李雪瑩， 葉建芳， 董琳

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

0 引言

調(diào)諧放大器是高頻小信號(hào)放大器的一種，也是超外差式接收機(jī)的主要部分[1]。在超外差式無(wú)線電接收機(jī)中作中頻放大器用,主要用來選擇和放大中頻信號(hào)[2]。本論文以仿真軟件Mulistims13.0為基礎(chǔ)，通過仿真探究放大器發(fā)射極電容旁路電阻和非旁路電阻作用及參數(shù)設(shè)置。

1 交互式Multisim13.0 仿真軟件

NI Multisim 電路仿真軟件是一款專門用于電子線路設(shè)計(jì)仿真的虛擬電子工作平臺(tái)。該軟件平臺(tái)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[3][4]。其提供的元件庫(kù)豐富全面，是高頻電子線路設(shè)計(jì)分析中強(qiáng)大的工具。同時(shí)虛擬儀器的使用給學(xué)生的分析工作提供了很大便利且縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少大量元件的耗費(fèi)[5]。在實(shí)現(xiàn)高頻電路分析和設(shè)計(jì)方面不僅高效、可靠，而且具有逼近真實(shí)電路的效果[6]。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真模型的構(gòu)建

設(shè)計(jì)的單調(diào)諧選頻放大電路性能指標(biāo)：

a.中心頻率：3 MHz；

b.通頻帶：BW=80 kHz；

c.電壓增益:>=20 dB；

d.要求：采用LC諧振回路選頻，負(fù)載RL=10 kΩ,放大電路性能穩(wěn)定。

考慮高頻放大電路的基本特性，采用具有較高增益的共發(fā)射極組態(tài)單調(diào)諧放大電路，Multisim環(huán)境中構(gòu)建的電路仿真模型如圖1所示。

晶體管是放大電路的核心，主要作用是控制電流和放大，論文采用NPN型三極管2N2222。該器件最大集電極電流IC=800 mA、集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCE=30 V，其工作的截止頻率為250 MHz，β取值范圍為100-300，導(dǎo)通電壓為0.7 V。該NPN型三極管特征頻率fT較高、極間電容較小，可保證電路在高頻情況下對(duì)有用信號(hào)具有較高的電壓增益和穩(wěn)定性[7]。

圖1 單調(diào)諧放大電路仿真模型

直流偏置電路的作用在于為晶體管正常工作提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。該電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q主要由R5、R4、R3、R1、VCC確定。利用R3和R1的分壓來固定基極偏置電位VBQ。同時(shí)電路中采用π型LC退耦電路避免高頻信號(hào)對(duì)電源穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

單調(diào)諧放大電路中，常見的發(fā)射極偏置電路如圖2(a)所示。

但由于晶體三極管是溫度敏感元件，溫度對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)影響極大，結(jié)果使該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)及增益不穩(wěn)定。在分壓式偏置共射放大電路中，為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ，降低溫度變化對(duì)電路穩(wěn)定性的不良影響，電路應(yīng)具有一定大小的發(fā)射極電阻[8]。因此論文引入圖2(b)所示發(fā)射極接入帶有非旁路電阻R5的偏置電路以提高發(fā)射極電阻來扼制溫度影響。

由以上分析可知，發(fā)射極電阻R5阻值的增大有利于電路穩(wěn)定性，但由“模擬電子電路”基本理論可知，發(fā)射極電阻在穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的同時(shí)，會(huì)犧牲放大電路的增益[9-10]。。而放大電路的設(shè)計(jì)中必須同時(shí)兼顧穩(wěn)定性和增益這兩個(gè)因素來設(shè)置最佳的R5阻值。本論文將運(yùn)用Multisim強(qiáng)大快速的電路分析功能，研究如何配置發(fā)射極電阻來確保有效抑制RBE變化對(duì)電壓增益穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響，同時(shí)避免電壓增益下降過多導(dǎo)致的電路放大性能的惡化。

3 調(diào)諧放大器的仿真分析

3.1 發(fā)射極總電阻值的設(shè)置

發(fā)射極電阻由旁路電阻R4和非旁路電阻R5串聯(lián)組成。在平臺(tái)中針對(duì)各參數(shù)對(duì)管壓降VCE影響的靈敏度分析可知，發(fā)射極總電阻值對(duì)電路有很大影響[11]，接下來，我們運(yùn)用仿真來確定發(fā)射極兩電阻阻值的最佳配比。研究思路如圖3所示。

圖3 發(fā)射極電阻阻值配比研究思路

發(fā)射極電阻R4對(duì)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)有很大影響，從而影響到電路的輸出波形，利用參數(shù)掃描中的瞬態(tài)分析得到當(dāng)發(fā)射極非旁路電阻R5取值為0時(shí)，旁路電阻R4分別取0,1 kΩ，2 kΩ時(shí)的輸出波形，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 發(fā)射極電阻對(duì)輸出波形的影響

由圖可知當(dāng)發(fā)射極電阻為0 Ω時(shí)輸出波形幅值呈下降趨勢(shì)，不穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)射極電阻為1 kΩ,2 kΩ時(shí)輸出波形相對(duì)穩(wěn)定，且為1 kΩ時(shí)較2 kΩ時(shí)電壓放大倍數(shù)大。結(jié)合輸出波形穩(wěn)定性和電壓放大倍數(shù)兩個(gè)因素，可知發(fā)射極電阻選擇1 kΩ比較合適。

其次考慮發(fā)射極電阻在于溫度變化時(shí)在穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)中的作用。晶體管是一個(gè)溫度敏感器件，溫度對(duì)晶體管參數(shù)β、反向飽和電流ICEO以及發(fā)射結(jié)電壓VCE的變化作用顯著，從而引起電壓放大倍數(shù)和輸入電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)的不穩(wěn)定[12]。選取合適的發(fā)射極電阻阻值使晶體管溫度穩(wěn)定性更佳極其重要。利用Multisim平臺(tái)中溫度掃描分析可得到發(fā)射極電阻取1 kΩ時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)隨溫度變化較小[11]。

綜合參數(shù)掃描及溫度掃描結(jié)果可知，發(fā)射極總阻值取1 kΩ時(shí)電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性最佳。

3.2 發(fā)射極兩電阻對(duì)電壓增益的影響

結(jié)合以上放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定分析，接下來要考慮發(fā)射極兩電阻對(duì)電路增益特性影響。首先，利用平臺(tái)中參數(shù)掃描功能，借控制變量法，探尋兩電阻在電路中的作用。一般非旁路電阻R5阻值很小，這里設(shè)為100 Ω，利用參數(shù)掃描分析對(duì)R4進(jìn)行參數(shù)掃描，得到R”4為900 Ω,1 900 Ω，2 900 Ω時(shí)的幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 旁路發(fā)射極電阻參數(shù)掃描

由圖可知，放大器電壓增益隨R4的增大而略微減小。因?yàn)殡S著R4增大，發(fā)射極電流變小，而晶體管發(fā)射極內(nèi)阻增大，導(dǎo)致放大器電壓增益減小。但發(fā)射極內(nèi)阻RBE對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響還受到了R5限制，因此改變R4對(duì)電壓增益的影響不大。由此可知，旁路電阻R4在交流電路中被電容短路而起到了引入直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。

其次探究發(fā)射極非旁路電阻R5作用。設(shè)R4阻值為980 Ω，對(duì)R5進(jìn)行參數(shù)掃描，得到其值為20 Ω,100 Ω,200 Ω,500 Ω,1 kΩ，2 kΩ時(shí)的幅頻特性曲線如圖6所示。

圖6 非旁路發(fā)射極電阻參數(shù)掃描

由上圖可知，當(dāng)射極電阻R5不斷增大時(shí)，輸出波形峰值不斷減小，即放大器增益隨非旁路電阻增大而減小。

分析可知，非旁路電阻R5在交流中起到電流串聯(lián)反饋?zhàn)饔?，?dāng)R5增大時(shí)，將使負(fù)反饋深度增大，放大器互導(dǎo)放大倍數(shù)降低。所以放大器增益變小，輸出波形帶寬不變。在直流中改變了靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)而改變發(fā)射極內(nèi)阻而影響電壓放大倍數(shù)。

根據(jù)以上兩電阻作用分析，可知其對(duì)電路增益影響如下：放大器的電壓放大倍數(shù)受R4的影響較小。而非旁路電阻R5兼具直流和交流反饋的作用，不僅可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)放大器的電壓增益也有影響。

3.3 發(fā)射極電阻R4、R5阻值分配

由以上R4、R5總阻值及R4參數(shù)掃描分析可知，R4取980 Ω左右比較合理。接下來論文就電壓增益問題來定量探討引入的非旁路電阻R5的合理取值。

共射放大器的晶體管輸入阻抗很低，而小的晶體管輸入電阻直接并接在諧振回路兩端，會(huì)大大降低回路的諧振阻抗和Q值，降低諧振阻抗的后果是降低放大器的增益[1]。本課題中電路輸入電阻為：R∑=R1||R3||RBE+(1+β)R5。由于在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)總是正偏的，所以RBE通常很小。因此輸入電阻等效為R∑=RBE+(1+β)R5。而RBE大小隨著的變化而變化具有一定的不穩(wěn)定性，所以需要考慮引入R5后抵消發(fā)射極內(nèi)阻RBE的影響其中當(dāng)(1+β)R5?RBE時(shí)，可忽略RBE的作用(一般取10倍為遠(yuǎn)大于)，使得輸入電阻主要由R5決定。式中β約為100，對(duì)R5進(jìn)行參數(shù)掃描，即可得到RBE與R5的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 R5與RBE的關(guān)系曲線

由圖可知，當(dāng)(1+β)R5～10RBE時(shí)，R5為143 Ω，RBE為1.43 kΩ，此時(shí)，(1+β)R5遠(yuǎn)大于RBE，所以在確保輸入電阻主要由R5決定來降低溫度影響的前提下，R5應(yīng)取143 Ω左右。

在確保有一定輸入阻抗的前提下，還需要考慮R5的引入會(huì)犧牲電壓增益，要在保證輸出穩(wěn)定性的同時(shí)確保有適當(dāng)?shù)碾妷涸鲆?。帶有非旁路電阻的電路的電壓增益為下式?/p>

由以上輸入阻抗的分析，取RBE為1 000 Ω，通過仿真得到R5在不同取值下的電壓增益，用點(diǎn)測(cè)法繪制R5與Au之間的關(guān)系曲線見圖8所示。

由圖可知放大器電壓增益和非旁路電阻R5呈反比例遞減趨勢(shì)，且當(dāng)電阻大于143 Ω后，Au隨R5減小的速度變緩，此時(shí)電壓增益僅為6.47，放大倍數(shù)過小，所以R5應(yīng)小于143 Ω。因此，R5取值需權(quán)衡電壓增益與電路輸入阻抗影響。

圖8 R5與Au的關(guān)系曲線

在確保Au主要取決于R5及放大器有較大電壓增益的前提下，對(duì)R5進(jìn)行取值時(shí)，還要考慮發(fā)射極阻值對(duì)晶體管發(fā)射極內(nèi)阻，即對(duì)電壓增益的變化率的影響。變化率越小代表電壓放大倍數(shù)受發(fā)射極內(nèi)阻的影響越小即穩(wěn)定性越好。通過改變發(fā)射極電阻R4改變發(fā)射極電流值繼而得到不同的發(fā)射極內(nèi)阻RBE的值，再由參數(shù)掃描得到R5取不同值時(shí)的電壓放大倍數(shù)，利用公式ΔAu/ΔRBE計(jì)算得到電壓增益與發(fā)射極內(nèi)阻間的的變化率如表1所示。

表1 電壓增益與發(fā)射極內(nèi)阻變化率

(變化率K為RBE每變化1 kΩ對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)的變化)

由仿真計(jì)算結(jié)果可知：

①R5=0 Ω時(shí)，此時(shí)電壓增益相對(duì)較大，但發(fā)射極內(nèi)阻RBE對(duì)電壓增益影響極大，而晶體管內(nèi)阻受很多因素影響，此時(shí)不利于放大器系統(tǒng)穩(wěn)定。

②R5=143 Ω時(shí)，發(fā)射極內(nèi)阻RBE對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響最小，但此時(shí)電壓放大倍數(shù)也相對(duì)很小，達(dá)不到放大要求。

③R5=20 Ω時(shí)，既確保放大器有適當(dāng)?shù)碾妷涸鲆?，也一定程度上抵消了發(fā)射極內(nèi)阻對(duì)電壓增益的影響，提高了放大器的穩(wěn)定性。

綜上所述，通過點(diǎn)測(cè)法繪表制圖，可以清晰地得到發(fā)射極非旁路電阻R5與旁路電阻R4最佳阻值分別為20 Ω，980 Ω。此時(shí)可有效地權(quán)衡電壓增益與電路穩(wěn)定性。使電路性能最優(yōu)。

4 總結(jié)

論文運(yùn)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿?，定量且系統(tǒng)地闡述了發(fā)射極兩電阻阻值配比問題。首先考慮輸出波形穩(wěn)定性及靜態(tài)工作點(diǎn)，運(yùn)用Multisim中的瞬態(tài)分析及溫度掃描功能，確立發(fā)射極最優(yōu)總阻值；再考慮電壓增益確立旁路電阻及非旁路電阻作用，便于定量分析。最后考慮三極管內(nèi)阻影響，創(chuàng)新地運(yùn)用點(diǎn)測(cè)法繪制非旁路電阻與增益的關(guān)系及與電壓增益變化率的關(guān)系，定量的得出發(fā)射極旁路電阻和非旁路電阻的阻值。使電路工作在適當(dāng)?shù)碾妷涸鲆嫦拢瑫r(shí)一定程度上抵消發(fā)射極內(nèi)阻對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響。