2024 LTspice电路仿真竞赛中等题汇总

说明

• 欢迎！
• 本汇总涵盖了所有中等题，而其他题汇总的跳转链接为：[基础题]()、[进阶题]()、[挑战题]()。

17 双电源 T 形网络反相放大器

实验简介

• 在实验 1 所搭建的反相比例放大器中，输入电阻为 $R_1$ ，反馈电阻为 $R_f$ ，则放大倍数为 $A=-R_f/R_1$ ，这说明如果要增大放大倍数，就必须减小输入电阻或增大反馈电阻，但是一般电路对输入电阻的要求是较大的，如 100k ，此时若想得到较大的放大倍数，就必须将反馈电阻提高至 $M\Omega$ 量级，而我们知道，电阻热噪声的大小是随着阻值增大而增大的，在这一量级下，反馈电阻的热噪声所带来的电压波动便不可忽略，进而影响输出信号的稳定，这实是个两难的矛盾。而本电路将要搭建的 T 形网络反相放大器就巧妙地解决了这一矛盾。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并测试放大倍数。
• 所搭建的电路如下
  
• 结合电路基础的知识，利用虚短虚断或深度负反馈可得出 T 形网络反相放大器的放大倍数公式是$A=-(R_2+R_4+R_2{R}_4/R_{U2})/R_1$ ，将上面的值代入可得到 $A\approx -98.19$

仿真结果

• 这次我们利用新的仿真方式，即.tf命令表示的传递函数分析，其输出的类似此前说过的.meas命令，都是以文本形式输出到日志文件里，结果如下：
  
  可见输入电阻还是51k，而放大倍数与理论值几乎完全一致，且注意到，我们并未采用 $M\Omega$ 数量级的电阻便实现了在较大输入电阻下，近 100 倍的放大倍数。

18 单电源直接耦合放大电路

实验简介

• 在基础题中有搭建过“单电源集成运放交流耦合放大器”，而本电路与之的区别在耦合方式为直接耦合，其实也就是连同输入的直流偏置一并放大，而不经过电容过滤。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并测试输出波形。
• 所搭建的电路如下
  
• 本电路的输入自身存在 -0.2V 的偏置，且在放大过程由加法电路叠加了 -1V 的偏置。故输出应为1～5V 的正弦波。

仿真结果

• 结果如下
  
  本实验还要求输出最大值为5V，而运放供电就为5V，故上面的波形会因达到最大输出摆幅，而存在约 30mV 的截顶失真，这与手册提供的数据是基本一致的。

19 单电源集成运放交流耦合两级放大电路

实验简介

• 实际电路中，为了达到较大的放大倍数还常将多级放大电路进行串联，而本电路就是对两个同相比例放大电路的串联，且采用单电源供电。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并测试输出波形。
• 所搭建的电路如下
  
• 本电路由电压跟随器的输出作参考地平面，其值为电源的中点电压。
• 输入通过两个放大倍数为 10 的同相比例放大器，故总放大倍数为 100 。

仿真结果

• 结果如下
  
  可见，该电路的放大倍数为 100 ，且无直流偏置。

20 电压增益可调的共射放大电路

实验简介

• 本电路是模电基础部分，即分析由分立元件构成放大电路部分的经典电路，可通过 h 参数模型实现较准确的分析。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并通过调整电位器，使输出幅值在 1V 至 3V 间变化。
  • 确定其下限频率与上限频率。
• 所搭建的电路如下
  
• 本电路用到的2SC945模型LTspice软件并未自带，此处是去LTwiki获取的。
• 对于调整电位器的要求，这里不是通过直接调整的方式完成的，而是通过手算求解出放大倍数与抽头位置的关系式，进而解方程确定的。该计算虽比较麻烦，但难度不高，正在学习模电的同学可以尝试自行求解，应该能对放大电路有更好的认识。

个人认为，求解此电路过程的最大阻碍并非列写方程本身，而是在没有题干提供晶体管参数的情况下，自行检索信息，以尝试获取该型号三极管的 h 参数相关信息的过程，从求解中获得的最大收获也便藏于这一过程。

仿真结果

• 通过方程求出抽头的理论位置后，以此为参数得到的输出波形如下
  
  结果还是与理论值比较接近的，尤其是负半周。至于这俩半周差异较大的原因，还望各位解惑。
• 交流扫描分析的结果如下，截止频率的测量与此前一样，也是通过.meas命令进行的
  
  
  其实从中能看到一些增益带宽积的意思。

21 LC 正弦波振荡器

实验简介

• 此前实验已经搭建过同属谐振型振荡器的RC桥式正弦波振荡器，它在接近高频时其实表现是很糟糕的，比如波形会有明显失真。而本实验要搭建的 LC 正弦波振荡器就可实现高频振荡。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并测试输出频率。
• 所搭建的电路如下
  
• 该电路的振荡频率为 $f_0={\left(2\pi \sqrt{L_1{C}_1{C}_2/(C_1+C_2)}\right)}^{-1}$ ，代入数据后得 $f_0\approx 51.537kHz$ 。

仿真结果

• 瞬态分析的结果如下
  
  图中可直接测出频率，但相对“手拖光标”，通常还是FFT更准确些
• FFT的结果如下
  
  结果和理论值还是比较接近的。

22 三角波-正弦波变换器

实验简介

• 本电路通过利用差分放大器的大信号模型，实现将三角波输入转换为正弦波输出，具体原理我个人目前也不清楚。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，通过调整电位器使输出波形失真最小。
• 所搭建的电路如下
  
• 由于我个人知识不足，本实验不知为何，无论如何调整两个电位器，输出波形的总谐波失真均在百分之十几以上，多次检查电路也无果。好在在直觉的指引下，将 R8 的阻值由参考电路的 5k 改为了 2.2k ，这一下便正常了，真是阿美醒。

仿真结果

• 调整了 R8 后，再利用参数扫描微调电位器，并利用命令.four（该命令也类似.meas，以文本输出至日志）测量总谐波失真，结果如下
  
  

23 电阻-电压变换器

实验简介

• 本电路对于我这愚钝之人来说是十分巧妙的，即本来如果直接通过电桥方式将电阻转为电压，那么得到的二者关系往往是非线性的，但是这一电路就通过运放间的反馈使得二者具有了线性关系，甚至是正比关系。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并且测量不同电阻下电路的输出电压。
• 所搭建的电路如下
  
• 该电路虽很是巧妙，但分析推导还是不难的，假设总输出即可，最终关系是输出电压等于电阻 Rx 的千分之一倍，如 Rx 为 1k 则输出 1V 。

仿真结果

• 对 E6 系列的标称电阻值进行参数扫描分析的结果如下
  
  仿真结果表明，误差甚至能在万分之一内。

24 OCL功率放大器

实验简介

• 集成运放的带负载能力通常不强，即便是驱动专用的运放往往也不过几百毫安的最大输出电路，故在要求较大功率的场合，还是需要我们用分立元件搭建输出级电路。而本实验就是要搭建这样的电路。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并分别测试在有无自举电容情形下的输出。
• 所搭建的电路如下
  
• 本电路的主体在模电课本中应该是有的，即互补管作核心，使正负半周均可输出；对外接相同管形成复合管，使上下管外特性相近；二极管与电位器使输出管保持微导通，使交越失真减少。

仿真结果

• 结果如下
  
  由此可计算出驱动模拟扬声器的最大功率。
• 另外去掉自举电容后，在合适输入下得到的波形是类似的，在这就不放图了（期待电子森林支持根据Markdown文件批量上传本地图片，目前手动一张张传，四篇汇总光传图片的重复劳动就要耗一个小时了...），只是去掉自举电容后，动态范围变小，即最大不失真电压减少了，也便意味着能驱动负载的最大功率减少了。

25 C类放大器

实验简介

• 本实验要搭建一个通过变压器耦合的功率放大器，应该是可以实现高频的放大吧，我个人还没学高频电子，具体原理要参看报告了。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，并测试输出。
• 所搭建的电路如下
  
• 本电路用到了变压器，这在 LTspice 中并未提供模型，需要通过手动指定两电感的互感系数以模拟。

仿真结果

• 结果如下
  

26 AGC放大器

实验简介

• 本实验所搭建的电路即自动增益控制放大器，属应用极广的一大类电路，对于我们本科生，应该在电赛中接触是最多的了，也是极具魅力的电路（不过我个人目前对AGC只有最浅薄的认知，实属又菜又爱）。

电路分析

• 本实验的要求有
• • 照图搭建电路，找出输入输出的电压变化范围。
• 所搭建的电路如下
  
• 其大致思路是将放大器的输出作为反馈网络的输入，经过全波精密整流、低通滤波后，将其与参考电压的叠加值给到能减小净输入量的元件（本电路采用MOS管，通过减小电阻以减小原输入的分压比例，从而减小净输入量），如此便构成了负反馈，实现了对增益的控制。

仿真结果

• 结果如下
  
  由图例可以发现，当输入大于 8mV 时，输出已经基本不再增大，故由此得到的输入输出幅值范围为1～20mV、60～510mV吧。
• 另外还有采用MOS管作反馈元件可能会造成的一个问题，报告中有比较详细的描述，恕在此不赘述了。

中等题至此也告一段落了，接下来是进阶题，心得同样留到挑战题。