电路仿真参考

1 1 三极管的高频特性仿真分析三极管的高频特性仿真分析 1 目的 1 加深对晶体管频率特性参数的理解 2 认识低频管和高频管的频响差别 3 了解晶体管输入阻抗 输出阻抗随工作频率变化的情况 2 原理 晶体管频率特性指的是晶体管对不同频率信号的放大能力 主要表现为 在低频范围 内 晶体管的电流放大系数 基本上是恒定值 但频率升高到一定数值后 和 将随频率的升高而下降 为定量比较晶体管的高频特性 工程上确定了几个频率参数 共基极截止频率 f 又称 截止频率 是指 降低到其低频值的 0 707 倍即 3dB 时的频 率 共发射极截止频率 f 又称 截止频率 是指 降低到其低频值的 0 707 倍时的频 率 特征频率 fT 下降到 l 时所对应的频率 最高振荡频率 fmax 功率增益为 1 时所对 应的频率 3 电路 电路说明如下 1 该实验采用的晶体管型号为 BF374 多用于电视机的中放级 查手册可知其特征 频率在 400MHz 以上 2 电路中节点 Vi Vo 为电压波形观察点 Va Vb Vc Vd 用于观察交流放大系数 R2 R3 两个小电阻取得电流 ib ic 2 3 Rvavb Rvcvd 图 1 2 1 基本共射电路 信号源的设置图 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 18 Nov 2003Sheet of File C Program Files Design Explorer 99 SE WORK MyDesign1 DdbDrawn By Q BF374 R1 56K R2 10 R3 10 R4 1K R5 1K Vi 1mv C1 1U C2 1U V1 5v V2 12v vi vo va vcvd vb 1 4 步骤 1 f 和 fT值的测量 i 把开 PROTEL 99SE 工作界面 按图 1 2 1 要求绘制基本共射电路 用 瞬态特性 分析 观察 vi vo 波形 要注意正确选择元件参数 使波形不失真 如图 1 2 2 所示 从 输入输出波形幅度可见电路的交流增益为 150 图 1 2 2 vi 和 vo 的瞬态波形 ii 将负载 R5 短路 撤除 vo 并以图 1 2 3 所示参数选择 AC 小信号分析 操作步 骤 Simulate setup Ac small signal analysis 然后在 Browse SimData 选项卡中点击 New 出现图 1 2 4 界面 生成新的 波形 得到图 1 2 5 所示幅频特件曲线 其中的 vd vc vb va 即为共射短路电流放大系数 图 1 2 3 Ac 小信号分析 参数设置 图 1 2 4 产生 波形的设置对话框 显示新波形的变量设置 图 1 2 5 高频管 BF374 的 f 关系曲线 图 1 2 6 高频管 BF374 的 f 关系曲线局部放大图 iii 根据幅频特性曲线测量 f 和 fT的值 点击鼠标并拖放至 1kHz 处测出低频时的 值 约 120 计算低频时的 值的 0 707 倍 即 3dB 对应的 值 约 84 点击鼠标 并拖放至该值处 测量其对应的频率 此值即 为 截止频率 f 约 4MHz 把鼠标拖放至 1 处 读出此时对应的频率 即特征频率 fT 约 427MHz 与实际相 符 2 比较高频管和低频管的频响差别 把电路中的三极管 BF374 用 2N2222 低频 管 取代 重复上述操作 得到图 1 2 5 1 2 6 所类似的幅频特性曲线 测量此时的 f 和 fT i 在 1kHz 处侧得 的低频值约 140 其 0 707 约为 99 由此测出截止频率 f 为 l 1MHz ii 测得 1 时对应的频率即特征频率 fT约为 140MHz 与实际相符 结论 可见不同的三极管其频率特性可以存在很大的差异 这对放大电路的频响起着 很关键的作用 3 观察负载对电路频响的影响 把电路中的三极管恢复为高频管 BF374 并且把 1K 的负载 R5 重新接上 用上述同样方法测量此时的 f 和 fT值 结论 接上 1k 负载后 截止频率约为 560kHz 特征频率约为 50MHz 对照前面 的结论可知 放大电路的频响还与电路的负载 后级的输入阻抗 有很大关系 4 测量三极管的最高振荡频率 fmax i 将电路小的 R2 短路以减小输入信号的衰减 将 R5 短路 R3 即变成交流输出负 载 准备取其交流功率与输入信号功率相比得出交流功率增益 ii 设置 AC 小信号分析 初始值为 1 终止值为 600MHz 同时用 参数扫描分析 对 R3 进行扫描以判断其取值为多大时最有利频率的延伸 分别选取 l0 30 50 70 90 扫描结果如图 1 2 7 所示 尽管 R3 10 时功率幅度较小 但 频率延伸最大 因此把 R3 取值 I0 作为最高振荡频率 fmax 的测试负载 iii 用 AC 小信号分析 观察功率增益 vd vc 2 10 Vi p 随频率的变化关系曲线 如图 1 2 7 和图 1 2 8 所示 图 1 2 7 对 R3 扫描所得电路频响特性 输出功率 po 频率 f 说明 功率增益 3 pV pV kp i R 图 1 2 8 功率增益随频率的变化曲线 R3 10 欧 iv 测量功率增益下降于 1 时对应的频率 即最高振荡频率 fmax 图 1 2 8 所示为大于 600MHz 5 测量电路输入阻抗随频率的变化 利用 Ac 小信号分析 观察电路的输入阻抗 vi Z 随频率的变化规律 得到图 1 2 9 所示特性曲线 图 1 2 9 输入阳抗随频率的变化 结论 电路的输入阻抗随频率的升高而下降 在频率较低时 低于 0 5MHz 时 这种现 象尤为明显 对于本电路所设置的信号频率 1MHz 输入阻抗约为 150 顺便一提 电 路工作点对输入阻抗的影响是很大的 Ib 越大 阻抗越小 6 测量电路输出阻抗随频率的变化 i 去掉输入信号源 但保留该信号源的阻抗 即以 160 电阻取代原信号源 ii 将负载电阻去掉 换上新的信号源 Vi 相当于后级的输入 iii 用 AC 小信号分析 显示有效信号列表中的 vi Z 此参数即原电路的输出阻抗 得到图 1 2 10 所示特性曲线 图 1 2 10 输出阻抗随频率的变化规律 结论 电路的输出阻抗随频率的升高而下降 在频率较低时 低于 0 5MHz 时 这种现 象尤为明显 对于本电路所设置的信号频率 1MHz 输出阻抗约为 530 顺便一提 电 路工作点对输出阻抗的影响并不大 对于不同的 Ic 阻抗变化差不多 7 测量晶体管结电容对频率特性的影响 i 在图 1 2 1 电路的三极管各管脚间加上 20pF 电容 用来模拟结电容 图略 ii 用 Ac 小信号分析 测量特征频率 fT 在结电容影响下测得的特征频率 fT数据见下表 注 末考虑结电容影响时的特征频率 fT为 427MHz 表一 特征频率与结电容值表 特征频率 fT MHz 结电容取值 Cce 单独作用Cbe 单独作用Cbc 单独作用同时作用 20pF395375262225 结论 在高频使用时 结电容对电路的影响之一是使特征频率降低 在各个结电容中 b c 极间的结电容对频率特性的影响最大 思考题 1 按图 1 2 11 绘制基本共基电路 用上述方法 1 之 ii 对 f 值进行测量 结果表明 在 1MHz 时的 值约为 0 994 下降 0 707 倍时对应的 f 值约为 177MHz 2 用类似步骤 5 6 的方法测量图 1 2 1 电路采用型号为 2N2222 的晶体管时的输入 阻抗和输出阻抗 3 通过实验 比较结电容大小对晶体管频率特性的影响有何区别 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 19 Nov 2003Sheet of File C Program Files Design Explorer 99 SE WORK MyDesign1 DdbDrawn By C1 10u C2 10u R1 5 1k R2 10 R3 10 R4 5 1k R5 20k V2 12v Vi 1m Q BF374 V1V2V3VoVi V1 6v 图 1 2 11 三极管高频特性仿真电路 共基组态 及其交流等效电路 1 2 谐振电路仿真分析谐振电路仿真分析 1 目的 1 理解并联谐振电路的幅频特性和相频特性 2 掌握谐振频率与 L C 的关系 3 了解回路 Q 值的测量方法 理解回路频率特性与 Q 值的关系 4 了解耦合状态对双调谐回路频率特性的影响 2 原理 1 在高频电子线路中 小信号放大器和功率放大器均以并联谐振电路作为晶体管负载 放大后的输出电压从回路两端取出 因此研究并联回路的频率特性具有重要的实用意 义 2 并联谐振电路具有选频作用 其频率特性可由幅频特性 相频特性曲线体现 3 谐振回路的谐振频率取决于电感和电容的值 LC fo 2 1 4 品质因数 Q 的测量可借助公式进行 B f Q 0 5 品质因数 Q 反映 LC 回路的选择性 Q 越大 幅频特性曲线越尖锐 通频带越窄 选 择性越好 当 R 一定时 可通过减小回路 L C 比值来提高 Q 值 因为 CL R Q 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 19 Nov 2003Sheet of File C Program Files Design Explorer 99 SE WORK MyDesignaaa ddbDrawn By C 250P L 1U R 1K I 10A Vo 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 19 Nov 2003Sheet of File C Program Files Design Explorer 99 SE WORK MyDesignaaa ddbDrawn By I 10A C1 250P C2 250P L1 1U L2 1U R1 1K R2 1K NSX K L1 L2 0 5 图 1 3 1 单 双谐振电路分析仿真电路 3 电路 电路见图 1 3 1 电路说明 选取元件参数时须使 LC 回路处于谐振状态 当电感组成互感时 通过菜单 Place Text Frame 输入电感耦合参数 这一个功能在高 频电路中广泛应用 如下例所示 NSX K L1 L2 0 5 耦合描述 电感 1 电感 2 耦合度 电流源参数设置图 4 步骤 1 单调谐回路的分析 打开 PROTEL 99SE 工作界面 按图 1 3 1 要求绘制单调谐回路 用 瞬态特性分 析 观察 vo 波形 如图 2 所示 图 1 3 2 瞬态分析结果 结论 由瞬态分析结果可知 回路两端输出电压幅度为 10kV 频率约为 10MH2 可 见此时回路的等效阻抗应趋向无穷 回路处于并联谐振状态 2 频率特性的测试 以图 1 3 3 所示参数选择 AC 小信号分析 得到图 1 3 4 所示 图 1 3 3 AC 小信号分析 参数设置 相频特性曲线的显示 单独显示该波形 Single 在显示区域单击鼠标右键后 选择 scaling 命令 将 Primary 设置为 Magnitude in Decibels 将 Secondary 设置为 Phase in Radians 即可得到 结论 由幅频特性曲线和相频特性曲线均可读出谐振频率约为 10MHz 与理论值相符 谐振时 输出电压幅值达最大 且与电流源的相位差为 0 此外 幅频特性曲线还可测得 通频带约为 700kHz 利用公式可算得 Q 值约为 13 B f Q 0 图 1 3 4 幅频 相频特性曲线 观察电感和电容取值变化对频率特性的影响 如图 1 3 5 所示 电感量取值分别为 0 5 微亨 uH vo p1 l 微亨 vo p2 1 5 微亨 vo p3 的幅频特性 电容量取值分别为 150 微微法 pF vo p1 250 微微法 vo p2 350 微微法 vo p3 图 1 3 5 单回路 L 不同取值的幅频特性 结论 电感和电容的取值改变会使幅频特性曲线发生变化 具体变化情况见下表 谐振频率 fo通频带 BQ 电感 L 减小升高影响不大升高 电感 L 增大降低影响不大降低 电容 C 减小升高变宽降低 电容 C 增大降低变窄升高 图 1 3 5 单回路 C 不同取值的幅频特性 观察负载阻值 阻尼 变化对频率特性的影响 电阻值分别取 0 5k vo p1 1k vo p2 1 5k vo p3 得到图 1 3 6 所示幅频特性曲线 图 1 3 6 负载变化频率特性的影响 结论 负载阻值的改变会使幅频和相频特性曲线发生变化 具体表现为 阻值增大时 通频带变窄 Q 值变大 在阻值较小时 这种变化尤为明显 3 双调谐回路的分析 按图