侯衛(wèi)周

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封 475001)

在基本放大電路中，由于電抗元件及半導(dǎo)體管極間電容的存在，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高時(shí)，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)變小，還會(huì)產(chǎn)生超前或滯后的相移[1-2]，即存在頻率響應(yīng)。任何放大電路都有一個(gè)確定的通頻帶，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須先了解信號(hào)的頻率范圍，以便使設(shè)計(jì)的電路適用于該信號(hào)頻率范圍的通頻帶。然而傳統(tǒng)的通頻帶實(shí)驗(yàn)測(cè)試存在較大誤差和局限性，使實(shí)驗(yàn)的測(cè)試值不很理想。本文以靜態(tài)工作點(diǎn)Q(主要包括基極電流、集電極電流、基極與發(fā)射極之間電壓、集電極與發(fā)射極之間電壓等4個(gè)直流值)穩(wěn)定的放大電路頻率響應(yīng)仿真分析為例，將Multisim仿真軟件用于電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能起到很好的補(bǔ)充作用[3]。

1 Q點(diǎn)穩(wěn)定電路的頻率特性工作原理

1.1 頻率特性的概念

1.2 影響放大電路頻率特性的因素

表1 不同類型電容影響共射放大電路的頻率特性

1.3 放大電路頻率特性的表達(dá)

圖1 單管共射放大電路

Ri=Rb//(rbb′+rb′e)=Rb//rbe

(1)

(2)

(3)

(4)

將式(4)的分子分母同除以(Rc+RL)，得到式(5):

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.3.4 波特圖

綜上所述，若考慮耦合電容和結(jié)電容的影響，對(duì)于頻率從零到無窮的輸入電壓，電壓放大倍數(shù)表達(dá)式應(yīng)為

(10)

當(dāng)頻率f在不同范圍變化時(shí)，式(10)會(huì)分別變?yōu)槭?2)、式(6)、式(8)，在此不予以詳述。

依據(jù)頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)，與圖1(a)對(duì)應(yīng)的幅頻特性和相頻特性的折線化波特圖如圖2所示。

圖2 單管共射基本放大電路的頻率響應(yīng)曲線

Multisim是一款很好的電子電路仿真軟件[5]，利用Multisim 12.0作為虛擬測(cè)試平臺(tái)，以單管共射放大電路為例，分別從幅頻特性和相頻特性來說明電路的頻率特性。

2 仿真單管共射放大電路頻率特性的要求

(1) 利用仿真軟件Multisim 12.0中的“交流分析(AC Analysis)”或虛擬儀器波特圖儀進(jìn)行測(cè)試[5-6]。采用這兩種方法的目的是觀測(cè)放大電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，進(jìn)一步從幅頻特性曲線反映中頻電壓增益(放大倍數(shù))Au m、上限截止頻率fH和下限截止頻率fL，從而可計(jì)算帶寬fbw(fbw=fH-fL)的大小。

(2) 觀測(cè)阻容耦合靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，分析電路中的耦合電容、旁路電容和靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大電路頻率響應(yīng)的影響。

(3) 估算仿真電路發(fā)射極靜態(tài)電流大小，分析各電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ值變化，進(jìn)一步判別上限和下限的截止頻率的變化。

3 Multisim 12.0仿真軟件的虛擬測(cè)試

3.1 搭建基本共射放大電路的仿真電路

在Multisim 12.0平臺(tái)上搭建如圖3(a)所示的阻容耦合靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的仿真電路。耦合電容C1、C2及旁路電容Ce大小均為10 μF，射極電阻為1 kΩ，工作電壓VCC=12 V，信源為幅值1 mV、頻率10 kHz的交流源，放大管采用小功率高頻晶體管ZTX325。測(cè)試得到的頻率特性曲線如圖3(b)、圖3(c)所示。

圖3 阻容耦合靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的仿真電路測(cè)試

3.2 阻容耦合靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的仿真電路虛擬測(cè)試

從圖3虛擬波特圖儀測(cè)試結(jié)果可看出，當(dāng)指針移動(dòng)到通頻帶內(nèi)，可讀出電路的中頻增益20lg|Au m|=33.499 dB；移動(dòng)指針，在33.499 dB基礎(chǔ)上分別在低頻段和高頻段找到增益下降3 dB的頻率，讀出的頻率分別是下限截止頻率fL和上限截止頻率fH的大小。虛擬測(cè)試的結(jié)果如表2。

表2 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的阻容耦合放大電路頻率響應(yīng)

點(diǎn)擊圖3所示波特儀的“Phase”按鈕，移動(dòng)相頻曲線的指針，在中頻段φ=-179.996o≈-180°，當(dāng)f≈fL時(shí)的相位為φ=-134.645°，在-180°基礎(chǔ)上超前約45°。同樣，當(dāng)f≈fH時(shí)相位相對(duì)中頻滯后了45°。

3.3 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的頻率特性測(cè)試

在上面討論中，明確了Au m、fL、fH和各頻率拐點(diǎn)處的相位φ等參數(shù)的測(cè)試方法。在阻容耦合電路中，耦合電容、旁路電容和靜態(tài)工作點(diǎn)的變化對(duì)放大電路頻率特性也產(chǎn)生影響。測(cè)試結(jié)果見表3。

(1) 改變耦合電容C1大小，測(cè)試電路的頻率響應(yīng)。在圖3電路的仿真環(huán)境中，將耦合電容C1從10 μF變?yōu)?00 μF，依據(jù)表1可知C1不影響中頻段電壓增益20lg|Au m|，讀數(shù)仍為33.499 dB，僅影響fL的變化。

(2) 改變旁路電容Ce大小，測(cè)試電路的頻率響應(yīng)。在圖3基礎(chǔ)上，將旁路電容Ce從10 μF變?yōu)?00 μF。由于旁路電容Ce變化也不會(huì)引起中頻對(duì)于增益的改變(中頻段讀數(shù)仍為33.499 dB)，僅影響低頻頻率fL的變化。

(3) 改變偏置電阻Rb2大小，測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)電路的頻率特性影響。將旁路電容Ce改為100 μF，將偏置電阻Rb2從40 kΩ改為50 kΩ，發(fā)射極直流電阻為1 kΩ不變。用2只萬用表分別測(cè)試發(fā)射極靜態(tài)電位(見圖4)。測(cè)試得到的發(fā)射極靜態(tài)電流分別是2.795 mA和2.292 mA。由于ZTX325晶體管的β=90，發(fā)射極靜態(tài)電流和集電極靜態(tài)電流近似相等。

耦合電容C1/μF耦合電容C2/μF旁路電容Ce/μF偏置電阻Rb2/kΩ中頻電壓增益/dB下限截止頻率fL/Hz上限截止頻率fH/MHz1010104033.4991529230.50710010104033.4991529226.62710101004033.494170.125230.77110101005031.962148.649253.413

3.4 虛擬測(cè)試結(jié)果分析

(2) 仿真測(cè)試結(jié)果表明:耦合電容C1從10 μF變?yōu)?00 μF (旁路電容Ce=10 μF不變)時(shí)，下限截止頻率基本不變；旁路電容Ce從10 μF變?yōu)?00 μF(C1=10 μF不變)時(shí)，下限截止頻率明顯降低。這說明:由于Ce所在的回路等效電阻最小，要改善電路的低頻特性，則應(yīng)適當(dāng)增大Ce的值。因此，在分析放大電路的下限截止頻率時(shí)，如果有一個(gè)電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ遠(yuǎn)小于其他的耦合電容或旁路電容所在回路的時(shí)間常數(shù)，那么該電容所確定的下限截止頻率就可以近似等于整個(gè)電路的下限截止頻率，而沒必要再計(jì)算其他電容所確定的下限截止頻率，這與理論分析也是一致的。

4 結(jié)語

通過對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的頻率特性仿真測(cè)試和分析可以看出，無論使用AC Analysis還是波特圖儀，均可方便地測(cè)試放大電路的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線和相頻特性曲線。但利用波特圖儀要得到準(zhǔn)確的上限截止頻率和下限截止頻率，需要在幅頻特性曲線上細(xì)心地移動(dòng)指針，盡可能找到最接近于-3 dB的頻率，以獲得最真實(shí)的頻率值。另外，在阻容耦合靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中，影響低頻特性的電容有3個(gè)(2個(gè)耦合電容，1個(gè)旁路電容)之多，導(dǎo)致其下限截止頻率達(dá)到1 kHz以上。要適合于頻帶更寬泛的應(yīng)用場(chǎng)合，需設(shè)置合適的電容和電阻參數(shù)；改變靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致放大電路的增益Au改變。通頻帶與Au的變化相反，說明靜態(tài)工作點(diǎn)Q的改變(文中主要指偏置電阻改變)使電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ改變了，從而導(dǎo)致電路的下限和上限的截止頻率改變。

采用Multisim12.0仿真軟件作為虛擬電路的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果與理論分析相吻合。這大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性[7-8]，能加深學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的理解，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電子電路的動(dòng)手實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，為傳統(tǒng)的電子電路教學(xué)注入新的活力[9-12]。

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