第第4 4章章 模拟电路实验与综合设计模拟电路实验与综合设计 Page 2n4.1 模模拟电路路实验n4.1.1 模模拟电路常用器件与路常用器件与仪器器n4.1.2 单管共射放大器及管共射放大器及负反反馈n4.1.3 射极跟随器射极跟随器n4.1.4 差差动放大器放大器n4.1.5 低低频功率放大器功率放大器n4.1.6 RC正弦波振正弦波振荡器器n4.2 直流可直流可调稳压电源的源的设计Page 3n在在电子子线路中，研究含有路中，研究含有线性性电阻、阻、电容和容和电感元感元件的件的电路路(有直流和交流有直流和交流稳态及及动态电路路)，属于基，属于基础理理论电路，相路，相对比比较容易理解；而研究以非容易理解；而研究以非线性性元件二极管和三极管元件二极管和三极管为核心的核心的电路，因路，因为交直流并交直流并存，元件的多种作用与工作存，元件的多种作用与工作电压的的变化密切相关，化密切相关，不便于初学者理解和掌握。模不便于初学者理解和掌握。模拟电路就是以三极管路就是以三极管为核心，核心，处理模理模拟信号的信号的电路。初学者往往路。初学者往往对模模拟电子技子技术的学的学习感到困惑，概念多而抽象，学生在感到困惑，概念多而抽象，学生在实验室里做室里做实验的的时间又有限，尤其是前几章的内又有限，尤其是前几章的内容，稀里糊涂就容，稀里糊涂就过去了，去了，给后面的学后面的学习带来不少困来不少困难。在。在这一章里，我一章里，我们主要主要对模模拟电路中的几个典路中的几个典型型实验进行仿真和分析，然后行仿真和分析，然后给出两个模出两个模拟电路路设计的的综合合实例，目的在于使例，目的在于使读者者对这一部分的仿真一部分的仿真元件及元件及仪器有个基本的掌握，帮助大家更好地理解器有个基本的掌握，帮助大家更好地理解和学和学习模模拟电子技子技术，借助，借助软件，反复学件，反复学习和和验证，最最终克服学克服学习中的中的难关。关。Page 4 4.1 模拟电路实验模拟电路实验n这一一节，我，我们把模把模拟电子技子技术中的中的经典典实验详细介介绍给大家，使大家大家，使大家对Proteus中的模中的模拟电子技子技术部部分仿真元器件和虚分仿真元器件和虚拟仪器有器有较为详细的了解，并能的了解，并能够熟熟练掌握和使用。同掌握和使用。同时，可以使广大，可以使广大电子技子技术初初学者和学者和爱好者能好者能够在不在不进实验室的情况下室的情况下顺利完成利完成实验，测得得实验数据和数据和获得得实验波形，波形，设计出自己出自己想要的理想想要的理想电路，路，实现预定的定的电路功能，从而减少路功能，从而减少元件的浪元件的浪费，缩短短设计周期，提高周期，提高设计成功率。成功率。n首先，来看一看首先，来看一看Proteus中有哪些模中有哪些模拟电路中常用路中常用的仿真器件和虚的仿真器件和虚拟仪器能器能够供我供我们使用吧。使用吧。Page 54.1.1 模拟电路常用器件与仪器模拟电路常用器件与仪器n1. 模模拟电路常用器件路常用器件n模模拟电路中常用的器件主要有三极管、二极管、路中常用的器件主要有三极管、二极管、电阻、阻、电容、容、电感、感、变压器、直流器、直流电源、信号源、源、信号源、集成运放等。下面我集成运放等。下面我们来看来看这些元件如何拾取。些元件如何拾取。n(1) 三极管三极管 如何在如何在Proteus的浩瀚元件的浩瀚元件库中找到自己想要的三中找到自己想要的三极管元件呢极管元件呢？打开？打开Proteus的元件的元件拾取拾取对话框，框，在在类别“Category”中中的的“Transistors”子子类就就是三极管，是三极管，单击 Page 6 “Transistors”，出，出现如如图4-1中所示的元件。中所示的元件。这些元些元件和我件和我们平平时常用的国常用的国产三极管的型号不太一致，三极管的型号不太一致，比如常用的国比如常用的国产高高频小功率管小功率管3DG6对应于于2N5551，替，替换的原的原则是双方的管型一致，另外参数也要一是双方的管型一致，另外参数也要一样(当然根据当然根据设计需求允需求允许有有误差差)，元件替，元件替换对应也可以在网上也可以在网上查找。如果只是一般的原理仿真，可找。如果只是一般的原理仿真，可以直接以直接输入入“NPN”或或“PNP”来拾取通用元件即可。来拾取通用元件即可。如果用到如果用到场效效应管，管，则可以在可以在对应的子的子类中中查找。找。如如图4-1中右中右侧所示。所示。Page 7图4-1 三极管元件拾取对话框Page 8(2) 二极管二极管 二极管的种二极管的种类很多，包括整流很多，包括整流桥、整流二极管、肖、整流二极管、肖特基二极管、开关二极管、隧道二极管、特基二极管、开关二极管、隧道二极管、变容二极容二极管和管和稳压二极管。打开二极管。打开Proteus的元件的元件拾取拾取对话框，框，选中中“Category”中中的的“Diodes”，出，出现如如图4-2所所示的示的对话框，一般来框，一般来说，选取子取子类“Sub-category”中的中的“Generic”通用器件即可，通用器件即可，图4-2右右边给出通用器件的出通用器件的查寻结果，可以果，可以单击来看看需来看看需要使用哪种元件。要使用哪种元件。Page 9图4-2 二极管元件拾取对话框Page 10n(3) 电阻阻n电阻的分阻的分类为“Resistors”，子，子类有有0.6W和和2W金金属膜属膜电阻、阻、3W、7W和和10W绕线电阻、通用阻、通用电阻、阻、热电阻阻(NTC)、排阻、排阻(Resistor Packs)、可、可变电阻阻(Variables)及家用高及家用高压系列加系列加热电阻阻丝。n常用常用电阻可直接阻可直接输入通用入通用电阻阻“RES”拾取即可，然拾取即可，然后再修改参数。后再修改参数。这里我里我们主要主要说一下比一下比较常用的可常用的可变电阻。直接阻。直接输入入“POT”或或“POT-”可找到四个或三个可找到四个或三个相关元件。相关元件。n“POT”为一般滑一般滑动变阻器，触阻器，触头不能拉不能拉动，需，需选中中后打开元件属性后打开元件属性对话框，修改框，修改“STATE”来改来改变触触头的位置，的位置，“STATE”的初始的初始值为5，触，触头位于中位于中间，改，改为10后，触后，触头位于最上，如位于最上，如图4-3所示。由于所示。由于调整不整不方便，一般不使用此元件，而使用下面的几个滑方便，一般不使用此元件，而使用下面的几个滑动变阻器。阻器。Page 11图4-3 滑动变阻器元件属性对话框Page 12n“POT-HG”滑滑动变阻器的好阻器的好处是可以直接用鼠是可以直接用鼠标来来改改变触触头位置，精确度和位置，精确度和调整的最小整的最小单位位为阻阻值的的1%，比如一个，比如一个1k的的电阻，精确到阻，精确到10，而一个，而一个100k的的电阻只能精确到阻只能精确到1k，所以，当，所以，当电阻阻较大大时，考，考虑把它分成两部分串把它分成两部分串联，一部分，一部分为较大阻大阻值的固定的固定电阻，另一部分阻，另一部分为较小阻小阻值的滑的滑动电阻，阻，这样比比较科学。科学。n“POT-LIN”和和“POT-LOG”滑滑动变阻器和阻器和“POT-HG”一一样可以通可以通过鼠鼠标来改来改变触触头位置，但精确度和位置，但精确度和调整的最小整的最小单位均位均为阻阻值的的10%。n读者可以根据需要和者可以根据需要和调整精度来整精度来选择所需要的滑所需要的滑动变阻器。阻器。Page 13n(4) 电容容n模模拟电路中常用的路中常用的电容容为极性极性电容，即容，即电解解电容。容。其其实无极性无极性电容和容和电解解电容在使用容在使用时没什么区没什么区别，只不只不过当当电容容值较大大时，一般在，一般在1F以上以上时，要做成，要做成电解解电容。放大容。放大电路中的耦合路中的耦合电容一般容一般为10100F，为电解解电容，特容，特别注意的是，注意的是，电解解电容的正极性容的正极性端的直流端的直流电位一定要高于位一定要高于负极性端才能正常工作，极性端才能正常工作，否否则会出会出现意外意外现象。象。n常用的无极性常用的无极性电容的名称容的名称为“CAP”，极性，极性电容容为“CAP-ELEC”，还有一个可有一个可动画演示充放画演示充放电电荷的荷的电容容为“CAPACITOR”。极性。极性电容容“CAP-ELEC”的原的原理理图符号正端不符号正端不带填充，填充，负端方框中填充有斜端方框中填充有斜纹。使用使用时可直接可直接输入名字拾取即可。入名字拾取即可。Page 14n(5) 电感和感和变压器器n电感和感和变压器同属器同属电感感“Inductors”这一分一分类，只，只不不过在子在子类中，又分中，又分为通用通用电感、表面安装技感、表面安装技术(SMT)电感和感和变压器。一般来器。一般来说，使用，使用电感感时直接直接拾取拾取“INDUCTOR”元件，使用元件，使用变压器器时，要看原、，要看原、副副边的抽的抽头数而定。数而定。 n打开元件拾取打开元件拾取对话框，框，选取取“Inductors”大大类下的下的子子类“Transformers”，如，如图4-4所示，在右所示，在右侧显示示出出变压器可器可选元件。常用的是前四种，名称前元件。常用的是前四种，名称前缀为“TRAN-”，也可以直接，也可以直接输入入这个前个前缀来搜来搜寻变压器。器。为了帮助大家了帮助大家记忆变压器的名称，以第一个器的名称，以第一个变压器器“TRAN-1P2S”为例来例来说明它的含明它的含义。“TRAN”是是变压器的英文器的英文“TRANSFORMER”的的缩写，写，“P”是原是原边“PRIMARY”的意思，的意思，“S”是副是副边“SECONDORY”的的意思。而后面三个意思。而后面三个变压器都是器都是饱和和变压器，器，Page 15n如如“TRSAT2P2S2B”即即Saturated Transformer with secondary and bias windings，意思是具有副，意思是具有副边和偏置和偏置线圈的圈的饱和和变压器。器。图4-4 变压器拾取对话框Page 16n变压器在器在调用用时，由于，由于对称按称按钮可能可能处于于选中状中状态，原、副原、副边绕组的位置就的位置就颠倒了，使用倒了，使用时要注意，尤要注意，尤其是原其是原边和副和副边绕组数目相同的数目相同的变压器，器，这涉及到涉及到原、副原、副边的匝比是升的匝比是升压或降或降压变压器的器的问题。n变压器的匝比是通器的匝比是通过改改变原、副原、副边的的电感感值来来实现的。打开的。打开“TRAN-2P2S”变压器的元件属性器的元件属性对话框，框，如如图4-5所示，原所示，原边和副和副边的的电感感值都是都是1H，即，即变比比n为1:1。如果我。如果我们想使它成想使它成为n=10:1的降的降压变压器，可以改器，可以改变原原边电感，也可改感，也可改变副副边电感，感，还可可以两者同以两者同时改改变，但要保，但要保证，即原、副，即原、副边电压比比值等于原等于原边电感与副感与副边电感的平方比。感的平方比。Page 17n改改变原、副原、副边的的电感感值分分别为100H和和1H(也可以也可以为1H和和0.01H)，即原副，即原副边电压比比为10:1，此，此变压器器为降降压变压器，如器，如图4-6所示所示。图4-5 变压器属性对话框Page 18图4-6 修改变压器变比变压器变比设定后，在原边加一个交流源“ALTERNATOR”，使它为幅值100V，频率为50Hz，同时在原边加一个交流电压表，在副边也加一交流电压表，运行仿真，显示原边电压有效值为70.7V，副边电压有效值为7.07V，变压为10:1。如图4-7所示。Page 19图4-7 变压器变比仿真(6) 交、直流电源直流电源通常有单电池“CELL”和 电池组“BATTERY”两种，可任意改变其值。单 相交流电源为“ALTERNATOR”，可改变其幅值(半波峰值)和频率。如图4-8所示。Page 20图4-8 交、直流电源(7) 集成运放打开元件拾取对话框，选取“Operational Amplifiers”分类，显示子类有“Dual”、“Deal”、“Octal”、“Quad”、“Single”、“Triple”，分别为双运放(即一个集成芯片内所包含的两个相同运放)、理想运放、八运放、四运放、单运放和三运放。我们常用的集成运放是通用的理想运算放大器，可直接选子类“Deal”中的“OP1P”。如果知道集成运放的名称，也可直接查寻，比如对常用的四运放LM324直接输入 “LM324” 即可。Page 21n2. 模模拟电路仿真中的常用路仿真中的常用仪器器n模模拟电路中常用的仿真路中常用的仿真仪器主要有交流器主要有交流电压表、交流表、交流电流表、直流流表、直流电压表、直流表、直流电流表、信号流表、信号发生器、示生器、示波器和波器和扬声器。声器。n单击工具工具栏中的虚中的虚拟仪器器图标，如，如图4-9所示，在所示，在对象象选择区出区出现所有的虚所有的虚拟仪器名称列表，其中器名称列表，其中“OSCILLOSCOPE”、“SIGNAL GENERATOR”、“DC VOLTMETER”、“DC AMMETER”、“AC VOLTMETER”、“AC AMMETER”分分别为示波器、示波器、信号信号发生器、直流生器、直流电压表、直流表、直流电流表、交流流表、交流电压表表和交流和交流电流表。流表。Page 22n交、直流交、直流电压表和交、直流表和交、直流电流表的量程都可以流表的量程都可以设定，定，比如可以比如可以设定一个交流定一个交流电压表表为毫伏表，如毫伏表，如图4-9所所示，只需改示，只需改变元件属性中的元件属性中的“Display Range”为“Millivolts”即可。即可。图4-9 交流毫伏表的量程设定信号发生器的用法在3.2.7节已经介绍，下面主要说明示波器和扬声器的用法。Page 23n(1) 示波器示波器nProteus的虚的虚拟示波器能完成四个通道示波器能完成四个通道(A、B、C、D)的波形的波形显示与示与测量。待量。待测的四个的四个输入信号分入信号分别与与示波器的四个通道相接，信号的另一端示波器的四个通道相接，信号的另一端应接地。接地。n在前面的例子中我在前面的例子中我们已已经熟悉了示波器的原理熟悉了示波器的原理图符符号，下面介号，下面介绍仿真运行后示波器界面各部分旋仿真运行后示波器界面各部分旋钮的的功能。功能。图4-10是示波器仿真运行后的界面。是示波器仿真运行后的界面。Page 24图4-10 示波器运行仿真后的界面Page 25n以通道以通道A为例，例，“Position”旋旋钮用来用来调整波形的垂整波形的垂直位移，下面的旋直位移，下面的旋钮用来用来调整波形的幅度整波形的幅度显示比例，示比例，外面的黄色箭外面的黄色箭头是粗是粗调，里面的黄色小箭，里面的黄色小箭头是是细调，当当读刻度刻度时，应把里把里层的箭的箭头顺时针调到最右端。四到最右端。四个通道的个通道的对应旋旋钮使用方法一使用方法一样。在。在“Horizontal”下方的两个旋下方的两个旋钮分分别用来用来调整波形的水平位移和整波形的水平位移和扫描描频率。当用鼠率。当用鼠标单击黑色的波形黑色的波形显示区域后，也可以示区域后，也可以通通过滚动鼠鼠标滑滑轮来来调整整扫描描频率。其他旋率。其他旋钮可保持可保持原位不原位不动。n在运行在运行过程中如果关程中如果关闭掉示波器，需要从主菜掉示波器，需要从主菜单【Debug】中中选取最下面取最下面【VSM Oscilloscope】来重来重现。Page 26n(2) 扬声器声器n扬声器在模声器在模拟电路的仿真中也路的仿真中也经常用到。可直接常用到。可直接输入入“Speaker”来来调用，两个接用，两个接线端不分正端不分正负，因，因为它接收的是交流模它接收的是交流模拟信号。要注意信号。要注意驱动信号的幅信号的幅值和和频率率应在在扬声器的工作声器的工作电压和和频率范率范围之内，否之内，否则不会响。当不会响。当扬声器不会声器不会鸣响响时，可能是因，可能是因为信号信号种种类不匹配不匹配(比如数字信号比如数字信号)或或扬声器的声器的电压设的太的太大而需要修改。大而需要修改。扬声器的属性参数声器的属性参数对话框如框如图4-11所示所示。Page 27图4-11 扬声器属性参数对话框Page 28在模拟电路中，单管共射放大器及负反馈是非常重要的内容，这两个实验通常合并在一块电路板中来做。接下来我们讨论单管共射放大器的静态工作点及动态参数的调试与测量，最后来观察两级放大电路中负反馈带来的影响。1.单管共射放大电路静态工作点的调试 单管共射放大器及负反馈实验的电路如图4-12所示。我们先考虑单管共射放大器部分，即前一级电路，如图4-13所示。 4.1.2 单管共射放大器及负反馈单管共射放大器及负反馈Page 29图4-12 单管共射放大器及负反馈实验电路图Page 30图4-13 单管共射放大器实验电路图Page 31n照照图4-12把整个把整个电路路图连接好，两接好，两级参数可取一参数可取一样。接上直流接上直流电源、信号源、信号发生器和示波器。下面生器和示波器。下面调试第一第一级的静的静态工作点，即找到一个合适的静工作点，即找到一个合适的静态工作点，然工作点，然后再用直流表后再用直流表测量出来。量出来。n 把开关按把开关按图示位置示位置设定好，按仿真运行按定好，按仿真运行按钮，把信，把信号号发生器的生器的频率率调为1kHz，幅，幅值尽可能大，直到尽可能大，直到观察到示波器察到示波器显示的示的输出波形出出波形出现双双顶失真失真为止，如止，如图4-14中的波形中的波形(a)所示所示 。看看。看看这个失真的波形是否上个失真的波形是否上下下对称失真，如果不称失真，如果不对称，称，调整整图4-13中的滑中的滑动变阻阻器器RV1来改来改变静静态工作点使波形看似工作点使波形看似对称，如称，如图4-14中的波形中的波形(b)所示。因所示。因为眼睛看到的眼睛看到的对称失真并不一称失真并不一定是真的定是真的对称，所以称，所以还需减小信号需减小信号发生器的幅生器的幅值，使，使波形一端的失真波形一端的失真刚好消失，如好消失，如图4-14中的波中的波Page 32n形形(c)所示，所示，这验证了静了静态工作点仍然不合适。工作点仍然不合适。进一一步步调整滑整滑动变阻器，使波形两端出阻器，使波形两端出现对称失真，再减称失真，再减小信号小信号发生器的幅生器的幅值，使波形一，使波形一顶失真消失，反复几失真消失，反复几次，直到波形两次，直到波形两顶的失真的失真刚好同好同时消失，如消失，如图4-14中中的波形的波形(d)所示，所示，这时的静的静态工作点是最合适的，保工作点是最合适的，保持滑持滑动变阻器的位置不要再阻器的位置不要再动了。了。图4-14 单管共射放大器调试静态工作点波形Page 33n调试的原理是来自于的原理是来自于单管共射放大管共射放大电路三极管的路三极管的输出出特性，如特性，如图4-15所示，所示，为NPN双极型三极管的双极型三极管的输出特出特性曲性曲线，其中的斜，其中的斜线为交流交流负载线，静，静态工作点工作点应位位于交流于交流负载线的中点的中点Q，交流信号在，交流信号在变化化时才能得到才能得到最大不失真的最大不失真的输出波形。如果静出波形。如果静态工作点位于交流工作点位于交流负载线的的Q点，点，则输出波形如出波形如图中的失真波，即集中的失真波，即集电极极电流稍有增加，三极管便流稍有增加，三极管便进入入饱和区，和区，产生生饱和失和失真，使放大能力下降。一般来真，使放大能力下降。一般来说，调整基极整基极电阻，可阻，可方便地改方便地改变静静态工作点的工作点的值。Page 34图4-15 三极管的输出特性与静态工作点Page 35n上述的静上述的静态工作点工作点调整方法，就是故意整方法，就是故意让输出波形失出波形失真来看失真的真来看失真的对称度，从而判断静称度，从而判断静态工作点是否位于工作点是否位于交流交流负载线的中的中间，因，因为合适的静合适的静态工作点并不意味工作点并不意味着不会着不会产生失真，只要生失真，只要输入信号足入信号足够大，就会大，就会产生失生失真，只不真，只不过是是产生生对称的失真。通称的失真。通过反复反复调整整输入信入信号的幅号的幅值和基极和基极电阻的大小，来阻的大小，来观察和改察和改变静静态工作工作点，从而找到一个最佳静点，从而找到一个最佳静态工作点，只有找到了最佳工作点，只有找到了最佳静静态工作点，接下来的工作点，接下来的动态参数参数测量才有意量才有意义。给定定一一块电路板，不能盲目地去路板，不能盲目地去进行数据行数据测量。量。 Page 36n虽然然电容隔直，容隔直，R6左左边的交流信号源的短路的交流信号源的短路线可以省可以省去，开路即可，但在没有去，开路即可，但在没有电容的直接耦合容的直接耦合电路中却不路中却不能开路，能开路，为了养成良好的了养成良好的习惯，建，建议使交流信号短接使交流信号短接而不是开路。把三个直流而不是开路。把三个直流电压表和一个直流表和一个直流电流表流表(毫毫安表安表)连接，可接，可测得如表得如表4-1所示的数据。其中，所示的数据。其中，IC的的数据是数据是约等。等。Page 37图4-16 静态工作点的测量Page 38n注意，三个注意，三个电压表一定直接表一定直接连接到三极管的三个极接到三极管的三个极上，不能在上，不能在电容容C1前或前或电容容C2后后测量。表量。表4-1中后中后两列是两列是计算算值。n3. 单管共射放大管共射放大电路路动态参数的参数的测量量 前面提到，静前面提到，静态工作点的合适与否直接影响交流工作点的合适与否直接影响交流输出信号的幅出信号的幅值。那么是不是。那么是不是 Page 39n有了合适的静有了合适的静态工作点后，工作点后，输出出电压与信号源的比就与信号源的比就一定能一定能够得到最大得到最大值呢？不是的，影响放大倍数的呢？不是的，影响放大倍数的还有放大有放大电路的几个路的几个动态参数：参数：输入入电阻、阻、输出出电阻和阻和带宽。 n首先来首先来讨论电压放大倍数的放大倍数的测量。量。n(1) 电压放大倍数放大倍数n电压放大倍数有两种含放大倍数有两种含义，一种是，一种是输出出电压对信号源信号源的比的比值，即，另一种是，即，另一种是输出出电压对输入入电压的比的比值，即。即。n由于由于Proteus的虚的虚拟信号源都是理想信号源都是理想电压源，没有内源，没有内阻，所以阻，所以图4-16所示的所示的电路中用路中用电阻阻R6(10k)来模来模拟信号源内阻，当然与信号源内阻，当然与实际相比有些大了。真正分到相比有些大了。真正分到放大放大电路中的信号路中的信号电压是是R6的右端的右端(即基极即基极)到地之到地之间Page 40 的交流的交流电压，另外一部分，另外一部分电压降落在降落在R6上上。 在在输入入端端接接信信号号发生生器器，在在信信号号发生生器器上上并并联一一个个交交流流毫毫伏伏表表以以测信信号号源源电压的的有有效效值。调节信信号号发生生器器的的幅幅值使使交交流流毫毫伏伏表表的的读数数约为10mV，把把示示波波器器接接在在输出出端端，观察察输出出波波形形，以以不不失失真真为准准。断断开开负载电阻阻使使放放大大电路路空空载，在在输出出端端接接交交流流电压表表。运运行仿真，各表行仿真，各表读数如数如图4-17所示。可所示。可计算算合合上上开开关关SW3加加上上负载后后，输出出电压的的幅幅值会会下下降降，请大家自己大家自己测量和量和计算并分析原因。算并分析原因。 Page 41图4-17 空载时电压放大倍数的测量Page 42n由于是由于是单管共射放大管共射放大电路，所以路，所以输出波形和出波形和输入波形入波形是倒相的，放大倍数是倒相的，放大倍数应该是是负值。示波器的。示波器的输入入输出出波形如波形如图4-18所示。所示。图4-18 输入与输出波形Page 43n(2) 输入入电阻阻n放大放大电路的路的输入入电阻是从放大阻是从放大电路路输入端看入端看进去的无去的无源网源网络的等效的等效电阻，阻，计算此算此电阻要先画出放大阻要先画出放大电路的路的微微变等效等效电路，也可以直接通路，也可以直接通过实验方法来方法来测量，量，这样更方便和快捷。其原理如下：更方便和快捷。其原理如下：n如如图4-19所示，可以把放大所示，可以把放大电路的交流通路看成是二路的交流通路看成是二端口网端口网络，输入端入端为含有内阻的信号源，含有内阻的信号源，输出端接出端接负载。其中，。其中，Ri为输入入电阻，阻，Ro为输出出电阻。当阻。当电路路设计好后，二端口的参数就确定不好后，二端口的参数就确定不变了。空了。空载时，输出出电压Uo与与输入入电压Ui的比的比值是定是定值，但由于二端口外，但由于二端口外的元件的元件U S、R S及及RL是随不同的用是随不同的用户使用而定的，使用而定的，所以根据两端串所以根据两端串联分分压原理，原理，Ri与与Ro会分会分别影响影响Ui与与Uo的的值，从而引起，从而引起输出出电压的的变化而影响化而影响电压放大倍放大倍数。数。Page 44n在在图4-19中的中的输入端，有，如果知道入端，有，如果知道US、RS及及Ui，就可以算出就可以算出Ri，测量量输入入电阻的原理就如此。阻的原理就如此。n回回头看看实验图4-17，US=10.3mV，Ui=4.07mV，RS=10k，则可算出可算出Ri=10.7k。可。可见，输入入电阻阻越大，放大越大，放大电路分得的路分得的电压就越大，就越大，输出出电压就越大，就越大，当然当然这里模里模拟用的内阻用的内阻RS有点有点过大。大。图4-19 输入、输出电阻测量原理图Page 45n(3) 输出出电阻阻n根据根据图4-19不不难理解，如果把放大理解，如果把放大电路再看成一个路再看成一个电压源，源，对负载供供电，则输出出电阻阻Ro就是就是这个个电压源的内阻，源的内阻，Ro越小，越小，负载上分得的上分得的电压就越大，放就越大，放大大电路的性能就越好。因此有，其中路的性能就越好。因此有，其中为空空载电压。n测量量输出出电阻的阻的实验是，分是，分别测出空出空载和和带负载情情况下的况下的输出出电压、Uo及及负载电阻阻RL，就可以算出，就可以算出Ro的的值。n(4) 带宽 前面分前面分别提到静提到静态工作点、交流工作点、交流输入及入及输出出电阻会阻会影响放大影响放大电路的路的电压放大倍数，但当放大倍数，但当这些参数都些参数都设计合理后，是不是放大合理后，是不是放大电路的性能就完美无缺了呢路的性能就完美无缺了呢 ?Page 46 其其实，前面提到的放大都是，前面提到的放大都是对某一固定某一固定频率信号的幅率信号的幅值进行的放大，我行的放大，我们在做在做实验的的时候，通常把信号候，通常把信号频率率调节到到1kHz。如果保持信号的幅。如果保持信号的幅值不不变而改而改变其其频率，会率，会发现放大倍数在某些放大倍数在某些频段会保持不段会保持不变，而在，而在另一些另一些频段段则会突然下降，甚至会突然下降，甚至为零。零。这就是我就是我们所所说的的频率响率响应，即，即频率率对放大倍数的影响。不同的放放大倍数的影响。不同的放大大电路的路的频率响率响应是不一是不一样的，的，这主要是因主要是因为电路中路中的的电容容(耦合耦合电容、旁路容、旁路电容、极容、极间电容等容等)的阻抗会的阻抗会随随频率而改率而改变，从而，从而导致致电路的路的输入、入、输出阻抗出阻抗变化，化，影响影响输出出电压的大小。在的大小。在单管共射放大管共射放大电路中，路中，频率率过高和高和过低都会造成放大倍数的衰减，只有在中低都会造成放大倍数的衰减，只有在中频段，段，放大倍数才放大倍数才稳定不定不变，这一段的一段的频率范率范围称称为带宽，通常用通常用fBW来表示。来表示。Page 47n测量量单管共射放大管共射放大电路路带宽的方法是，在放大的方法是，在放大电路路输入端先加一小信号，比如入端先加一小信号，比如10mV、1kHz，用示波器，用示波器观察察输出出电压波形，要保波形，要保证输出波形不失真。出波形不失真。调节示波示波器的器的扫描旋描旋钮，让波形集中，波形集中，调整示波器的垂直增益，整示波器的垂直增益，使使输出波形正好占据出波形正好占据10格，如格，如图4-20所示。所示。图4-20 中频段输出波形的幅度Page 48n接下来减小信号接下来减小信号发生器的生器的频率，率，调整示波器的整示波器的扫描旋描旋钮，使波形在，使波形在频率率较低的情形下仍能相低的情形下仍能相对集中，以便集中，以便观察幅察幅值所占的格数。所占的格数。继续减小信号减小信号发生器的生器的频率率值，直到直到输出波形在示波器中所占的格数减出波形在示波器中所占的格数减为7格，如格，如图4-21所示，所示，这时读信号信号发生器的生器的频率率为13Hz，即放大，即放大电路的下限路的下限转折折频率率fL。以同。以同样的方法的方法读出上限出上限转折折频率率为400kHz，即，即fH。这个放大个放大电路的路的带宽fWH =fHfL约为400kHz。 Page 49 根据根据单管共射放大倍数管共射放大倍数频率响率响应的幅的幅频特性，如特性，如图4-22所示，在中所示，在中频段，即段，即13Hz400kHz范范围内，放大内，放大倍数基本恒定，当倍数基本恒定，当频率小于率小于13Hz或大于或大于400kHz时，放大倍数按每放大倍数按每10倍倍频程程20分分贝的速度上升或衰减。的速度上升或衰减。图中中显示的是理想幅示的是理想幅频特性，其特性，其实，在，在转折折频率率处，中中频放大倍数要下降放大倍数要下降3dB，即是原来的，即是原来的0.707倍。倍。图4-21 截止频率时的输出波形的幅度 Page 50n在本在本实验中，因中，因为输入信号未入信号未变，输出出电压变为原来原来的的0.7倍，即放大倍数倍，即放大倍数变为原来的原来的0.7倍。故改倍。故改变信号信号频率，使率，使输出出电压的幅的幅值由原来的由原来的10格格缩为7格格时，即即转折折频率所率所对应的幅的幅值，就，就测出了出了转折折频率和率和带宽。图4-22 单管共射放大电路的频率响应Page 51n4. 负反反馈n在在单管共射放大管共射放大电路路实验的一开始，我的一开始，我们给出的出的实验电路板是一个含有路板是一个含有负反反馈的两的两级放大放大电路，如路，如图4-12所示。可以判断出所示。可以判断出该负反反馈为电压串串联负反反馈。因。因为电压串串联负反反馈能能够使放大使放大电路的路的输出出电阻阻变小，小，输入入电阻增大，拓展了阻增大，拓展了带宽，从而改善了，从而改善了该两两级放大放大电路的路的动态性能，但是所有性能，但是所有这些都是以些都是以牺牲放大倍数牲放大倍数为代价的。代价的。n本本实验我我们先分先分别调试好两好两级放大放大电路的静路的静态工作点，工作点，然后在断开然后在断开负反反馈的情况下，按照前面介的情况下，按照前面介绍的方法，的方法，测试两两级放大放大电路的整体路的整体输入入电阻、阻、输出出电阻、阻、电压放大倍数和放大倍数和带宽。合上开关。合上开关SW2，在接上，在接上负反反馈的情的情况下，把以上四个参数再况下，把以上四个参数再测量一遍，量一遍，进行比行比较，找出，找出它它们之之间的关系。的关系。Page 52n为了了节约时间，四个参数的，四个参数的测量量应该这样来做比来做比较方方便，比如便，比如测输入入电阻，一次把含有阻，一次把含有负反反馈和不含和不含负反反馈两种情况都两种情况都测了。先把开关了。先把开关SW2拨到断开位，到断开位，读输入端信号入端信号电压，然后再把开关，然后再把开关SW2拨到到闭合位，重合位，重读一遍。其他参数依此一遍。其他参数依此类推。推。n通通过测量和比量和比较，得出的，得出的结果是果是n Page 534.1.3 射极跟随器射极跟随器n共集共集电极放大极放大电路又叫射极跟随器，因路又叫射极跟随器，因为它的它的电压从射极从射极输出且与出且与输入入电压大小几乎相等，相位大小几乎相等，相位一致，就好像一致，就好像输出出电压总是跟随是跟随输入入电压的的变化化一一样。n射极跟随器并不能放大射极跟随器并不能放大电压，它能，它能够放大放大电流，流，它的它的输入入电阻高，阻高，输出出电阻低，阻低，电路的路的动态性能性能比比较好，适合做多好，适合做多级放大放大电路的初路的初级和末和末级。但。但由于差由于差动放大放大电路和功率放大路和功率放大电路的出路的出现，在高，在高性能运放的性能运放的输入入级和和输出出级一般不使用射极跟随一般不使用射极跟随器。器。n如如图4-23所示，是所示，是单管共集放大管共集放大电路，在路，在该实验中，我中，我们主要完成以下工作：主要完成以下工作：Page 54n测量静量静态工作点；工作点；n测量量动态参数；参数；n观察察输入、入、输出波形。出波形。图4-23 射极跟随器实验电路Page 55n1. 静静态工作点的工作点的测试n按照按照图4-23的接的接线，先，先进行静行静态工作点工作点调试，由于射，由于射极跟随器的极跟随器的电压不能被放大，所以在不能被放大，所以在调试静静态工作点工作点时需要加比需要加比较高的高的输入入电压才能才能观察到失真的出察到失真的出现，一般从一般从1V加起，逐加起，逐渐加大。静加大。静态工作点工作点调整合适后，整合适后，照照图4-24接接线，测量静量静态工作点。注意，工作点。注意，测量静量静态工工作点所用的都是直流表，作点所用的都是直流表，测量集量集电极极电位的位的电压表可表可省去，因省去，因为集集电极直接接极直接接12V直流直流电源。源。电流表要在流表要在属性属性对话框中改框中改为毫安表，注意毫安表，注意电流从正端流向流从正端流向负端。端。测得的数据如得的数据如图4-24中各中各电表所示，列于表表所示，列于表4-2中。中。 Page 56图4-24 射极跟随器的静态工作点测量电路Page 57n2. 测量量动态参数参数 动态参数仍然是参数仍然是电压放大倍数、放大倍数、输入入电阻、阻、输出出电阻和阻和带宽。照。照图4-23接接线，运行仿真，把信号，运行仿真，把信号发生器生器的的频率率调为1kHz，调节信号信号发生器的幅度使生器的幅度使电路的路的输入入电压为2V，读得信号得信号发生器的生器的电压有效有效值为2.02V，输出出电压有效有效值为1.99V。于是可以算出各。于是可以算出各动态参参数。数。 电压放大倍数放大倍数表4-2 射极跟随器静态工作点测量值Page 58n输入入电阻阻n输出出电阻阻 保持保持输入信号不入信号不变，空，空载和接和接负载时分分别测得得输出出电压，如，如图4-25和和图4-26所示，可所示，可计算算输出出电阻如下阻如下：Page 59图4-25 射极跟随器动态参数的测量Page 60图4-26 射极跟随器输出电阻的测量Page 61 通通过计算可以算可以发现，此射极跟随器的，此射极跟随器的输入入电阻高达阻高达到到200k，输出出电阻低至阻低至27.4，电压放大倍数接近放大倍数接近1但小于但小于1。至于。至于带宽，读者可以借者可以借鉴前面前面单管共射管共射放大放大电路的方法自己来路的方法自己来测算，下面来算，下面来观察察输入入输出出电压波形。波形。n3. 观察察输入入输出波形出波形 在以上各在以上各动态参数的参数的测量量过程中，前提是程中，前提是输出出电压不不失真，最好是把示波器接在失真，最好是把示波器接在输出端，每出端，每测量或改量或改变一个参数，都要一个参数，都要观察察输出出电压的波形，确保是在不的波形，确保是在不失真状失真状态下。下。 现在的主要目的是在的主要目的是观察、察、对比比输入入输出出电压波形，波形，验证输出出电压是否与是否与输入入电压大小相等、方向相同大小相等、方向相同 。在。在输入端加上使入端加上使输出不失真的合适出不失真的合适输入入电Page 62 压，使，使输出空出空载，把，把输入、入、输出分出分别接到示波器接到示波器的的A、B通道，通道，调节示波器的示波器的扫描旋描旋钮和和A、B通通道的垂直位移及增益旋道的垂直位移及增益旋钮，保持两通道的增益一，保持两通道的增益一致，垂直位移稍有不同，否致，垂直位移稍有不同，否则两波形将重叠。两波形将重叠。观察到的波形如察到的波形如图4-27所示。由此可所示。由此可验证射极跟随射极跟随器名称的由来。器名称的由来。 图4-27 射极跟随器的输入输出波形Page 63 差差动放大器用在多放大器用在多级放大放大电路的第一路的第一级，主要目的，主要目的是减少零漂。与是减少零漂。与单管共射放大管共射放大电路相比，差路相比，差动放大放大器使用了双倍的元件却得到同器使用了双倍的元件却得到同样的的电压放大倍数，放大倍数，但它却具有相当高的共模抑制比，即但它却具有相当高的共模抑制比，即对共模信号的共模信号的放大倍数近似放大倍数近似为零。差零。差动放大器的放大器的实验主要主要测电路路的静的静态工作点、工作点、单端和双端端和双端输出出时的差模的差模电压放大放大倍数倍数Ad、共模、共模电压放大倍数放大倍数Ac及共模抑制比及共模抑制比KCMRR。 图4-28是差是差动放大器的放大器的实验电路，其中路，其中T3、R1、R2、RE3构成恒流源，构成恒流源，T3的集的集电极极电流流为恒流源恒流源的的输出。两位开关出。两位开关K用来用来选择差差动放大器射极接放大器射极接电阻阻还是接恒流源，当是接恒流源，当K拨到左到左边，差，差动放大器接放大器接10k的射极的射极电阻阻RE，拨到右到右边接恒流源，接恒流源， 4.1.4 差动放大器差动放大器Page 64 共模抑制能力更共模抑制能力更强。RW是是调零零电阻，在仿真阻，在仿真时，因，因为我我们可以做到差可以做到差动对管及相管及相应的元件完全的元件完全对称，而称，而在在实际电路中却不能，利用路中却不能，利用调零零电阻阻RW来来调节两个两个共射放大共射放大电路的路的对称性。开关称性。开关SW1用来在用来在测静静态工作工作点点时短接信号源。短接信号源。Page 65图4-28 差动放大器实验电路Page 66n1. 电路路调零零 在在测各参数之前，先各参数之前，先进行行电路路调零。如零。如图4-29所示，所示，在在T1、T2管两集管两集电极之极之间接一直流伏特表，接一直流伏特表，闭合开合开关关SW1，把开关，把开关K打在左打在左侧，这时电路中全部路中全部为直流直流电量。量。调节滑滑动变阻器阻器RW，使，使电表的表的读数接近零数接近零为止。止。调零完成，去掉零完成，去掉电压表，保持表，保持RW的触的触头位置不位置不变。图4-29 调零电路Page 67n2. 测量静量静态工作点工作点 在只有直流在只有直流电源作用的情况下，源作用的情况下，测得得电路中的基极路中的基极电位、射极位、射极电位、集位、集电极极电位和集位和集电极极电流。流。 照照图4-30连接接电路，路，测得的数据如表得的数据如表4-3所示。所示。图4-30 差动放大器的静态工作点测量电路Page 68n3. 单端端输出出时的放大倍数和共模抑制比的放大倍数和共模抑制比n(1) 单端端输出差模出差模电压放大倍数放大倍数 打开打开SW1，在差模，在差模输入端接一信号源，并入端接一信号源，并联交流交流毫伏表，运行仿真，毫伏表，运行仿真，调节信号源的信号源的频率率为1kHz，调节信号源的幅信号源的幅值使交流毫伏表的使交流毫伏表的读数数约为200mV。在。在T1管的集管的集电极接一交流伏特表，如极接一交流伏特表，如图4-31所示。最好在所示。最好在T1管集管集电极接示波器，极接示波器，观察察输出出电压波形不失真波形不失真为准。准。表4-3 差动放大器静态工作点测量值Page 69n先把开关先把开关K拨到左到左侧，测得得T1管的集管的集电极极输出出电压为7.79V；再把开关；再把开关K拨到右到右侧，测得得T1管的集管的集电极极输出出电压为6.55V。可。可计算出射极分算出射极分别接接电阻和恒流源阻和恒流源时的的单端端输出差模出差模电压放大倍数放大倍数为图4-31 差动放大器的单端输出差模电压放大倍数测量电路Page 70n(2) 单端端输出共模出共模电压放大倍数放大倍数 如如图4-32所示，把所示，把T1、T2管的两管的两输入端并入端并联，再接，再接一一频率率为1kHz、有效、有效值约为100mV的共模的共模输入信号。入信号。图4-32 差动放大器的单端输出共模电压放大倍数测量电路Page 71n先把开关先把开关K拨到左到左侧，测得得T1管的集管的集电极极输出出电压为6.38V；再把开关；再把开关K拨到右到右侧，测得得T1管的集管的集电极极输出出电压为4.71V。可分。可分别计算出射极接算出射极接电阻和恒流源阻和恒流源时的的单端端输出共模出共模电压放大倍数放大倍数为n计算算结果表明，果表明，单端端输出出时的共模的共模电压放大倍数小于放大倍数小于差模差模电压放大倍数，理想情况下，由于射极放大倍数，理想情况下，由于射极电阻阻较大，大，共模抑制能力共模抑制能力强，共模，共模电压放大倍数放大倍数应接近零，但接近零，但这里无里无论接接10k的射极的射极电阻阻还是接恒流源，共模是接恒流源，共模电压放大倍数都不放大倍数都不够理想，即共模理想，即共模电压放大倍数并没有降放大倍数并没有降下来。但下来。但T1和和T2管接射极管接射极电阻和接恒流源两种情况阻和接恒流源两种情况下下,由于射极由于射极电阻阻较大，共模抑制能力大，共模抑制能力强，共模，共模 Page 72n放大倍数放大倍数应接近零，但接近零，但这里无里无论接接10k的射极的射极电阻阻还是接恒流源，共模是接恒流源，共模电压放大倍数都不放大倍数都不够理想，即共理想，即共模模电压放大倍数并没有降下来。但放大倍数并没有降下来。但T1和和T2管接射极管接射极电阻和接恒流源两种情况下，第二种接法共模阻和接恒流源两种情况下，第二种接法共模电压放放大倍数要小些，效果更好些。大倍数要小些，效果更好些。这只是只是测试电路，日常路，日常应用中的共模用中的共模输入入电压一般来自温度或其他因素，非一般来自温度或其他因素，非我我们故意加之，而是系故意加之，而是系统输入中所不能剔除的部分，入中所不能剔除的部分，通通过差差动电路来抑制。路来抑制。n(3) 单端端输出出时的共模抑制比的共模抑制比 把把单端端输出出时的差模的差模电压放大倍数比上共模放大倍数比上共模电压放大放大倍数，它倍数，它们的的绝对值即共模抑制比，能反映一个即共模抑制比，能反映一个电路路对共模信号的抑制能力，此共模信号的抑制能力，此值越大越好。越大越好。Page 73 可求得本可求得本实验电路接射极接路接射极接电阻和接阻和接电流源流源时的共模的共模抑制比分抑制比分别为 n4. 双端双端输出出时的放大倍数和共模抑制比的放大倍数和共模抑制比 按照前面介按照前面介绍的差模的差模输入信号和共模入信号和共模输入信号的接法，入信号的接法，在在输入端分入端分别接接1kHz、有效、有效值约为100mV的差模和的差模和共模共模输入信号，在入信号，在T1和和T2管的集管的集电极之极之间接一交流接一交流电压表，表，测得双端得双端输出出时的差模的差模输出出电压和共模和共模输出出电压分分别为7.26V和和0V，如，如图4-33所示。所示。 Page 74(a) 差模输出 (b) 共模输出 图4-33 差动放大器的双端输出测量电路Page 75 可算出双端可算出双端输出出时的差模的差模电压放大倍数、共模放大倍数、共模电压放放大倍数以及共模抑制比分大倍数以及共模抑制比分别为 可可见，双端，双端输出出时的共模抑制能力最的共模抑制能力最强。而我。而我们平平时所所见的的电路大部分在差路大部分在差动电路后面路后面还要接要接单端端输入入电路，故路，故单端端输出出应用比用比较多，多，这就要求射极就要求射极电阻足阻足够大，最好接理想恒流源，它的大，最好接理想恒流源，它的电阻接近阻接近。n 5. 输出波形的出波形的观察察 在差模在差模输入入时，如果，如果输入信号的正极性端接入信号的正极性端接T1管的管的基极，由于共射基极，由于共射电路的倒相性，路的倒相性，单端端输出从出从T1管的管的集集电极极对地的地的输出出电压是和是和输入差模信号倒相的，相入差模信号倒相的，相反，反，对于同于同样的的输入信号，从入信号，从T2管的集管的集电极极输出出电Page 76 压是和是和输入入电压同相的，如同相的，如图4-34所示，分所示，分别是是单端端输出出时的两个的两个输出出电压及差模及差模输入入电压，请大家大家判断分判断分别是哪个波形。是哪个波形。 双端双端输出出时，如果，如果选择T1管的集管的集电极极为输出出电压的的正极性端，正极性端，则输出出电压与与输入入电压同相，否同相，否则反相反相。图4-34 单端输出时的电压波形Page 77n这里要里要讨论的低的低频功率放大器是一个功率放大器是一个OTL(无无输出出变压器器)电路，路，5V单直流直流电源供源供电，输出端接出端接1000F的大的大电容，通容，通过充放充放电，做，做负电源使用，原理上和源使用，原理上和OCL电路路还是一是一样的。如的。如图4-35所示，所示，电路中采用路中采用由由R5、C3组成的自成的自举电路来抬高路来抬高A点的点的电位。在本位。在本实验中，我中，我们主要主要调试和和观察交越失真波形、察交越失真波形、测量量最大不失真最大不失真输出出电压及及计算最大算最大输出效率。出效率。4.1.5 低频功率放大器低频功率放大器Page 78图4-35 低频功率放大器Page 79n1. 观察交越失真波形察交越失真波形 照照图4-35连接，并接，并连接直流接直流电压表和直流毫安表。表和直流毫安表。调节RV1，使，使A点的直流点的直流电位达到位达到2.5V，调节RV2使使毫安表的毫安表的读数在数在510mA之之间。这时，两个管子的，两个管子的VCE均均为2.5V，电容容C2通通过直流直流电源、源、T1和和8扬声声器器负载充充电至至2.5V。图4-36 输出波形的交越失真现象Page 80 图4-35中的中的RV2和和D1是是专门用来消除用来消除输出波形的交出波形的交越失真的。但越失真的。但现在我在我们故意来故意来调节RV2使使Q2与与Q3两两基极基极间电压减小，从而在减小，从而在输出波形中出出波形中出现交越失真。交越失真。首先首先对图4-35做些改做些改动，断开，断开C1与地之与地之间的短路的短路线，接交流信号接交流信号发生器，在生器，在C2后接示波器。运行仿真，后接示波器。运行仿真，使信号使信号发生器的生器的频率率为1kHz，调节其幅其幅值，观察示察示波器上的波形使其不出波器上的波形使其不出现上下上下顶失真。接下来把失真。接下来把RV2往下往下调，直到，直到输出波形出出波形出现交越失真交越失真为止，如止，如图4-36所示。所示。Page 81n2. 最大不失真最大不失真输出出电压及及输出效率出效率 观察了交越失真之后，察了交越失真之后，继续调节滑滑动变阻器阻器RV2，使，使其其值变大，直至交越失真消失大，直至交越失真消失为止。然后加大止。然后加大输入信入信号的幅号的幅值，使，使输出波形上下出波形上下顶出出现失真，然后失真，然后调节RV1，使失真，使失真对称，减小称，减小输入信号幅入信号幅值，观察失真是察失真是否真的否真的对称，称，这样反复反复调节RV1和减小和减小输入信号幅入信号幅值，直到直到输出波形上下出波形上下顶的波形失真的波形失真刚刚同同时消失消失为止。止。这时的静的静态工作点是合适的。工作点是合适的。 测量此量此时的的输出出电压有效有效值，即，即为最大最大输出出电压。方法是在方法是在输出端接一交流出端接一交流电压表，表，读出出电压表的表的读数数Uo=425mV。这个个输出出电压有点小的原因主要是两个有点小的原因主要是两个功放管性能不是太匹配。功放管性能不是太匹配。Page 82 输出效率等于最大不失真出效率等于最大不失真输出出电压时，负载功率与功率与直流直流电源功率的比源功率的比值。在。在图4-35中，我中，我们可以可以读出直出直流流电源的源的电流流为7.79mA，电压为5V，则功率功率PE为 电路的效率路的效率为Page 834.1.6 RC正弦波振荡器正弦波振荡器n正弦波振正弦波振荡器由四部分器由四部分组成，分成，分别是放大是放大电路、路、选频网网络、正反、正反馈电路和路和稳幅幅环节。正弦波振。正弦波振荡电路路的典型特征是无交流的典型特征是无交流输入信号，却在入信号，却在输出端出端产生了生了正弦波正弦波输出信号。它的原理是，在直流出信号。它的原理是，在直流电源源闭合的合的一瞬一瞬间，频率丰富的干率丰富的干扰信号串入振信号串入振荡电路的路的输入入端，端，经过放大后出放大后出现在在电路的路的输出端，但是由于幅出端，但是由于幅值很小而很小而频率又率又杂，不是我，不是我们希望的希望的输出信号。此出信号。此信号再信号再经过选频兼正反兼正反馈网网络，把某一，把某一频率信号率信号筛选出来出来(而其他信号被抑制而其他信号被抑制)，再送回放大，再送回放大电路的路的输入端，整个入端，整个电路的回路增益路的回路增益应略大于略大于1，这样不断不断的循的循环放大，得到失真的放大，得到失真的输出信号，最后出信号，最后经稳幅幅环节可可输出一个出一个频率固定、幅率固定、幅值稳定的正弦波信号。定的正弦波信号。正弦波振正弦波振荡器的器的结构框构框图如如图4-37所示。所示。Page 84n根据正弦波振根据正弦波振荡电路路选频网网络的的结构来区分和命名构来区分和命名正弦波振正弦波振荡电路，路，RC电路有路有RC串并串并联振振荡电路、路、三三节RC移相式振移相式振荡电路和双星型振路和双星型振荡电路；路；LC电路有路有变压器反器反馈式振式振荡电路、路、电容三点式和容三点式和电感三感三点式振点式振荡电路以及石英晶体振路以及石英晶体振荡电路等。本路等。本实验介介绍RC串并串并联振振荡电路，如路，如图4-38所示。所示。这个个电路共路共由三部分由三部分组成：成：T1、T2组成的两成的两级共射放大共射放大电路，路，R1、C1、R2、C2组成的串并成的串并联选频兼正反兼正反馈网网络以及以及RW和和RF组成的成的电压串串联负反反馈稳幅幅环节。 图4-37 正弦波振荡器的结构框图Page 85n先把滑先把滑动变阻器阻器RW调到最上到最上边，使引入，使引入负反反馈最弱，最弱，放大放大电路的放大倍数最大。合上开关路的放大倍数最大。合上开关SW1，观察示波察示波器的波形如器的波形如图4-39左左图所示，出所示，出现失真波形。慢慢向失真波形。慢慢向下下调节RW，加大，加大负反反馈作用，作用，输出波形逐出波形逐渐化成化成图4-39右右图所示的正弦波。所示的正弦波。Page 86图4-38 RC串并联正弦波振荡电路Page 87电路的路的频率由率由R1(R2)和和C1(C2)决定，即决定，即 可以可以读出示波器的出示波器的扫描旋描旋钮刻度刻度为0.1ms/格，一格，一个正弦波周期所占的格数个正弦波周期所占的格数约为10格，算出周期格，算出周期为1ms，即，即频率率为周期的倒数周期的倒数1kHz，这与通与通过参数参数计算的算的结果基本一致。果基本一致。图4-39 正弦波振荡电路的输出波形Page 884.2 直流可调稳压电源的设计直流可调稳压电源的设计n利用利用Proteus来来设计综合模合模拟电路非常方便，它有路非常方便，它有丰富的元件丰富的元件库及仿真及仿真仪器，能器，能够节约时间和元件成和元件成本，本，缩短短设计周期，周期，调试方便，并且方便，并且设计的一次成的一次成功率高。功率高。 n本本节我我们一起来一起来设计一个模一个模拟电子技子技术中常用的中常用的电路，通路，通过例子例子对Proteus各种功能的各种功能的综合合应用更加用更加得心得心应手。手。n直流直流稳压电源是大家源是大家颇为熟悉的熟悉的电路了，路了，这里我里我们设计一个可一个可调直流直流稳压电源，具体要求如下：源，具体要求如下：Page 89n输出出电压在在1.25V37V可可调；n最大最大输出出电流流为1.5A；n电压调整精度达整精度达0.1%。n1. 题目分析目分析n直流直流稳压电源的作用是通源的作用是通过把把50Hz的交流的交流电变压、整流、整流、滤波和波和稳压从而使从而使电路路变成恒定的直流成恒定的直流电压，供供给负载，如，如图4-40所示。所示。设计出的直流出的直流稳压电源源应不以不以电网网电压的波的波动和和负载的的变换而改而改变。图4-40 直流稳压电源的组成Page 90n直流直流稳压电源的种源的种类有很多，常用的是串有很多，常用的是串联型直流型直流稳压电源，而由于集成技源，而由于集成技术的的发展，集成展，集成稳压器件方便器件方便而可靠，逐而可靠，逐渐代替了串代替了串联直型直流直型直流稳压电源中的源中的调整整管及相关管及相关电路。路。n主要的集成主要的集成稳压器件有：器件有：n固定式固定式稳压器件器件W78XX和和W79XX；n可可调式式稳压器件器件W117、W217和和W317。 W78XX稳压器件用来器件用来稳定正定正电压，而，而W79XX稳压器器件用来件用来稳定定负电压。它。它们的的输出出电压各有各有7个等个等级，W78XX输出出电压有有5V、6V、9V、12V、15V、18V和和24V。如。如W7805输出出+5V直流直流电压，W7809输出出+9V直流直流电压。输出出电流有三个等流有三个等级，分，分别为1.5A、0.5A(M)和和0.1A(L)。如。如W7805最大最大输出出电流流为1.5A，W78M05最大最大输出出电流流为0.5A，W78L05最大最大输出出电流流为0.1A。 Page 91n可可调式式稳压器件器件LM117/LM317 是美国国家半是美国国家半导体公体公司的三端可司的三端可调正正稳压器集成器集成电路。路。LM117/LM317 的的输出出电压范范围是是1.25V至至37V，负载电流最大流最大为1.5A。它的使用非常。它的使用非常简单，仅需两个外接需两个外接电阻来阻来设置置输出出电压。此外，它的。此外，它的线性性调整率和整率和负载调整率也比整率也比标准准的固定的固定稳压器好。器好。LM117/LM317 内置有内置有过载保保护、安全区保安全区保护等多种保等多种保护电路。路。调整端使用整端使用滤波波电容能容能得到比得到比标准三端准三端稳压器高得多的器高得多的纹波抑制比。波抑制比。LM117/LM317有有许多特殊的用法，比如把多特殊的用法，比如把调整端整端悬浮到一个浮到一个较高的高的电压上，可以用来上，可以用来调节高达数百伏的高达数百伏的电压，只要，只要输入入输出出电压差不超差不超过LM117/LM317的的极限就行，当然极限就行，当然还要避免要避免输出端短路。出端短路。还可以把可以把调整整端接到一个可端接到一个可编程程电压上，上，实现可可编程的程的电源源输出。出。可可调整整输出出电压低到低到1.2V，保，保证1.5A 输出出电流，典流，典Page 92 型型线性性调整率整率0.01%，典型，典型负载调整率整率0.1%，80dB 纹波抑制比，波抑制比，输出短路保出短路保护，过流、流、过热保保护，调整整管安全工作区保管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。准三端晶体管封装。 LM117/LM317在在 1.25V 至至 37V 之之间连续可可调。调整端的整端的电流可忽略不流可忽略不计，因而有，因而有 其中，其中，UREF是集是是集是稳压器件的器件的输出出电压，为1.25V。如如图4-41所示，改所示，改变R2的的值，UO的的值即可改即可改变。当。当R2短路短路时，UO最小，最小，为UREF即即1.25V；当；当R2大于零大于零时，UO都大于都大于UREF，最大可达，最大可达37V。Page 93n集成集成稳压器件的封装如器件的封装如图4-42所示。所示。图4-41 集成可调直流稳压器件的接法Page 94图4-42 集成直流稳压器件的封装Page 95n2. 电路路设计 根据以上分析，我根据以上分析，我们来来设计一个由集成一个由集成稳压器件构成器件构成的直流可的直流可调稳压电源。按照源。按照图4-40所示的直流所示的直流稳压电源的源的组成，来分步成，来分步设计变压、整流、整流、滤波和波和稳压几部几部分分电路。路。 (1) 变压电路路 直流直流电源通常从市源通常从市电取取电，把，把220V、50Hz的的单相交相交流流电先降先降压，变成所需的交流成所需的交流电，然后再整流。根据，然后再整流。根据桥式整流式整流电路和路和电容容滤波波电路的路的输出与出与输入入电压的比的比例关系，从例关系，从输出出电压的最大的最大值37V倒推，可以算出所倒推，可以算出所使用的降使用的降压变压器的副器的副边电压有效有效值应为29V左右。左右。 从从Proteus的元件的元件库中取中取变压器器“TRAN-2P2S”，在原，在原边接交流接交流电源源“ALTERNATOR”，原副，原副边分分别接交流接交流电压表，且表，且变压器的原副器的原副边同同时接地，并与后面直流部接地，并与后面直流部分分电路共地，路共地，这一点很重要。一点很重要。 Page 96n打开交流打开交流电源的属性源的属性对话框，把框，把频率改率改为50Hz，把幅，把幅值改改为300V左右，运行仿真，左右，运行仿真，观察原察原边交流交流电压表表的的读数，再次修改交流数，再次修改交流电源的幅源的幅值，直到原，直到原边电压表表的的读数数为220V为止。止。n打于打于变压器属性器属性对话框，按照本章前面介框，按照本章前面介绍的的变压器器的的变比与比与电压的关系，保持原的关系，保持原边电感感值为1H不不变，修，修改原副改原副边的的电感感值为0.033H左右，运行仿真，直到副左右，运行仿真，直到副边交流交流电压表的表的读数数为29V左右。左右。变压电路的仿真路的仿真图如如图4-43所示。所示。 Page 97图4-43 变压电路的仿真图Page 98n(2) 整流及整流及滤波波电路路 整流采用常用的二极管整流采用常用的二极管桥式整流式整流电路。在路。在Proteus的的元件元件库中中寻找找“BRIDGE”，取出此通用二极管整流，取出此通用二极管整流桥，放置在放置在电路中，注意接法。路中，注意接法。n根据根据经验，一般，一般滤波波电路常用的路常用的滤波波电容有容有2200F和和1100F两种，但要注意它的耐两种，但要注意它的耐压值要大于要大于电路中所承路中所承受的受的电压，并注意，并注意电压的极性的接法是上正下的极性的接法是上正下负，如，如图4-44所示。所示。 图4-44 整流及滤波电路Page 99n如果要如果要详细计算算滤波所需的波所需的电容容值，可采用以下公式，可采用以下公式 式中，式中，VM为滤波之后的最大波之后的最大电压，V为滤波之后的波波之后的波纹电压，即最大，即最大电压与最小与最小电压的差的差值，R为负载电阻，阻，f为工工频50Hz。此式适用于全波整流，而半波整。此式适用于全波整流，而半波整流流时滤波波电容的容的计算算则把上式中分母上的把上式中分母上的2去掉，去掉，为 其他参数意其他参数意义同上。同上。 Page 100 一般来一般来说，全波整流之后的，全波整流之后的电压平均平均值为前面前面变压器副器副边电压有效有效值的的1.35倍；倍；滤波之后的波之后的电压平均平均值为全波整流全波整流电压平均平均值的的1.2倍。倍。 注意在注意在图4-44中，我中，我们还要在要在滤波波电容两端并容两端并联一一电源指示源指示电路，即一个路，即一个电阻串阻串联一个一个发光二极光二极管。管。电路路调试时，如果，如果发光二极管亮，光二极管亮，则说明明滤波波之前的之前的电路无故障；否路无故障；否则可判断出前面可判断出前面电路有路有问题。 我我们来来计算一下与算一下与发光二极管串光二极管串联的的电阻阻值。发光二极管要想点亮都有一个最小光二极管要想点亮都有一个最小电流，一般流，一般为几几mA，这里取里取6mA。发光二极管光二极管导通通时两端的管两端的管压降在降在2V左右。而左右。而滤波之后的波之后的电压为Page 101电阻就等于其两端的阻就等于其两端的电压除于流除于流过它的它的电流，即流，即 (3) 集成集成稳压电路路 集成集成稳压电路的核心器件是路的核心器件是LM317，在，在实际应用中要用中要注意加装散注意加装散热片。片。为了保了保护集成器件在接反的状集成器件在接反的状态下下不被不被烧毁，在，在输入、入、输出端之出端之间以及以及输出与出与调节端之端之间分分别接反向保接反向保护二极管二极管1N4003，如，如图4-45所示。所示。Page 102图4-45 集成稳压电路Page 103 关关键是是对输出端和出端和调接端和地之接端和地之间的两个外接的两个外接电阻的阻的计算，就像前面算，就像前面图4-41中我中我们介介绍的一的一样。由。由于于调接端的接端的输出出电流流仅为100mA，可以忽略不，可以忽略不计。即即认为图4-45中的中的电阻阻R2和和RV4是串是串联关系。而关系。而LM317的的输出端出端2和和调节端端1之之间的的输出出电压已知已知为1.25V，电路的最大路的最大输出出电压为37V，所以滑，所以滑动变阻阻器的最大器的最大值可以算出。可以算出。 一般一般设R2为100200，典型，典型值为120，这里里我我们设为200。在。在实际接接线时，这个个电阻阻应尽可能尽可能地靠近地靠近LM317元件来接，因元件来接，因为它本它本应是是LM317内部内部电阻。阻。 Page 104 由上面的公式算出滑由上面的公式算出滑动变阻器的最大阻器的最大值为4.92k，取典型，取典型值4.1k，这样最大最大值达不到达不到37V，理，理论上上只有只有32V左右，仿真左右，仿真时显示示为33.5V，有些，有些误差，并差，并且最小且最小值也比也比1.25V小。小。 另外，在另外，在图4-46中，中，电容容C2和和C3分分别为去抖和去抖和滤波作用。波作用。C2并并联在滑在滑动变阻器两端，可防止滑阻器两端，可防止滑动变阻阻器在器在调节过程中由于抖程中由于抖动而而产生的生的谐波，一般波，一般经验值为10F。C3为输出出侧二次二次滤波，其目的是去掉波，其目的是去掉输出出电压波形中波形中细小的波小的波纹。C1与与C3的关系一般的关系一般为22倍。倍。 可可调直流直流稳压电源的完整源的完整电路如路如图4-46所示。所示。Page 105图4-46 直流可调稳压电源完整电路