晶體管放大電路溫漂特性智慧教室仿真探討

楊 丹， 徐 彬

(東北大學 信息科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

0 引言

“模擬電子技術”(簡稱“模電”)課程作為電類專業的主干專業基礎課程, 理論性、實踐性和工程性都很強， 在電類專業人才培養方面具有承前啟后作用。 筆者所在學校的自動化、電氣工程、測控技術、電子科學與工程、電子信息工程、通信工程6個專業，均開設該課程作為專業基礎必修課學習。多年教學實踐告訴我們，學生要想學好“模電“必須清晰地理解“器件-電路-應用”課程主線，扎實地掌握由晶體管構成的放大電路及其衍生基本問題，才能真正實現“模電”課程工程入門。

隨著高等教育不斷完善，教學的課堂模式也不斷更新，慕課、雨課堂等多種教學新模式不斷涌現。針對“模電”課程知識點多、授課時間緊等諸多問題，我校在新一輪“模電”教學過程中，開展了基于中國慕課在線的“模電”混合式教學實踐。學生通過線上自學，智慧教室研討等形式深入學習“模電”課程中的重點和難點，教學效果良好。

本文介紹在智慧教室課程教學中對于晶體管放大電路溫漂的討論，通過分壓式靜態工作點穩定電路和差分晶體管放大電路兩個實例，運用Mutisim仿真，探討電路形式對放大電路溫度漂移的影響，讓學生在智慧教室，通過自己動手仿真實驗切身體會溫漂對放大電路的影響，深入理解溫度對放大電路性能產生的影響。

1 晶體管放大電路的溫漂問題

1.1 溫漂產生的原因

對于晶體管放大電路而言，要實現信號的有效放大，必須有一個合適穩定的靜態工作點。而在實際應用中，環境溫度變化、晶體管的更換、電路器件的老化以及電源電壓的波動等因素都可能使得靜態工作點產生波動，從而影響放大電路的性能。

由于半導體材料的熱敏特性，晶體管中載流子的數量與溫度有關，尤其是少子數量受溫度影響很大，幾乎晶體管全部參數均對溫度敏感，因此溫度變化對晶體管放大電路的影響最大。由于溫度變化，引起晶體管參數變化，從而使得放大電路靜態工作點產生變化，被定義為放大電路的溫漂。

1.2 抑制溫漂的典型電路

針對放大電路中晶體管的溫漂常用的兩種典型電路為分壓式直流負反饋電路和差分放大電路。

1 分壓式直流負反饋電路

放大電路中Q點穩定指的是晶體管輸出特性曲線上Icq和Uceq不變。而一般的晶體管放大電路的偏置電路中Icq和管壓降Uceq是晶體管電流放大倍數的函數。而晶體管放大倍數受溫度影響，從而使得電路中集電極電流和管壓降Uceq波動。圖1所示分壓式直流負反饋放大電路中，通過電路中參數Rb1和Rb2參數選擇，保證Icq和Uceq不隨晶體管放大倍數變化而變化，放大電路Q點穩定。

圖1 分壓式直流負反饋靜態工作點典型電路

2 差分放大電路

差分放大電路是集成運算放大器的第一級，當環境溫度變化時，雖然兩邊管子的集電極電流都增大或者減小，使得兩個管子集電極電位均產生相同趨勢變化。電路參數選擇保證電路理想對稱。從而使得放大電路輸出穩定。

圖2 單入單出差分放大的典型電路

2 電路實例的Multisim仿真

基于智慧教室的混合式教學開展過程：首先對學生進行分組，結合線上慕課和線下授課學習掌握放大電路的溫漂特性；在進入智慧教室之前，要求學生開展分壓式靜態工作點穩定電路和差分電路的參數選取和理論計算；進入智慧教室后，通過Multisim仿真典型電路與理想分析結果比較，說明理論與仿真存在差異的原因，重點仿真放大電路對溫度的響應。

2.1 分壓式靜態工作點穩定電路

分壓式直流負反饋仿真電路示于圖3。

圖3 分壓式直流負反饋仿真電路設計

1)理論分析

由于IB較小，近似認為Rb1與Rb2直接分壓，此時可計算B點電位有：

(1)

此時由于晶體管為NPN型硅管，取開啟電壓：

UBEQ=0.7 V

(2)

則有：

(3)

UCEQ=Vcc-RcICQ-ReIEQ=1.92 V

(4)

此時的電壓放大倍數：

(5)

輸入電阻：

Ri=Rbe//Rb1//Rb2=1.33k Ω

(6)

輸出電阻：

Ro=RC=2k Ω

(7)

2)仿真實驗

利用電流探針、電壓探針對搭建的仿真電路進行測量，當測量靜態工作點時將電壓源置零，當測量電壓放大倍數時將電壓源設置為10mV，實驗電路如下圖4所示。

圖4 分壓式直流負反饋電路的仿真示意圖

利用Multisim的溫度分析，對該電路溫度從 25℃上升到100℃時，電路產生輸出電壓的偏差進行瞬態分析，其仿真實驗結果如圖5所示,(a)為電路輸出電壓波形，(b)為電路輸出電壓的幅值。

(a)25°和100°電路輸出波形

(b)25°和100°電路輸出的幅值圖5 分壓式直流負反饋電路溫度分析

電壓最小時波動百分比：

(8)

電壓最大時波動百分比：

(9)

2.2 差分放大電路

差分數大仿真電路如圖6所示。

1)理論分析

計算晶體管VT3的B點電位：

(10)

晶體管為NPN型硅管，取開啟電壓：

UBEQ=0.7 V

(11)

則有

(12)

由電路的對稱性，有：

(13)

且有VT2和VT1的C點電位：

UC1=UC2=VCC-IC1RC1=10.48V

(14)

計算二極管體電阻：

(a)25°和100°電路輸出波形

(15)

此時的電壓放大倍數：

(16)

差模輸入電阻

Rid=2(Rb+rbe)=2×(1+3.75526)≈9.51kΩ

(17)

輸出電阻

Ro=RC=2k Ω

(18)

2)溫度分析

電壓最小時波動百分比：

(19)

電壓最大時波動百分比：

(20)

2.3 案例分析

1)電路分析

分壓式靜態工作點穩定電路在穩定靜態工作點方面采用的是直流負反饋，一是通過電路參數選取使得晶體管的基極電位不受溫度影響，同時利用Re電阻的直流負反饋作業使得晶體管輸出Icq和Uceq不變。差分放大電路是實際上采用了兩個環節穩定靜態工作點：對于一側晶體管放大電路而言，用恒流源電路相當于射級電阻Re無窮大，即直流負反饋穩定一側晶體管的輸出；同時，再利用電路對稱性，進一步穩定電路最終的輸出，從溫度穩定性角度來說，采用了兩個環節。在對兩個電路溫度穩定性仿真的結果看也證明了上述理論分析。顯然，差分放大電路的溫度穩定性要明顯優于分壓式直流負反饋放大電路。此外，在仿真分析的過程中，學生確實看到當溫度變化時，即使放大電路參數均不變，電路的輸出也會發生改變。

2)授課安排

對于溫漂知識點學習，安排2學時智慧教室，參與學習人數60人，授課教師2人，每組人數約3-4人。組內分工：1人負責電路理論分析與計算、仿真電路參數設計；1人負責電路仿真及數據整理；1人負責報告撰寫及實驗展示。在智慧教室課堂教師和學生可以零距離互動，如圖8所示。從教學效果看，學生對于在平時線下課堂難于理解和體會的溫漂問題，有了感性認識，同時對于放大電路的各種形式有進一步了解。

圖8 智慧教室課堂師生討論

3 結語

溫漂問題是“模電”教學中的難點，也是模擬電子技術工程問題的重點。為了讓學生在高等教育的課程體系中對于這樣的問題，有深入理解，本文提出了基于智慧教室的溫漂問題仿真探討。學生能夠獨立進行抑制溫漂電路的理論分析、電路設計和仿真分析，特別是通過仿真環節，進一步體會溫度對放大電路產生的影響。在智慧教室中的分組學習、師生互動取得了良好的教學效果，受到學生的廣泛贊譽。