基本共射放大電路的仿真研究

余茂全， 吳舒翰

(安徽水利水電職業技術學院,安徽 合肥 231603)

利用Multisim仿真軟件可以實現電路仿真分析,對電路性能作較深入的研究,并對仿真電路需要測量的數據進行理論計算,以便將測量值與理論值進行對照。通過Multisim以及虛擬儀器技術,可以完成從電路的理論設計到測試及生產這一較為完整的綜合設計流程。本文對模擬電子技術中的基本共射放大電路進行了仿真研究,分析了基本共射放大電路的靜態工作點和動態參數,利用虛擬儀器分析了波形圖、頻率響應曲線,并進行了參數動態掃描[1-4]。

1 仿真電路模型的建立

使用Multisim建立基本共射放大電路模型,采用阻容耦合及分壓式負反饋,圖1中XFG為信號源,作為輸入信號,產生幅值為2mVp,頻率為10kHz的正弦波;XSC1為示波器,通道A測量輸入電壓波形,通道B測量輸出電壓波形;XBP1為波特儀;XDA1為失真分析儀;晶體管型號選擇為2N2222A,并設置β=100;Rw為可調電阻;集電極電阻RC、直流負反饋電阻Re等其他參數值如圖1所示。

圖1 阻容耦合基本共射放大電路

用Multisim中的IV分析儀單獨分析2N2222A晶體管的輸出特性曲線。輸出特性曲線描述了基極電流IB為常數時,集電極電流ic與管壓降UCE之間的函數關系,即ic=f(uce)|IB=呈。由于對于每一個確定的基極電流IB都有一條曲線,所以輸出特性是1族曲線,IB取6.65μA至66.5μA內等差的十條曲線,如圖2所示。

圖2 晶體管2N2222A的輸出特性曲線

2 靜態工作點分析

用Multisim中的“直流工作點分析”功能進行直流工作點分析,測量靜態工作點,得靜態工作點的測量值及以計算值為基準的誤差如表1所列,且靜態工作點基本對應圖2中的Q1點。和計算值相比,測量值的誤差較小。

表1 放大電路的靜態工作點測量值和計算值

3 動態參數的分析

圖3 交流等效電路

3.1 輸入、輸出電壓波形

圖4 放大電路的輸入、輸出電壓波形

3.2 頻率響應

用波特測試儀觀測相頻特性曲線和幅頻特性曲線,并測量中頻電壓放大倍數AU為72.4414。當信號頻率上升或者下降到一定程度,放大倍數數值也減小,當放大倍數的數值等于0.707倍AU時候對應的兩個頻率分別稱為上限截止頻率和下限截止頻率。由圖5中幅頻特性曲線可以看出,上限截止頻率為42.4022MHz時對應的增益為51.2428,下限截止頻率為1.2279kHz時對應的增益為51.1908,通頻帶為42.401MHz。由圖5中相頻特性曲線可以看出,低頻段輸出電壓波形和輸入電壓波形相位差約為90o,中頻段輸出電壓波形和輸入電壓波形相位差為180o,即輸入電壓和輸出電壓的相位相反。

圖5 幅頻特性曲線和相頻特性曲線

3.3 輸入、輸出電阻

可見Ri的實測值1.044kΩ和計算值1.07kΩ相差不大,但Ro的計算由于輸出電阻RL=5.1kΩ的值較小,受電路誤差及晶體管電阻的影響,實測值1kΩ和計算值1.2kΩ相差較大。如果將RL的取值增大到45.9kΩ時,RO=1.16kΩ就較為接近計算值。

3.4 失真分析

使用失真分析儀分析輸出電壓UO的總諧波失真(THD),當輸入電壓Ui所加頻率均為10kHz的正弦波,而幅值不同時,總諧波失真如表2所列。

表2 總諧波失真

其中輸入電壓Ui加幅值為50mVp,頻率為10kHz的正弦波時,輸入和輸出波形如圖6所示。明顯可以看出,此時輸出電壓UO上半部分已經發生失真。

3.5 參數掃描

利用參數掃描分析研究負載電阻對電路電壓放大倍數的影響,在輸入電壓幅值為2mV,頻率為10kHz時,圖7顯示了負載電阻RL為不同值時,輸出電壓的參數掃描分析結果,由圖中可知,負載RL的阻值越大,負載所獲得的電壓越大,輸出電壓增大,電壓放大倍數就越大。但當RL的值增加到一定值的時候,負載所獲得的電壓將不會再增大,放大倍數基本上保持不變或者變化很小。因為輸出電壓實際上是負載電阻RL和RO串聯之后RL的分壓,而電路的輸出電阻RO=1.2kΩ,在RL值大于RO十倍左右以后UO的值變化就不再明顯。

圖6 發生失真時的輸出電壓波形

圖7 負載電阻RL為不同值時的輸出電壓波形

4 結束語

本文運用Multisim 軟件對基本共射放大電路進行了仿真研究,測試了三極管的輸出特性曲線,電路的靜態工作點,輸入輸出電阻等參數,并獲得了輸入電壓、輸出電壓波形,幅頻特性曲線和相頻特性曲線。將仿真的結果與理論計算結果進行分析,可以看出仿真的結果可以形象的描述基本共射放大電路的工作特點,有利于研究放大電路的參數及工作過程。