受控源电路的电压控制方法及优化技巧

一、实验目的

●借助Multisim软件仿真,熟悉由运算放大器组成的四种受控源电路。

●了解受控源特性的测量方法及运算放大器直流供电电压对电路输入、输出的影响。

二、实验原理

受控源是一种非独立电源,它的电压或电流受电路中其他电压或电流控制。根据控制变量与受控变量的不同,受控源可分为4种类型,如图5-1所示,分别为：电压控制电压源(u2＝μu1)、电压控制电流源(i2＝gu1)、电流控制电压源(u2＝γi1)及电流控制电流源(i2＝βi1)。图中μ,g,γ,β分别为电压放大倍数、转移电导、转移电阻和电流放大倍数。

图5-1　不同类型的受控源

1.电压控制电压源(VCVS)

电压控制电压源电路,如图5-2所示。

根据运放的“虚短”“虚断”特性,又因运放内阻为无穷大,有i1＝i2,电路的输入输出关系为

即运放的输出电压u2只受输入电压u1的控制,而与负载RL大小无关,转移电压比。μ无量纲,又称为电压放大系数。这里的输入、输出有公共接地点,此联接方式称为共地联接。

图5-2　电压控制电压源(VCVS)电路

图5-3　电压控制电流源(VCCS)电路

2.电压控制电流源(VCCS)

将图5-2中的R1看成一个负载电阻RL,如图5-3所示,即成为电压控制电流源。

此时,运放的输出电流。 即运放的输出电流i2只受输入电压u1的控制,与负载RL大小无关。电路的转移电导。这里的输入、输出无公共接地点,这种联接方式称为浮地联接。

3.电流控制电压源(CCVS)

电流控制电压源电路,如图5-4所示,此时,运放的输出电压u2＝－i1R,即输出电压u2只受输入电流i1的控制,与负载RL大小无关。转移电阻,此电路为共地联接。

图5-4　电流控制电压源(CCVS)电路

图5-5　电流控制电流源(CCCS)电路

4.电流控制电流源(CCCS)

电流控制电流源电路,如图5-5所示。

电路的输入输出关系为,即输出电流只受输入电流i1的控制,与负载RL大小无关。转移电流比。β无量纲,又称为电流放大系数。此电路为浮地联接。

三、实验内容及步骤

1.电压控制电压源(VCVS)电路仿真

(1)测试电压控制电压源(VCVS)的转移特性

电路如图5-2所示,运算放大器的直流供电电压设置为＋15 V,－15 V,RL＝5 kΩ,在输入端u1接入表5-1中直流电压,用数字万用表测量输出端u2的电压,将数据填入表5-1中,并计算电压放大倍数μ。

表5-1　VCVS的转移特性

(2)测试电压控制电压源(VCVS)的的负载特性

输入u1＝2 V,负载电阻RL换为10 kΩ可调电阻,用数字万用表测量负载电阻变化时的输出电压u2,将数据填入表5-2中,观察负载变化对输出电压u2是否有影响。

表5-2　VCVS的负载特性

(3)测试运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

改变运算放大器的直流供电电压(表5-3),测量保持电压放大倍数μ不变时的最大输入、输出电压值,将数据填入表5-3中,分析运算放大器的直流供电电压对输入、输出的影响。

表5-3　运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

2.电压控制电流源(VCCS)电路仿真

(1)测试电压控制电流源(VCCS)的转移特性

电路如图5-3所示,运算放大器的直流供电电压设置为＋15 V,－15 V,RL＝2 kΩ,在输入端接入表5-4中直流电压u1,用数字万用表测量输出端的电流i2,将数据填入表5-4中,并计算转移电导g。

表5-4　VCCS的转移特性

(2)测试电压控制电流源(VCCS)的负载特性

输入u1＝2 V,负载电阻RL换为10 kΩ可调电阻,用数字万用表测量负载电阻变化时的输出电流i2,将数据填入表5-5中,观察负载变化时对输出电流i2是否有影响。

表5-5　VCCS的负载特性

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(3)测试运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

改变运算放大器的直流供电电压(表5-6),测量转移电导g不变时的最大输入电压、输出电流值,将数据填入表5-6中,分析运算放大器的直流供电电压对输入、输出的影响。

表5-6　运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

3.电流控制电压源(CCVS)电路仿真

(1)测试电流控制电压源(CCVS)的转移特性

电路如图5-4所示,运算放大器的直流供电电压设置为＋15 V,－15 V,RL＝5 kΩ,在输入端接入表5-7中直流电流i1,用数字万用表测量输出端u2的电压,将数据填入表5-7中,并计算转移电阻γ。

表5-7　CCVS的转移特性

(2)测试电流控制电压源(CCVS)的负载特性

输入i1＝0.2 mA,负载电阻RL换为10 kΩ可调电阻,用数字万用表测量负载电阻变化时的输出电压u2,将数据填入表5-8中,观察负载变化对输出电压u2是否有影响。

表5-8　CCVS的负载特性

(3)测试运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

改变运算放大器的直流供电电压(表5-9),测量保持转移电阻γ不变时的最大输入电流、输出电压值,将数据填入表5-9中,分析运算放大器的直流供电电压对输入、输出的影响。

表5-9　运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

4.电流控制电流源(CCCS)电路仿真

(1)测试电流控制电流源(CCCS)的转移特性

电路如图5-5所示,运算放大器的直流供电电压设置为＋15 V,－15 V,RL＝2 kΩ,在输入端接入表5-10中直流电流i1,用数字万用表测量输出端的电流i2,将数据填入表5-10中,并计算放大倍数β。

表5-10　CCCS的转移特性

(2)测试电流控制电流源(CCCS)的负载特性

输入i1＝0.2 mA,负载电阻RL换为10 kΩ可调电阻,用数字万用表测量负载电阻变化时的输出电流i2,将数据填入表5-11中,观察负载变化对输出电流i2是否有影响。

表5-11　CCVS的负载特性

(3)测试运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

改变运算放大器的直流供电电压(表5-12),测量保持放大倍数β不变时的最大输入电流、输出电流值,将数据填入表5-12中,分析运算放大器的直流供电电压对输入、输出的影响。

表5-12　运放直流供电电压对电路输入、输出的影响

四、仿真过程及步骤

1.绘制电路原理图

(1)±15 V供电电源和接地：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“POWER SOURCES”→“VCC”“VEE”和“GROUND”,设置VCC为＋15 V,VEE为－15 V。

(2)电阻：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“RESISTOR”,设置为10 kΩ,5 kΩ。右键单击元件,选择“Rotate 90°clockwise”可实现元件旋转。

(3)运算放大器：依次选择“Place”→“Component”→“Analog”→“741”。

(4)直流电压源和接地：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“POWER SOURCES”→“DC_POWER”和“GROUND”,设置直流源为5 V。

(5)万用表：在主窗口右边的虚拟仪器工具栏,单击万用表“Multimeter”的图标,在画图窗口放置两个万用表。

(6)连线：按图5-2连线。当鼠标靠近元器件引脚时,鼠标会变成“十字中心加黑点”的形状,单击第一个元件的引脚,此时光标会附着一条直线,移动光标的过程中,按下鼠标左键可以控制线的走向,到第二个元件的引脚再单击一次,完成连线。完成连线的电路如图5-6所示。

图5-6　Multisim中的电路原理图

2.仿真分析

(1)借助Multisim软件对图5-6进行仿真。在Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Run”,双击万用表,显示如图5-7所示界面。

(2)将负载电阻RL换为10 kΩ电位器(可调电阻)。在Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Run”,改变电位器的阻值,记录数字万用表显示的输出电压值,观察负载对输出电压的影响。

图5-7　Multisim中的仿真结果

(3)改变直流供电电压VCC、VEE的值分别为＋10 V和－10 V,并修改直流电压源的值,单击“Simulate”→“Run”,观察数字万用表显示的输出电压值,寻找电压放大倍数不变时,最大输入输出电压值。

五、实验思考与拓展

(1)若令受控源的控制量极性方向反向,其输出量极性是否发生变化?

(2)受控源与独立源相比有何异同点?

(3)受控源的输出特性是否适于交流信号?