实验7：受控源

受控源

目标

1.加深对受控源的理解

2.熟悉由集成运算放大器组成的受控源电路

3.掌握受控源特性的测量方法

仪器仪表

仪器	元器件	工具
直流电压源	- 10kΩ 电阻×2	- 面包板
直流数字电压	- 10kΩ 可变电阻×1	- 导线
ADALM2000	- 集成运放 LM358×1

仿真工具

Circuit JS

理论

受控源是一种二端口元件，是由电子器件抽象而来的一种模型，可分为四种类型，即电压控制电压源(VCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电压源(CCVS)和电流控制电流源(CCCS)。利用集成运算放大器可组成受控源电路。

1.受控源

由于受控源向外电路提供的电压或电流是受其它支路的电压或电流控制的，所以，受控源是二端口元件：一个端口为控制端口，或称输入端口，输入控制量（电压或电流），另一个端口为受控端口或称输出端口，向外电路提供电压或电流。受控端口的电压或电流，受控制端口的电压或电流的控制。根据控制变量与受控变量的不同组合，受控源可分为四类。

(1)VCVS，如图1所示，其特性为：

$u_2 = \mu u_1$

其中： $\mu = \frac{u_{2}}{u_{1}}$称为转移电压比（即电压放大倍数）。

图1：电压控制电压源（VCVS）

(2)VCCS，如图2所示，其特性为：

$i_2 = g u_1$

其中：$g = \frac{i_2}{u_1}$称为转移电导。

图2：电压控制电流源（VCCS）

(3)CCVS，如图3所示，其特性为：

$u_2 = ri_1$

其中： $r = \frac{u_2}{i_1}$称为转移电阻。

图3：电流控制电压源（CCVS）

(4)CCCS，如图4所示，其特性为：

$i_2 = \beta i_1$

其中： $\beta = \frac{i_{2}}{i_{1}}$称为转移电流比（即电流放大倍数）。

图4：电流控制电流源（CCCS）

2.用集成运算放大器组成受控源

运算放大器的电路符号如图5所示，具有两个输入端：同相输入端“+”和反相输入端“-”，一个输出端，开环电压放大倍数为A，则$u_{o} = A(u_{+} - u_{-})$。

图5：运算放大器的电路符号

对于理想运算放大器，开环电压放大倍数A为∞，输入电阻为∞，输出电阻为0。当运放工作在线性区时，有两条重要结论：$u_{+} = u_{-}$ 和 $i_{+} = i_{-} = 0$。

(1)电压控制电压源(VCVS)

电压控制电压源电路如图1所示。

图6：VCVS

由$u_{+} = u_{-} = u_{1}$，则

$i_{R1} = \frac{u_1}{R_1}, i_{R2} = \frac{u_2 - u_1}{R_2}$

由$i_{R1} = i_{R2}$，可得：

$u_2 = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)u_1$

可见，运算放大器的输出电压${u_2}$受输入电压${u_1}$控制，其电路模型如图1(a)所示，转移电压比：

$\mu = 1 + \frac{R_{2}}{R_{1}}$

(2)电压控制电流源(VCCS)

电压控制电流源电路如图2所示。

图7：VCCS

由$u_{+} = u_{-} = u_{1}$，则

$i_{R1} = \frac{u_1}{R_1}$

由$i_{+} = i_{-} = 0$，可得

$i_{2} = i_{R1} = \frac{u_{1}}{R_{1}}$

即${i_2}$受输入电压${u_1}$控制，与负载${R_2}$无关（实际上要求${R_2}$为有限值）。其电路模型如图2所示。转移电导为：

$g = \frac{i_{2}}{u_{1}} = \frac{1}{R_{1}}$

(3)电流控制电压源(CCVS)

电流控制电压源电路如图3所示。

图8：CCVS

由$u_{+} = u_{-} = 0$，则

$u_2 = -Ri_2$

由$i_{2} = i_{1}$，代入上式，得：

$u_2 = -Ri_1$

即输出电压${u_2}$受输入电流${i_1}$的控制。其电路模型如图3所示。

转移电阻为：

$r =\frac{u_{2}}{i_{1}} = -R$

(4)电流控制电流源(CCCS)

电流控制电流源电路如图6所示。

图9：CCCS

由$u_{+} = u_{-} = 0$，则

$i_{R1} = \frac{R_2}{R_1 + R_2}i_2$

由$i_{R1}=-i_{1}$，代入上式，得

$i_{2}=-\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\right)i_{1}$

即输出电流${i_2}$受输入电流${i_1}$的控制，且与负载${R_L}$无关。它的电路模型如图4所示。转移电流比

$β =\frac{i_2}{i_1} = -\left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right)$

Circuit JS 仿真

1.测试电压控制电压源(VCVS)特性

图10：测试电压控制电压源（VCVS）特性

2.测试电压控制电流源(VCCS)特性

图11：测试电压控制电流源（VCCS）特性

实验

1.测试电压控制电压源(VCVS)特性

选好元件，在面包板上，按照图7所示的实验电路连线，图中，${V_1}$用电压源，${R_1}$ = ${R_2}$ = 10kΩ，${R_L}$ = 2kΩ，注意，${R_L}$选用10kΩ可调电阻，需事先将其阻值调为2kΩ。集成运放的供电电源由ADALM2000提供±5V，分别连接引脚“V+”和“V-”。V1由ADALM2000的信号发生器提供2V的直流电压，连接引脚“W1”。集成运放LM358的引脚：8脚为正电源端，4脚为负电源端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，7脚为输出端，其余引脚悬空。

图12：VCVS实验电路 图13：VCVS电路实物连接

(1)测试VCVS的转移特性${U_2}$ = f(${U_1}$)

按照表1，调节电压源${V_1}$的输出电压${U_1}$（以电压表读数为准），用电压表测量对应的输出电压${U_2}$，将数据记入表1中。

表1：VCVS的转移特性数据

${U_1}$/V	0	1	2	3	4
${U_2}$/V

(2)测试VCVS的负载特性${U_2}$ = f (${R_L}$)

保持${U_1}$ = 2V，按照表2的要求，调节负载电阻${R_L}$，即调节10kΩ可调电阻的大小，用电压表测量对应的输出电压${U_2}$，将数据记入表2中。

特别注意调节10kΩ可调电阻时的旋转方向，切勿将其阻值调为零，以免造成集成运放输出端短路。

${R_L}$/kΩ	1	2	3	4	5	6	7	8	9
${U_2}$/V

2.测试电压控制电流源(VCCS)特性

选好元件，在面包板上，按照图8所示的实验电路连线。图中，${V_1}$用电压源，${R_1}$ = 10kΩ，${R_L}$= 2kΩ。

图14：VCCS实验电路 图15：VCCS电路实物连接

(1)测试VCCS的转移特性${I_2}$ = f(${U_1}$)

按照表3，调节电压源输出电压${U_1}$（以电压表读数为准），用电流表测量对应的输出电流${I_2}$，将数据记入表3中。

表3：VCCS的转移特性数据

${U_1}$/V	0	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4
${I_2}$/mA

(2)测试VCCS的负载特性${I_2}$ = f(RL)

保持${U_1}$ = 2V，负载电阻${R_L}$用10kΩ可调电阻。调节其大小，用电流表测量对应的输出电流${I_2}$，将数据记入表4中。

表4：VCVS的负载特性数据

RL/kΩ	1	2	3	4	5	6	7	8	9
I2/mA

实验要求：

1.根据实验数据，在方格纸上分别绘出受控源的转移特性和负载特性曲线，并求出相应的转移参量

2.说明转移参量受电路中哪些参数的影响？如何改变它们的大小？

3.利用仿真得到受控源的转移特性和负载特性曲线，求出相应的转移参量，并与实验结果比较。

练习

测试电流控制电压源(CCVS)特性和电流控制电流源(CCCS)特性。

参考电路：

1.CCVS

图16：CCVS实验电路

2.CCCS

图17：CCCS实验电路

Circuit JS仿真：

1.CCVS

图18：CCVS仿真电路

2.CCCS

图19：CCCS仿真电路