实验三十二、OCL电路的研究

passxgx

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分类专栏：模电Multisim实验文章标签：嵌入式硬件硬件工程

于 2023-09-04 23:07:00 首次发布

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本文详细探讨了利用Multisim进行电路仿真，涉及负载电阻、电容对输出功率的影响，以及如何通过调整电容和引入负反馈来优化电路性能。包括最大输出功率计算、电容作为旁路的作用以及不同条件下的输出电压特性分析。

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一、题目

仿真电路如图1所示。利用 Multisim 研究下列问题：
（1）负载 $R_6$ 上能获得的最大输出功率；
（2）电容 $C_1$ 、 $C_2$ 的作用；
（3）当输入电压为频率为 $kHz1\,\textrm{kHz}$ 、峰值为 $V5\,\textrm V$ 的正弦波时，若 $R_1$ 开路，将产生什么现象，解释理由。
（4）若输入正弦波的最大峰值为 $V1.4\,\textrm V$ ，则为使负载 $R_6$ 上获得最大输出功率，应采用什么措施？画出仿真电路。
（5）为了使信号源与图示电路直流通路隔离，同时为了稳定输出电压，减小非线性失真，引入合适的交流负反馈，画出仿真电路图。并利用 Multisim 选择合适的电流参数，使输入电压有效值 $VU_{i}=0.1\,\textrm V$ 时，输出电压有效值 $VU_o=1\,\textrm V$ 。

二、仿真电路

仿真电路如图1所示。

在这里插入图片描述
$仿真电路图1\,\,仿真电路$

三、仿真内容及结果

（1）先调节 $R_3$ ，使静态时 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 近似为零。用函数发生器作为信号源，输入频率为 $kHz1\,\textrm{kHz}$ 的正弦波电压 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ ，用示波器监视 $R_6$ 上的电压 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 的波形。增大 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 的幅值，当峰值为 $V15.4\,\textrm V$ 时 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 开始失真；减小 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 峰值至 $V15.3\,\textrm V$ ，失真消失，从示波器上测得 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 的峰值为 $V15.04\,\textrm V$ 。因此，负载 $R_6$ 上能够获得的最大输出功率 $WP_{om}=\frac{u^2_{\scriptscriptstyle omax}}{2R_6}\approx14.1\,\textrm W$
（2）在有无 $C_1$ 、 $C_2$ 的情况下， $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 为不同峰值时对应的 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 的峰值如表1所示，说明电容 $C_1$ 、 $C_2$ 是 $D1∼D3D_1\sim D_3$ 和 $R_3$ 的旁路电容，作用是减小输入信号的损失，使 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 与 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 的跟随特性更好。
$情况下的uimax和uomax表1\,\,有无\,C_1、C_2\,情况下的u_{\scriptscriptstyle imax}和u_{\scriptscriptstyle omax}$

$u_{imax}$ /V	2	4	6	8	10	12	14
有 $C_1、C_2$ 时的 $u_{omax}$ /V	1.965	3.924	5.928	7.912	9.736	11.793	13.853
无 $C_1、C_2$ 时的 $u_{omax}$ /V	1.917	3.797	5.741	7.650	9.544	11.396	13.161

（3）从示波器测得电路静态和 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 为 $kHz1\,\textrm {kHz}$ 、峰值为 $V5\,\textrm V$ 的正弦波时正常工作和 $R_1$ 开路两种情况下输出电压峰值如表2所示，而且略有交越失真。由表可知， $R_1$ 开路不但使两只管子的静态工作点不再对称，而且 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 正半周峰值小于负半周峰值电压的数值。图2所示为 $R_1$ 开路时的输出电压波形。 $表2\,\,正常工作及R_1开路时的输出电压峰值$

u_imax/V	u_o	正峰值电压/V	负峰值电压/V
0	正常工作	0.032
0	R₁ 开路	-0.107
5	正常工作	4.970	-4.910
5	R₁ 开路	3.521	-4.894

在这里插入图片描述 $图2\,\,R_1\,开路时的输出电压$ 由于电路对称性变差，使静态时的 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 更加偏离 $V0\,\textrm V$ ，造成两对复合管的放大能力不同， $Q_2$ 、 $Q_4$ 组成的复合管比 $Q_1$ 、 $Q_3$ 组成的复合管的电流放大倍数大。因此，当 $uI>0u_{\scriptscriptstyle I}>0$ 时，虽然信号通过 $C_1$ 耦合至 $Q_1$ 、 $Q_3$ 管而放大，但是 $uOu_{\scriptscriptstyle O}$ 正半周幅值明显小于负半周幅值。

（4）由（1）的答案可知，当负载 $R_6$ 上获得最大输出功率时 $uIu_{\scriptscriptstyle I}$ 峰值为 $V15.3\,\textrm V$ ，因此若输入正弦波的最大峰值为 $V1.4\,\textrm V$ ，则应在功放输入端加放大电路，如比例系数为 $11$ 的同相比例运算电路。如图3所示。

在这里插入图片描述 $添加同相比例运算电路的功放图3\,\,添加同相比例运算电路的功放$

（5）电路应引入电压串联负反馈，为使信号源与图示电路直流通路隔离，输入端采用阻容耦合，如图4所示。经调试，使输入电压有效值 $VU_i=0.1\,\textrm V$ （峰值为 $V0.1414\,\textrm V$ ）输出电压有效值 $VU_o=1\,\textrm V$ （峰值为 $V1.414\,\textrm V$ ），电阻 $kΩR_9=44.5\,\textrm kΩ$ ， $kΩR_7=R_8=5\,\textrm kΩ$ ，电容 $μFC_3=100\,\textrm {μF}$ ，如图4所示。