MOS 放大电路设计和仿真与实现.docx

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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

2N7000

1只

电位器

470kΩ

1只

电阻

1kΩ，51Ω,5.1kΩ,100kΩ,

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2N7000MOS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>10Ri>50kΩfL<100HzRo<5.1kΩfH>100kHz

原理图如下图所示：

（2）阻值与容值的设计已知

VDD=12VRL=5.1kΩ

Virms=15mVRsi=50Ω

Kn=12.5mA/𝑉「Vtn=1.75V

<1>根据理论计算：

Av=-（Rd||RL）gm

Ri=Rg1||Rg2Ro=Rd

可取Rd=5.1kΩ

再根据Ri>50kΩ，故先令Rg1，Rg2都不小于100kΩ然后调节Rg1/Rg2的值，以此来决定MOS管栅极的电位。

<2>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

=2.2𝐻𝑧

𝑓「「=

𝑓「1=

2×3.14×47𝑢𝐹=32.6𝐻𝑧

1

2×3.14×（2𝑘𝛺+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=240kΩ,Rg2=100kΩ

Rs=1kΩ

C1=1uF,C2=4.7uF,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「=1.506𝑚𝐴

𝑉丁门「=2.735V

𝑉「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70.6kΩ，且基本不变；在高频区，输入电阻迅速减小。

（6）输出电阻

输出电阻在中频区几乎保持3kΩ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470kΩ的滑动变阻器初始调到140kΩ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Vo

Vo可能有以下几种失真情况：

<1>饱和失真：

Vo底部被削波，应增大Rg1

<2>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Vppi=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：

负载情况

Vipp/mV

Vopp/V

|AV|

负载开路

38.4

1.00

26.04

RL=47kΩ

41.6

1.04

25.00

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=47KΩ的电阻串联后连接信号源，VO2=616mV，计算得：

Ri=VO2/（VO1-

VO2）*R=68.28KΩ。

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=5.51KΩ

频率响应:

测量数据如下（表6.2.4-1）

频率f/Hz

20

30.2

100

300

1k

10k

30k

100k

300k

440k

1M

10M

Vipp/mV

37.4

37.6

39.2

39.2

41.6

41.6

39.4

40.0

40.0

40.0

40.0

39.4

Vopp/mV

504.0

660

900

980

1040

1040

1020

1020

860

700

616

386

Av/dB

13.5

17.6

22.9

25.0

25.0

25.0

25.9

25.5

21.5

17.5

15.4

9.8

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/V

Vs/V

VD/V

IDQ=Vs/Rs

/mA

VGSQ=VG-Vs

/V

VDSQ=VD-Vs

/V

1.643

0.253

9.563

324.8uA

1.423V

9.310V

饱和失真

5.675

2.094

2.198

1.893mA

3.581V

0.104V

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。