共射極放大電路電容參數對頻率特性的影響分析

張學文，司佑全

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

放大電路的頻率特性是放大電路特性的一個重要指標，放大電路的通頻帶直接影響放大電路的實際應用。圖1所示共射極放大電路是模擬電子技術中很重要的電路[1]。共射極放大電路在低頻區時，由于耦合電容、旁路電容的影響，其增益隨頻率的下降而下降；在高頻區，由于極間電容的影響，其增益隨頻率的增大而下降；在中頻區，極間電容、耦合電容、旁路電容都可以視為短路，故中頻區增益基本不隨頻率變化[2,3]。

圖1 共射極單管放大電路

在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態信號損失，放大能力下降[4]。在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態信號損失，放大能力下降。改變輸入信號頻率，若輸出信號幅值下降到中頻電壓放大倍數的0.707時，相應的低頻頻率和高頻頻率分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH，二者之差即為帶寬。

文[5～8]對影響頻率特性的因素進行了定性分析，指出在低頻區影響放大電路頻率特性的主要因素是耦合電容和旁路電容，影響高頻特性的主要因素是放大管的極間電容。但關于這些因素對頻率特性的影響程度并沒有作進一步的比較分析。

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的EDA工具軟件，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作，具有豐富的仿真分析能力[9～12]。利用Multisim13的參數掃描功能，可以方便地對電路參數的各影響因素進行比較分析。參數掃描分析是將電路參數設置在一定范圍內變化，以分析參數變化對電路性能的影響，相當于對電路進行多次不同參數的仿真分析，可以快速檢驗電路性能。通過設置參數變化的開始值、結束值、增量值和掃描方式，從而控制參數的變化。

選擇工具欄中的Simulate→Analysis→Parameter Sweep，打開設置窗口進行仿真設置。Sweep parameter有三個選項：Device parameter、Model parameter、Circuit parameter(分析耦合電容和旁路電容時選擇Device parameter；分析三極管電容時選擇Model parameter)。設置掃描方式：從“Sweep Variation Type” 下拉列表中選擇掃描方式(Decade, Linear，Octave,List)選擇Linear，線性掃描；Analysis to sweep有五個選項：DC Operating Point(直流工作點分析)，AC Analysis(交流分析),Single Frequency AC Analysis(單一交流頻率分析),Transient Analysis(瞬態分析),Nested sweep, 選擇AC Analysis.分別在“Start”“Stop”“Number of Points”“Increment”,設置好掃描參數的起始值、終止值、掃描點數和增量值，點擊Edit Analysis按鈕，打開相應分析對話框，編輯所選分析參數，其默認頻率起點1Hz，終點10GHz.Output選項中選擇節點4電壓輸出，單擊Simulate進行仿真。

1 耦合電容、旁路電容對頻率特性的影響

采用Multisim13仿真中的參數掃描分析，可以方便地觀測電容C1、C2、C3的變化對放大器頻率特性的影響。C1、C2從1μF到22μF取3個點，C3從1μF到100μF取4個點。

1.1 C1參數掃描時幅頻、相頻特性

1.2 C2參數掃描時幅頻、相頻特性

1.3 C3參數掃描時幅頻、相頻特性

圖2～4 C1～C3不同的掃描點的取值，通過移動光標可以得到每個掃描點對應的上、下限頻率和其對應相位差，見表1.

圖2 C1參數掃描輸出信號交流分析

圖3 C2參數掃描輸出信號交流分析

圖4 C3參數掃描輸出信號交流分析

表1 C1、C2、C3與頻率特性關系

由表1，改變C1、C2、C3參數，對上限頻率沒有影響，對下限頻率有影響。C1、C2超過10μF之后下限頻率幾乎沒有變化。C1= C2=10μF，C3=100μF時下限頻率為66Hz.C3參數變化對下限頻率的影響大于C1、C2，旁路電容C3越大，下限頻率越低。要改善電路的低頻特性，應適當增大旁路電容C3的值。

參數掃描結果直觀地顯示了頻率響應與電容C1、C2、C3的關系。根據其變化關系，可以選定最佳的電容值，實現電路的優化設計。

實驗中我們通常選取1kHz作為輸入信號的頻率，從圖1～圖3幅頻、相頻特性圖來看，10kHz作為中頻信號頻率比較合適。

2 三極管電容對放大電路頻率特性的影響

2.1 極間電容對頻率特性的影響

圖1中2SC1815模型的默認值CJC=10.21pF,CJE=10.21pF，CJS=0pF.(由Multisim13中2SC1815已有模型參數查得)。分別對圖1中晶體管2SC1815模型參數中的集電結電容CJC、發射結電容CJE、襯底電容CJS進行參數掃描分析，容值為:10pF～80pF，步距值均設置為35pF.

2.1.1 集電結電容對頻率特性的影響

2.1.2 發射結電容對頻率特性的影響

2.2 三極管襯底電容對頻率特性的影響

圖5～7 CJC、CJE、CJS不同的掃描點的取值，通過移動光標可以得到每個掃描點對應的上、下限頻率和其對應相位差,見表2.

圖5 集電結電容CJC參數掃描分析

圖6 發射結電容CJE參數掃描分析

圖7 三極管襯底電容的CJS參數掃描分析

表2 集電結電容CJC、發射結電容CJE、襯底電容的CJS與頻率特性關系

由圖5～7及表2可知，改變三極管極間電容參數，對下限頻率沒有影響，對上限頻率有影響。極間電容越大，上限頻率越低。可見晶體管的極間電容對放大電路高頻頻率特性的影響較為顯著。晶體管集電結電容參數CJC越大，高頻特性越差，集電結電容對電路的高頻特性起主要的影響作用，集電結電容越小，高頻特性越好。

三極管襯底電容、集電結電容對電路的高頻特性影響較大。電路中選擇極間電容值較小的三極管，上限頻率就會更高一些。除了考慮了三極管的極問電容影響，還要考慮三極管襯底電容的影響。

3 總結

影響共射放大電路下限截止頻率的主要因素是射極旁路電容，影響上限截止頻率主要是集電結電容和三極管襯底電容。

利用Multisim13仿真參數掃描分析方法對電路的頻率特性進行仿真測試，選定測試參數，測量結果非常直觀、簡潔，同時可將仿真測量結果輸出到Excel中并對電路性能指標進行分析，從而優化電路設計。