SPICE仿真实验报告

SPICE仿真软件的仿真设计实验报告二极管、稳压管的仿真模型与正反向特性测试负反馈放大电路参数的仿真分析姓名：张梦瑶学号：11122295学院：机自院自动化系二极管、稳压管的仿真模型与正反向特性测试实验内容：1.设计二极管、稳压管的仿真模型。2.用仿真软件分析二极管、稳压管的正反向特性。实验分析：二极管伏安特性是指二极管两端电压与其电流之间的关系，主要特点是单向导电性及非线性，并且易受温度影响。二极管的伏安特性测试电路可以设计成如下图所示。用交变电源获得可变的电压，将二极管与电阻串联，将示波器的A通道接在二极管两端，测量出的是二极管两端的电压1DAVV，将示波器的B通道接在电阻的两端，测出的是电阻两端的电压1RBVV，由于1111DRRIIRV,所以BV与ID1成正比，所以切换到示波器的B/A模式就可以观察到二级管的V-I特性曲线了。同理，稳压管的设计图如下。仿真结果：（二极管）仿真后得到的二极管的V-I特性曲线如图：（由于整体的图像太大，不是很直观，因此把V-I的正向和反向特性曲线的放大图也放上来）（稳压管）仿真后得到的稳压管的V-I特性曲线如图对稳压管的反向击穿特性放大如图实验体会及注意事项二极管的仿真实验设计几经反复，首先是在原理图的设计上就否决了好多个思路，从直流电源的扫描分析改成交流电源；在测量方面，刚开始采用的是电压表和电流表，但是苦于无法绘制曲线，最后改成了方便的示波器。实验过程中由于参数选取不当，导致出现了多次的仿真错误。最后得到的教训是：在选取了某个型号的二极管的后要先查找它的理论参数，然后估算需要的串联电阻大小和电源电压，以免出现不必要的错误。对仿真后的曲线分析可知：二级管和稳压管的仿真曲线基本类似，区别在于加上反向电压时，稳压管的反向击穿曲线更陡，说明稳压管的稳压特性好。负反馈放大电路参数的仿真分析Spice是SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经具有几十年的历史了，该程序是美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算科学系开发的，主要用于集成电路的电路分析程序中，Spice的网表格式变成了通常模拟电路和晶体管级电路描述的标准。下面来研究负反馈对放大电路的影响。1.实验电路为了研究负反馈对放大电路的影响，首先，要建立起一个实验电路，下图分立元件组成的二级放大电路，采用DIN。开关J1和J2分别由键盘上A,B键控制开和关,闭合时分别表示引入电压串联负反馈和接入负载。2.波形的观察及电压放大倍数的计算2.1开环与闭环的电压放大倍数的比较（1）测量开环电压放大倍数按键盘的数字键“1”，将开关k断开，输入正弦电压（V1）峰值为20mV，频率为1kHz。用示波器测得输入、输出的波形如图，根据输入、输出波形波峰与波谷的幅差值求得：开环电压放大倍数：Av=Vo/Vi=(VB2-VB1)/(VA2-VA1)=6.122V/39.7584Mv=153.998电路的反馈深度：1+AvFv=1+153.998*0.0606=10.332（2）测量闭环电压放大倍数按数字“1”键，将开关K1闭合，将示波器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电压波峰与波谷幅差VA2-VA1=39.7584mV；输出电压幅差VB2-VB1=557.9098mV。闭环电压放大倍数：Avt=Vof/Vi=557.9098mV/39.7584mV=14.033。理论值计算：Avf=Av/(1+AvFv)=153.998/10.332=14.905。因此，得出结论：引入负反馈后，降低了放大倍数。2.2开环与闭环的输出电阻比较（1）测量反馈放大器开环时的输出电阻在放大器开环工作时通过控制开关K2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，分别测试得负载开路时输出电压Vo’=2.1827V，负载接入时输出电压Vo=1.2169mV。开环输出电阻：Ro=(Vo’/Vo-1)*RL=(2.183/1.217-1)*6.2=4.922k欧。理论计算：Ro=ro/Rc=Rc=5k欧。（2）测量反馈放大器闭环时的输出电阻在放大器闭环工作时控制开关K2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：Vof’=198.6mV,负载接入时输出电压Vof=186.0mV。闭环输出电阻：Rof=Ro/(Vof’/Vof-1)*RL=(198.6/186.0-1)*6.2=0.420k欧。Rof=Ro/(1+AvFv)=4.922/10.332=0.477。得出结论：引入负反馈后输出电阻变小，而放大电阻的影响与反馈类型有区别。如影响放大电路的输出电阻与电压或电流反馈有关，例中为电压反馈使输出电阻降低，反之电流反馈使输出电阻提高。另外还可以通过仿真分析得出：串联反馈使放大电路的输入电阻增高，并联使之降低。可以从其他的反馈仿真得出。2.3开环与闭环的频率响应比较（1）测反馈放大器开环与闭环时的频率响应令反馈放大器工作在开环状态，选择分析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，显示点按缺省设置，纵向标度选择线性，选择节点11为输出节点。按仿真键后，得反馈放大器开环频率响应曲线如图。调节两测试指针的位置，使其约为电路输出中频电压幅值的70%（因通频放大倍数A=1/Ao）。从图右边表查得。电路开环时的下限频率：fl=11.5523Hz电路开环时的上限频率：fh=979.0145kHz通频宽带：fbw=fh-fl=979.00kHz(2)令负反馈放大器工作在闭环状态下，同理可得放大器闭环频率响应曲线，电路开环时的下限频率：fl=6.1654Hz电路开环时的上限频率：fh=11.7262MHz通频宽带：fbw=fh-fl=11.73MHz得出结论：负反馈能展宽通频带的优点。可是这样的理解：在中频段，，开环放大倍数A较高，因而使闭环放大倍数Af降低较多；而在低频段和高频段，A较低，负反馈信号也较低，因而使Af降低的较少；如图所示，则将放大电路的通频带展宽了。引入了负反馈提高了放大电路的稳定性。2.4观察引入负反馈后对放大器非线性失真的改善情况在带负载的情况下，通过改变信号发生器中的正弦信号电压的幅值，输入约60mV时不带反馈的波形开始出现失真，而带反馈电路要在输入电压为500mV才开始出现失真；即在输出电压峰值达到4.5V左右开始出现。图5是采用200mV的正弦输入，对此有、无负反馈情况下的输出电压波形。从图5可看到引入负反馈后，非线性失真得到明显的改善，波形正、负周期的对称性明显提高。另外放大倍数比没有负反馈的低（实线比虚线的幅值低）。得出结论：引入负反馈改善了波形失真。经过以上总结分析，放大电路中引入了负反馈后，虽然放大倍数降低了，但是换来了很多好处，如：提高了放大倍数的稳定性；以及能展宽通频带和改善波形失真等优点。2.5交流分析(ACanalysis)交流分析主要用于计算各节点电压的幅频特性和相频特性。设置startfrequency为1Hz,stopfrequency为10GHz,纵坐标刻度为Decibel,并选择输出节点作为分析节点。J1断开和闭合时分别运行交流分析,可得到图6和图7。在波特图中,直观地反映了引入负反馈后展宽通频带,并可测量得无反馈时:下限截止频率fL=1818Hz,上限截止频率fH=3198MHz,通频带fbw¦3198MHz。引入反馈后:fL=1117Hz,fH=1712MHz,fbw¦1712MHz。2.6傅里叶分析(fourieranalysis)傅里叶分析是估算时域信号的直流分量、基波分量和谐波分量,该分析对时域信号进行离散傅里叶变换,分解电压波形到频域分量。设置Frequencyresolution为1000Hz,单击Estimate按钮,自动设置Stoppingtimeforsampling。选择Normalizegraphs,纵坐标刻度为Decibel,选择输出节点作为分析节点。J1断开和闭合时分别运行傅里叶分析,可得到图5和图6。并测试出无反馈时:总谐波失真系数THD:01530533%。引入反馈后:THD:010508513%。直观准确地反映了引入负反馈后,可以减小非线性失真。3.存在问题虽然在教学过程中采用仿真分析有不少优势，但也存在问题：（1）由于仿真分析与理论计算的结果很接近，实验数据理想化，不易于学生发现问题；（2）虚拟的设备缺乏真实感，在进行过程中对实物只能依靠想象；（3）学生必须熟练掌握仿真软件的使用。最后指出，虽然通过计算机仿真分析可以解决很多问题，但是想学习得深入的话，还是要通过真实的实验来加强对它的理解。建议在进行仿真实验前或后，最好能进行真实的电子实验。因此计算机仿真分析只是起作为辅助教学的作用。结语通过SPICE的仿真分析，直观形象的反映了放大电路引入负反馈后，减小了放大倍数，提高了放大倍数的稳定性，减小了非线性失真和抑制干扰，拓宽了通频带，改变了输入/输出电阻。运用于教学改革中，可以将理论变抽象为感性，克服传统理论教学中的不足。