于穩(wěn)定電壓的二極管，同樣由一個PN結(jié)構(gòu)成。與普通二極管不同的是，穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)。反向擊穿后，PN結(jié)兩端的電壓基本不變，但此時要限制反向電流的值，使PN結(jié)不被燒壞。穩(wěn)壓二極管也稱為齊納二極管。穩(wěn)壓二極管特性曲線及電路符號如圖4-2所示，在電路中主要作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。二極管特性分析與仿真二極管特性分析與仿真仿真任務(wù)1.二極管的特性觀察及其應(yīng)用(1)溫度對二極管伏安特性的影響二極管是溫度的敏感器件，當溫度升高時，正向壓降會減小，PN結(jié)兩邊的熱平衡少子濃度相應(yīng)增大，式(4-1)中反向飽和電流Is就是由本征激發(fā)少子的漂移運動引起的，所以隨著溫度的升高，反向電流增大。一般在室溫附近，溫度每升高1℃,其正向壓降減小2～2.5mV;溫度每升高10℃,反向電流增大為原來的2倍左右。(2)二極管半波整流電路半波整流是一種利用二極管的單向?qū)щ娦?，將大小和方向都隨時間變化的交流信號除去半個波的整流方法，輸出電壓的極性取決于二極管的連接方式。(3)二極管整流濾波電路(4)二極管限幅電路限幅電路，顧名思義就是限制信號幅度的電路。限幅電路應(yīng)用廣泛，常用于整形、過壓保護及波形變換等。根據(jù)限制輸出信號幅度的方向，限幅電路又分為上限幅、下限幅和雙向限幅。二極管特性分析與仿真仿真任務(wù)2.穩(wěn)壓二極管的特性及應(yīng)用(1)穩(wěn)壓二極管特性穩(wěn)壓二極管是利用反向擊穿特性工作的，當輸入電壓大于穩(wěn)壓電壓，同時穩(wěn)壓管的工作電流在額定范圍內(nèi)時，就能實現(xiàn)穩(wěn)壓作用。(2)穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的雙向限幅電路02晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真器件特性及工作原理1.晶體三極管晶體三極管也稱為雙極結(jié)型晶體管，是一種電流控制型的半導體器件，具有電流放大作用。晶體三極管由兩個相鄰的PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)材料劃分，最常見的有硅管、鍺管等。根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，有NPN和PNP兩種類型，如圖4-9所示。兩個PN結(jié)所對應(yīng)的區(qū)域從左到右分別為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。引出的e、b、c這3個引腳分別是發(fā)射極、基極和集電極。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體三極管可應(yīng)用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、振蕩、信號調(diào)制和許多其他功能電路中。晶體三極管有3種工作狀態(tài)，分別為放大、飽和和截止。晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真器件特性及工作原理當晶體三極管發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時，晶體三極管處于放大狀態(tài)，基極電流對集電極電流有控制作用，使晶體三極管具有電流放大功能，可用電流放大系數(shù)表示。晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真器件特性及工作原理晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真器件特性及工作原理場效應(yīng)晶體管有飽和、非飽和、截止及擊穿4個工作區(qū)域，與晶體三極管有較大的區(qū)別。場效應(yīng)晶體管工作在飽和狀態(tài)時，電壓較大，電流基本恒定不變，柵極跨導最大，此時飽和輸出電流受到柵極電壓的控制。在輸出伏安特性曲線上，飽和狀態(tài)處在電流飽和的區(qū)域，即特性曲線的水平部分，因此飽和區(qū)又稱為放大區(qū)。場效應(yīng)晶體管的非飽和區(qū)也稱為變阻區(qū)，漏電流IO同時受到Vas和Vos的控制，相當于晶體三極管的飽和區(qū)。場效應(yīng)晶體管的截止狀態(tài)是指沒有溝道的狀態(tài)，此時電流非常小，為漏極的反向飽和電流。對于MOSFET,還分為截止和亞閾這兩種工作狀態(tài)。亞閾狀態(tài)又稱為弱反型狀態(tài)，是半導體表面多數(shù)載流子耗盡、但又沒有完全形成溝道的一種狀態(tài)，工作在亞閾狀態(tài)時，會有較小的受柵極電壓控制的電流。晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真仿真任務(wù)晶體三極管的特性及應(yīng)用晶體三極管和場效應(yīng)晶體管特性分析及仿真仿真任務(wù)03基本的單管放大電路分析與仿真單管放大電路的工作原理及性能指標基本的單管放大電路分析與仿真仿真任務(wù)基本的單管放大電路分析與仿真1.某單級共射放大電路如圖4-13所示，輸入為0.1V的交流信號。試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)觀察并繪出電壓增益的幅頻特性曲線，計算帶寬；(3)頻率為100kHz時的輸入電阻；(4)頻率為100kHz時的輸出電阻。仿真任務(wù)基本的單管放大電路分析與仿真2.某共基放大電路如圖4-14所示，已知輸入為0.1V的交流信號。試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)觀察并繪出電壓增益的幅頻特性曲線，計算帶寬；(3)頻率為100kHz時的輸入電阻；(4)頻率為100kHz時的輸出電阻。仿真任務(wù)基本的單管放大電路分析與仿真3.某共射放大電路如圖4-15所示，輸入為0.1V的交流信號。試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)若將電阻Rb1作為全局參數(shù)進行參數(shù)掃描，從10kΩ變化到100kΩ,間隔為10kΩ,求中頻電壓增益。仿真任務(wù)基本的單管放大電路分析與仿真4.已知兩級共射放大電路如圖4-16所示。試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)試繪出電壓增益的幅頻和相頻特性曲線，求上限頻率后、下限頻率無和帶寬；(3)當輸入信號是幅度為3mV、頻率為1kHz的正弦波時，求輸出信號Vout的1～5次傅里葉系數(shù)；(4)試分析如果輸入信號過大，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象。為什么?仿真任務(wù)基本的單管放大電路分析與仿真5.已知共源放大電路如圖4-17所示。試求：(1)場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)當輸入信號幅度為0.1V、頻率為10kHz時的電壓增益，并計算帶寬；(3)頻率為1kHz時的輸入電阻和輸出電阻。04負反饋放大電路分析與仿真負反饋放大電路分析與仿真負反饋放大電路的工作原理及性能指標負反饋放大電路是將輸出信號按比例反饋給輸入端來實現(xiàn)控制的放大電路。通過引入負反饋結(jié)構(gòu)，放大器的增益穩(wěn)定性、線性范圍、頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)等性能指標都可以得到改善，此外還能減少器件參數(shù)偏差對放大電路性能的影響。因此，負反饋在許多放大電路及控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，反饋網(wǎng)絡(luò)模型如圖4-18所示。負反饋放大電路分析與仿真負反饋放大電路的工作原理及性能指標負反饋放大電路分析與仿真仿真任務(wù)已知某負反饋放大電路如圖4-21所示，試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)頻率為10kHz時的輸入電阻和輸出電阻；(3)將反饋支路斷開，分別求10kHz時的輸入電阻和輸出電阻，與引入負反饋時的參數(shù)做比較。負反饋放大電路分析與仿真仿真任務(wù)2.已知某兩級放大負反饋電路如圖4-22所示：(1)繪出電壓增益的幅頻特性曲線，求頻率為10kHz時的增益值；(2)求上限頻率后和通頻帶；(3)將反饋支路斷開，分別求出10kHz時的電壓增益、上限頻率和帶寬，與引入負反饋時的參數(shù)做比較。負反饋放大電路分析與仿真仿真任務(wù)3.如圖4-23所示電路，選擇合適的輸入信號源，試求：(1)當輸入信號幅度為100mV,溫度分別為27℃和50℃時的中頻電壓增益，并計算由溫度變化引起的中頻電壓增益的相對變化量；(2)當輸入信號幅度為100mV,溫度分別為27℃和50℃時的帶寬；(3)當輸入信號為50mV、1kHz的正弦波時，輸出端Vout的1～5次傅里葉系數(shù)和非線性失真系數(shù)THD。負反饋放大電路分析與仿真仿真任務(wù)05差分放大電路分析與仿真差分放大電路分析與仿真差分放大電路的工作原理及性能指標集成電路中的另一種基本放大電路就是差分放大電路，利用電路結(jié)構(gòu)的對稱及負反饋作用，可以有效地穩(wěn)定工作點，具有很強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力，差分放大電路廣泛地應(yīng)用于集成運算放大器的輸入級。差分放大電路按輸入輸出方式分，有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出這4種類型。外信號的輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。當兩個外輸入信號大小相等、極性相反時，稱為差模輸入；當兩個外輸入信號大小相等、極性相同時，稱為共模輸入。差分放大電路對差模信號具有放大作用，對共模信號具有抑制作用。在實際應(yīng)用中，差分放大電路的兩個輸入信號通常為任意值，既不是差模信號，又不是共模信號，此時可以將共模信號和差模信號分別表示為差分放大電路分析與仿真差分放大電路的工作原理及性能指標差分放大電路分析與仿真仿真任務(wù)1.如圖4-25所示的雙端輸入差分放大電路，選擇合適的輸入信號源類型，試求：(1)晶體管的靜態(tài)工作點；(2)差模輸入電阻、輸出電阻及電壓增益；(3)共模輸入電阻、輸出電阻及電壓增益；(4)共模抑制比KCMR。差分放大電路分析與仿真仿真任務(wù)2.如圖4-27所示的單端輸入差分放大電路，選擇合適的輸入信號源類型：(1)繪制電壓增益的幅頻特性曲線和相頻特性曲線；(2)求頻率為1kHz時的電壓增益和上限頻率后，并計算帶寬；(3)求差模輸入電阻與輸出電阻。差分放大電路分析與仿真仿真任務(wù)3.如圖4-28所示的差分放大電路，選擇合適的輸入信號源類型：(1)當單端輸入且輸入信號在1～1V范圍內(nèi)變化時，繪制輸出的直流轉(zhuǎn)移特性曲線；(2)當雙端輸入且Q1和Q2分別為vi=10.02V和vz=9.98V時，計算單端輸出時的差模電壓增益；(3)當雙端輸入且Q1為20mV、1kHz的正弦波，Q2為10mV、1kHz的正弦波時，計算單端輸出時的差模電壓增益。差分放大電路分析與仿真仿真任務(wù)4.已知比例式電流源電路如圖4-29所示，試求：(1)電流I1和Io的值；(2)輸出電阻；(3)將電阻R3短路，求此時的輸出電阻，分析R3對恒流特性的影響。06集成運算放大電路分析與仿真集成運算放大電路分析與仿真集成運算放大電路的工作原理及性能指標集成運算放大器簡稱集成運放，由輸入級、中間級、輸出級3部分組成。輸入級一般采用差分放大電路，以消除零點漂移及獲得盡可能高的輸入電阻及共模抑制比；中間級一般由多級直接耦合放大電路組成，以獲得足夠大的電壓增益；輸出級一般采用互補對稱推挽電路，以獲得輸出足夠大的電壓和電流及盡可能小的輸出電阻。集成運放的帶負載能力強，可用于信號的運算、處理、變換和測量，還可以用來產(chǎn)生正弦或非正弦信號。集成運算放大電路分析與仿真仿真任務(wù)1.從運算放大器庫OPAMP中調(diào)用LM324,采用±15V雙電源供電，試求：(1)電壓增益的幅頻特性和相頻特性；提示：掃描起始頻率的取值要小。(2)上限頻率廟(3)電源電壓取不同值時對集成運放幅頻特性的影響。集成運算放大電路分析與仿真仿真任務(wù)2.已知某積分電路如圖4-33所示，采用±15V雙電源供電，設(shè)輸入是一個幅度為±1V、頻率為1kHz、占空比為0.5的方波：(1)設(shè)置方波信號，在100～120ms范圍內(nèi)同時顯示輸出波形和輸入波形(步長取50μs);提示：方波信號可通過設(shè)置VPULSE信號源得到，VPULSE信號的設(shè)置參考1.13節(jié)。(2)求輸出電壓的1～5次傅里葉系數(shù)；(3)用圖4-30中的線性模型來代替集成運放，其中Ra=2MQ,Ra=75Ω,A=2×10?,在100～120ms范圍內(nèi)同時顯示輸出波形和輸入波形(步長取50μs),觀察波形，并計算電壓放大倍數(shù)。集成運算放大電路分析與仿真仿真任務(wù)3.由集成運放μA741構(gòu)成的濾波器電路如圖4-34所示，采用±15V雙電源供電：(1)繪制該電路的電壓增益幅頻特性曲線；(2)分析該電路為何種濾波電路；(3)求上限頻率、下限頻率及帶寬。集成運算放大電路分析與仿真仿真任務(wù)07RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真RC網(wǎng)絡(luò)的工作原理及性能指標RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真RC網(wǎng)絡(luò)，顧名思義就是由電容、電阻組成的網(wǎng)絡(luò)。最簡單的RC網(wǎng)絡(luò)由一個電容和一個電阻組成，稱為一階RC網(wǎng)絡(luò)。RC網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成濾波器、振蕩器、微分/積分電路等，在模擬電路、數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)R和C的結(jié)構(gòu)不同，RC網(wǎng)絡(luò)分為3大類。1.RC串聯(lián)電路RC串聯(lián)電路如圖4-36(a)所示，其轉(zhuǎn)折頻率為RC網(wǎng)絡(luò)的工作原理及性能指標RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真2.RC并聯(lián)電路RC并聯(lián)電路如圖4-36(b)所示，直流信號和交流信號均可通過RC并聯(lián)電路。其轉(zhuǎn)折頻率的值同RC串聯(lián)電路的值。當輸入信號的頻率小于6時，C可視為開路，RC并聯(lián)電路的總阻抗約等于R;當輸入信號的頻率大于6時，RC并聯(lián)電路的總阻抗為電阻R并聯(lián)電容C的容抗值，且隨著頻率的增高，電容C的容抗值變小，總的阻抗值變得很小。3.RC串并聯(lián)電路RC串并聯(lián)電路如圖4-36(c)所示，該RC串并聯(lián)電路是構(gòu)成文氏橋振蕩器的重要部分，具有選頻和正反饋的作用。若用于文氏橋振蕩器，則該結(jié)構(gòu)的諧振頻率為RC網(wǎng)絡(luò)的工作原理及性能指標RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真仿真任務(wù)1.已知RC串并聯(lián)電路如圖4-37所示，試：(1)繪出3個電路中電壓增益的幅頻和相頻特性曲線；(2)計算圖4-37(c)所示電路的諧振頻率，并分析在發(fā)生諧振時，該結(jié)構(gòu)電壓增益的幅頻和相頻分別有什么樣的特性。RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真仿真任務(wù)RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真仿真任務(wù)RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真仿真任務(wù)3.已知某二階低通濾波器如圖4-39所示，集成運放的型號為μA741,采用±15V雙電源供電，試：(1)繪出電壓增益的幅頻特性曲線和相頻特性曲線；(2)求上限頻率加(3)分析電阻R1和R2值的改變對上限頻率后的影響。RC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計與仿真仿真任務(wù)08LC諧振回路分析設(shè)計與仿真LC諧振回路由電感和電容組成，根據(jù)電容和電感的個數(shù)不同，分為單調(diào)諧回路和雙調(diào)諧回路。本節(jié)僅分析由一個電容和一個電感構(gòu)成的LC單調(diào)諧諧振回路。按電感、電容與外信號連接方式的不同，又可分成LC串聯(lián)諧振回路和LC并聯(lián)諧振回路兩種類型，如圖4-41(a)和(b)所示。圖441(a)中，r為固有損耗電阻，主要是電感的導線電阻及磁芯損耗引起的電阻。圖4-41(b)中，Ro為并聯(lián)諧振電阻，是由電感中的損耗電阻等效而來的，而非實際的電阻。LC諧振回路的工作原理及性能指標LC諧振回路分析設(shè)計與仿真LC諧振回路分析設(shè)計與仿真LC諧振回路分析設(shè)計與仿真LC諧振回路分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標1.已知某選頻網(wǎng)絡(luò)，負載為20Ω電阻，選擇合適的器件設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使得該負載在1MHz時等效為100Ω的電阻。提示：仿真時可用AC掃描。2.已知某選頻網(wǎng)絡(luò)，負載為100Ω電阻，選擇合適的器件設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使得該負載在1MHz時等效為20Ω的電阻。3.已知某選頻網(wǎng)絡(luò)，負載為20Ω電阻和20pF電容串聯(lián)，選擇合適的器件設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使得該負載在1MHz時等效為100Ω的電阻，并要求：(1)AC掃描曲線基本光滑，最大值在1MHz處；(2)在1MHz時，輸入/輸出信號的相位基本等于0;(3)同時觀察輸入/輸出曲線在1MHz時的相位關(guān)系(注意選擇信號源及掃描的方式);(4)根據(jù)輸入/輸出曲線估算Q值。LC諧振回路分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標*4.已知某π形網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖444所示，L、Gi、L?及C2構(gòu)成了一個π形結(jié)構(gòu)，R=502,Re=25Ω,Co=20pF,要求在工作頻率f=10MHz時右側(cè)電路與Re、Co的并聯(lián)阻抗相匹配，試計算回路中各元件的值，給出仿真結(jié)果。09單調(diào)諧小信號放大器分析設(shè)計與仿真單調(diào)諧小信號放大器分析設(shè)計與仿真單調(diào)諧小信號放大器的工作原理及性能指標單調(diào)諧小信號放大器可以對高頻小信號進行不失真的放大，其結(jié)構(gòu)包括放大部分和選頻部分。放大部分通常由晶體管或場效應(yīng)管等構(gòu)成，LC諧振回路作為晶體管的集電極負載，這是與低頻小信號放大器在電路結(jié)構(gòu)上的最主要區(qū)別。LC諧振回路具有選頻濾波和阻抗變換的作用。單調(diào)諧小信號放大器的性能指標主要有增益、通頻帶Bay和矩形系數(shù)Ka,各項性能指標的定義如下。1.增益以電壓增益A為例，指的是當輸入信號的頻率與LC回路的諧振頻率相等時所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)。此時單調(diào)諧小信號放大器的電壓增益達到最大，可以表示為單調(diào)諧小信號放大器分析設(shè)計與仿真單調(diào)諧小信號放大器的工作原理及性能指標單調(diào)諧小信號放大器分析設(shè)計與仿真單調(diào)諧小信號放大器的工作原理及性能指標單調(diào)諧小信號放大器分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標已知單調(diào)諧小信號放大器如圖4-47所示。R1和R2是兩個分壓電阻，為晶體管提供合適的直流偏置電壓，R1和R2的取值可以參考4.3節(jié)中單管放大電路的參數(shù)。R3為發(fā)射極電阻，C2為旁路電容，C1為基極耦合電容。LC并聯(lián)諧振回路作為集電極負載，起選頻和濾波的作用，試：(1)選擇合適的L和C的值，使得該LC諧振回路的諧振頻率為1MHz;(2)選擇合適的器件，使得電路的電壓增益大于20dB,Q盡可能大；(3)求晶體管的直流工作點；(4)觀察并繪出晶體管集電極的瞬時電流；(5)觀察并繪出負載RL上的瞬時電壓波形；(6)試繪出該電路的電壓增益幅頻特性曲線。10丙類調(diào)諧功率放大器分析設(shè)計與仿真功率放大器簡稱功放，有甲類、乙類、丙類、丁類等類型，本節(jié)將分析丙類調(diào)諧功率放大器。丙類調(diào)諧功率放大器針對大信號放大，出現(xiàn)了較明顯的非線性特征，該功率放大器在通信系統(tǒng)中用在發(fā)射機末級，對已調(diào)信號進行放大以滿足發(fā)送功率的要求。丙類調(diào)諧功率放大器如圖4-48所示，LC并聯(lián)諧振回路作為集電極負載，具有選頻、濾波等功能。Eb為基極偏置電壓，Ec為集電極偏置電壓，即電源電壓。為確保功放工作在丙類狀態(tài)，基極偏置電壓Eb應(yīng)小于晶體管的導通電壓0.7V(硅管),通常情況下，Eb會直接取一個反偏值。在丙類功放中，電流導通角θ小于90°,功放的輸出功率和效率均與導通角θ的值有關(guān)，為了獲取較大的功率和較高的效率，一般取θ為40°~70°,丙類功放的效率基本都可達80%以上。丙類調(diào)諧功率放大器的工作原理及性能指標丙類調(diào)諧功率放大器分析設(shè)計與仿真丙類調(diào)諧功率放大器分析設(shè)計與仿真丙類調(diào)諧功率放大器分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標設(shè)計圖4-48所示的丙類調(diào)諧功率放大器，電路的諧振頻率為1MHz,Ec為+5V,選擇合適的器件及信號源，要求：1.電壓增益大于20dB,集電極效率nc大于75%;2.觀察并繪出集電極瞬時電流ic的波形；3.觀察并繪出負載RL上的輸出電壓波形；4.改變RL的值，觀察功率放大器的工作狀態(tài)，繪出功率放大器工作在過壓時的集電極電流波形；5.在臨界狀態(tài)下，計算電源提供的直流功率、輸出功率和效率。6.改變Ec的值，觀察對功放工作狀態(tài)的影響。*7.取一個正偏的基極電壓Eb大于0.7V,觀測并記錄集電極瞬時電流ic的波形，分析此時丙類功率放大電路變成了哪類功率放大電路。11倍頻器電路分析設(shè)計與仿真倍頻器電路分析設(shè)計與仿真倍頻器電路的工作原理及性能指標所謂倍頻器，就是使輸入信號頻率成倍增大的電路。在通信電路中，主要用在發(fā)射機的中間級，用來產(chǎn)生載波信號。采用倍頻電路可以降低主振頻率，提高電路穩(wěn)定性，同時擴展發(fā)射機的工作頻段和擴展頻偏等參數(shù)。本節(jié)將介紹一種利用丙類調(diào)諧功率放大器構(gòu)成的倍頻器。其電路結(jié)構(gòu)與4.10節(jié)中的圖4-48基本相同，主要區(qū)別在于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率不再與輸入信號的頻率一致，而是輸入信號頻率的n倍。這樣LC諧振回路對基波和其他諧波呈現(xiàn)失諧狀態(tài)，只有集電極電流ic中的n次諧波分量可以通過諧振回路進行放大，其他分量均被濾除，從而在負載RL兩端能輸出n倍于輸入信號頻率的電壓，實現(xiàn)倍頻功能。倍頻器中，輸出功率和效率的表達式如下。倍頻器電路分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標參考4.10節(jié)設(shè)計結(jié)果，LC諧振回路的諧振頻率為1MHz,Ec為+12V,輸入信號的頻率為500kHz,要求：1.調(diào)整參數(shù)，觀察并繪出集電極瞬時電流ic的波形；2.觀察并繪出負載RL兩端的電壓波形；3.觀察并繪出集電極電流ic的頻譜結(jié)構(gòu)；4.計算電源提供的直流功率、輸出功率和效率；5.若將輸入信號的頻率改為250kHz,觀察集電極電流ic的頻譜，計算此時電源提供的直流功率、輸出功率和效率。12石英晶體振蕩電路分析設(shè)計與仿真石英晶體振蕩電路分析設(shè)計與仿真石英晶體振蕩電路的工作原理及性能指標石英晶體具有壓電效應(yīng)，利用該效應(yīng)可以將電能和機械能相互轉(zhuǎn)換，構(gòu)成振蕩器。石英晶體的品質(zhì)因數(shù)非常大，在構(gòu)成振蕩器電路時，具有非常高的標準性，頻率穩(wěn)定度也非常高。石英晶體除頻率穩(wěn)定度高外，還具有多諧性，即除基頻外，還有多次諧波泛音振動。石英晶體的電路符號如圖4-49所示。圖4-50所示為石英晶體的阻抗特性曲線。圖中，石英晶體有兩個諧振頻率，f為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率，萬為石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。石英晶體振蕩電路分析設(shè)計與仿真石英晶體振蕩電路的工作原理及性能指標石英晶體振蕩電路分析設(shè)計與仿真石英晶體振蕩電路的工作原理及性能指標石英晶體振蕩電路分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標設(shè)計圖4-51所示的皮爾斯振蕩器，試：1.選擇合適的電容、電阻及10MHz晶體。提示：石英晶體在XTAL庫中調(diào)用。2.觀察起振的過程。3.觀察穩(wěn)定后負載RL上的電壓波形，計算振蕩頻率。令負載在10～100kΩ范圍內(nèi)變化，記錄對振蕩頻率的影響，同時觀察是否會發(fā)生停振，若停振，則記錄停振時的負載值。4.改變電源電壓使之在7～13V范圍內(nèi)變化，記錄對輸出頻率的影響，觀察是否會發(fā)生停振，若停振，則記錄停振時的電壓值。5.記錄當溫度在30°C～70°C范圍內(nèi)變化時，電路振蕩頻率的變化。13二極管調(diào)幅電路分析設(shè)計與仿真二極管調(diào)幅電路分析設(shè)計與仿真二極管調(diào)幅電路的工作原理調(diào)幅電路根據(jù)工作電平，分為高電平調(diào)幅和低電平調(diào)幅。本節(jié)將分析低電平調(diào)幅電路，所謂低電平調(diào)幅，是指調(diào)幅過程在低電壓下進行，在通信系統(tǒng)中較常見。低電平調(diào)幅電路的調(diào)制性能較好，可以產(chǎn)生AM、DSB、SSB波形。各種調(diào)幅電的核心是相乘器。相乘功能可以由集成芯片提供，也可以由二極管、三極管等分立元件提供，圖4-52所示即為由二極管構(gòu)成的最簡單的調(diào)幅電路。V?和V為兩個輸入信號，當其中一個信號幅度足夠大，另外一個信號幅度足夠小時，VD?、VD?兩個二極管均工作在開關(guān)狀態(tài)，具有導通和截止兩個狀態(tài)。導通和截止均受到大信號的控制，輸出信號中包含兩個輸入信號的相乘項。該電路不僅能用于調(diào)幅，還具有檢波和混頻功能。二極管調(diào)幅電路分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標設(shè)計圖4-52所示的二極管調(diào)幅電路，已知載波信號的頻率為1MHz,調(diào)制信號的頻率為10kHz,二極管受V?控制，工作在開關(guān)狀態(tài)，負載為10k2。試：1.選擇合適的輸入信號源類型及幅度，使二極管工作在開關(guān)狀態(tài)；2.設(shè)計完整電路圖；3.實現(xiàn)DSB信號4.觀察濾波前后各點的波形及頻譜結(jié)構(gòu)；5.要實現(xiàn)SSB信號，該如何設(shè)置濾波器?觀察并繪制輸出波形。14二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標調(diào)幅信號的解調(diào)稱為檢波，其中二極管峰值包絡(luò)檢波器是最常見的檢波電路，但該電路只能解調(diào)普通調(diào)幅波AM信號。其基本結(jié)構(gòu)如圖4-53所示，由一個二極管、一個電容和一個電阻組成，結(jié)構(gòu)非常簡單。當二極管導通時，輸入信號通過二極管對電容C充電。當二極管截止時，電容C通過負載R放電。該電路是利用二極管的單向?qū)щ娦约俺浞烹姷钠胶鈦韺崿F(xiàn)檢波功能的。以輸入AM信號為例，檢波過程及檢波前后的波形如圖4-54所示。二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真二極管峰值包絡(luò)檢波器的工作原理及性能指標二極管峰值包絡(luò)檢波器分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標設(shè)計圖4-53所示的二極管峰值包絡(luò)檢波器，已知載波信號的頻率為100kHz,調(diào)制信號的頻率為1kHz,電容C取0.01μF。要求：1.輸入的AM信號可以用ABM庫中的相乘器來實現(xiàn)；2.選擇合適的R和C參數(shù)，在ma=30%時，使得輸出波形基本不失真，同時顯示輸入/輸出信號的波形，分析兩者的關(guān)系，并要求檢波效率不低于80%;3.計算輸入電阻；4.增大R和C的值，觀察惰性失真；5.增大ma的值，觀察割底失真；6.令ma大于100%,觀察檢波輸出波形；*7.設(shè)計圖4-58所示的電路，觀察并繪出輸出波形。15單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理及性能指標單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理及性能指標單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理及性能指標LC諧振回路在此起線性頻幅轉(zhuǎn)換的作用，通過幅頻特性曲線上的非諧振部分將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換為調(diào)幅調(diào)頻波。輸入FM信號的載波頻率一般是取特性曲線兩側(cè)較為中間的位置，如圖4-62(a)所示，右小于或大于6均可。FM信號的瞬時頻率△f受調(diào)制信號的控制，經(jīng)過LC諧振回路轉(zhuǎn)換后，將頻率的變化反映在u?的電壓幅度變化上，使得電壓振幅Um同樣受調(diào)制信號的控制，即u?是一個AM-FM波，如圖4-62(b)所示。該AM-FM波通過二極管峰值包絡(luò)檢波器就能將反映在幅度變化上的調(diào)制信號解調(diào)出來，從而實現(xiàn)鑒頻過程。單失諧回路斜率鑒頻器的性能在很大程度上與LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)。由圖4-62也能看出，若品質(zhì)因數(shù)Q小，則LC幅頻特性曲線較為平坦，線性度好，但轉(zhuǎn)換后得到的調(diào)幅調(diào)頻波的振幅小，即鑒頻靈敏度較低。相反，若品質(zhì)因數(shù)Q大，鑒頻靈敏度高，但幅頻特性曲線變化劇烈，線性度降低。因此，單調(diào)諧回路斜率鑒頻器一般用于質(zhì)量要求不高的簡易接收機中。單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理及性能指標單失諧回路斜率鑒頻器分析設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)及參數(shù)指標已知單失諧回路斜率鑒頻器如圖4-63所示，LC諧振回路的諧振頻率為100kHz。D1、C1和RL構(gòu)成了二極管峰值包絡(luò)檢波器。Rs為信號源內(nèi)阻，輸入為FM信號，調(diào)制信號的頻率為10kHz,MOD為10。要求：1.確定L和C的值；2.選擇合適的載波頻率；3.確定輸入信號的幅值；4.觀察各點波形。16組合邏輯電路設(shè)計及仿真組合邏輯電路設(shè)計及仿真邏輯門電路邏輯門電路是組成集成電路的基本組件，是組成數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯運算的基本單元。它可以由晶體管構(gòu)成，晶體管的組合使代表兩種信號量的高、低電平在經(jīng)過它們之后產(chǎn)生高電平或低電平的輸出。高、低電平分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進制中的1和0,從而實現(xiàn)邏輯運算。常見的邏輯門電路包括基本邏輯門電路(與門、或門、非門)、復(fù)合邏輯門電路(與非門、或非門、異或門、同或門)、三態(tài)門、OC門(集電極開路門)等。三態(tài)門和OC門的輸出端可以并聯(lián)使用，實現(xiàn)線與功能。邏輯門符號如圖4-64所示。010203編碼器編碼器是具有編碼功能的組合邏輯電路，它將每一組輸入信息變換為相應(yīng)的二進制代碼輸出。編碼器分為普通編碼器和優(yōu)先編碼器：普通編碼器在任何時刻只允許一組信號輸入有效，否則會出現(xiàn)編碼錯誤；優(yōu)先編碼器可以同時輸入兩個及兩個以上有效信號，它按照預(yù)先設(shè)計好的優(yōu)先級進行編碼。組合邏輯電路設(shè)計及仿真常用的組合邏輯集成電路譯碼器譯碼器可以理解為編碼器的逆操作器件。它將二進制代碼“翻譯”成一組高、低電平信號。數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器是一種多路輸入單路輸出的組合邏輯電路，它的地址輸入端控制信號輸入端的信號輸出到輸出端口上。組合邏輯電路設(shè)計及仿真組合邏輯電路設(shè)計及仿真組合邏輯電路設(shè)計及仿真組合邏輯電路設(shè)計及仿真17觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理1.觸發(fā)器的基本單元——鎖存器首先來認識一種交叉耦合反相器結(jié)構(gòu)，如圖4-73所示，兩個反相器連在一起構(gòu)成了一種雙穩(wěn)態(tài)器件，雙穩(wěn)態(tài)器件是構(gòu)成存儲器件的基本模塊。鎖存器就是由這個交叉耦合反相器結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的。圖4-74所示為兩種RS鎖存器的原理圖，在數(shù)字電路中，RS鎖存器是最簡單的時序單元，它由一對交叉耦合的或非門或與非門構(gòu)成，它的主要功能就是通過輸入S、R端分別控制Q,進行置位(set)和復(fù)位(reset)。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理2.觸發(fā)器觸發(fā)器是由鎖存器結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，它與鎖存器的區(qū)別在于觸發(fā)器在鎖存器電路的基礎(chǔ)上引入一個時鐘脈沖(CLK)作為控制信號，只有當CLK到來時電路才被“觸發(fā)”而動作，從而改變輸出狀態(tài)。觸發(fā)器具有存儲功能，是構(gòu)成時序電路的基礎(chǔ)部件。觸發(fā)器的類型有很多，根據(jù)邏輯功能分，主要有RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。根據(jù)觸發(fā)方式分，主要有電平觸發(fā)、邊沿觸發(fā)和主從式觸發(fā)。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理(1)RS觸發(fā)器在與非門構(gòu)成的RS鎖存器的基礎(chǔ)上，增加部分電路可構(gòu)成RS觸發(fā)器，如圖4-75所示。電路的特點是當CLK為高電平時，R、S輸入端起作用，與RS鎖存器的工作狀態(tài)類似，當CLK為低電平時，觸發(fā)器保持不翻轉(zhuǎn)。需要注意的是，只要CLK為高電平，一旦輸入端R、S信號發(fā)生變化，觸發(fā)器的輸出端就跟著變化，出現(xiàn)空翻現(xiàn)象。為了達到觸發(fā)器在時鐘信號每個周期只翻轉(zhuǎn)一次的要求，可以采用主從式觸發(fā)器。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理3.觸發(fā)器的建立時間和保持時間由于構(gòu)成觸發(fā)器的門電路存在傳輸延時，且觸發(fā)器各輸入端需要與時鐘信號進行協(xié)調(diào)，因此輸入端需要在時鐘信號邊沿到來前和到來后保持穩(wěn)定一段時間，否則觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)就會出現(xiàn)錯誤。RS觸發(fā)器時間參數(shù)示意圖如圖4-77所示。010203建立時間：時鐘有效沿到來之前的一段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，否則觸發(fā)器鎖存數(shù)據(jù)將會出現(xiàn)錯誤，這段時間稱為建立時間，用Tsup或Tu表示，也就是說，要鎖存的數(shù)據(jù)必須提前上升沿到來時刻超過建立時間。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器電路原理保持時間：時鐘有效沿到來之后的某段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)也必須穩(wěn)定，否則觸發(fā)器鎖存數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)錯誤，這段時間稱為保持時間，用Thold或T表示。也就是說，要鎖存的數(shù)據(jù)在上升沿到來之后，還要保持超過保持時間。輸出延遲時間(Tco):觸發(fā)器輸出的響應(yīng)時間，也就是觸發(fā)器在時鐘有效沿到來之后，輸出端在多長的時間內(nèi)發(fā)生變化，即觸發(fā)器的輸出延時。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器間的轉(zhuǎn)換觸發(fā)器的設(shè)計與仿真觸發(fā)器間的轉(zhuǎn)換觸發(fā)器的設(shè)計與仿真仿真任務(wù)觸發(fā)器的設(shè)計與仿真仿真任務(wù)2.用門電路搭建主從式RS觸發(fā)器，如圖4-76所示，選擇適當?shù)募钤?，仿真得到主從式RS觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)波形，分析RS觸發(fā)器的工作特點。(1)繪出主、從兩個觸發(fā)器各自輸出端與輸入R、S、CLK之間的相位曲線；(2)求Q?和Q?的傳輸延時To;(3)分析如何減小傳輸延時，給出電路方案及仿真結(jié)果。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真仿真任務(wù)3.已知D觸發(fā)器74LS74如圖4-80所示，使用D觸發(fā)器及部分門電路，將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和RS觸發(fā)器。選擇合適的激勵源驗證轉(zhuǎn)換后的觸發(fā)器的邏輯功能。觸發(fā)器的設(shè)計與仿真仿真任務(wù)觸發(fā)器的設(shè)計與仿真仿真任務(wù)18時序電路的仿真與分析時序電路的仿真與分析計數(shù)器計數(shù)器應(yīng)用廣泛，是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用最多的時序邏輯電路。它不僅能對時鐘脈沖計數(shù)，還可以用于分頻、計時及進行數(shù)字運算等。常用的計數(shù)器有二進制、十進制和十六進制等計數(shù)模值，有同步、異步兩種工作方式之分，可進行加法或減法計數(shù)。PSpice中有多種計數(shù)器，可以根據(jù)實際需要進行選擇，本節(jié)使用LSTTL型十二分頻計數(shù)器74LS92和具有同步置數(shù)、異步清零功能的計數(shù)器74LS161A進行電路設(shè)計，如圖4-83所示。時序電路的仿真與分析移位寄存器移位寄存器是能夠進行數(shù)據(jù)移位存儲的數(shù)據(jù)暫存部件，從結(jié)構(gòu)上看，它是由多個相同功能的寄存單元構(gòu)成的。寄存單元的個數(shù)就是移位寄存器的位數(shù)。移位寄存器的所有寄存單元公用一個時鐘同步工作。根據(jù)時鐘節(jié)拍，移位寄存器的數(shù)據(jù)順序向左或向右移動。移位寄存器的數(shù)據(jù)輸出方式有串行輸出和并行輸出。在移位寄存器電路中，有的只具有串行或并行中的一種輸入方式，有的同時兼有串行和并行兩種輸入方式。輸出既可以串行，又可以并行?？墒褂靡莆患拇嫫髟O(shè)計計數(shù)器、存儲器、高低速轉(zhuǎn)換接口等電路，如圖4-84所示。時序電路的仿真與分析仿真任務(wù)1、如圖4-85所示，使用計數(shù)器74LS161A設(shè)計十進制計數(shù)器，選擇合適的激勵源，對照表4-5驗證計數(shù)器的功能，并設(shè)計：(1)使用清零方式實現(xiàn)十進制計數(shù)器；(2)使用兩片74LS161A設(shè)計六十進制計數(shù)器。時序電路的仿真與分析仿真任務(wù)時序電路的仿真與分析仿真任務(wù)時序電