靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路頻率特性的虛擬測試研究

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)輸入信號的頻率過低或過高時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值會變小，還會產(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確定的通頻帶，因此在設(shè)計電路時，必須先了解信號的頻率范圍，以便使設(shè)計的電路適用于該信號頻率范圍的通頻帶。然而傳統(tǒng)的通頻帶實驗測試存在較大誤差和局限性，使實驗的測試值不很理想。本文以靜態(tài)工作點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驗教學(xué)中，對傳統(tǒng)實驗教學(xué)能起到很好的補充作用[3]。

1 Q點穩(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

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，對于頻率從零到無窮的輸入電壓，電壓放大倍數(shù)表達式應(yīng)為

(10)

當(dāng)頻率f在不同范圍變化時，式(10)會分別變?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，與圖1(a)對應(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作為虛擬測試平臺，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行測試[5-6]。采用這兩種方法的目的是觀測放大電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，進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，從而可計算帶寬fbw(fbw=fH-fL)的大小。

(2) 觀測阻容耦合靜態(tài)工作點穩(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)工作點對放大電路頻率響應(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間常數(shù)τ值變化，進一步判別上限和下限的截止頻率的變化。

3 Multisim 12.0仿真軟件的虛擬測試

3.1 搭建基本共射放大電路的仿真電路

在Multisim 12.0平臺上搭建如圖3(a)所示的阻容耦合靜態(tài)工作點穩(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)工作點穩(wěn)定的仿真電路測試

3.2 阻容耦合靜態(tài)工作點穩(wěn)定的仿真電路虛擬測試

從圖3虛擬波特圖儀測試結(jié)果可看出，當(dāng)指針移動到通頻帶內(nèi)，可讀出電路的中頻增益20lg|Au m|=33.499 dB；移動指針，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。虛擬測試的結(jié)果如表2。

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

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

3.3 靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的頻率特性測試

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

(1) 改變耦合電容C1大小，測試電路的頻率響應(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變化也不會引起中頻對于增益的改變(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，測試靜態(tài)工作點變化對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只萬用表分別測試發(fā)射極靜態(tài)電位(見圖4)。測試得到的發(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 虛擬測試結(jié)果分析

(2) 仿真測試結(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，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，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，如果有一個電容所在回路的時間常數(shù)τ遠小于其他的耦合電容或旁路電容所在回路的時間常數(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電路的下限截止頻率，而沒必要再計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

通過對靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的頻率特性仿真測試和分析可以看出，無論使用AC Analysis還是波特圖儀，均可方便地測試放大電路的對數(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心地移動指針，盡可能找到最接近于-3 dB的頻率，以獲得最真實的頻率值。另外，在阻容耦合靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路中，影響低頻特性的電容有3個(2個耦合電容，1個旁路電容)之多，導(dǎo)致其下限截止頻率達到1 kHz以上。要適合于頻帶更寬泛的應(yīng)用場合，需設(shè)置合適的電容和電阻參數(shù)；改變靜態(tài)工作點會導(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Q的改變(文中主要指偏置電阻改變)使電容所在回路的時間常數(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試平臺，測試結(jié)果與理論分析相吻合。這大大增強了實驗教學(xué)的直觀性[7-8]，能加深學(xué)生對電路知識的理解，加強學(xué)生對電子電路的動手實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，為傳統(tǒng)的電子電路教學(xué)注入新的活力[9-12]。

References)

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