魏 華，楊一軍，王江濤，方振國，李 崢，陳得寶

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北 235000)

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共射-共基反饋放大器高頻響應(yīng)仿真與分析

魏 華，楊一軍，王江濤，方振國，李 崢，陳得寶

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北 235000)

本文在計算和仿真說明共射-共基反饋放大器的開、閉環(huán)源互阻增益滿足反饋放大器的基本關(guān)系基礎(chǔ)上，分別采用EWB軟件和MATLAB對高頻小信號等效電路作出組合電路的頻率特性曲線，兩者的關(guān)系曲線相同。時間常數(shù)開路法的結(jié)果表明，很小的共基極輸入電阻，很大程度上削弱了密勒倍增效應(yīng)，提升了組合電路的上限頻率，但因結(jié)電容較大，其上限頻率仍然最低，在整個系統(tǒng)中起主要作用，同時各極點的閉環(huán)上限頻率與開環(huán)上限頻率之比，近似等于源反饋深度。這種借助分析電路各極點的時間常數(shù)，討論系統(tǒng)頻率特性的方法，為探討多極點系統(tǒng)帶來了方便。

共射-共基電路；上限頻率；結(jié)電容

放大器的截止頻率是放大器的重要參數(shù)之一。拓展頻帶寬度的主要措施之一，就是利用各種單元放大電路的優(yōu)點，組成既有較寬的通頻帶，又有很好的放大能力的組合電路。當(dāng)引入負(fù)反饋，則可改善電路性能，進(jìn)一步拓寬頻帶。關(guān)于不同組合的放大電路，以及單管復(fù)合類型的頻率響應(yīng)已見報道[1-2]，但涉及反饋放大器頻率響應(yīng)方面的研究目前尚未見到。本文構(gòu)建了共射-共基(common emitter and common base)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，理論上計算的開、閉環(huán)源互阻增益，在EWB仿真以及MATLAB數(shù)值解得以驗證，說明其滿足反饋放大器中基本關(guān)系。使用開路時間常數(shù)法在開、閉環(huán)狀態(tài)下求得各電容對應(yīng)的回路電阻、時間常數(shù)，從而確定了各極點的極點頻率。結(jié)果表明：具有密勒倍增效應(yīng)的共射集電結(jié)電容形成的等效極點，因共基輸入電阻很小，很大程度上削弱了這種效應(yīng)，提升了整個系統(tǒng)的上限頻率。在多極點系統(tǒng)頻響特性分析時，可以針對不同極點，采取相應(yīng)舉措，為改善系統(tǒng)頻率特性提供一種方法。

1 反饋放大電路增益和上截止頻率

1.1 源互阻增益

共射-共基組合放大電路如圖1所示，電鍵置于R為考慮反饋網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)后的基本放大器，位于S則為引入反饋后的反饋放大器。啟動EWB觀察，示波器輸出波形無失真，表明放大電路中各晶體管都工作于放大區(qū)。設(shè)置f=1kHz，切換電鍵做輸出電壓vo與電流源is比，得中頻開、閉環(huán)狀態(tài)下的源互阻增益Arsm、Arfsm，具體見表1。

圖1 共射-共基組合反饋放大電路

表1 開、閉環(huán)增益、截止頻率一覽表

根據(jù)圖1，T1、T2管基極電流IB1、IB2有

(1)

(2)

其中，VBB=RB2VCC/(RB1+RB2)，RB=RB1//RB2，VBE(on)=0.7V。電路參數(shù)為：VCC=13V，Is=1A，Rs=10k，RB1=80k；RB2=22k，RE1=1.7k，RB3=750k，RC2=7.2k，RE2=2.5k，RL=9.6k，Rf=151k，另外取β1=β2=β=110。代入電路參數(shù)得IB1=10.215A，IB2=11.971A。由結(jié)電阻計算公式rb′e=26mV/IB，得rb′e1=2.5452k，rb′e2=2.17120k。兩級放大器中頻電壓增益Avm1、Avm2可分別表示為

(3)

(4)

在此，Ri=RB1//RB2//rb′e1是第1級放大器的輸入電阻，也是組合放大器的輸入電阻，rbe=rb′b+rb′e(rb′b為基區(qū)體電阻，多在幾十到幾百歐范圍[3]，此處取150歐)。根據(jù)反饋類型，中頻下對應(yīng)為源互阻Arsm，計算公式為

(5)

代入數(shù)據(jù)可得理論值A(chǔ)rsm=-299.31k。中頻源閉環(huán)互阻源增益Arfsm可利用開閉環(huán)增益間基本關(guān)系得到

(6)

其中，kfg=-1/Rf是互導(dǎo)反饋系數(shù)，F(xiàn)s=1+kfgArsm是源反饋深度。代入數(shù)據(jù)有Arfsm=-100.37k(與表1中EWB仿真結(jié)果很接近)，F(xiàn)s=2.9822。不計集電結(jié)結(jié)電阻rce后的簡化高頻小信號等效電路，如圖2所示，圖中R’L=RC2//RL。由gm=β/rb′e計算有g(shù)m1=43.219mS；gm2=50.646mS。小功率管集電結(jié)電容Cb′c多在2～10pF，發(fā)射結(jié)電容Cb′e為幾十pF[4]，此處取Cb′c1=Cb′c2=5pF、Cb′e1=Cb′e2=50pF。設(shè)置電流源頻率1kHz，有效值1A，啟動仿真可分別得開、閉環(huán)源互阻增益，其結(jié)果與理論值一致，具體見表1。

圖2 共射-共基簡化高頻等效電路

1.2 上截止頻率

1.2.1 EWB仿真

切換圖2中電鍵，在交流仿真下分別得到開、閉環(huán)幅頻特性曲線(圖3為開環(huán)幅頻特性曲線)。采用文獻(xiàn)[1]的方法，可以獲得開、閉環(huán)截止頻率fH和fHf，數(shù)據(jù)見表1。

圖3 EWB交流仿真開環(huán)幅頻特性

1.2.2 MATLAB分析

按圖2結(jié)點順序在s域中用MATLAB寫結(jié)點方程有

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

編程運行后結(jié)果如下：

1)中頻開、閉環(huán)源互阻增益

將輸出結(jié)點的電壓對電流源做比，得源互阻增益。在f=1kHz時，運行得|v5|=|vo|=299.31(mV)，即|Arsm|=299.31k，與表1中的理論計算與原電路EWB仿真都很接近。分別在(7)(11)增加一項-v5/Rf和-v1/Rf，這時對應(yīng)為閉環(huán)s域結(jié)點方程，運行后有得|Arfsm|=100.37k。與表1結(jié)果基本一致。

2)幅頻特性

使用循環(huán)語句，設(shè)置頻率f步長為1000Hz，分別做出開、閉環(huán)源互阻增益的模|Ars|、|Arfs|對f關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。

采用if語句，步長為1000增加頻率，造成|Ars|、|Arfs|減小，當(dāng)其下降到Arsm或Arfsm的0.707倍時結(jié)束循環(huán)，顯示當(dāng)前頻率，fH、fHf與EWB仿真相同，結(jié)果見表1。

圖4 MATLAB環(huán)境下幅頻特性

2 討論

2.1 開、閉環(huán)上限頻率關(guān)系

開、閉環(huán)上限頻率在單極點條件下關(guān)系為

fHf=(1+kfgArsm)fH=FsfH.

(12)

即閉環(huán)上限頻率可表示為開環(huán)上限頻率與源反饋深度的乘積。代入fH值可得fHf=4.5658MHz，與MATLAB運行所求fHf不符，說明不滿足單極點條件。

2.2 開、閉環(huán)各極點上限頻率

在求某個結(jié)電容C對應(yīng)的時間常數(shù)時，需將其它電容理想化，做開路處理(開路時間常數(shù)法，求上限頻率時)，然后求該電容所在回路的等效電阻R，則=RC[5]，上限角頻率ωH=1/。根據(jù)電路理論，該上限角頻率就是極點角頻率ωp。采用MATLAB編程求開路處輸入電流與端電壓之比，可以得到等效電阻值，進(jìn)一步可得時間常數(shù)和上限頻率，具體如表2所示。

表2 各極點對應(yīng)的回路等效電阻、時間常數(shù)、上限頻率

各極點開環(huán)等效電阻與閉環(huán)之比幾乎都為源反饋深度(最大相對誤差為6.753%)，使得各極點閉環(huán)上限頻率都較開環(huán)擴展了Fs倍，滿足式(12)。

2.3 優(yōu)良的頻率特性

共射電路頻率得以拓展，共射電路頻率響應(yīng)不好，主要是由于在密勒倍增效應(yīng)影響下，等效電容很大，造成時間常數(shù)大，上限頻率低。在共射-共基組合電路中，密勒等效電容Cm1=(1+gm1RC1//Ri2)Cb′c1，其中Ri2是共基電路的輸入電阻，為小電阻，極大降低了密勒效應(yīng)的影響。

Cb′e2極點時間常數(shù)很小，這緣于共基電路輸入電阻很小，造成上限頻率非常高，頻率特性很好，符合共基電路特點。

3 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)理論計算和仿真分析，在給出組合電路的開、閉環(huán)互阻增益滿足反饋放大器基本關(guān)系的基礎(chǔ)上，對共射-共集組合電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行了探討。極點分布表明：無論開、閉環(huán)狀態(tài)組合電路的上限頻率都取決于共射電路，而共射電路的上限頻率又取決于Cb′e1構(gòu)成的極點。在基本不受密勒影響情況下，電路上限頻率明顯提高。不難推斷，在討論下限頻率時應(yīng)采用短路時間常數(shù)法分析各極點時間常數(shù)。上述分析方法可為研究各種電路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，拓展通頻帶提供一種有效途徑。

[1]楊一軍,王江濤,陳得寶,等.基于MATLAB的共基-共集高頻響應(yīng)仿真與分析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(3)：21-25.

[2]趙鑫,鄒峰,陳得寶,等.共基復(fù)合管放大電路高頻響應(yīng)的分析和仿真[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(3):26-29.

[3]謝嘉奎,宣月清,馮軍.電子線路(線性部分)[M].4版.北京:高等教育出版社,1999:228.

[4]康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].4版.北京:高等教育出版社,1999:6,121,124.

[5]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006:244.

The Aimulation and Analysis of High Frequency Response for Common Emitter-Common Base Amplifier

WEI Hua,YANG Yi-jun,WANG Jiang-tao,FANG Zhen-guo,LI Zheng,CHEN De-bao

(School of Physics and Electronic Information,Huaibei Normal University,Huaibei Anhui 235000,China)

Based on the simulation and calculation of source transimpedance gain of open and closed loop common emitter-common base circuits that satisfies the basic relation of feedback amplifier,the frequency characteristic curves of combinational circuits with high-frequency small signal equivalent models are derived by EWB and MATLAB software,the results indicate that the curves of the two methods are the same. Though the Miller effect is largely weakened with the small common input resistance,the results of time constant open method show that the limit frequency of the circuit is still low for the junction capacitance of the circuit is larger,it is also play the main role in the circuit. The results also indicate that the times with comparing closed loop to open loop upper limit frequency is the source feedback depth. The method that discusses the frequency characteristics of combinational circuits with the helping of analysis of time constant of each pole brings convenience to study the multi polar system.

common emitter-common base circuits;upper limit frequency;junction capacitance

2016-04-29

國家自然科學(xué)基金項目“模糊動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化及在演化數(shù)據(jù)聚類中的應(yīng)用研究”(61572224)；安徽省重大教學(xué)改革研究項目“電子信息大類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建與實踐”(2014zdjy060)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項目“電氣信息類”專業(yè)綜合改革試點(2012zy308)；安徽省教育廳重點資助教學(xué)研究項目“電氣信息類專業(yè)綜合改革下的實踐教學(xué)模式創(chuàng)新、實施與仿真研究”(2013jyxm097)；安徽省第七批“115”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(皖人才[2014]4號)；安徽省教育廳資源共享課“線性電子線路”、“微型計算機原理與應(yīng)用”(2012gxk057，2013gxk048)。

魏 華(1974- )，女，實驗師，從事計算機應(yīng)用研究。

陳得寶(1975- )，男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事電子信息研究。

TN721

A

2095-7602(2016)10-0021-05