基础电路实验

标签：制作一个CPU, 电子基础, 电路设计, 模拟电路实验

1. 基本电路原件：学习电阻、电容、二极管和晶体管等基本电子元件的特性。
2. RC 延时电路：学习搭建一个 RC 延时电路，了解电阻和电容如何联合工作。
3. 晶体管开关电路：理解晶体管如何在电路中用作开关。
4. 放大器电路：学习晶体管如何在放大器电路中使用。
5. 振荡器电路：理解振荡器电路的原理及其在产生周期性信号中的应用。

1. 基本电路原件

1.1. 电阻（Resistor）

特性：限制电路中的电流流动。
属性参数：阻值（欧姆），功率容量（瓦特），容差（%）。
原理：基于欧姆定律（V=IR），提供特定的电阻值来控制电流。

1.2. 电容（Capacitor）

特性：存储电荷能量。
属性参数：电容量（法拉），工作电压，介质类型。
原理：由两个导体板和一个非导电介质（电介质）组成，能够积累和释放电能。

1.3. 二极管（Diode）

特性：允许电流单向流动。
属性参数：最大正向电流，反向击穿电压，正向电压降。
原理：由P型和N型半导体材料组成，仅在正向偏压下导电。

1.4. 晶体管（Transistor）

特性：用作开关或放大器。
属性参数：最大电流和电压，增益（hFE），极性（NPN或PNP）。
原理：基于半导体材料，能够控制通过它的电流。

1.5. 电感（Inductor）

特性：存储磁能。
属性参数：电感值（亨利），额定电流，直流电阻。
原理：由导线绕制成线圈，当电流通过时产生磁场。

1.6. 电源（Power Supply）

特性：提供电能。
属性参数：输出电压和电流，效率，稳定性。
原理：将电能从一种形式转换为特定电压和电流的形式。

1.7. 振荡器（Oscillator）

特性：产生周期性的电信号。
属性参数：频率，波形（正弦波、方波等），稳定性。
原理：使用电容和电感或晶体来产生稳定的时钟或信号波形。

1.8. 逻辑门（Logic Gate）

特性：执行基本的数字逻辑操作（如AND, OR, NOT）。
属性参数：输入输出逻辑级别，传播延迟，功耗。
原理：使用半导体技术，根据输入信号的组合提供相应的输出。

1.9. 示波器（Oscilloscope）

特性：图形显示电信号的变化。
属性参数：带宽，采样率，通道数，垂直灵敏度。
原理：将电信号转换为可视化波形，用于测量和分析信号的特性。

2. RC 延时电路

RC 延时电路是一种基本的电子电路，使用电阻（R）和电容（C）组合来实现延时效果。该电路的核心原理是电容的充电和放电过程。

2.1. 功能和用途

延时控制：RC 电路可以用来在电子电路中创建延时效果，例如在开关电路中实现延迟开启或关闭。
去抖动：在数字电路中用于稳定信号，减少开关或按钮的抖动。
信号滤波：作为低通滤波器，滤除高频信号。

2.2. 工作原理

充电过程：当电源接通时，电容开始充电。充电时间取决于电阻和电容的值，用时间常数（τ = R×C）表示。
放电过程：当电源断开时，电容通过电阻放电，放电时间也由时间常数决定。

2.3. LTspice 仿真实验

2.3.1. 新建： 在 LTspice 中新建一个原理图（New Schematic）

2.3.2. 添加组件： 从 LTspice 库中添加一个直流电源（5V），一个电阻（10kΩ），一个电容（100 μF），用导线串联，电源和电容接地

2.3.3. 配置 Simulate 参数： 设定 C1 初始电压为 0，瞬态模拟 10s

.ic V(test) = 0
.tran 10s

2.3.4. 模拟结果：

2.3.5. 数值分析：

根据 RC 串联电路，根据基尔霍夫电压定律（KVL）有：

$$ U_V = u_R + u_C \tag{1} $$

$$ u_R = R \cdot i \tag{2} $$

$$ i= C\frac{du_C}{dt} \tag{3} $$

其中，$U_V$为电源电压， $u_R$ 为电阻电压， $u_C$ 为电容电压，$i$ 为电阻电流，$C$ 为电容

联立（1）-（3）有 $$ U_V = RC\frac{du_C}{dt} + u_C \tag{4} $$ 解得： $$ u_C(t) = C1 \cdot e^{-\frac{t}{RC}} + U_V \tag{5} $$ 带入初始 t 时 $u_C$ 为 0，得到 $C1=-U_V$ ，整理后得到 RC 电路充电指数曲线函数 $$ u_C(t) = U_{max}(1-e^{-t/\tau}) \tag{6} $$ 其中：$\tau = RC$ 为电路时间常数

在本例中 $\tau = 1$，因此可以看到 1s 左右时（$t = \tau$），电容电压约为 3.2V，2s 左右时（$t=2\tau$），电容电压约为 4.3V

3. 晶体管开关电路

3.1. 功能和用途

开关控制：晶体管可以像开关一样工作，控制电流的流动。当晶体管“开启”时，电流可以流过；当它“关闭”时，电流被阻断。
信号放大：在某些应用中，晶体管的开关动作用于放大微弱信号，例如在放大器中。
数字逻辑电路：在数字电路中，晶体管用于实现逻辑门（如 AND、OR、NOT 门），是构建复杂数字系统（如计算机）的基础。
节能高效：与机械开关相比，晶体管开关速度快，能耗低，使得它们非常适合用于现代电子设备。

3.2. 工作原理

双极型晶体管（BJT）：由两种类型的半导体材料交替构成，形成PNP或NPN结构。有三个引脚：基极（Base）、集电极（Collector）和发射极（Emitter）。当基极接收到足够的电压时，它允许电流从发射极流向集电极。
场效应晶体管（FET）：主要依靠电场来控制电流流动。有三个引脚：源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。栅极电压控制半导体材料内部的导电通道，进而控制电流的流动。

3.3 LTspice 仿真实验

3.3.1. 选择元件：NPN 晶体管（2N2222）。一个小电阻 R1（1kΩ）连接在晶体管的集电极（Collector）和电源（5V）正极之间。一个控制电阻（10kΩ）连接在晶体管的基极（Base）和输入信号（电源）之间。晶体管的发射极（Emitter）接地。

3.3.2. 设置输入信号：设计一个方波信号作为基极输入，以模拟开关动作，配置一个方形波：

PULSE(0 5 0 1m 1m 10m 20m)

参数含义如下：

初始值（Initial Value）：0，这是脉冲波形的初始电压。在此例中，脉冲波形开始于 0 伏特。
脉冲幅值（Pulsed Value）：5这是脉冲的峰值电压。在此例中，脉冲从 0 伏特跃升至 5 伏特。
延迟时间（Delay Time）：0这是在脉冲开始前的延迟时间。在此例中，脉冲在仿真开始时立即启动，没有延迟。
上升时间（Rise Time）：1m（1 毫秒）这是脉冲从初始值上升到峰值的时间。在此例中，脉冲从 0 伏特上升到 5 伏特需要 1 毫秒。
下降时间（Fall Time）：1m（1 毫秒）这是脉冲从峰值下降回初始值的时间。在此例中，脉冲从 5 伏特下降到 0 伏特也需要 1 毫秒。
脉冲宽度（Pulse Width）：10m（10 毫秒）这是脉冲保持在峰值的总时间。在此例中，脉冲在 5 伏特的水平保持 10 毫秒。
周期（Period）：20m（20 毫秒）这是完整脉冲周期的持续时间。在此例中，每个脉冲周期为 20 毫秒，包括脉冲宽度和脉冲之间的间隔。

3.3.3. 仿真设置：瞬态模拟 100ms

.tran 100ms

3.3.4. 运行仿真并观察结果：

当输入信号为高电平时，晶体管导通，集电极电压降低。
当输入信号为低电平时，晶体管截止，集电极电压接近电源电压。

3.3.5. 现象分析：

可以观察到 2N2222 晶体管的基极电压高于发射极电压大约 0.7V 左右，晶体管开始导通。
当晶体管关闭时（基极电压低于 0.7V），集电极到发射极之间的电压接近 V1，即接近 5V。
当晶体管打开时（基极电压超过 0.7V），集电极电流增加，导致通过 R1 的电压降增大。理想情况下，如果晶体管完全导通，集电极电压会接近 0V（因为大部分电压都跨在 R1 上）。
如果方波电压小于 0.7 V，晶体管将始终处于关闭状态，因此集电极端将会始终保持 5V。

4. 放大器电路

4.1. 功能和用途

放大器电路用于增强电信号的幅度，不改变信号的基本形状。

信号放大：用于放大微弱的音频、射频或其他类型的模拟信号。
电子设备：在收音机、电视、手机和各种音频设备中普遍存在。
实验教学：帮助理解基本电子原理和晶体管的工作。

4.2. 工作原理

单级晶体管放大器通常使用 NPN 或 PNP 晶体管，以共射极配置进行设计。

信号输入：输入信号施加到晶体管的基极。
偏置设置：通过基极电阻为晶体管提供适当的偏置电流。
放大过程：晶体管的集电极电流随基极电流变化，从而放大输入信号。
输出信号：输出信号从晶体管的集电极获得，并通过耦合电容传递出去。

4.3 LTSpice 仿真实验

4.3.1. 添加元件：NPN 晶体管（2N2222）

4.3.2. 电路连线：

电源连接：将电源 V2 正极连接至集电极电阻，负极接地。
基极偏置：添加两个电阻 R1，R2 形成电压分压器，为基极提供偏置电压。
输入耦合：将输入信号 V1 通过耦合电容 C1 连接到基极。
输出耦合：从集电极通过另一个耦合电容 C2 提取输出信号。

4.3.3. 配置参数以及设置输入信号：

4.3.4. 运行仿真并观察结果：

共射放大器的相位关系：当输入信号变为正时，输出信号变为负，反之亦然。因此，如果输入是一个正弦波，输出信号将是一个反相的正弦波。
在实际电路中，除了共射放大器本身的相位反转外，还可能存在由电路布局、电源供应、耦合电容等因素引起的额外相移。这些因素可能导致输出信号的相位与理论上的180°反相有所偏差。
偏置电流（Bias Current）是在晶体管放大器中用于设置晶体管的工作点的恒定电流。这个工作点被称为静态工作点或Q点（Quiescent Point）。正确的偏置对于确保晶体管在其最佳性能范围内运行非常重要，特别是在放大信号时保持线性响应和最小化失真。
在一个共射放大器电路中，基极偏置电流 $I_B$ 是流过晶体管基极的电流。这个电流决定了集电极电流 $I_C$ 和发射极电流 $I_E$，因为在晶体管中，这些电流之间有确定的比例关系。
晶体管电流增益（β或hFE）的定义： $$ \beta = \frac{I_C}{I_B} \tag{7} $$
其中 $I_C$ 是集电极电流，$I_B$ 是基极电流。