模拟电子电路仿真
模拟电子电路仿真
1.1 晶体管基本放大电路
共射极，共集电极和共基极三种组态的基本放大电路是模拟电子技术的基础，通过EWB 对其进行仿真分析，进一步熟悉三种电路在静态工作点，电压放大倍数，频率特性以及输入，输出电阻等方面各自的不同特点。
1.1.1 共射极基本放大电路
按图7.1-1搭建共射极基本放大电路，选择电路菜单电路图选项（Circuit/Schematic Option ）中的显示/隐藏(Show/Hide)按钮，设置并显示元件的标号与数值等
。
１.静态工作点分析
选择分析菜单中的直流工作点分析选项（Analysis/DC Operating Point）（当然，也可以使用仪器库中的数字多用表直接测量）分析结果表明晶体管Ｑ１工作在放大状态。
２.动态分析
用仪器库的函数发生器为电路提供正弦输入信号Vi(幅值为5mV,频率为10kH)，用示波器观察到输入，输出波形。由波形图可观察到电路的输入，输出电压信号反相位关系。再一种直接测量电压放大倍数的简便方法是用仪器库中的数字多用表直接测得。
３.参数扫描分析
在图７.１－１所示的共射极基本放大电路中，偏置电阻Ｒ１的阻值大小直接决定了静态电流ＩＣ的大小，保持输入信号不变，改变Ｒ１的阻值，可以观察到输出电压波形的失真情况。选择分析菜单中的参数扫描选项（Analysis/Parameter Sweep Analysis），在参数扫描设置对话框中将扫描元件设为Ｒ１，参数为电阻，扫描起始值为１００Ｋ，终值为９００Ｋ，扫描方式为线性，步长增量为４００Ｋ，输出节点５，扫描用于暂态分析。
４.频率响应分析
选择分析菜单中的交流频率分析项（Analysis/AC Frequency Analysis）在交流频率分析参数设置对话框中设定：扫描起始频率为１Hz，终止频率为１GHz，扫描形式为十进制，纵向刻度为线性，节点５做输出节点。
由图分析可得：当共射极基本放大电路输入信号电压ＶＩ为幅值５mV的变频电压时，
电路输出中频电压幅值约为０.５Ｖ，中频电压放大倍数约为－１００倍，下限频率（Ｘ１）为１４.２２Hz，上限频率（Ｘ２）为２５.１２MHz，放大器的通频带约为２５.１２MHz。
由理论分析可得，上述共射极基本放大电路的输入电阻由晶体管的输入电阻rbe限定，输出电阻由集电极电阻Ｒ３限定。
1.１.２共集电极基本放大电路（射极输出器）
图７.１－７为一共集电极基本放大电路，用仪器库的函数发生器为电路提供正弦输入信号ＶＩ（幅值为１Ｖ，频率为10 kHz）采用与共射极基本放大电路相同的分析方法获得电路的静态工作点分析结果。用示波器测得电路的输出，输入电压波形，选用交流频率分析项分析出电路的频率响应曲线及相关参数。
由图所示共集电极基本放大电路的频率响应曲线可求得：电路的上限频率（Ｘ２）为４.５０GHz，下限频率（Ｘ１）为２.７３Hz，通频带约为４.５０GHz。
1.１.３共基极基本放大电路
图７.１－１１为一共基极基本放大电路，用仪器库的函数发生器为电路提供正弦输入信号Vi(幅值为5mV,频率为10kHz)，采用与共射极基本放大电路相同的分析方法获得电路的静态工作点分析结果。用示波器测得电路的输出，输入电压波形，选用交流频率分析项分析出电路的频率响应曲线及相关参数。
由图所示共基极基本放大电路的频率响应曲线可求得：电路的上限频率（Ｘ２）为２７.９４ＭHz，下限频率（Ｘ１）为２６１.０１Hz，通频带约为２７.９４ＭHz。
1.2 场效应管基本放大电路
1.2.1 共源极放大电路
共源极放大电路如图7.2-1所示，Q1选用三端式增强型N沟道绝缘栅场效应管。按图7.2-1在EWB主界面内搭建电路后，双击Q1，出现三端式增强型N-MOSFET参数设置对话框，选模型(Model) 项，将库元件设置为默认(default) ，理想(ideal) 模式，然后点击对话框右侧编辑(Edit) 按钮，在Sheet 1中将跨导系数(Transconductance coefficient (KP)) 设置为0.001A/V。
分析共源极放大电路可参照7.1节中共射极放大电路的分析过程进行，可根据图7.2-1电路参数和共源极放大器的电压放大倍数表达式求得A V的理论计算值，然后与仿真实测值进行比较。
1.2.2 共漏极放大电路
共漏极放大电路如图7.2-2所示，按图在EWB主界面内搭建电路后，选Q1为理想三端式增强型N沟道绝缘栅场效应管，并将跨导值设置为0.001A/V。电路仿真分析过程可参见7.1节中共集电极放大电路的分析过程进行。
可根据图7.2-2电路参数和共源极放大器的电压放大倍数表达式求得A的理论计算值，然后与仿真实测值进行比较。
1.2.3共栅极放大电路
共栅极放大电路如图7.2-3所示，按图在EWB主界面内搭建电路后，选Q1为理想三端式增强型N沟道绝缘栅场效应管，并将跨导值设置为0.001A/V。电路仿真分析过程可参见7.1节中共基极放大电路的分析过程进行。
可根据图7.2-2电路参数和共源极放大器的电压放大倍数表达式求得A的理论计算值，然后与仿真实测值进行比较。
1.3场效应管与晶体管组合放大电路
场效应管具有输入阻抗高，噪声小等显著特点，但放大能力较弱（小），而半导体三极管具有较强的放大能力（高）和负载能力。若将场效应管与半导体三极管组合使用，就可大大提高和改善放大电路的某些性能指标，扩展场效应管的应用范围。
图7.3-1是由场效应管共源极放大电路和晶体管共射极放大电路组成的两极组合放大电路，图中三端式增强型绝缘栅场效应管Q1选用理想模型，将跨导gm设置为0.001A/V，晶体管Q2选用N2222A，其电流放大系数为255.9。先队该电路进行静态分析，再进行动态分析，频率特性分析以及关键元件的参数扫描分析等。
1.静态分析。选择分析菜单中的直流工作点分析项，获得电路静态分析结果。
2.动态分析。（1）理论分析。（2）仿真测试分析。用仪器库的函数发生器为电路提
供正弦输入信号(Vi的幅值为5mV,频率为10kHz)，用示波器测得电路的输出，输入电压。
再计算出电路的放大倍数。
3.频率特性分析。
4.元件参数扫描分析。
1.4差动放大电路
差动放大电路是模拟集成电路中使用最广泛的单元电路，它几乎是所有集成运放，数据放大器，模拟乘法器，电压比较器等电路的输入级，又几乎完全决定着这些电路的差模输入特性。共模输入特性，输入失调特性和噪声特性。以下仅对晶体管构成的射极耦合差放和恒流源差放进行仿真分析，对用场效应管构成的差放电路可采用相同方法进行分析。
在图7.4-1所示差放电路中,晶体管Q1和Q2的发射极通过开关S1与射极电阻R3和Q3构成的恒流源有选择的连接(通过敲击”K”键,选择连接点9或11),完成射极耦合差放和恒流源差放两种电路的转换.
1.4.1 射极耦合差放仿真分析
按图7.4-1搭建电路，选择晶体管Q1，Q2和Q3均为2N2222A，电流放大系数为200。将开关S1和R3相连，构成射极偶合差放电路。
1.静态分析。选择分析菜单中的直流工作点分析项，获得电路静态分析结果。
2.动态分析。
（1）理论分析。
（2）差模输入仿真测试分析。A。用示波器测量差模电压放大倍数，观察波形相位关系。按单端输入方式（见图7.4-1）用仪器库的函数信号发生器为电路提供正
弦输入信号(Vi的幅值为10mV,频率为1kHz)。用示波器测得电路的两输出端输
出电压波形。B。差模输入频率响应分析。选择分析菜单中的交流频率分析
项（Analysis/AC Frequency Analysis）），在交流频率分析参数设置对话框中设定：
扫描起始频率为1Hz，中指频率为10GHz，扫描形式为十进制
(3)，纵向刻度为线性，节点2为输出点。C。差模输入传递函数分析。从EWB信号源库中选择直流电压源（并将其设置为0.001V），替代仪器库中的函数发生器，做差放电路的输入信号源，以满足进行传递函数分析时对输入源的要求。射极耦合电路进行差模输入传递函数分析时的电路连接方式如图7.4-5所示。分析方法同上。D。共模输入仿真分析。按共模输入方式（见图7.4-8）用仪器库的函数发生器为电路提供正弦输入信号。用示波器测得电路的两输出端输出电压波形。
1.4.2 恒流源差放仿真分析
差放电路引入恒流源替代射极偏置电阻，对差动放大倍数没有影响，主要是为了进一步降低共模放大倍数，提高共模抑制比。因此，这里仅对恒流源差放的共模放大倍数进行仿真分析。对EWB主界面内所建图7.4-1所示电路，通过敲击“K”键，将Q1与Q2的射极通过开关S与节点11连接，使其成为恒流源差放电路。调整R6电阻，使恒流源差放的静态电流与射极耦合差放电路性同，便于两者进行比较。调整函数发生器，使输入正弦波VI的幅值为100，频率为1，输入信号以共模方式接入。示波器接输入电压，接输出电压。最终完成的恒流源差放电路共模放大倍数测试电路如图
7.4-10所示。
分析方法同上。
可见引入恒流源后，差放电路的共模放大倍数大大降低，共模抑制比大大提高，加强了抑制零点漂移的能力。
1.5集成运算放大器
运算放大器的类型很多，电路也不尽相同，但在电路结构上有共同之处。一般可分为三部分，即差动输入级，电压放大中间级和输出级。
输入级一般是有晶体管或场效应管组成的差动式放大电路，利用差放电路的对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级主要作用是提高电压放大倍数，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由射极跟随器或互补射极跟随器组成，主要作用是提高输出功率。
图7.5-1是在EWB主界面内搭建的一个简单的集成运算放大器，Q1，Q2组成差动式放大器，信号由双端输入，单端输出。 Q3，Q4组成复合管共射极放大电路，以提高整个电路的电压放大倍数。输出极由Q5，Q6组成的两极射极跟随器构成，不仅可以提高带负载能力，而且与R5配合，可使直流电位步步降低，实现输入信号电压Vi为零时，输出电压V o=0。输入端Vi-运放的反相输入端，Vi+是同相输入端。
集成运放的仿真分析：
1.静态分析
令输入信号电压为零（两输入端接地），选择分析菜单中的直流工作点分析项
（Analysis/DC Operating Point），分析结果后，观察输出端Vo（节点19）直流电位
是否为零？若不为零，则调整R5的阻值，使输出端电位为零。
3.动态分析
（1）传函数分析
将简单集成运放的同相和反相输入端分别接入信号源库中的直流电压源，并将其电压值设置为1mV，其连接方式如图7.5-3所示。
A 同相输入方式下的传递函数分析
选择分析菜单中的传递函数分析项（Analysis/Transfer Function Analysis），在随后出现的传递函数分析设置对话框中设置输入源为V4，分别设置输出端为节点15，10和19。每重设一次仿真按钮（Simulate），进行一次传递函数仿真分析。
B 反相输入方式下的传递函数分析
选择分析菜单中的传递函数分析相（Analysis/Transfer Function Analysis），在随后出现的传递函数分析设置对话框中设置输入源为V3，设置输出端为节点19。
（2）工作电压波形测试。
A 反相输入方式波形测试。
按差模单端输入方式，将仪器库的函数发生器为电路提供的正弦输入信号（VI的幅值为2mV，频率为1kHz）接在反相与同相端之间，并将同相输入端接地，其连接方式如图7.5-6所示。用示波器测得电路的反相输入端（V-）和输出端（Vo）电压波形。
B 同相输入方式波形测试。
按差模单端输入方式，将仪器库的函数发生器为电路提供的正弦输入信号（VI的幅值为2mV，频率为1kHz）接在同相与反相端之间，并将反相输入端接地。用示波器测得电路的同相输入端（V+）和输出端（V o）电压波形。
对简单集成运放波形测试的结果与传递函数分析结果完全一致，通过示波器对输入，输出波形的观测，直观的反映出运放同相输入端和反相输入端与输出端之间的相位关系。
1.6功率放大电路
在电子电路中，人们对电压放大器的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，其考核的主要指标是电压放大倍数，输入和输出电阻等，对输出功率基本没有较高要求。而功率放大器则不同，对它的主要要求是具有一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常是在大信号下工作，因此着重要解决好输出功率大，效率高和非线性失真之间的矛盾。以下分别对双电源和单电源互补对称功放电路进行仿真分析。
1.6.1双电源互补对称（OCL）功放电路
图7.6-1为采用双电源的互补对称功放电路（也称OCL电路），调节函数发生器，令输入正弦波电压Vi峰值为10V，频率为1kHz图中D1，D2和RW为T1，T2提供适当静态偏置，克服由晶体管门坎电压造成的交越失真。用示波器同时观察输入，输出波形，敲击R键，调节RW的大小，改变T1，T2的偏置电压，直至消除交越失真为止。敲击A键，改变开关S1的通断，可以观察到交越失真现象。
1.6.2单电源互补对称（OTL）功放电路
图7.6-4为一带自举电路的单电源互补对称功放电路（也称OTL电路），按图连
接好电路之后，敲击R键，调节RW2使K点直流电位为1/2VCC。调节函数发
生器使输入正弦电压（Vi）峰值10mV，频率为1kHz。用示波器同时观察输入
（VA），输出（VB）电压波形，敲击W键，调节RW1可以克服交越失真。
图中电阻R与电容C组成自举电路，用来提高输出电压正半周的峰值。可同通过电容C断开与接入时输出电压正半周的变化来观察自举电路的作用。
用示波器测得单电源互补对称功放电路输入（V A），输出（VB）工作电压波形。与上一个波形相比，可见，单电源互补对称功放电路与双电源功放电路相比，输出电压正，负两半周对称性稍差。
1.7 负反馈放大器
图7.7-1为一分立元件构成的两级共射放大电路，电路引入交流电压串联负反馈，反馈网络由REF，RF和CF组成。通过开关SO的通断，控制反馈网络的接入与断开。开关S1的通断，控制着负载电阻（RL）的接入与通断。以下通过对该电路的仿真分析，验证负反馈的基本理论，并进一步加深对这些基本理论的理解。
电路的反馈系数：FV=0.07
1.测量开环电压放大倍数
敲击C键，将开关SO断开，输入正弦电压（VI）峰值为20MV，频率为1KHZ。用示波器测量输入，输出电压的峰值VO（将示波器面板展开，拖曳读数指针读取）。
2.测量闭电压放大倍数
敲击C键，将开关S0闭合，将输入电压幅值调整为200MV，重复上述过程，测得引入反馈后的输入，输出电压波形。
3.测量反馈放大器开环时的输出电阻
在放大器开环时通过敲击B键，控制开关S1的断开与闭合。打开数字多用表，置于正弦电压有效值测试档，分别测得负载开路时输出电压和负载接入时输出电压，并算出RO
4.测量反馈放大器闭环时的输出电阻
在放大器闭环工作时通过敲击B键，控制开关S1的断开与闭合。打开数字多用表，置于正弦电压有效值测试档，分别测得负载开路时输出电压和负载接入时输出电压，并算出RO
5. 测量反馈放大器开环时的频率响应
令放大器工作在开环状态，选择EWB分析菜单中的交流频率分析项，将交流频率分析设置对话框中扫描的起始和终止频率分别设置为1HZ和1GHZ，扫描形式选择十进制，显示点数按缺省设置，纵向标度选择线性，选择节点8作输出节点。按仿真键后，得到反馈放大器开环频率响应曲线。
6. 测量反馈放大器闭环时的频率响应
令放大器工作在闭环状态，选择EWB分析菜单中的交流频率分析项，对话框参数设置与开环时的设置相同。按仿真键后，得到放大器闭环频率响应曲线。
7．观察引入负反馈和无反馈对放大器非线性失真的改善
在有负反馈和无反馈两种情况下，分别增加输入正弦信号电压的幅值，是输出电压峰值均达到4.5V左右，对比有，无负反馈情况下的输出波形，可看到引入负反馈后，非线性失真得到明显改善（波形正，负两半周的对称性明显提高）。
1.8 RC正弦波振荡电路
RC正弦波振荡主要讨论以下电路：二极管稳幅的RC桥式振荡器，RC移相式振荡器，场效应管稳幅的桥式振荡器和RC双T反馈式振荡器，只要按图示元件参数连接好电路，将仪器库中的示波器连接到振荡器的输出端VO，打开电源开关，即可观察到振荡器的输出正弦电压波形，通过这些电路，我们可以对RC振荡器的振荡条件，起振过程，稳幅措施以及选频网络的选频特性等做较深入研究。另外，还可以由示波器测出电路的振荡周期和振荡频率，然后与理论值加以比较，从而加深对基本理论的理解。
1.8.1二极管稳幅的RC桥式振荡器
图7.8-1是一个二极管稳幅的RC桥式振荡电路，电路中R1，R2，C1，C2构成R，C串，并联选频网络。我们首先对选频网络进行选频特性分析，在EWB主界面内重建选频网络电
路如图7.8-2所示。规定好电路的输入，输出节点，用仪器库的函数发生器在输入端加交流正弦电压（Vi幅值为5V，频率为10KHz。选择分析菜单中交流频率分析项分析选频网络后得幅频响应和相频响应曲线。
振荡电路中二极管D1，D2构成稳幅环节，调节R4可观察幅度条件改变对振荡的影响。控制开关S1的通，断（或者通断电源）可由示波器观察振荡器起振与稳幅过程。
1.8.2场效应管稳幅的RC桥式振荡器
图7.8-5为一采用场效应管稳幅的RC桥式振荡器，在此电路中，由Q1，R3，R6构成稳幅环节。C3，R5，R7，R4，D1各元件组成输出电压负半波整流滤波电路，为N沟道结型场
效应管Q1提供一可调的直流负偏压，以调整场效应管的沟道电阻。
当电路连接完毕进行仿真实验时，可先调R5使Q1的栅偏压为零（栅极接地），再调整R6使电路产生振荡（此时输出电压波形失真较严重），此时再调节R5增加Q1的栅极负偏压值，输出电压波形失真会得到明显改善，直到满意为止。
电路的起振与稳幅过程说明如下：电路起振时，输出电压为零，二极管D1截止，Q1栅偏压为零，沟道电阻小，放大器电压放大倍数大，因为电路满足振荡条件，所以输出电压波形幅值将由零开始急剧增大。随着输出电压幅值的增大，二极管D1导通，Q1的负栅压伴随着输出电压幅值增大而增大。受不断增大的负栅压影响，Q1的沟道电阻也在不断增大，与此同时受Q1沟道电阻增大的影响放大器的电压放大倍数也在不断减小。如果R6和R5参数调整合适，在输出电压峰值产生非线性失真之前，电路的环路放大倍数：AF由大于1减小到等于1。此时输出电压稳定，整个振荡电路的起振与稳幅过程结束。
1.8.3RC移相式振荡器
RC移相式正弦振荡如图7.8-6所示，
该电路是由反相放大器与三节RC移相网络组成，因为未采取稳幅措施，所以输出波形顶部有明显的非线性失真。要满足振荡相位条件，要求RC移相网络完成180度相移。因为一节RC移相网络的极限为90度。因此，必须采用三节（或三节以上）RC移相网络，才能实现180度相移。
1.8.4RC双T反馈式振荡器
图7.8-7为一RC双T反馈式振荡器，其中C1，C2，C3，R3，R4，R5组成双T负反馈网络（完成选频作用）。电路中两稳压管Dz1,Dz2具有稳幅的功能，用来改善输出波形。
我们首先对双T负反馈网络的选频特性进行分析，在EWB主界面内重建双T网络电路如图7.8-8所示。
规定好电路的输入，输出节点，用仪器库的函数发生器在输入端加交流正弦电压（VI的幅值为5V，频率为10KHZ）。以节点8为输出端。选择分析菜单中交流频率分析项分析双T 网络后得幅频响应和相频响应曲线。
1.9LC正弦波振荡器
LC振荡器主要用来产生高频正弦信号。振荡器的选频网络是由电感和电容组成，一般可分为变压器反馈式和三点式等类型。
1.9.1LC并联谐振回路的选频特性
LC并联谐振回路决定了LC振荡器的振荡频率，下面通过交流频率分析，说明LC并联
谐振贿赂的选频特性。
在EWB主界面内搭建一LC并联谐振测试电路如图7.9-1所示，在信号源库内选择正弦交流电压源做其激励信号，选择分析菜单中的交流频率分析项，在交流频率分析参数设置对话框中设置扫描的起始与终止频率分别为200HZ和1GHZ，扫描形式为十进制，显示点数为缺省设置，纵向尺度为线性，分析输出为节点1。点击仿真按钮得到交流频率仿真结果。
1.9.2变压器反馈式LC振荡器
在EWB主界面内搭建变压器反馈式振荡电路如图7.9-3所示，
变压器T1作反馈元件，其二次绕组与电容C1构成并联谐振选频网络。将变压器的电感量设置为0.001H，电容C1的容量设置为0.001微F。反馈量由二次绕组抽头引入共基极放大器的输入端，可以减小放大器输入阻抗对LC并联谐振回路品质因数（Q）值的影响。
选择分析菜单中的直流工作点分析项，对振荡电路静态情况进行分析，分析结果表明放大器工作正常。
1.9.3三点式LC振荡器
图7.9-5为一三点式LC正弦波振荡器，分析如下：
（1）判断该电路属何种类型三点式电路
（2）用分析菜单中的直流工作点分析项分析电路的静态工作点。
（3）用仪器库中的示波器测量电路的振荡频率。
（4）通过理论分析求得电路的振荡频率并与实测值进行比较。
1.10运算放大器组成的信号运算电路
1.10.1反相比例运算电路
在EWB主界面内搭建反相比例运算电路如图7.10-1所示，将输入直流电压源设定为1V，在显示器件库内选择电压表接于输出端（接点2）。电路连接完毕，将电源开关闭合，电路运算结果即显示于电压表内（本例内输出电压为10V）。
运算关系：VO=（—R1/R2）*V1=—10V1=—10V，反相比例系数为—10。
选择分析菜单中的传递函数分析选项，在传递函数分析参数设置对话框中将输入源设置V1，输出端设置为节点2，点仿真按钮后，得到传递函数分析结果。
1.10.2同相比例运算电路
同相比例运算电路如图7.10-3所示。
运算关系式：VO=（1+R3/R2）
*V1=11V1=11V，同相比例系数为11。
选择分析菜单中的传递函数分析选项，在传递函数分析参数设置对话框中将输入源设置V1，输出端设置为节点4，点仿真按钮后，得到传递函数分析结果。
1.10.3加法运算电路
加法运算电路如图7.10-5所示。
运算关系式：VO=（—R3/R1）*V1+（—R3/R2）*V2=（—5）V1+（—4）V2=—7V。
选择分析菜单中的传递函数分析选项，在传递函数分析参数设置对话框中将输入源分别设置为V1和V2，输出端设置为节点1，点两次仿真按钮后，得到传递函数分析结果。
1.10.4减法运算电路
电路如图7.10-7所示。
运算关系式：VO=[（R1+R4/R1）*（R3/R2+R3）]—（R4/R1）*V1=5V2—5V1=5V。
选择分析菜单中的传递函数分析选项，在传递函数分析参数设置对话框中将输入源分别设置为V1和V2，输出端设置为节点1，点两次仿真按钮后，得到传递函数分析结果。
1.10.5积分运算电路
电路如图7.10-9所示。
敲击B键，拨动开关S2，令积分电路输入端接—1V直流电压。敲击D键，通过开关S1的通，断，在示波器上观察积分过程。积分关系式：VO=—V1/RC*t。
设置函数发生器输出（频率5HZ，占空比50%，幅度1V）连续方波电压，拨动开关S2，将方波输入积分器，由示波器同时观察积分器的输入（V A）和输出(VB)电压波形。由图可知，积分器可以将连续的方波信号电压转换为连续的三角波电压。
1.10.6微分运算电路
微分电路如图7.10-12所示