基于Multisim仿真实验的共基放大电路的性能研究

邯郸学院本科毕业论文题 目 基于 Multisim 仿真实验的共基放大电路性能研究学 生 白蕾蕾指导教师 张 劼 教授 李 洁 助教年 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2011 年 6 月II郑重声明本人的毕业论文是在指导教师张劼教授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 本论文主要应用 Multisim 软件对共基放大电路进行仿真。获取该电路在各频率下的输出波形图，通过对数据及图像的分析，最终得出共基放大电路在频率多少时，放大能力最强且波形失真小且波形稳定。关键词 共基放大电路 下限截止频率 频率响应 放大倍数The Design and Research of Common-base Amplifier Based on Multisim Simulation TestBai Leilei Driected by Prof. Zhang Jie and Lecturer Li JieAbstract This paper mainly applied Multisim software simulation to Common-base amplifier. Obtain the output waveform in different frequency based on the analysis of the data and figure. Eventually get Common-base amplifiers amplification ability is the best and waveform distortion is small and waveform stability in what kind of frequency. Key words Common-base amplifier Lower cut-off frequency Frequency response Amplification 目 录摘 要 .1外文页 .21 前言 .12 半导体三极管的结构、工作原理及参数 .12.1 半导体三极管的结构 .12.2 半导体三极管的工作原理 .12.3 三极管的主要参数 .13 基本放大电路 .23.1 放大电路的频率响应 .23.1.1 幅频特性和相频特性 .23.1.2 下限频率、上限频率和通频带 .23.1.3 频率失真 .23.1.4 波特图 .23.2 三极管的频率参数 .34 共基放大电路频率响应 .34.1 共基放大电路的低频响应 .44.2 共基放大电路的中频响应 .64.3 共基放大电路的高频响应 .65.基于 Multisim 仿真 .95.1 Multisim 软件简介 .95.2 共基放大电路低频仿真 .95.3 共基放大电路中频仿真 .115.4 共基放大电路高频仿真 .125.5 频率改变对共基放大电路输出波形的影响 .135.6 关于共基放大电路的频率响应的讨论 .17结论 .17参考文献 .18致 谢 .191基于 Multisim 仿真实验的共基放大电路性能研究1 前言几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器，而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。关于共基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并进行结果分析的研究并不常见，此项研究既可以对共基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。未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压电流的放大器增长;其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力。但对于低速的高精度系统,直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等；而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。2 半导体三极管的结构、工作原理及参数2.1 半导体三极管的结构半导体三极管又称为晶体管、三极管、双极型晶体管、BJT。它由 2 个背靠背的 PN 结组成，分为 NPN 型、PNP 型。由制造的材料又分为硅三极管、锗三极管。NPN 型 三极管 ：采用平面管制造工艺，在 N型底层上形成两个 PN 结。工艺特点：三个区，二个结，引出三根电极,杂质浓度 e 区掺杂浓度最高，b 区较高，c 区最低,面积 c区最大，e 区大， b 区窄。PNP 型三极管：在 P型底层上形成两个 PN 结。2.2 半导体三极管的工作原理NPN 管的工作原理：为使 NPN 管正常放大发射结正偏( )，集电结反偏(0BEV)。发射区向基区大量发射电子 (多子)，进入基区的电子成为基区的少子，其中小部0CBV分与基区的多子(空穴)复合，形成 电流，绝大部分继续向集电结扩散并达到集电结边缘。BI因集电结反偏，这些少子将非常容易漂移到集电区，形成集电集电流的一部分 。而基CNI区和集电区本身的少子也要漂移到对方，形成反向饱和电流 。CBOI， ， cCNBOII=+BCOI=-ECNB BII+=-+=晶体管的四种工作状态：1.发射结正偏，集电结反偏：放大工作状态，用在模拟电子电路2.发射结反偏，集电结反偏：截止工作状态3.发射结正偏，集电结正偏：饱和工作状态，用在开关电路中4.发射结反偏，集电结正偏：倒置工作状态，较少应用三种基本组态：共射组态，共集组态，共基组态。（集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。）2.3 三极管的主要参数共射极直流电流放大倍数： CBOCIIb共射极交流电流放大倍数： 21BBii共基极直流电流放大倍数： 2CEEii2共基极交流电流放大倍数： 21CEEii极间反向饱和电流 ：是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时的反向饱CBOI和电流。与单个 PN 结的反向电流一样，主要取决于温度和少子浓度。穿透电流 ：是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时，从集电极穿过基E区流入发射极的反向饱和电流。 是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，其值愈CEI小愈好。集电极最大允许电流 ：当 超过 时，电流放大倍数 将显著下降。MiM集电极最大允许功耗 ： 表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主要由管子CP所允许的温升及散热条件决定。当超过 时，管子可能烧毁。C反向击穿电压：超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关，还与外电路的接法有关。3 基本放大电路3.1 放大电路的频率响应频率响应是衡量放大电路对不同频率输入信号适应能力的一项技术指标。3.1.1 幅频特性和相频特性由于电抗性元件的作用，使正弦波信号通过放大电路时，不仅信号的幅度得到放大，而且还将产生一个相位移。此时，电压放大倍数 可表示如下：uAuAf电压放大倍数的幅值 和相角都是频率的函数。其中， 称为幅频特性， 称为相uA1C频特性。3.1.2 下限频率、上限频率和通频带在广大的中频范围内，电压放大倍数的幅值基本不变，相角 大致等于 。而当频80o率降低或升高时，电压放大倍数的幅值都将减小，同时产生超前或滞后的附加相位移。通常将中频段的电压放大倍数称为中频电压放大倍数 ，并规定当电压倍数下降到umA时相应的低频频率和高频频率分别称为放大电路的下限频率 和上限频率 ，0.7umA lfhf二者之间的频率范围称为通频带 BW，即 hlBWf=-3.1.3 频率失真由于放大电路的通频有一定限制，因此对于不同频率的输入信号，可能放大倍数的幅值不同，相移也不同。当输入信号多次谐波时，经过放大以后，输出波形将产生频率失真。频率失真与非线性失真相比，虽然从现象来看，同样表现为输出信号不能如实反映输入信号的波形，但是这两种失真产生的原因不同。前者是由于放大电路的通频带不够宽，因而对不同频率的信号响应不同而产生的；而后者是由放大器件的非线性特性而产生的。3.1.4 波特图根据放大电路频率特性的表达式，可以画出其频率特性曲线。在实际工作中，应用比较广泛的是对数频率特性。这种对数频率特性又称为波特图。绘制波特图时，横坐标是频率 ，采用对数坐标。对数幅频特性的纵坐标是电压放大倍数幅值的对数 ，单位f 20lguA是分贝 。对数相频特性的纵坐标是相角 ，不取对数。每当 增大为原来的 10 倍dBu时，相应的 将增加 。若 增大一倍，则相应的 增加 6dB。当20lguA20dBuA 20lg3时， 。当 时， ；当 时， 。1uA20lguA1u20lguA1u20lguA对数频率特性的主要优点是可以拓宽视野，在较小的坐标范围内表示宽广频率范围的变化情况，同时将低频和高频段的特性都表示得很清楚，而且作图方便，尤其对于多级放大电路更是如此。因为多级放大电路的放大倍数是各极放大倍数的乘积，故画对数幅频特性时，只需将各级对数增益相加即可。多级放大电路总的相移等于各级相移之和，故对数相频特性的纵坐标不再取对数。3.2 三极管的频率参数在中频时，一般认为三极管的共射电流放大系数 是一个常数。但当频率升高时，由于存在极间电容，因此三极管的电流放大作用将被削弱，所以电流放大系数是频率的函数。为了描述三极管对高频信号的放大能力，引出若干频率参数，下面分别进行介绍。共射截止频率：一般将值下降到 时的频率定义为三极管的共射截止频率，用07.符号 表示，当 时， 。.Bf=.可见，所谓截止频率，并不意味着此时三极管已经完全失去了放大作用，而只是表示此时已下降中频时的 70左右，或的对数幅频特性下降了 3dB。特征频率：一般以 值降为 1 时的频率定义为三极管的特征频率，用符号 表示。Tf当 时， ， ，所以 的对数幅频特性与横坐标交点处的频率即是Tf20lg。特征频率是三极管的一个重要参数。当 时， 值将小于 1，表示此时三极管已Tf失去放大作用，所以不允许三极管工作在如此高的频率范围。一个三极管的特征频率 与Tf其共射截止频率 二者之间是互相有关的，而且 比 高得多，大约是 的 倍。f ff0共基截止频率 ： 为使 下降到 的频率。 ，可见共基f. 0.70Tf（ ）电路的截止频率远高于共射电路的截止频率综上所述，可知三极管的三个频率参数不是独立的，而且互相有关，三者的数值大小符合 。三极管的频率参数也是选用三极管的重要依据之一。通常在要求通频带Tf比较宽的放大电路中，应该选用高频管，即频率参数值较高的三极管。如对通频带没有特殊要求，则可选用低频管。一般低频小功率三极管的 值约为几十至几百千赫，高频小功f率三极管的 约为几十至几百兆赫。一般可从器件手册上查到三极管的 、 或 值。Tf Tff4 共基放大电路频率响应我们以图 4.1 所示的单管共基放大电路为例，用晶体管混合 模型来分析此电路的电压增益与信号频率的关系。由于分析的是在不同频率下的交流放大倍数，为此先画出电路的交流等效电路，晶体管用混合 模型代替，如图 4.2 所示。为了简化分析计算过程，对模型作了一些处理，由于 r 及 r 的