MOS 放大电路设计和仿真与实现.docx

1、MOS 放大电路设计和仿真与实现电子线路设计和测试与实验实验报告实验名称： MOS 放大电路设计和仿真与实现院（系）：电子信息与通信学院2019 年 10 月 30 日一.实验目的1.掌握 MOS 单管放大电路的各种指标2.学会使用 Pspcie 仿真软件的使用3.掌握 MOS 单管放大电路的设计与实际调试的方法。二.实验元器件类型型号（参数）数量MOS 管2N70001 只电位器470k1 只电阻1k，51,5.1k,100k,1 只；1 只；2 只 ；2 只电容1uF,4.7uF,37uF各 1 只三.预习要求1.设计 MOS 单管的电阻，电容值，满足放大指标2.使用 Pspice 仿真软

2、件对所设计的放大电路进行仿真。3.在面包板上搭建电路，准备测试放大电路的性能指标四.实验原理及参考电路本实验采用 2N7000 MOS 管以及阻容耦合实现对交流小信号的方法。1. 放大电路的设计(1)放大指标要求：Av 10 Ri 50k fL 100Hz Ro 100kHz原理图如下图所示：（2）阻值与容值的设计已知VDD = 12V RL = 5.1kVirms = 15mV Rsi = 50Kn = 12.5mA/𝑉Vtn = 1.75V根据理论计算：Av = -( Rd | RL )gmRi = Rg1 | Rg2 Ro = Rd可取 Rd = 5.1k再根据 Ri 5

3、0k，故先令 Rg1，Rg2 都不小于 100k 然后调节 Rg1/Rg2 的值，以此来决定 MOS 管栅极的电位。接下来处理上下限截止频率。当 C1 = 1uF,C2 =4.7uF, Cs = 47uF 时，有下限截止频率计算公式如下：则𝑓= 1.(门丁 .丁)丁9.64𝑚𝐴/𝑉= 2.2𝐻𝑧𝑓 =𝑓1 =2 3.14 47𝑢𝐹 = 32.6𝐻𝑧12 3.14 (2𝑘𝛺

4、+ 5.1𝑘𝛺) 4.7𝑢𝐹 = 14.9𝐻𝑧因此，𝑓 = 32.6𝐻𝑧，满足低频要求。对于上限截止频率，其计算公式为：𝑓 =,其中：计算可得：𝑓 = 18𝑀𝐻𝑧，𝑓 100𝑘𝐻𝑧，满足指标。（3）经计算并仿真后，最终确定 Rg1 = 240k,Rg2 = 100kRs = 1kC1 = 1uF, C2 = 4

5、.7uF, Cs = 47uF此时各项指标均达到要求。2. Pspice 电路仿真，验证设计的性能（1）电路图以及静态工作点静态工作点: 𝐼丁 = 1.506𝑚𝐴𝑉丁门 = 2.735V𝑉门 =1.946V（2）输入输出电压波形输出信号与输入信号反相，放大倍数约为 21 倍(3) 幅频响应输出信号在中频区的放大倍数基本不变，通带宽约为 4MHz。（4）相频响应输出信号在中频区滞后输入信号 161.（5）输入电阻输入电阻在中频区电阻为 70.6k，且基本不变；在高频区，输入电阻迅速减小。（6）输出电阻输出电阻在中频区

6、几乎保持 3k不变；在高频区，随频率升高，输入电阻逐渐减小。(7) 非线性失真观察a）将 Rp 调整为最大值 470k 欧姆，静态分析结果如下：瞬态分析结果如下：由图可知输出的正半周出现明显的饱和失真2) 将 Rp 调整为最小值 0.01 欧姆，静态分析结果如下：瞬态分析结果如下：易观察到输出波形图出现明显的截至失真五硬件实验内容1. 电路的安装(1)按照原理图搭建放大电路，其中，将Rg1 改为 470k的滑动变阻器初始调到 140k附近。(2)按照下图连接放大电路的外围供电以及测试电路。2. 静态调试：Q 电的测量与调整（1） 接通电源，将电路输入端接地，测量静态工作点（2） 用万用表直流档

7、位测量 MOS 管的G,S,D 极的电位𝑉, 𝑉门, 𝑉丁（3） 根据三个极的电位判断晶体管的工作区（4） 调节电位器Rg1，使晶体管工作在线性放大状态。3. 动态调试：Q 电的测量与调整（1）输入信号𝑉丁 = 30𝑚𝑉, 𝑓丁 = 1kHz 的正弦波（2）用示波器观察放大器的输出 VoVo 可能有以下几种失真情况：饱和失真：Vo 底部被削波，应增大Rg1截止失真：Vo 顶部被压缩，应减小 Rg1（3）调节𝑅门，是放大器的输出 Vo 不失真。（4）改变输入信号的Vpp

8、i = 120mV，调节 Rg1 使输出基本不失真此时移去信号源，分别测量放大器的静态工作点4. 交流信号放大性能指标测试（1）电压增益Av：实验测量时，输入不失真的频率为 1kHz 的正弦波，用示波器测量输出电压 Vopp 与输入电压Vipp。改变信号源幅度，记录 5 组数据，最后利用公式求出 Av = Vopp/Vipp（2）输入电阻Ri：用示波器的两个通道测出Vs, Vi，利用公式：Ri = 丁 𝑅门寸六. 实验结果及分析静态工作点：𝑉=2.88V, 𝑉门 = 1.257𝑉, 𝑉丁 = 3.57V电压增益：负

9、载情况Vipp/mVVopp/V|AV|负载开路38.41.0026.04RL=47k41.61.0425.00输入输出电阻：测量放大电路的输入电阻：信号源与放大电路直接相连，VO1=1.04V，使放大电路与 R=47K的电阻串联后连接信号源，VO2=616mV，计算得：Ri= VO2 /（VO1-VO2）*R=68.28K。测试放大电路的输出电阻，通过负载开路以及负载连接电路，计算输出电阻Ro=5.51K频率响应:测量数据如下（表 6.2.4-1）频率f/Hz2030.21003001k10k30k100k300k440k1M10MVipp/mV37.437.639.239.241.641.

10、639.440.040.040.040.039.4Vopp/mV504.06609009801040104010201020860700616386Av/dB13.517.622.925.025.025.025.925.521.517.515.49.8由数据可知，下限截止频率为𝑓 = 100.0𝐻𝑧, 上限截止频率为𝑓 100𝑘𝐻𝑧.二者均满足频率指标要求。 失真状态下的波形和静态工作点（1） 观察失真波形：（2）失真状态下的静态工作点：失真波形实测值计算值失真类型VG/VVs/VV

11、D/VIDQ=Vs/Rs/mAVGSQ=VG-Vs/VVDSQ=VD-Vs/V1.6430.2539.563324.8uA1.423V9.310V饱和失真5.6752.0942.1981.893mA3.581V0.104V截止失真七实验小结本次实验中，我们进行了MOSFET 共源放大电路设计、安装、调试及测试。在实际搭建电路前，我们利用仿真软件进行了电路的设计与分析，对 Pspice 中的一些基本功能有了一定的了解，体验了利用电路仿真软件进行电路设计的基本流程。课堂上，我们学习了 PSpice 软件使用、MOSFET 放大电路的设计方法、MOSFET 放大电路静态工作点设置与调整方法、MOSFET 放大电路性能指标的测试方法及调试技术，对负反馈对放大电路性能的影响有了一定的了解与认识。通过此次实验，我对 MOSFET 放大电路的工作原理、它在实际工作时的一些限制与问题与它所构成电路的一些重要参数有了更深层次的了解；对仿真设计在电路设计中的重要作用有深入的体会；对相关电路的搭建方法有了更加深刻的认识。这次实验对我以后相关知识的学习有很大的帮助与指导作用。八实验中出现的问题、分析及解决方案(1) 输入信号太小，示波器中观察到明显的噪声，通过改变采样方式改为平均值采样，使得噪声明显降低(2) 调节电位器时，旋转一圈的阻值变化很大，使用时应注意缓慢的旋转。