基于mulisim的工作点稳定电路频率响应仿真分析

基于mulisim的工作点稳定电路频率响应仿真分析

在实际应用中，语音信号、电子显路等电子电路处理信号不是简单的频率信号，而是由幅和相位上具有固定比例关系的多频率分量组成的复杂信号，即具有一定的光谱。而对这些信号频谱的具体电路必须通过大量的实验来辅助和加深理论学习,而传统的实验教学存在某些局限性,这无形中要求不断改进实验教学效果[1⁃2],研究新的实验方法和手段,以提高电路的实验教学效果。而Multisim10.1是由美国国家仪器有限公司研发的高版本的电路模拟仿真软件,将Multisim10.1用于电子线路实践教学中,对传统教学模式起到了很好地补充。本文以静态工作点稳定电路的频率响应仿真分析为例,介绍Multisim10.1在实验电子电路教学中的广泛应用。1放大电路对不同频率信号的幅值放大效果会引起相位失真由于放大电路中存在电抗元件(如管子的极间电容,电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等),使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。若放大电路对不同频率信号的幅值放大不同,就会引起幅度失真;若放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真,而此失真是由电路的线性电抗元件(电阻、电容、电感等)引起的,故称为线性失真。为实现信号不失真放大则必须要研究静态工作点稳定电路的频率响应(又称频率特性)。1.1幅频特性指标放大电路在输入信号幅度不变,而仅改变输入信号频率的情况下,研究并考察输出信号的幅值和相位的变化规律。它常包括幅频特性和相频特性。在幅频特性曲线图中包括下限频率fL(当电压放大倍数下降到0.707Au时,相应的低频频率)、上限频率fH(当电压放大倍数下降到0.707Au时,相应的高频频率)和通频带fBW(上限频率和下限频率之间的频率范围)等三个指标。相频特性曲线主要描述的是电压放大倍数的相位角度与频率的函数关系,它能正确的表现输入信号和输出信号相位之间的超前或滞后关系。1.2高频放大倍数以单管共射电路为例,影响放大电路频率响应的主要因素大致可归结见表1。从表1可看出:放大倍数幅值不随频率变化而变化,只有固定相位差;影响高频放大倍数主要由极间电容和分布电容引起,主要计算上限截止频率fH;影响低频放大倍数主要由耦合电容或旁路电容引起,主要计算下限截止频率fL。而如何更好反映出放大电路的频率特性则需要用表达式或波特图法来加以说明。1.3放大电路频率响应的表达放大电路频率响应可以表示成解析表达式,也可用频率特性曲线(即波特图)来具体分析说明。(1)应的具体表达形式以单管共射放大电路为例,频率响应的具体表达形式如式(1):式中:为中频段电压放大倍;fL为低频段下限频率;fH为高频段上限频率。(2)性纵坐标的电路设计实际电子电路工程中的波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成,横坐标均采用f刻度,幅频特性纵坐标取,单位是分贝(dB);相频特性纵坐标为φ。下面以低通和高通电路为例说明。低通电路如图1所示,高通电路如图2所示。式(2)对应的相频和幅频大小如式(3)和式(4):对应的波特幅频特性和相频特性如式(5)和式(6):在图2中,令则有式(7):幅频和相频分别如式(8),式(9):对应的波特幅频特性和相频特性如式(10)和式(11):图1低通电路和图2高通电路对应的幅频特性和相频特性的近似波特图分别如图3和图4所示。1.4混合等效变换后的理论分析常见的单管放大电路很多,在此以单管共射放大电路为例说明放大电路的频率响应,电路如图5所示。由于低频段耦合电容容抗较大,故不能忽略,隔直电容与放大电路的输入电阻构成一个RC高通电路;而在高频段极间电容并联在电路中,构成一个RC低通电路。由于篇幅有限,晶体管的混合π等效不予讨论。把图5电路进行混合π等效等效变换后,经理论分析,得出的的完整电压放大倍数表达式如式(12):理论分析表明:图5中的耦合电容C1,C2和旁路电容Ce影响放大电路的低频特性,改变耦合电容或旁路电容所在回路的时间常数τ(=ReqC耦合后旁路)的大小(即改变电容大小或电容对应的等效电阻),可改变下限截止频率fL的大小;晶体管混合π模型等效参数中极间电容影响放大电路的高频特性,同样改变它对应的时间常数τ(=ReqC极间)大小,可改变上限截止频率fH的大小。当有M个旁路或耦合电容同时影响fL时,最终的下限截止频率fL按照其中最大的计算;同样有N个极间电容或分布电容同时影响fH时,最终的上限截止频率fH按照最小的计算。图5对应完整的幅频特性和相频特性的近似波特图如图6所示。为更好地说明放大电路的频率响应,下面以单管共射电路为例来仿真分析放大电路的频率特性。2频率响应测试(1)测试在典型的静态工作点稳定电路中,改变旁路电容和耦合电容大小会引起什么样的频率响应;目的是观测波特图中改变耦合电容或旁路电容的大小是否影响放大电路下限截止频率fL的变化。(2)测试并观察改变静态工作点稳定电路中的射极电阻Re的大小引起什么样的频率响应;目的是观测波特图中改变发射极电阻Re大小是否影响上限截止频率fH的变化。3用于模拟10.1的二进制西米软件3.1虚拟仿真电路按实际要求在电子仿真软件Multisim10.1的软件平台上搭建如图7所示的虚拟仿真电路。耦合电容和旁路电容大小均设置为10μF,射极电阻为1kΩ。信号源大小为1mV,频率为1kHz的交流源,晶体管选择高频小信号管子ZTX325型号,各电阻大小如图7中所示,工作电压VCC=12V。3.2u3000ce的大小改变对应的下限截止频率fl(1)改变旁路电容Ce的大小。令图7中Ce=10μF,Ce1=100μF,其余参数不变。开启仿真开关,双击波特仪XBP1和XBP2(参数设置如图中所示),观察幅频特性。移动指针可看到在Ce=10μF时,从水平33.491dB下降3dB(约30.531dB)后观察的频率是1.577kHz;当Ce1=100μF时,从水平33.499dB下降3dB(约30.495dB)后观察的频率是174.485Hz。这说明改变Ce的大小对应的下线截止频率变化较大,最终的下限截止频率fH约是Ce对应的下限截止频率。按照理论Ce(=10μF)对应的频率表达式为,而统筹考虑整个电路的下限截止频率后约等于1.563kHz,其值远小于C1对应的下限频率(见下);而改变Ce从10~100μF后,经理论计算fL≈0.1726kHz。Ce的大小改变对应的下限截止频率经过理论计算与图7改变Ce的大小后虚拟仿真的fL值分析结果是基本相等的。这说明改变Ce的大小使得整个电路的下限截止频率fL变化受其影响较大。(2)改变旁路电容C1的大小。令图7中C1从10μF变为100μF,Ce=10μF,其余参数不变。开启仿真开关,双击波特仪XBP1,仿真结果如图8所示。观察幅频特性,移动读数指针看到在C1=10μF时,从水平读数33.499dB下降3dB后(约30.531dB)观察的下限截止频率约为1.577kHz;当C1=100μF时,从水平读数33.499dB下降3dB后(约30.579dB)观察的下限截止频率fL仍约为1.577kHz。这说明改变C1的大小使得整个电路的下限截止频率fL变化受其影响较小。按照理论C1(=10μF)时来计算(C1对应频率表达式为,统筹考虑整个电路后最终的下限截止频率约等于1.569kHz;改变C1从10μF到100μF后,经理论计算整个电路最终的下线截止频率频率fL仍为1.569kHz。理论计算与图7的仿真分析结果是基本相符合的。通过比较上述(1)和(2)的分析结果,说明改变C1和Ce的大小它们各自的下限频率虽然不同,但整个电路的最终下限截止频率fL是由Ce对应的下限频率来决定的。3.3虚拟仿真分析由于发射极电阻Re大小决定了静态工作点IEQ的大小,而它的大小又决定跨导gm大小,gm的大小又决定极间电容C′π的大小,而C′π的大小最终影响整个放大电路的最终上限截止频率fH的大小。如果仅改变图7的发射极电阻让Re从1kΩ变为1.2kΩ,电容大小均为10μF,其余参数不变,电路如图9所示。打开图9中的仿真开关并双击波特仪表,当Re=1kΩ时,移动读数指针从水平33.499dB下降3dB后(约30.537dB)对应的上限截止频率读数fH=228.546MHz;当Re=1.2kΩ时,移动读数指针从水平32.296dB下降3dB后(约29.294dB)对应的fH=244.5MHz。按照极间电容对应的上限截止频率计算公式:。经过理论分析计算可得:当Re=1kΩ时,fH≈227.93MHz;当Re=1.2kΩ时,fH≈243.73MHz。虚拟仿真分析的结果基本与理论计算相吻合。这进一步说明了当Re改变,Q点的静态电流IEQ大小会改变,从而影响跨导gm和极间电容C′π,其大小最终决定了上限截止频率fH的大小。3.4不同滤波器中耦合电容、旁路电容和发射极电阻的仿真研究由3.2节和3.3节的虚拟仿真可得出图7在分别改变耦合电容、旁路电容和发射极电阻的大小时(见图8和图9所示),从不同仿真的波特分析仪来观察的幅频特性图和频率的变化见表2。4保护电路实现理论分析与实验同步进行当基本放大电路的耦合电容从C1从10μF变为100μF时,放大电路的下限截止频率基本不变;而当旁路电容Ce从10μF到100μF时放大电路的下限截止频率明显减小。这说明了两点:一是Ce所在的回路等效电阻最小,因此想改变电路的低频特性应增大Ce;二是在分析放大电路的下限截止频率时,耦合电容C1,C2或旁路电容Ce所在的回路时间常数τ哪个最小,则该电容所确定的下限截止频率就是整个电路的下限截止频率fL。故没必要再计算其余电容所确定的下限截止频率,因此计算前的分析是非常重要的。在静态工作点(即Q点)稳定的放大电路中,当发射极电阻Re从1kΩ变为1.2kΩ时,放大管的发射极静态电流IEQ减小,导致跨导gm减小,从而导致极间电容C′π减小,使放大电路最终的最终上限截止频率fH增大。上述现象一方面说明电路放大倍数(增益)与带宽的矛盾关系,另一方面又说明了等效电容与静态工作点有关,即Q点的设置会影响放大电路的上