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VA VD1，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VB VR1，由于VR1 IR1 ID1,所以VB与ID1R1

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Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis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(AC analysis)

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 startf requency为1Hz, stop frequency为10GHz, 纵坐标刻度为Decibel, 并选择输出节点作为分析节点。J 1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f L = 1818 Hz,上限截止频率f H = 3198MHz, 通频带f bw ¦ 3198MHz。引入反馈后: f L = 1117 Hz, f H = 1712 MHz, f bw ¦1712MHz。

2.6傅里叶分析(fourier analysis)

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 F requency resolution 为1000Hz, 单击Estimate按钮,自动设置Stopp ing time for sampling。选择No rmalize graphs, 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: 01530 533%。引入反馈后: THD:01050 851 3%。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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yme1.html