基于multisim仿真实验的共射放大电路的研究

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 李小赛指导教师 张 劼 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I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multisim 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 IIAbstract目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 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 .125.3 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 .221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) ioU.1RjC1j式中 为输入信号的角频率，RC 为回路的时间常数 ，令 L = = ,则RC1= = = (3.1.2) 因此，Lf21R22u = = = (3.1.3)1LjLfj1Lfjf将 u 用其幅值与相角表示，得出= （3.1.4a）uA21Lff= (3.1.4b)o90arctnLf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，fL1A0oLf，10.72uA；当 时， ， ，表明 每下降 10 倍， 也下降 10 倍；45ofL1LfuLfAfuA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，fuAo90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，Lf Lf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o45频特性曲线。3图 3.1.1f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，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)1ouiUjjRRA回路的时间常数 ，令 则C1H(3.2.2)122fRC将式 3.2.2 代入式 3.2.1 可得 (3.2.3)1uHfjjA将 u 用其幅值及相角表示，得（3.2.4a）21uHf10.707 ff0o945o04(3.2.4b)arctnHf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uAuA时， ， ；当 时， ， ；当 时，Hf10oHf120.7u45oHf， ，表明 每升高 10 倍， 降低 10 倍；当 趋于无穷时， 趋于fHuffufuA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o90于 时， o 才约为 i。称 为上限截止频率，简称上限频率，在该频率下， 降到 70.7%，Hf Hf u相移为 。图 3.2.2 为低通电路的幅频与相频特性曲线。45图 3.2.1图 3.2.24 晶体管高频小信号模型f1 f0.7070045o9054.1 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crer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，Cbcr（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 4.1.1abr be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CcIb的函数，应记作 。根据半导体物理的分析，晶体管的受控电流 与发射结电压 成线性关系， cIbeU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mgcI控制关系，即 。其中 R5 为 ，R6 为 ， R7 为 ，U1 为 ，U2 为 。cbemIgUberbcrcerbebe（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