模电实验.docx
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模电实验
模拟电子技术实验、设计与仿真
实
验
讲
义
物理与电子工程学院
实验一Multisim仿真软件及半导体器件的Multisim仿真
1、实验目的
（1）熟悉Multisim软件的使用；
（2）掌握二极管的单向导电性，了解二极管正向电阻、反向电阻的特性；
（3）掌握三极管的基极电流控制集电极电流的特性；
（4）掌握MOS场效应管栅源电压控制漏极电流的特性。
2、实验原理
二极管、三极管和MOS场效应管都是非线性元件。
二极管伏安特性曲线如图1所示。
由图可见二极管具有单向导电性，二极管两端加上的正向电压超过一定数值以后，电流值急剧增加，二极管两端加上反偏电压时，流过二极管的电流很小，相当于截止，当反偏电压太大时，二极
管进入反向击穿特性，反向电流急剧增
图1加，而电压变化很小。
三极管具有基极电流控制集电极电流的作用，描述三极管放大作用的重要参数是共射电流放大系数
。
MOS场效应管利用栅源之间电压的电场效应来控制漏极电流，是一种电压控制器件。
表征场效应管放大作用的重要参数是跨导
。
3、实验内容
（1）利用图2，观察二极管的单向导电性
（2）利用图3测量二极管的正向伏安特性。
敲击字母A，改变Rw的百分比，启动仿真开关，将电表显示的读数填入表1中，并得出相应的结论。
图2
表1
Rw
10%
20%
30%
50%
70%
90%
UD
ID
RD=UD/ID（Ω）
（3）测量二极管的反向伏安特性。
将图3中的直流电源改为125V，二极管接成反偏，然后敲击字母A，改变Rw的百分比，启动仿真开关，将电表显示的读数填入表2中，并得出相应的结论。
图3
表2
Rw
10%
50%
70%
80%
81%
100%
UD
ID
RD=UD/ID（Ω）
（4）利用图4测试三极管的电流放大作用，改变电流源I1的值，启动仿真开关，把电表的读数填入表3中，并总结出基极电流与集电极电流之间变化的规律。
图4图5
表3
iB/微安
0
10
20
30
40
50
iC/微安
（5）利用图5测试场效应管的转移特性曲线，改变UGS的值，启动仿真开关，把电表的值填入表4中，并做出场效应管对应的转移特性曲线。
表4
UGS/V
0
1
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
ID/μA
4、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
实验三基本放大电路的Multisim仿真
1、实验目的
（1）掌握放大器静态工作点的调整与测量方法；
（2）掌握放大器的电压放大倍数的测量方法。
（3）观察和研究静态工作点的选择，对输出波形及电压放大倍数的影响。
2、实验原理
晶体三极管具有电流放大作用，用它可构成共射、共集、共基三种组态放大电路。
如图1所示放大器为分压式偏置共射放大电路，其静态工作点主要由UB电位决定，由于调节RW可调节UB电位，从而改变放大器的静态工作点。
当信号ΔUi输入电路后，相当在晶体三极管的发射结加上了变化电压，于是使晶体管基极电流发生变化，通过晶体管的电流放大作用，基极电流变化被放大了β倍后成为集电极电流的变化，集电极电流流过负载电阻，就能得到比ΔUi大得多的ΔUo。
如果静态工作点调得太高或太低，当输入端加入交流信号又超过了工作点电压时，则输出电压将会产生饱和失真或截止失真。
3、实验电路
实验电路见图1。
电路说明如下：
（1）在图1中，RW、R2、R3组成分压式偏置，调节RW的值可改变三极管基极的电位。
数字万用表XMM1、XMM2、XMM3、XMM4分别测量三极管的基极电流IB、集电极电流IC、发射结电压UBE、集射电压UCE。
（2）图2中用两个电压表分别监测输入、输出电压值；电流表监测集电极电流值；示波器跟踪信号源和输出信号的波形（两个电压表设置为交流，电流表设置为直流，XFG1为信号发生器）。
图1
图2
4、实验内容与步骤
（1）静态工作点的测试与调整。
进入仿真图1，依次调节RW的百分比（敲击字母键“A”）记录各电压、电流表的值，对应填入表1中，并计算IB/IC的值，观察其变化的规律得出相应的结论。
表1
RW
0%
1%
10%
15%
20%
95%
100%
IB（μA）
IC（mA）
UBE（V）
UCE（V）
IC/IB
（2）测试电压放大倍数
●进入仿真图2，信号源设置输入信号源的幅度为US=100mV，频率为1000Hz。
●双击示波器，把水平扫描周期及A、B两通道的垂直刻度分别设置好。
●打开仿真开关，在输出端波形不失真的情况下，按表2所列测试条件进行测试Ui、Uo的值，并计算AU=Uo/Ui，总结出相应的结论。
表2
RW百分比
RL
US（mV）
Ui（V）
Uo（V）
AU
10%
不接入
10%
接入
10%
接入
（3）静态工作点对输出波形的影响。
进入仿真图2，设置US=100mV，f=1KHz。
按表3调节RW，打开示波器显示输出波形，判断其失真情况，并得出相应结论。
表3
RW
Ic（mV）
Uc（V）
失真情况
3%
10%
70%
（4）测量输入电阻。
进入仿真图3，调节RW为70%，打开仿真开关，测得输入电压、输入电流，并计算出输入电阻。
图3
（5）测量输出电阻。
进入仿真图4，调节RW为70%，打开仿真开关，测出输出电压和输出电流，并计算出输出电阻。
图4
思考题：
（1）工作点与输出波形有什么关系？
（2）输入信号的大小与输出波形有什么关系？
5、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
实验五功率放大电路的Multisim仿真
1、实验目的
（1）掌握OTL功率放大器静态工作点的调整和测试方法；
（2）掌握OTL功率放大器的主要技术指标的测试方法；
（3）了解OTL、OCL、BTL三种放大器的特点。
2、实验原理
OTL、OCL功率放大器均为互补对称式功率放大器，静态工作点接近截止区，无信号输入时管耗小，使其输出效率较高。
OCL无输出电容，采用双电源供电，静态工作点电位接近零，低频响应更好；OTL无输出变压器，是单电源供电，可通过调节RW1使静态工作点VA电位接近
，BTL电路在一定的负载条件下，BTL电路的输出功率可达OTL电路的4倍。
图1OTL功率放大器
3、实验电路
电路说明：
（1）图1是典型的输出无变压器的互补对称输出级（OTL）。
通过改变RW1的大小，可调节静态工作点VA电位接近
调节RW2，改变静态工作电流，可消除交越失真。
但调节RW1或RW2会产生一定的相互影响，故应反复调节。
（2）图2中，Q1、Q2是一对参数对称的NPN型和PNP型晶体管，由它们组成输出无电容的互补对称输出级（OCL），采用V2、V3双电源。
图2OCL功率放大器
4、实验内容和步骤
（1）调试OTL功率放大器
●调试静态工作点：
进入仿真图1，断开信号源与电路的链接，反复调节RW1，要求静态
，再连接上信号源，调节RW2要求刚好消除交越失真，这时的RW1、RW2作为固定值不再调节（记下此时的IC，RW1、RW2的值）。
若波形出现消波失真，说明信号过大，这里减小至150mV。
●功率放大器的功率参数测试：
输入信号选择150mV（最大不失真输入），从示波器中可观察到输出电压无明显失真。
测量并记录在不同负载时输出电压的最大值，填入表1中，并且计算出最大输出功率。
●测量对应的UA、IC值，也记录在表1中。
表1
负载RL（Ω）
1
4
8
100
中点VA（V）
电流IC（mA）
输出Uo（V）
功率
（W）
增益
图3BTL功率放大器
（2）三种电路的对比：
分别进入仿真图1、图2、图3。
●进入仿真图1OTL功率放大电路，设置输入信号V1max=4V，f=1KHz；打开仿真开关，双击示波器显示输入、输出波形，并调节RW消除输出波形的交越失真，记录此时的输出电压，并计算出输出功率。
●进入仿真图2OCL功率放大电路，重复上述步骤，记录下输出电压。
从上面两步应该可以得到如下结论：
OCL、OTL功率放大电路都是甲乙类功放，在相同的工作条件下，其输出电压近似相等，因此其输出功率也相同。
●进入仿真图3BTL电路仿真，设置输入电压，使输出电压Vo1与上面两个电路输出电压相同，记录此时的输入电压，计算出此时负载电阻RL两端的电压Vo=Vo1-Vo2，并计算出功率。
比较3个仿真图，可以得到以下结论：
在相同电源和输入电压的条件下，OTL和OCL的输出电压及功率相同；在相同负载条件下，BTL的输出电压是它们的2倍，所以BTL的输出功率是OTL、OCL的4倍。
5、思考题
自举电容的作用：
进入仿真图1，分别接入或断开自举电容C2，对比两种情况下的最大不失真输出电压值，总结自举电容的作用。
6、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
实验七负反馈放大电路的Multisim仿真
1、实验目的
（1）研究负反馈对放大器输出信号的影响；
（2）掌握负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的改变；
（3）了解负反馈对放大器通频带的影响和对非线性失真的改善。
2、实验原理
在放大器中引入负反馈，可以改善放大器的性能指标；
（1）提高增益稳定性。
（2）改变输入。
输出电阻。
（3）减小非线性失真。
（4）展宽通频带。
一般根据反馈方式的不同，通常可分为电压串联型、电压并联型、电流串联型和电流并联型负反馈。
下面以图1电压串联型负反馈电路为例分析负反馈对放大电路的影响。
3、实验电路
实验电路如图1所示，电路说明如下：
（1）三极管T1、T2组成两极共射放大。
（2）Rf1、Rf2引入电压串联负反馈。
4、实验内容和步骤
（1）测量电压放大倍数：
进入仿真图，设置信号源V=5mV，f=1kHz，Rw1取5%，Rw2取6%，选择一定的工作点。
打开仿真开关，按D键改变开关J2选择有无负反馈，按空格键改变J1选择负载RL，填表1，并计算电压增益AV值（AV=Uo/Ui）。
表1
测试条件
Ui（mV）
Uo（V）
增益
不加负反馈
J2断开
不接RL
接RL
引入负反馈
J2闭合
不接RL
接RL
从仿真结果应该可以得出如下结论：
①放大电路中引入负反馈后，降低了放大倍数。
②放大电路中引入电压负反馈后，输出电压的稳定性提高了。
图1
（2）测量输入电阻。
进入仿真图1，删除信号VS与“A”端的连线。
将信号VS由“B”端输入，接入RL（J1闭合）。
打开仿真开关，将测量数值填入表2中，并计算Ri、RiF值的大小。
表2
测试条件
Ui（V）
Ii（μA）
输入电阻（kΩ）
不加负反馈
引入负反馈
从仿真结果可以得到什么样的结论？
（3）测量输出电阻。
测量电压UoL（接RL）和Uo（不接RL），将数据填入表3中，并计算输出电阻值。
表3
测试条件
Uo（V）
UoL（V）
输出电阻（Ω）
不带负反馈（J2断开）
带负反馈（J2闭合）
从仿真结果可以得到什么样的结论？
（4）观察如反馈对非线性失真的改善：
●进入仿真图1，双击信号源VS，将电压值改为20mV。
●接入RL（闭合J1），不带负反馈（断开J2）。
打开仿真开关，用示波器观察并绘制出输入、输出波形。
●引入负反馈（闭合J2）。
打开仿真开关，观察并绘制输入、输出波形。
比较引入负反馈前后的波形，可以得到什么结论？
（5）观察负反馈对放大器频率的影响。
将图1中示波器接成波特图仪，绘制出引入负反馈前后的幅频特性曲线，并观察总结出相应的结论。
按照上述实验思路设计并且分析电流并联负反馈、电流串联负反馈以及电压并联负反馈等电路的特性。
5、思考题
（1）改变负反馈电阻Ri2，分析图1电路增益的变化。
（2）研究电源电压波动10%对负反馈增益的影响。
6、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
实验九集成运算放大电路的Multisim仿真
1、实验目的
（1）掌握集成运算放大器的主要应用：
比例放大、加法运算、减法运算、微分运算、积分运算的电路结构。
（2）掌握集成运算放大器的测量方法。
（3）观察微分运算、积分运算电路的波形变换。
2、实验原理
集成运算放大器实质上是一个高增益多级直接耦合放大器，主要由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成，外接不同反馈网络和输入网络就可构成具有各种功能的模拟电子电路，例如，比例放大、加法运算、减法运算、微分运算、积分运算等各种模拟运算电路。
虽然目前数字计算机在许多方面取代了模拟计算机，但是在许多实时控制和物理量的测量中，模拟运算电路仍有广泛应用。
本实验讨论运算放大器的几种基本模拟运算电路。
3、实验电路
实验电路说明如下：
图1反相比例运算电路
（1）图1中，电阻Rf1、Rf2分别构成负反馈网络，输入电压Ui从集成运算放大器“A”的反向端“-”输入，构成反相比例运算电路。
（2）图2中，两个输入信号Ui1、Ui2均从运算放大器“A”的反相端“-”输入，构成反相加法运算电路。
图2反相加法运算电路
（3）图3中，两个输入信号Ui1、Ui2分别从运算放大器“A”的同相端“+”、反相端“-”输入，构成减法（差动）运算电路。
图3减法运算电路
（4）图4中，电容C1构成负反馈网络，利用电容两端的电压正比于电容充电电流对时间的积分这一关系，利用输入电压Ui与电容充电电流成正比，而输出电压Uo与电容电压相等，构成积分运算电路。
（5）图5中，输入网络引入电容C，利用电容充电电流正比于电容电压对时间的导数这一关系，利用输入电压Ui与电容电压成正比，二输出电压Uo与电容充电电流成正比，构成微分运算电路（加R2消除阻尼振荡）。
图4积分运算电路
图5微分运算电路
4、实验内容与步骤
（1）测量反相比例运算关系：
进入仿真图1，设置直流输入电压Ui=1V，敲击字母键“A”，可选取不同的反馈电阻Rf1或Rf2。
开启仿真开关，对应测得输出电压Uo，并与理论计算值比较，写出图1输入电压与输出电压的关系式。
（2）测量反相加法运算关系：
进入仿真图2，设置直流输入电压Ui1=3V，Ui2=6V，开启仿真开关，测出输出电压Uo的值，写出图2输入电压与输出电压的关系式。
（3）测试减法运算关系：
进入仿真图3，设置直流输入电压Ui1=3V，Ui2=1V，开启仿真开关，测出输出电压Uo的值，写出图3输入电压与输出电压的关系式。
（4）观察积分运算波形变换：
进入仿真图4，双击函数信号发生器，设置输入电压Ui的频率为100Hz，信号幅度为5V的矩形波。
打开示波器，观察并绘制出输入、输出波形。
（5）观察微分运算波形变换：
进入仿真图5，双击方波信号源，设置输入电压Ui的频率=100Hz，信号幅度为5V的矩形波。
打开示波器，观察并绘制输入、输出波形。
5、思考题
将实验内容中的直流电压改变为相同幅度的正弦波信号，观察输出波形及幅度的变化。
6、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
实验十一波形发生电路的Multisim仿真
1、实验目的
（1）掌握正弦波振荡电路的组成原理。
（2）掌握非正弦波发生器如矩形波发生电路、三角波发生电路的组成。
2、实验原理
（1）正弦波振荡电路的选频网路可由电阻和电容元件组成在图1中采用RC串并联网络（又称文氏桥式）振荡电路。
RC串并联网络振荡电路的振荡频率
，起振条件
。
RC振荡电路可产生几赫兹至几百千赫兹的低频信号。
图1RC串并联网络振荡电路
（2）矩形波发生电路可以由滞回比较器和RC充放电回路组成，图2所示矩形波发生电路的振荡周期为
。
改变RW值，即可以改变电容充放电的时间常数，就可得到占空比不同的矩形波信号。
图2矩形波发生电路
（3）将矩形波进行积分即可得到三角波，因此三角波发生电路可由滞回比较器和积分电路组成。
如图3所示，三角波发生电路的输出幅度为
，振荡周期为
。
3、实验内容及步骤
（1）RC串并联网络振荡电路：
进入仿真图1，调节电位器RW，观察电路的输出情况。
当减小RW至一定值时，电路将不能振荡。
增大RW至一个合适的值时，电路能够振荡，且输出波形较好，绘制出此时的波形，并计算出此时正弦波型的周期和振荡频率。
若据需增大RW，当RW的值太大时，输出波形产生严重失真，绘制出此时的波形。
图3三角波发生电路
（2）矩形波发生电路：
进入仿真图2，分别调节电位器的滑动端在最上端、中间和最下端时，观察输出波形，分别记录矩形波的幅度，周期和占空比。
（3）三角波发生电路：
进入仿真图3，打开仿真开关，由示波器可观察到电路的输出波形为三角波，而前一级滞回比较器的输出波形为矩形波，绘制出波形，记录三角波的幅度和振荡周期。
4、实验报告
（1）整理实验数据，进行分析得出相应结论
（2）实验心得体会
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