《毕业设计(论文)--基于multisim仿真实验的共射放大电路的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计(论文)--基于multisim仿真实验的共射放大电路的研究.doc（27页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、邯郸学院本科毕业论文题 目 基于multisim仿真实验的共射放大电路设计与研究学 生 指导教师 教授年 级 2007级专 业 物理学系 部 物理与电气工程系邯郸学院物理与电气工程系学院2011年5月II郑重声明本人的毕业论文是在指导教师张劼的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文作者（签名）： 年 月 日摘 要 单管共射放大电路在不同频率的工作信号下将影响其电压增益。在这里，我们从理论分析单管共射放大电路入手，研究其产生频率响应的主要原因，然后用mult
2、isim进行仿真，通过改变电路参数观察对电路的上、下限截止频率产生的影响。之后继续对特定的共射放大电路进行通频带的仿真测试并对单管共射放大电路的频率响应进行讨论，以加深对频率响应的理解。关键词 共射放大电路 频率响应 截止频率 仿真实验 Abstract目 录摘 要IABSTRACTII1 引言12 背景介绍13 频率响应的基本概念13.1 高通电路13.2低通电路34 晶体管高频小信号模型44.1 BJT完整的混合模型44. 2 简化的混合模型54.3 混合模型的主要参数64.4 BJT的频率参数75 共射放大电路的频率响应95.1 共射放大电路的低频响应95.2 共射放大电路的中频响应12
3、5.3 共射放大电路的高频响应135.4 频率改变对共射放大电路输出波形的影响166 关于共射放大电路的频率响应的讨论20参考文献21致 谢22基于multisim仿真实验的共射放大电路设计与研究1 引言晶体管共射放大电路是放大电路的基础，也是模拟电子技术、电工电子技术等课程的经典实验项目，实验内容设计方面广，实践应用性强。实际的共射放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电感与接线电容等。因此，放大电路的输入输出之间的关系必然和信号频率有关。放大电路的频率响应影响电路的失真和工作稳定，是一项很重要的特性。笔者对晶体管共射放大电路的频率响应特性进行了理论分析和
4、计算。借助Multisim的虚拟环境进行计算机模拟仿真，并比较理论计算值和仿真结果的误差。Multisim是IIT公司在20世纪初推出的EWB6.0版本，目前普遍应用的版本为Multisim10.0。它可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试、射频分析、单片机等高级应用。软件界面友好，操作方便、绘制电路图需要的元件、电路仿真需要的仪器都可以直接从工作平台上选取，运行环境逼真，并提供较为详细的电路分析手段，具有较强的仿真分析能力。软件支持模拟电路、数字电路、模拟数字混合电路以及电工电子技术应用的设计仿真。2 背景介绍在实际的共射放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器
5、件的极间电容以及接线电感与接线电容等。因此，放大电路的输入输出之间的关系必然和信号频率有关。放大电路的频率响应对电路的失真和工作稳定有着重要影响。关于共射放大电路频率响应的研究已经很成熟，理论上的分析及研究成果在很多教科书中已经成为学习电子技术的基础。具体关于用实验室仿真软件对其进行仿真实验并进行结果分析的研究并不常见，此项研究既可以对共射放大电路频率响应的理论结果进行验证，而且在实践中还具有一定的指导意义。3 频率响应的基本概念3.1 高通电路 在放大电路的低频区内，由于耦合电容和射级旁路电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失的通过；而当信号
6、频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。为了便于理解有关频率响应的基本要领，这里将对无源单级RC电路的频率响应加以分析。如图3.1.1所示高通电路中，设输出电压o（R1两端的电压）与输入电压i之比为u，则 u = = = (3.1.1) 式中为输入信号的角频率，RC为回路的时间常数，令L = = ,则= = = (3.1.2) 因此，u = = = (3.1.3)将u 用其幅值与相角表示，得出 = （3.1.4a） = (3.1.4b)因式3.1.4a表明u的幅值与频率的函数关系，故称之为u的幅频特性；因式3.1.4b表明u的相位与频
7、率的函数关系，故称之为u的相频特性。由式3.1.4可知。当时， ， ；当时， ；当时， ，表明每下降10倍，也下降10倍；当趋于零时，也趋于零，趋于+，由此可见，对于高通电路，频率越低，衰减越大，相移越大；只有当信号频率远高于时，o才约为i。称为下限截止频率，简称下限频率，在该频率下，u的幅值下降到70.7%相移恰为+。如图3.1.2 ，上边为幅频特性曲线下边为相频特性曲线。图3.1.10.7071 0 图3.1.23.2低通电路与耦合电容相反，由于半导体管极间电容的存在，对信号构成了低通电路，即对于频率信号足够低的信号相当于开路，对电路不产生影响；而当频率信号高到一定程度时，极间电容将分流，
8、从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。这里仍对无源单极RC电路的频率响应进行分析。图3.2.1所示为低通电路，设输出电压o（C两端的电压）与输入电压i之比为u，则 (3.2.1)回路的时间常数，令则 (3.2.2)将式3.2.2代入式3.2.1可得 (3.2.3)将u用其幅值及相角表示，得 （3.2.4a） (3.2.4b)式3.2.4a是的幅频特性，式3.2.4b是的相频特性。从对式3.2.4的分析可得，当时，；当时，；当时，表明每升高10倍，降低10倍；当趋于无穷时，趋于零，趋于。由此可见，对于低通电路，频率越高，衰减越大，相移越大；只有当频率远低于时，o才约为i。称为上限截止频率，简称上
9、限频率，在该频率下，降到70.7%，相移为。图3.2.2为低通电路的幅频与相频特性曲线。10.7070图3.2.1图3.2.24 晶体管高频小信号模型4.1 BJT完整的混合模型图4.1.1a所示为晶体管结构示意图。（即R1）和(即R5)分别为集电区体电阻和发射区体电阻，它们的数值较小，常常忽略不计。(即C1)为集电结电容，（即R2）为集电结电阻，（即R3）为基区体电阻，（即C2）为发射结电容，（即R4）为发射结电阻。图4.1.1a是与图4.1.1b对应的混合模型。图中，由于与的存在，使和的大小、相角均与频率有关，即电流放大系数是频率的函数，应记作。根据半导体物理的分析，晶体管的受控电流与发射
10、结电压成线性关系，且与信号频率无关。因此，混合模型中引入了一个新的参数，为跨导，描述对的控制关系，即。其中R5为，R6为，R7为，U1为，U2为。（a）晶体管的结构示意图(b) 混合模型图4.1.1 晶体管结构示意图及混合模型4.2 简化的混合模型在图4.1.1b所示电路中，通常情况下，远大于c-e间所接的负载电阻，而也远大于的容抗，因而可认为和开路。由于跨接在输入与输出回路之间，使电路的分析变得十分复杂。因此，为简单起见，将等效到输入回路和输出回路中去，称为单向化。单向化是通过等效变换来实现的。设折合到间的电容为,折合到间的电容为。等效变换过程如下：从看进去中流过的电流为 式4.2.1为保证
11、变换的等效性，要求流过的电流仍为，而它的端电压为，因此的电抗为 式4.2.2考虑在近似计算时，取中频值的时，所以。约为的分之一，因此 式4.2.3间总电容为 式4.2.4用同样的方法可得 式4.2.5e_+_+bc因为，且一般情况下的容抗远大于，中的电流可忽略不计，所以简化的混合模型如图4.2.1所示。图4.2.14.3 混合模型的主要参数将简化的混合模型与简化的H参数等效模型相比较，它们的电阻参数是完全相同的，从手册中可查得，而 （4.3.1）式中为低频段晶体管的电流放大系数。虽然利用和表述的受控关系不同，但是它们所要表述的却是同一个物理量，即 式4.3.2由于，且如式4.3.1所示，又由于
12、通常，所以 式4.3.3 在半导体器件手册中可以查得参数，是晶体管为发射极开路时间的结电容，近似为。的数值可通过手册给出的特征频率和放大电路的静态工作点求解。是电路的电压放大倍数，可以通过计算得到。4.4 BJT的频率参数BJT的频率参数用来描述管子对不同频率信号的放大能力。常用的频率参数有共射极截止频率、特征频率等。由H参数可知，此式也可写成，根据此式将混合模型中输出端短路，则得图4.4.1。 图4.4.1由图可见，集电极短路电流为 式4.4.1基极电流与之间的关系可以利用去乘、e之间的阻抗来获得： 式4.4.2由式4.4.1与式4.4.2可得的表达式 式4.4.3在图4.2.4所示模型的有
13、效频率范围内，因而有 式4.4.4考虑式4.3.3可得 式4.4.5由此可得 式4.4.6其中 式4.4.7可见为具有一个转折频率的频响曲线，称为共发射极截止频率，其值主要决定于管子的结构。当得频响曲线以每十倍频程的斜率下降，直至增益为时的某一频率为特征频率。当，由式4.4.6可得 式4.4.8考虑式4.3.3 和式4.4.7的关系，上式可表示为 式4.4.9一般，故 式4.4.10特征频率是BJT的重要参数，常在手册中给出。的典型数据约在1001000MHz之间。值得注意的是，当频率高于5或10时，混合模型中的电阻可以忽略不计，因而模型中的成为唯一的电阻，它对管子的高频响应呈现较大的影响。5
14、 共射放大电路的频率响应在分析共射放大电路图的频率响应时，为方便起见，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段。在中频段时，极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小而视为短路，故不考虑它们的影响；在低频段，主要考虑耦合 电容的影响，此时极间电容仍视为开路；在高频段，主要考虑极间电容的影响，此时耦合电容（或旁路电容）仍视为短路；根据上述原则，便可得到共射放大电路在各频段的等效电路，从而得到各频段的频率响应。图5.1.1如上图，单管共射放大电路，下面将分别分析其低频、中频、高频响应。5.1 共射放大电路的低频响应如图5.1.1所示的单管共射放大电路，在低频区主要取
15、决于外接的电容器，如隔直（耦合）电容和射级旁路电容。首先画出图5.1.1的低频小信号模型，这里的隔直电容及射级旁路电容均保留在电路中。如图5.1.2。+图5.1.2 根据低频等效电路，可以求出低频区电压增益的表达式，但是直接进行计算比较繁琐，因此需要做一些合理的近似，是电路进一步简化。首先假设（）远大于放大电路本身的阻抗，以致的影响可以忽略不计；其次假设得值足够大，因而在信号频率范围内，它的容抗远小于的值，即 式5.1.1这样在射级电路，可除去只剩下，然后把折算到基极电路，折算后容抗为。此时基极回路中的总电容为 式5.1.2对输出回路基本不存在折算问题，且一般，因而的作用可以忽略不计，这样得到
16、图5.1.2的简化电路。并把输出回路化成电压源等效电路的形式。由图5.1.3的输出与输入回路比较RC高通电路，可得 式5.1.3 式5.1.4+ 式5.1.5图5.1.3 由此可见，图5.1.1所示的RC耦合单管共射放大电路在满足式5.1.1的条件下，它的低频响应应具有两个转折频率和，当二者比值在四倍以上，则取较大的值为放大电路的下限频率。下面观察在仿真实验中改变电路图5.1.1中电容的容抗对电路上、下限截止频率的影响。由以上仿真可知，随着的改变，电路的下限频率也随之改变,而耦合电容的改变对下限频率基本没有影响。这同理论的分析相符合。现将上述电路的参数、理论得到的下限频率及仿真实验测得的下限频
17、率进行比较。耦合电容 （）耦合电容 （）旁路电容 （）中频电压增益（）仿真下限频率()10101033.4991589101010033.499171.158100101033.49915215.2 共射放大电路的中频响应对于单管共射放大电路，在中频区极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小而视为短路，故不考虑它们的影响，此时可得中频区单管共射放大电路的小信号模型，并由此得出中频区的电压增益表达式。+图5.2.1 式5.2.15.3 共射放大电路的高频响应如图5.1.1所示的单管共射放大电路，在高频区主要取决于管子的极间电容和接线电容等，在电路中它们与其他支路并联。首先画
18、出图5.1.1的高频小信号模型，如图5.3.1。+图5.3.1图5.3.1对于图5.3.1的集电极节点，按照KCL得 式5.3.1上式中最后一项电流与前两项电流相比可以忽略，因而可得 式5.3.2通过电容的电流为 式5.3.3由上式可得 式5.3.4由此可知，存在一个等效电容 式5.3.5称为密勒电容。密勒电容的物理实质可以这样理解，小信号产生一个大的输出电压，所以跨越两端的电压，致使通过的电流亦很大，这叫做密勒效应。根据密勒效应，可以将图5.3.1化简为图5.3.2。+图5.3.2由低通电路的知识可以得到此电路的高频电压增益表达式 式5.3.6其中（上限频率） 式5.3.7由以上知识分析可得
19、，当在高频段时共射级放大电路中的将成为影响电路频率响应的首要因素。下面在仿真实验中进行验证。 由以上仿真可知，当改变时，即密勒电容发生变化，共射放大电路的上限频率发生变化。具体比较见下表格。（）中频电压增益（）下限频率()上限频率133.4991577237.2851.535.0241544183.009511.622286.7215.3635.4 频率改变对共射放大电路输出波形的影响之前讨论当改变共射放大电路中元件参数时有可能对电路的频率响应性能产生影响。在低频时由于耦合电容、旁路电容的影响改变耦合电容、旁路电容的容抗将改变电路的低频特性，增加或者降低下限截止频率，从而影响其通频带的宽窄；在
20、高频时由于BJT的极间电容、接线电容的影响产生密勒电容，改变密勒电容的容抗将改变电路的高频特性，增加或者降低上限截止频率，从而影响其通频带的宽窄。本段主要讨论由于频率从低到高的变化，对于一定的共射放大电路，其输出波形必然产生相应的变化，从而确定其通频带，即在哪一频率范围内可以得到较好的放大电路的波形输出，使在实践允许的失真范围内尽可能扩大其通频带，改善频率响应性能。下面在仿真实验中通过观察输出的波形可以得到在通频带范围内波形基本不变化（主要指峰值的变化），而在低频或高频范围内输出波形产生明显失真。当信号源频率为100Hz时的输出波形如下当信号源频率为1000Hz时的输出波形如下 当信号源频率为
21、2100Hz时的输出波形如下当信号源频率为2400Hz时的输出波形如下当信号源频率为3000Hz时的输出波形如下当信号源频率为4000Hz时的输出波形如下当信号源频率为5000Hz时的输出波形如下当信号源频率为5MHz时的输出波形如下当信号源频率为10MHz时的输出波形如下当信号源频率为100MHz时的输出波形如下当信号源频率为500MHz时的输出波形如下当信号源频率为5GHz时的输出波形如下当信号源频率为5THz时的输出波形如下6 关于共射放大电路的频率响应的讨论电子线路中所遇到的信号往往不是单一频率，而是具有一定的频谱，而放大电路中的电抗性元件，如电容和电感的电抗在不同频率下是不相同的，因
22、此放大电路的电压增益将是频率的函数。放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应称为频率响应。影响放大电路频率响应的主要因素就是电路中包含的极间电容、耦合电容、旁路电容、接线电容等电抗性元件。耦合电容、旁路电容主要影响放大电路低频段的频率响应。在放大电路的低频区内，由于耦合电容和射级旁路电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失的通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生超前相移。为了改善单管共射放大电路的低频特性，需加大耦合电容及其回路电阻，以增大回路时间常数，从而降低下限截止频率。然而这
23、种改善是很有限的，因此在信号频率很低的场合，应考虑采用直接耦合方式。在直接耦合放大器中放大电路的低频响应可以不予研究。BJT的极间电容、接线电容是影响高频段频率响应的主要因素，主要表现为密勒电容的存在对高频段的信号影响。与耦合电容相反，由于半导体管极间电容的存在，对信号构成了低通电路，即对于频率信号足够低的信号相当于开路，对电路不产生影响；而当频率信号高到一定程度时，极间电容将分流，从而导致放大倍数的数值减小且产生滞后相移。为了改善单管共射放大电路的高频特性，需减小间等效电容及其回路电阻，以减小回路时间常数，从而增大上限截止频率。但是当电路参数及BJT都选定后，增益带宽积基本是个常数，即增益增
24、大多少倍，带宽几乎就变窄多少倍。因此放大电路的电压增益与通频带存在矛盾。如果要提高低频电压增益可以增加，但是增加后密勒效应显著，引起上限截止频率降低，通频带变窄，因此要提高增益带宽积就应选用和、都较小的BJT。通频带就是用来描述各种电子线路对不同频率信号适应能力的动态参数。对于一个任何具体的共射放大电路都有一个确定的通频带，因此，再设计共射放大电路时，必须首先了解输入信号的频率范围，以便使设计的电路具有适应于该信号频率范围内的通频带。由5.4频率改变对共射放大电路输出波形的影响可以看出，在通频带范围内该共射放大电路的输出波形（电压增益）改变不大，而在低频或高频时即频率低于上限截止频率或者频率高
25、于下限截止频率的时候，输出波形会产生严重失真情况。共基放大电路具有低输入阻抗、高输出阻抗和接近于1的电流增益，而且在高频区由于输入输出之间没有反馈电容，因而不存在密勒效应，具有很好的高频特性。共基放大电路常用于高频、宽频带、低输入阻抗的场合，因此可以组成共射共基放大电路。这种组合电路的上限频率主要取决于共射电路，因为共基极电路输入输出之间没有反馈电容，因而不存在密勒效应，具有很高的高频响应。而共射电路的上限截止频率有随其负载电阻减小而提高。它的负载电阻正是共基极放大电路的输入电阻，其值很小，故这种电路组合后，它他的上限截止频率比负载直接接于共射放大电路的输出端时要高得多，而直流增益由于共基电路
26、的放大作用基本不变，所以这种组合一般用在负载电阻较大的场合，并能工作在高频状态。值得一提的是，并不是所有的应用场合都需要宽频带的放大电路，例如正弦波振荡电路中的放大电路就应具有特定的选频特性，它仅仅对某一单一频率的信号进行放大，而其余频率的信号几乎完全被衰减，而且衰减的越快，电路的选频特性越好，振荡产生的正弦波形越好。应当说，在信号频率范围已知的情况下，特定的放大电路只需要具有与信号频段相对应的通频带即可，而且这样做将有利于抵抗外部的干扰信号。盲目地追求宽频带非但无益，而且还将牺牲放大电路的增益。参考文献：1 华成英,童诗白.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社,2006.1 2
27、邱关源.电路（第四版）.北京：高等教育出版社,1999.63 毛哲，张双德.电路计算机设计仿真与测试.武汉：华中科技大学出版社，20034 解月珍，谢沅清.电子电路计算机辅助分析与设计.北京：北京邮电大学出版社 5 康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社6 季仁东.基于multisim10晶体管共射放大器仿真分析.淮阴工学院 致 谢感谢我的指导老师张劼教授，本课题在选题及研究过程中得到张劼老师的悉心指导。张老师多次询问论文进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路。张劼老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。感谢刘培哲、郑杰良等同学对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料我很难顺利完成毕业论文。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。22