孫一萍， 葉建芳， 劉婉茹

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

?

基于Multisim 13.0調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點研究

孫一萍， 葉建芳， 劉婉茹

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

運用Multisim13.0仿真軟件強(qiáng)大的電路仿真分析功能，對如何準(zhǔn)確進(jìn)行調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點設(shè)置進(jìn)行探究。通過靈敏度分析定量地分析調(diào)諧放大器中影響靜態(tài)工作點的元件；利用參數(shù)掃描分析對偏置電路上偏置電阻進(jìn)行設(shè)置并驗證合理設(shè)計靜態(tài)工作點的重要性；在兼顧放大器增益以及靜態(tài)工作點穩(wěn)定性兩個因素的條件下,借助參數(shù)掃描分析和溫度掃描分析對發(fā)射極電阻值進(jìn)行設(shè)置。結(jié)果直觀、精確,很好地驗證了理論, 借助仿真分析實現(xiàn)了定性分析到定量分析的跨越，表明該軟件有強(qiáng)大的仿真和分析功能,在實現(xiàn)高頻電路分析和設(shè)計方面不僅高效、可靠,而且具有逼近真實電路的效果。

Multisims13.0; 靜態(tài)工作點; 調(diào)諧放大器

0 引 言

高頻調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路,廣泛應(yīng)用于廣播、雷達(dá)、通信等接收設(shè)備[1-3],其主要功能是從所接收的眾多電信號中,選出有用的信號并加以放大,而對其他無用信號、干擾與噪聲進(jìn)行抑制,以提高信號質(zhì)量和抗擾能力。調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)包括電壓增益、諧振頻率、通頻帶、選擇性等[4]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，融合現(xiàn)代化教學(xué)方法和先進(jìn)的實踐教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生運用計算機(jī)輔助分析和電路綜合設(shè)計能力，已成為通信電路教學(xué)的必然選擇。論文將以Multisim.13.0為仿真，對如何根據(jù)設(shè)計要求準(zhǔn)確設(shè)置調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點展開深入研究。

1 交互式Multisim13.0 仿真軟件

NI Multisim13.0是EDA應(yīng)用軟件之一，該軟件平臺將原理圖輸入、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE仿真集成在同一環(huán)境中完成電路行為分析。它豐富的元件庫提供了16 000多個組件,全部采用實際模型,產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和圖形,為高頻電子線路整體分析與改進(jìn)提供了一條捷徑[5-8]。學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)基本理論預(yù)測電路行為，借助Multisim豐富的元件庫以及強(qiáng)大的仿真引擎，創(chuàng)建交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，如圖1所示。在Multisim中可同時使用多個儀器，這意味著可以同時分析觀察多種電路的運行特性，圖1中用波特儀觀察放大器幅頻、相頻特性的同時，又用示波器觀察信號的時域波形。運行Multisim中提供的仿真控件，系統(tǒng)立即非常直觀地給出如圖2所示的仿真結(jié)果。在仿真環(huán)境中可方便的改變電路元件參數(shù)，并通過測試儀器觀察對電路特性產(chǎn)生的影響，從而非常完美的解決了電子學(xué)教學(xué)中“如果……會怎么樣”的問題。鼓勵學(xué)生參與交互仿真過程，讓學(xué)生探索“假設(shè)”情景，可加深學(xué)生對課堂所學(xué)基本理論的理解，掌握影響電路性能的關(guān)鍵因素，提高電路設(shè)計水平。

圖1 交互式仿真環(huán)境 圖2 仿真分析結(jié)果

2 調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點的仿真分析

在分析放大電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”原則[9]，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點是確保后續(xù)交流信號動態(tài)分析的重要基礎(chǔ)。論文以中心頻率為3 MHz的調(diào)諧放大器為例，運用Multisim13.0對調(diào)諧放大器中影響放大器靜態(tài)工作點的元件，放大電路的基極上偏置電阻設(shè)置以及發(fā)射極電阻對穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用進(jìn)行了深入地探討。

2.1 電路仿真模型的創(chuàng)建

進(jìn)入Multisim電路設(shè)計界面,選取所需元器件編輯電路圖,建立高頻單調(diào)諧放大電路仿真模型如圖3所示。該共發(fā)射極單調(diào)諧放大器采用的是最典型的分壓偏置電路，為了減少放大器增益對發(fā)射結(jié)電阻的依賴并提高放大器增益的穩(wěn)定性,發(fā)射極電阻采用部分非旁路電阻的形式[10]。波特儀器XBP1用來觀察放大器輸出信號的幅頻特性以及相頻特性，XSC1示波器用來觀察輸入輸出信號的時域波形。改變仿真平臺中偏置電路元件的參數(shù)，運行Multisim中仿真控件，測試儀器立即非常直觀地給出仿真分析結(jié)果，為準(zhǔn)確高效的電路設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

2.2 靜態(tài)工作特性仿真分析

靈敏度是指電路中節(jié)點電壓或支路電流對電路中元件參數(shù)變化的敏感程度，即電路中元件參數(shù)的變化引起電路中輸出電壓或電流變化的程度[11-12]。通過仿真分析中的靈敏度分析可以得出電路中的各元件對電壓變化的靈敏度，靈敏度越高代表元件對電壓的影響越大，通過分析可準(zhǔn)確定位圖3中對靜態(tài)工作點具有重要影響的元器件。

圖3 單調(diào)諧放大電路仿真模型

表1給出仿真分析中需要用到晶體三極管各極對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。

表1 三極管各極對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號

表中三極管的C;B;E極分別對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號是2、3、16，節(jié)點電壓U(2)、U(3)、U(16)分別代表UC、UB、UE。

研究晶體管集射極間管壓降對電路元件R5、R4、R3、R2、R1、UC變化的敏感程度，執(zhí)行Simulate菜單命令中的Analyses/Sensitivity Analysis，進(jìn)行靈敏度分析，在配置面板中編輯輸出電壓節(jié)點公式U(2)-U(16)(集射極間管壓降UCE)。然后點擊simulate進(jìn)行分析，仿真結(jié)果見表2。

表2 靈敏度分析結(jié)果

表中的rr5;rr4;rr3;rr2;rr1及Ucc分別與R5、R4、R3、R2、R1及UC對應(yīng)。仿真結(jié)果給出元件值每單位變化所造成的UCE電壓的變化，靈敏度越大說明元件對集射極間管壓降UCE影響越大。其中對UCE影響最大的是直流電壓源UC；電阻元件中R2對直流工作點靈敏度為0代表R2對UCE無影響，同樣位于發(fā)射極的兩個電阻R5、R4對UCE的影響相同，電阻元件的靈敏度表現(xiàn)為R1>R3>R4=R5，即同為基極偏置電阻的R1、R3對UCE的影響較發(fā)射極電阻R5、R4大。仿真結(jié)果表明：基極的上下偏置電阻和發(fā)射極電阻以及直流電源UCC共同決定了靜態(tài)工作點，與電路理論吻合，且實現(xiàn)了定性分析到定量分析的跨越。

2.3 上偏置電阻R3的設(shè)置

用參數(shù)掃描分析， 的掃描范圍設(shè)為0～50 kΩ,輸出選擇集電極電流ICQ,得到圖4的上偏置電阻R3與ICQ的關(guān)系曲線。

圖4 偏置電阻R3與Ica的關(guān)系曲線

放大器是工作在小信號放大狀態(tài)的，放大器的工作電流ICQ一般在0.8-2 mA內(nèi)[13],由圖4可以讀出ICQ為2 mA時，R3為20.92 kΩ；ICQ為0.8 mA時，R3為41.22 kΩ。R3取值應(yīng)該在20.92～41.22 kΩ。

通常一般硅管取基極電壓UBQ約為UBE的3～5倍(UBQ/UBE=3～5)。仿真分析中用U(3)～U(16)表示，U(3)表示UBQ，用仿真分析中參數(shù)掃描分析，設(shè)置上偏置電阻R3的掃描范圍為0～50 kΩ,編輯輸出信號表達(dá)式U(3)/(U(3)-U(16))(UBQ/UBE),得到仿真結(jié)果見圖5。

圖5 UBQ/UBE與R3關(guān)系曲線

從圖中可以讀出，上偏置電阻取值應(yīng)該在12.19～24.37 kΩ之間，結(jié)合圖4中的仿真結(jié)果可知取值應(yīng)該在20.92～24.37 kΩ之間，兼顧靜態(tài)電壓UBQ和靜態(tài)電流ICQ，R3設(shè)置為22 kΩ。

利用參數(shù)掃描分析中的瞬態(tài)分析對R3分別取100 Ω,22 kΩ時放大器的輸出波形進(jìn)行仿真分析,分析結(jié)果見圖6。

由圖6可見R3為100 Ω時輸出波形存在底部失真(飽和失真)，因為當(dāng)R3過小時靜態(tài)工作點過高，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)；R3為22 kΩ時在圖中可以觀察到

圖6 輸出波形

輸出波形無明顯失真，此時放大器工作在放大區(qū)。仿真結(jié)果表明合理設(shè)計靜態(tài)工作點是放大器實現(xiàn)線性放大的重要基礎(chǔ)[14]。

2.4 發(fā)射極電阻的設(shè)置

首先考慮到發(fā)射極電阻R4對輸出波形的影響，利用參數(shù)掃描中的瞬態(tài)分析得到發(fā)射極電阻分別取0,1 kΩ，2 kΩ時的電壓輸出波形，仿真分析結(jié)果見圖7。

圖7 發(fā)射極電阻對放大器特性的影響

首先考慮當(dāng)發(fā)射極電阻R4對放大器增益特性的影響。R4為0 Ω時輸出波形不穩(wěn)定,當(dāng)R4為1 kΩ,2 kΩ時輸出波形相對穩(wěn)定，且當(dāng)發(fā)射極電阻為1 kΩ時輸出波形的幅度較2 kΩ時大即放大器增益較大，兼顧放大增益以及輸出波形穩(wěn)定性發(fā)射極電阻選擇1 kΩ比較合適。

其次考慮到發(fā)射極電阻R4在穩(wěn)定靜態(tài)工作的中的作用。由于晶體管是一個溫度敏感器件，溫度對放大電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定影響最為明顯，硅管具有UBE受溫度影響大的特點[15]。通過溫度掃描分析得到UBE隨溫度變化的曲線，R4分別取1 kΩ,2 kΩ時的仿真結(jié)果見圖8、9。

圖8 溫度掃描分析(R4=1 kΩ)

圖9 溫度掃描分析(R4=2 kΩ)

由圖可知當(dāng)發(fā)射極電阻為1 kΩ；2 kΩ時硅管UBE的溫度系數(shù)分別為-1.29；-1.38,可見當(dāng)發(fā)射極電阻取1 kΩ時靜態(tài)工作點的溫度穩(wěn)定性更好。因此兼顧放大器增益以及靜態(tài)工作點穩(wěn)定性兩個因素發(fā)射極電阻值選擇1 kΩ為宜。

3 結(jié) 語

利用Multisim13.0對靜態(tài)工作點的影響元件、偏置電路上偏置電阻、發(fā)射極電阻的設(shè)置三個方面進(jìn)行了仿真研究，理論與仿真結(jié)果一致。將Multisim仿真軟件引入到教學(xué)中，能使學(xué)生更方便、形象、直觀的觀察到實驗結(jié)果，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)生電路設(shè)計水平起到良好的教學(xué)效果。

[1] 孫紅霞.基于Multisim 8單調(diào)諧放大電路仿真分析[J].電子世界,2014(1)：116.

[2] 景新幸. 高頻電子電路[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2011.

[3] 武 林.電子電路基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[4] 葉建威.通信電子電路原理及仿真設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 梁 青，侯傳教編著.Multisim 11電路仿真與實踐[M].北京：清華大學(xué)出社,2012.

[6] 董玉晶.Multisim 9在電工電子技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[7] 從宏壽,程衛(wèi)群.Multisim 8仿真與應(yīng)用實例開發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[8] 聶 典,丁 偉.Multisim 10計算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[9] 童白詩，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[10] 羅 譚.部分接入法及單調(diào)諧放大電路的分析[J]. 思茅師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2005(3):81-82.

[11] 張新喜，許 軍.Multisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[12] 何國棟.Multisim基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[13] 楊福寶.通信電子線路設(shè)計[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

[14] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分[M].北京：高等教育出版,2008.

[15] 曹鴻霞,冒曉莉.Multisim 10在單管共射放大電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(14):34.

Study on Quiescent Point in Tuned Amplifier Based on Multisim 13.0

SUNYi-ping,YEJian-fang,LIUWan-ru

(College of Information Sciences and Technology，Donghua University，Shanghai 201620, China)

The analysis for tuned amplifier has been carried out through Multisim 13.0 software. The suitable components which influence quiescent point were selected by sensitivity analysis, it is a quantitative analysis. The suitable components of the biasing circuit were selected by parametric scanning analysis, and the importance of setting suitable quiescent point was proved. The suitable emitter resistances were selected by parametric scanning analysis and temperature scanning analysis. All approved the stability of amplifier. The result were visual and precise, and could prove the theory very well. It was verified that the software has powerful simulation and analysis function. With the help of the software, we can convert the traditional qualitative analysis to quantitative analysis. The analysis and design of high frequency circuit are not only more precise and credible, but also more closed to the real circuit running status.

Multisim 13.0; quiescent point; tuned amplifier

2016-01-20

孫一萍(1992-)，女，山東煙臺人，碩士生，主要研究方向：射頻及無線通信。Tel.:18116439116;E-mail:sypjane1@163.com

葉建芳(1964-)，女，浙江金華人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：無線通信與射頻微波電路。

Tel.:13501632260;E-mail:leaf6411@dhu.edu.cn

TN 722

A

1006-7167(2016)09-0151-03