南理工EDA1宗志园优秀含改进电路.docx

EDA设计（I）实验报告

课程作业
课程名称 ＥＤＡ设计（I）实验
题目名称 EDA设计（I）实验报告
学生学院 电子工程与光电技术学院
专业班级
学 号
学生姓名
指导教师 宗志园
（使用Multisim14.0实验）

2016年9月

目录
实验一 单级放大电路设计与仿真 ......................................3
一、 实验要求...........................................................................3
二、 实验原理图.........................................................................3
三、 实验过程与结果.....................................................................3
1、 静态工作点的调节.................................................................3
2、 三极管特性测试...................................................................7
3、 电路基本参数测定.................................................................9
四、 数据表............................................................................11
五、 数据分析..........................................................................12
六、 实验改进..........................................................................12

实验二　差动放大电路设计与仿真.....................................13
一、实验要求............................................................................13
二、 实验原理图..........................................................................13
三、实验过程与结果.......................................................................14
1、电路的静态分析......................................................................14
2、电路电压增益的测试..................................................................26
四、数据表...............................................................................28
五、数据分析.............................................................................29
六、实验改进.............................................................................30

实验三　负反馈放大电路设计与仿真...................................31
一、实验要求............................................................................31
二、 实验原理图.........................................................................31
三、实验过程与结果......................................................................31
1、负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性的测试.........................31
2、探究负反馈对电路非线性失真的影.....................................................38
四、 数据表............................................................................40
五、 数据分析..........................................................................41
六、 实验改进..........................................................................41

实验四 阶梯波发生器设计与仿真......................................43
一、实验要求............................................................................43
二、 实验原理图..........................................................................43
三、 实验过程与结果......................................................................43
1、方波发生器....................................................................43
2、微分电路......................................................................44
3、限幅电路......................................................................45
4、积分累加电路..................................................................46
5、实验总电路....................................................................47
四、 数据分析............................................................................48
五、 实验小结............................................................................48

实验一 单级放大电路设计与仿真
一、实验要求
1．设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz，峰值5mV,负载电阻5.1kΩ,电压增益大于70；
2.调节电路静态工作点，观察电路出现饱和失真、截至失真和正常放大的输出波形信号，并测试对应的静态工作点值；
3.在正常放大状态下测试：
①三极管的输入、输出特性曲线和β、rbe、rce值；
②电路的输入电阻、输出电阻、和电压增益；
③电路的频率响应曲线和fL、fH值。
二、实验原理图
图1.1 实验一单级放大电路原理图

三、实验过程与结果
1.静态工作点的调节
（1）饱和失真

图1.1.1 饱和失真时的静态工作点值

图1.1.2 饱和失真波形图

（2）截止失真

图1.2.1 截止失真时的静态工作点值

图1.2.1 截止失真波形图
（3）不失真波形

图1.3.1 不失真时的静态工作点

图1.3.2 不失真波形
2.测试三极管特性
（1）输入特性

图1.4.1 扫描三极管输入特性的实验电路图

图1.4.2 三极管输入特性曲线
(2)输出特性

图1.5.1 扫描三极管输出特性的实验电路图

图1.5.2 三极管输出特性曲线
(3)测量β
图1.6 测量β的实验电路图
3、电路动态参数
(1)输入电阻

图1.7 输入电阻测量的实验电路图
(2)输出电阻

图1.8 输出电阻测量的实验电路图
（3）电压放大倍数

图1.9 电压放大倍数测量的实验电路图
（4）幅频特性
图1.10.1 幅频特性上线频率

图1.10.2 幅频特性下线频率
四、数据表
静态工作点调试数据表
三极管工作状态
输入信号峰（mv）
电位计接入百分比
IB(uA)
IC(mA)
VCE(V)
截至
40
100%
3.32029
0.54641851
9.53282
饱和
20
10%
159.598u
2.56136
74.88425m
正常
5
20%
15.97904
2.09204
2.54586
正常放大参数
输入信号峰值（mV）
电位计接入百分比
Av
Ri（KΩ）
R0(kΩ)
5
20%
81.53
1.46
1.48
交流β
rbe(KΩ)
rce(kΩ)
fL(Hz)
fH(Hz)
130.75
1.94
5.66
229.3224
15.0326M
五、数据分析
1.测量计算
①β=Ic/Ib=130.75
②rbe=Δ𝑣𝐵𝐸 /Δ𝑖𝐵|vCE=1.944kΩ
③ 𝑟ce=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶 |iB =5.66kΩ
④输入电阻Ri=1.46kΩ
⑤输出电阻Ro=1.48kΩ
⑥放大倍数Av=81.53
⑦由幅频特性曲线得fL=229.3224Hz fH=15.0326MHz
2.理论计算
① 输入电阻𝑅𝑖=R2//R5//rbe=1.40kΩ
② 输出电阻 Ro=rce//Rc=1.478kΩ
3.误差分析
①输入电阻的相对误差𝐸1= =|（𝑅𝑖测−𝑅𝑖）/𝑅𝑖|=|(1.4−1.46 )/1.4∣=4.3%
②输出电阻的相对误差𝐸2=差𝐸𝑅𝑜=|（𝑅𝑜测−𝑅𝑜）/𝑅𝑜|=|1.48−1.478|=0.14%
六、实验改进

图1.11 场效应管实验电路及实验结果
实验二 差动放大电路设计与仿真
一、 实验要求
1. 设计一个带射极恒流源的差动放大电路，要求负载 5.1kΩ 时的 AVD 大于 50。
2. 测试电路每个三极管的静态工作点值和bβ 、 rbe、rce值。
3. 给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的 AVD、AVD1、 AVC、 AVC1 值。
二、实验原理图

图2.1 差动放大电路实验原理图
实验要求该电路在负载 5.1kΩ 时 Avd 要大于 50。在实验前需要测量带负载 的差模输入双端的电压增益，测量电路如图 2.1.0 所示，为了更好地观察波形， 将直流差模信号改为交流小信号。由数据计算得：Avd= 𝑣𝑜/ 𝑣𝑖 = 59.45，符合要求。 且由示波器波形可得，波形正常放大

图2.1.0 带负载时AVD的测量电路
三、实验过程与结果
㈠.电路的静态分析
1 、双端输出下各三极管的静态工作点值和β 、 rbe、rce的测定
⑴ 静态工作点值

图2.1.1 测量静态工作点的电路图

图2.1.2 双端输出下各三极管的静态工作点
(2)Q1：
① β1的测定
图2.1.3 β1的测量电路图
②rbe1 的测定

图2.1.4 rbe1的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
③rce1的测定

图2.1.5 rce1的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
（3）Q3
①β3的测定

图2.1.6 β3的测量电路图

② rbe3 的测定

图2.1.7 rbe3的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）

③rce3的测定

图2.1.8 rce3的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
2、单端输出下各三极管的静态工作点值和β 、 rbe、rce的测定
⑴ 静态工作点值
图2.1.9 测量静态工作点的电路图

图2.1.10 双端输出下各三极管的静态工作点
（2）Q1
①β1的测定

图2.1.11 β1的测量电路图
②rbe1的测定

图2.1.12 rbe1的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
③rce1的测定

图2.1.13 rce1的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
(3)Q2
①β2的测定
图2.1.14 β2的测量电路图
②rbe2的测定

图2.1.15 rbe2的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
③rce2的测定

图2.1.16 rce2的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）

①β3的测定

图2.1.17 β3的测量电路图
②rbe3的测定

图2.1.18 rbe3的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
③rce3的测定

图2.1.19 rce3的测定（1位实验电路图 2为输入特性曲线图）
㈡、电路电压增益的测量
（1）、差模输入双端输出的电压增益 AVD

图2.2.1 差模输入双端输出的电压增益AVD测量实验电路图
（2）、差模输入单端输出的电压增益AVD1

图2.2.2 差模输入单端输出的电压增益AVD1测量实验电路图
（3）、共模输入双端端输出的电压增益 AVC

图2.2.3 共模输入双端输出的电压增益AVC测量实验电路图

（4）、共模输入单端输出的电压增益 AVC1

图2.2.4 共模输入单端输出的电压增益AVC1测量实验电路图
四、数据表
三极管
IB（uA）
IC（A）
VCE(V)
β
rbe(KΩ)
rce(KΩ)
T1（双）
5.24942
965.10089u
2.96111
155
4.6
10.47
T2（双）
5.24942
965.10089u
2.96111
155
4.6
10.47
T3（双）
12.06708
1.94070m
1.62404
160.85
2.24
4.5
T1（单）
5.77679
916.99926u
1.57046
158.7
4.578
9.499
T2（单）
5.76553
1.01214m
2.49323
175.5
4.598
9.518
T3（单）
12.07092
1.94068m
1.62161
160.77
2.244
4.5
电路增益
AVD
AVD1
AVC
AVC1
60.2
37.25
0
0.0016

五、数据分析
㈠.测量计算
1、双端输出时
（1）Q1; Q2
① 𝛽1=𝐼𝐶/ 𝐼𝐵=155
② rbe1=Δ𝑣𝐵𝐸/ Δ𝑖𝐵|vCE=4.6 kΩ
③ 𝑟ce1=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶|iB =10.47kΩ
(2)Q3
① 𝛽3=𝐼𝐶/ 𝐼𝐵=160.85
② rbe3=Δ𝑣𝐵𝐸/ Δ𝑖𝐵|vCE=2.24 kΩ
③ 𝑟ce3=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶|iB=4.5kΩ
2、单端输出时
（1）Q1;
① 𝛽1=𝐼𝐶/ 𝐼𝐵=158.7
② rbe1=Δ𝑣𝐵𝐸/ Δ𝑖𝐵|vCE=4.578kΩ
③ 𝑟ce1=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶|iB =9.499kΩ
(2)Q2
① 𝛽1=𝐼𝐶/ 𝐼𝐵=175.5
② rbe1=Δ𝑣𝐵𝐸/ Δ𝑖𝐵|vCE=4.598 kΩ
③ 𝑟ce1=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶|iB =9.518kΩ
(3)Q3
① 𝛽3=𝐼𝐶/ 𝐼𝐵=160.77
② rbe3=Δ𝑣𝐵𝐸/ Δ𝑖𝐵|vCE=2.244kΩ
③ 𝑟ce3=Δ𝑣𝐶𝐸/Δ𝑖𝐶|iB=4.5kΩ
3、电压增益计算
① 差模输入双端输出的电压增益 AVD =𝑢od/𝑢id= 60.2
② 差 模 输 入 单 端 输 出 的 电 压 增 益 AVD1 = 𝑉𝑙−𝑉𝑙′/𝑢𝑖=37.25
③ 共模输入双端输出的电压增益 AVC =𝑢𝑜 /𝑢𝑖1= ≈0
④ 共 模 输 入 单 端 输 出 的 电 压 增 AVC=𝑉2−𝑉2/𝑢𝑖=0.0016
㈡.理论计算
① 差模输入双端输出的电压增益 AVD=𝛽1(𝑅1//𝑅6/2// 𝑟ce1)/rbe1=57.33
② 差模输入单端输出的电压增益 AVD1=0.5 𝛽1(𝑅1//𝑅6//rce1) /𝑟𝑏𝑒1=43.0
③ 共模输入双端输出的电压增益 AVC=0
④ 共模输入单端输出的电压增益 AVC1= 𝛽1(𝑅1//𝑅6//rce1) /(𝑟be1+2 (1+β1)R0)
=9.95e-3
其中，恒流源输出电阻R0=rce3(1+β3*R5/(rce3+R5//R4+R3))=127.45kΩ
㈢.误差分析
①𝐸𝐴𝑉𝐷 =|𝐴 𝑉𝐷测−𝐴𝑉𝐷 /𝐴𝑉𝐷|=4.8%
② 𝐸𝐴𝑉𝐷1=|𝐴 𝑉𝐷1 测−𝐴𝑉𝐷1 /𝐴𝑉𝐷1|=15.4%
③ 𝐸𝐴𝑉𝐶=0
④ 𝐴𝑉𝐶1=9.95e-3 𝐴 𝑉𝐶测=0.0016 属于同一数量级
六、实验改进（比例电流源）

实验三 负反馈放大电路设计与仿真
一、 实验要求
1.设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率 10kHz(峰值 1mv) ，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于 500。
2.给电路引入电压串联负反馈：
（1）测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。
（2）改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响
二、实验原理图

三、实验过程与结果
1. 负反馈接入前后电路放大倍数、输入电阻 Ri、输出电阻 Ro和频率特性的测定
静态工作点

图3.1.0 静态工作点
（1） 负反馈接入前
① 电路放大倍数 Av

图3.1.1 负反馈接入前电压增益的测量电路

图3.1.2 负反馈接入前电压增益的测量结果
②输入电阻Ri

图3.1.3 负反馈接入前的输入电阻测量及测量结果
（3）输出电阻R0

图3.1.4 负反馈接入前的输出电阻测量电路（R=∞）

图3.1.4 负反馈接入前的输出电阻测量电路（R=5.1kΩ）
（4）频率特性

1.下限频率

2. 上限频率
负反馈接入前电路的幅频特性
（2） 负反馈接入后
电路放大倍数Af

图3.2.1 负反馈接入后电压增益Af的测量电路

图3.2.2 负反馈接入后电压增益的测量结果
‚输入电阻Ri

图3.2.3 负反馈接入后的输入电阻测量及测量结果
ƒ输出电阻

图3.2.4 负反馈接入后的输出电阻测量电路（R=∞）

图3.2.5 负反馈接入后的输出电阻测量电路（R=5.1kΩ）
（4）频率特性

1.下限频率

2. 上限频率
2. 探究负反馈对电路非线性失真的影响
（1）负反馈接入前
图3.3.1 负反馈接入前最大不失真电路

图3.3.2 负反馈接入前刚开始失真时的波形
（2） 负反馈接入后

图3.3.3 负反馈接入后最大不失真电路
图3.3.4 负反馈接入后刚开始失真时的波形
四、 数据表
静态工作点调试数据表
放大电路
电位接入百分比
IB（uA）
IC（mA）
VCE(V)
第一级
15%
24.08616
4.03284
5.15493
第二级
50%
12.20306
1.40328
1.47142

动态参数表
放大电路
AV
Ri（kΩ）
R0(kΩ)
fL(Hz)
fH(Hz)
最大不失真输入信号幅度（mV）
无反馈
703.067
5.49kΩ
4.39kΩ
58.9298
105.6631k
2
有反馈
19.12
7.02kΩ
62.3Ω
14.5974
3.099M
80
五、 数据分析
（1） 负反馈接入前
电路放大倍数AV=V0/Vi=703.067
‚输入电阻 Ri=Ui/Ii=5.49kΩ
ƒ输出电阻 R0=Rl（V01'-V01)/V01=4.39kΩ
④fL= 58.9298Hz fH=105.6631kHz
(2)负反馈接入后
电路放大倍数AV=V0/Vi=19.12
‚输入电阻 Ri=Ui/Ii=7.02kΩ
ƒ输出电阻 R0=Rl（V01'-V01)/V01=62.3Ω
④fL= 14.5974Hz fH=3.099MHz
(3) 深度负反馈的验证
|1+AF|=AV/Af=36.78>>10
故该负反馈为深度负反馈
六、 改进电路
图3.4.1 改进实验电路图

图3.4.2改进后实验结果

实验四 阶梯波发生器设计与仿真

一、实验要求
1、设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在8ms，输出电压范围[-6V，0V]，阶梯个数4个。
2、对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。
3、改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。
二、实验原理图

图4.1 阶梯波发生器原理框图
三、 实验过程与仿真结果
1、方波发生器

图4.2方波发生器实验电路

图4.3方波发生电路输出波形
2、微分电路
图4.4微分电路线路图

图4.5微分电路输出波形
3、 限幅电路

图4.6限幅电路线路图

图4.7限幅电路输出波形
4、积分累加电路

图4.8积分累加电路线路图

图4.9积分累加电路输出波形
5、实验总电路图
图4.10 阶梯波发生电路
图4.11 实验结果（周期+电压输出范围）
四、 数据分析
阶梯波周期 T=8.011ms
‚电压输出范围 [-6.059，0]
ƒET=|（T测-T）/T)|=1.3%
五、 实验小结
实验思考题
调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的周期？
答：阶梯波是由单边正向尖脉冲通过积分累加所得，而单边正向尖脉冲则是由方波经过微分、限幅所得。故每一级的周期即方波的周期。由方波周期公式T=易得，调节R1、C1、R3、和R2可改变周期。
‚调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
答：uo4= 易得阶梯波每一阶的幅值与R5和C3之积成反比，故减小R5和C3的值可增大输出电压范围。

54