模电仿真-晶体管共射放大电路的失真分析

晶体管共射放大电路的失真分析一、设计目的1.总结Q点设置原则。2.总结截止失真和饱和失真可能发生的场合以及可以使用的调节手段。3.总结带载后对电路输出电压造成的影响。二、设计要求及内容1.电路图如下图1所示，调节Rb的值，使得UCEQ=6V，计算最大不失真输出电压Uom的理论值，并和仿真结果加以对比。图1调节Rb的值，使得UCEQ=6V，如下图2，这时Rb的值为560.4K。图2图解法:当小信号幅值增大到5.23mV时，总谐波失真约为5%。这时输出波形发生饱和失真，如下图：继续增大小信号到20mV时，输出波形发生饱和失真，如下图：这时输出电压波形底部峰值为3.588V，所以最大不失真电压为Uom=3.588/2=2.54V。仿真结果与理论分析结果有较大的误差。2.元件和参数如下图设置，请完成:(1) 空载时电路会发生什么失真? 请做图解法的理论分析，并用仿真验证。(2) 若电路带载(S1闭合)，该失真会消除吗? 输出电压会怎样变化? 请做图解法从负载线变化的角度做理论分析，并用仿真验证。(3) 如何消除此失真，请做图解法理论分析，并用仿真验证。图解法：理论上分析其直流工作点，由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ，ICQ =IBQ，三式联立解得，UCEQ=10.87V, IBQ=3.77uA, ICQ =377uA则当开关断开时，理论上应该是先发生顶部失真，即截止失真。（1）开关断开时,Q点如下:开关闭合时,Q点如下:由以上的图可知,闭合开关,带载后对直流工作点没有影响。空载时输出波形如下:由上图可知空载时电路会发生截止失真。（2）电路带载（开关闭合）后，截止失真不会消除，输出电压幅值减半。图解法：从理论上分析，带载后由于交流负载线变化，在横轴上的截距变成: UCEQ +ICQ *(R1/R2）=10.86+0.57=11.43V，输出波形上半部分还是不能完全在放大区，所以理论上不可能消除截止失真。电压输出波形如下图，由下图可知电路带载（开关闭合）后截止失真并没有消除，输出电压幅值减半。（3）要消除截止失真，可以增加一个射极电阻Re，从而增大晶体管基极电压，使Q点上升。图解法：从理论上分析，要消除截止失真，只需把Q点升高即可。而要升高Q点，我们可以通过增大晶体管基极电压来增大基极电流。为了增大基极与射极的压降，在射极支路上加一个电阻。增加电阻ReUBEIBIC。电压输出波形如下图：由上图可知输出波形上下近似对称，截止失真程度变小，说明增加射极电阻Re可以消除截止失真。3.元件和参数如下图设置，请完成:(1) 空载时电路会发生什么失真? 请做图解法的理论分析，并用仿真验证。(2) 若电路带载(S1闭合)，该失真会消除吗? 输出电压会怎样变化? 请做图解法从负载线变化的角度做理论分析，并用仿真验证。(3) 如何消除此失真，请做图解法理论分析，并用仿真验证。（1）开关断开时,Q点如下空载时电路会发生饱和失真。图解法：理论上分析其直流工作点，由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ，ICQ =IBQ，三式联立解得，UCEQ=0.7V, IBQ=37.7uA, ICQ =3.77mA。则当开关断开时，理论上应该是先发生底部失真，即饱和失真。仿真结果输出电压波形如下图：由上图可知空载时电路会发生饱和失真。（2）电路带载后饱和失真有可能消除，输出电压幅值减半。图解法：电压输出波形如下图，由下图可知电路带载（开关闭合）后饱和失真程度减小，输出波形上下近似对称，所以饱和失真有可能消除。输出电压幅值减半。（3）要消除饱和失真，可以增大Rb的阻值，或者减小Rc的阻值。图解法：如下图所示，增大Rb的阻值：增大Rb的阻值后输出波形如下图：饱和失真程度减小，输出波形上下近似对称，所以增大Rb的阻值可以消除饱和失真。如下图所示，减小Rc的阻值：减小Rc的阻值后输出波形如下图：饱和失真程度减小，输出波形上下近似对称，所以减小Rc的阻值可以消除饱和失真。三、设计结果及分析1.对于第1题，由理论分析可得: UCEQ-UCES=6-0.7=5.3VVcc-UCEQ=12-6=6V，所以理论上应该先发生饱和失真。我们从仿真的结果可以看出，慢慢增大交流小信号，从示波器中观察到的输出波形先发生了底部失真，即饱和失真。当交流小信号增大，现象更明显。2.（1）理论上分析其直流工作点，由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ，ICQ=IBQ，三式联立解得，UCEQ=10.87V, IBQ=3.77uA, ICQ=377uA则当开关断开时，理论上应该是先发生顶部失真，即截止失真。由示波器图形分析可以得到，是先发生截止失真。当开关闭合时。理论上对直流工作点未造成影响，由直流工作点分析得，仿真结果与理论结果一致。（2）从理论上分析，带载后由于交流负载线变化，在横轴上的截距变成: UCEQ+ICQ*(R1/R2）=10.86+0.57=11.43V，输出波形上半部分还是不能完全在放大区，所以理论上不可能消除截止失真。从示波器中可以看出，当开关闭合后的确无法消除截止失真。（3）从理论上分析，要消除截止失真，只需把Q点升高即可。而要升高Q点，我们可以通过增大晶体管基极电压来增大基极电流。为了增大基极与射极的压降，在射极支路上加一个电阻。增加电阻ReUBEIBIC。从示波器中我们可以看出，加了电阻Re后截止失真程度减小，所以通过增加射极电阻来消除截止失真的设想可行。3.（1）理论上分析其直流工作点，由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ，ICQ =IBQ，三式联立解得，UCEQ=0.7V, IBQ=37.7uA, ICQ =3.77mA。则当开关断开时，理论上应该是先发生底部失真，即饱和失真。由示波器图形分析可以得到，是先发生饱和失真。当开关闭合时。理论上对直流工作点未造成影响，由直流工作点分析得，仿真结果与理论结果一致。（2）从理论上分析，带载后由于交流负载线变陡，有可能消除了饱和失真。从示波器中可以看出，当开关闭合后饱和失真程度减小，和分析一致。（3）不带负载时，我们也可以通过减小Rc来使Q点右移，远离饱和区从而达到消除饱和失真。也可以通过增大Rb来减小基极静态电流IBQ，从而降低ICQ，使Q点右移。从示波器中输出波形可以看出，当增大Rb或减小Rc后饱和失真程度减小，和分析一致。四、总结及感想1.晶体管共射放大电路Q点应当尽量设置在放大区内负载线的中点，即其横坐标值为(Vcc+UCES)/2的位置。2.(1)当Q点设置过低时，即UCEQ-UCESVcc-