Mul基础电路及其仿真 3

第5章双极型晶体管电路双极型晶体管是电子电路中应用极为广泛的电子器件，它在电路中的工作状态包括静态和动态：静态主要分析晶体管的静态参数动态主要研究电路的动态参数及其波形和频率特性等Multisim仿真分析方法：瞬态分析交流分析直流分析参数扫描本章知识结构图5.1工作点稳定的偏置电路本节概述晶体管是对温度较敏感的电子器件，寻求一种工作点稳定的偏置电路是非常必要的。利用负反馈原理来实现工作点的稳定，是人们常用的一种方法。5.1.1电路

图5-1工作点稳定的偏置电路

5.1.1电路—设计实例

5.1.1电路—设计实例（续）

所以，有

5.1.2仿真仿真验证

βI_CQ(mA)1000.9311200.9421400.9501600.9571800.962结论

5.2共发射极放大电路本节概述在工作点稳定的偏置电路基础上：输入耦合信号源经耦合电容接基极输出耦合集电极经耦合电容接负载旁路接地发射极经旁路电容接地这就构成了共发射极放大电路（简称共射电路）。5.2.1电路共发射极放大电路结构(a)电路(b)交流通路图5-2共发射极放大电路电原理图共射电路定义信号输入端为基极，输出端为集电极，发射极为输入回路和输出回路的公共端。5.2.1电路—主要参数几个主要参数：

特点：共射放大电路既有电压放大能力，又有电流放大能力，即具有较高的功率增益。5.2.2仿真—共射电路基本仿真仿真参数设置：

(a)仿真图测试结果：I_EQ=1.69mA输出电压有效值：836mV，输入电压有效值：5.20mV电压增益=836/5.20=161源电压增益=836/7.07=118，与理论值基本吻合5.2.2仿真—输入输出波形瞬态分析（输入输出波形）：(b)输入（细线）、输出（粗线）波形图5-3共射电路仿真结论输出波形与输入波形反相（左轴为输出，右轴为输入）5.2.2仿真—频率特性

(a)仿真图(b)幅频特性和相频特性图5-4共射电路频率特性仿真测试结果：

5.2.2仿真—电压增益可调的共射电路设计思路：

图5-5电压增益可调的共射电路

电压增益表达式：5.2.2仿真—电压增益可调设计实例

仿真验证：

(a)10倍共射电路(b)30倍共射电路图5-6电压增益可调的共射电路5.3共集电极放大电路本节概述在工作点稳定的偏置电路基础上：输入耦合信号源经耦合电容接基极输出耦合发射极经耦合电容接负载旁路接地集电极经旁路电容接地这就构成了共集电极放大电路（简称共集电路）。5.3.1电路共集电极放大电路结构(a)电路(b)交流通路图5-7共集电极放大电路电原理图共集电路定义信号输入端为基极，输出端为发射极，集电极为输入回路和输出回路的公共端。5.3.1电路—简化形式简化的共集放大电路图5-8简化的共集放大电路

保证了晶体管的正常工作

5.3.1电路—主要参数几个主要参数：

特点：输出电压与输入电压大小相等、相位相同；输入电阻大，输出电阻小。5.3.2仿真—基本频率特性

测试结果：电压增益：0.92上限频率：约118MHz（远大于共射电路的982kHz）(a)仿真图(b)幅频特性和相频特性图5-9共集放大电路仿真5.3.2仿真—源内阻和结电容的影响

(a)不同信号源内阻时的幅频特性(b)不同结电容时的幅频特性图5-10源内阻和结电容对共集电路上限频率的影响

上限频率

7.3GHz

725MHz

118MHz结论：内阻越小，上限频率越高。

5.3.2仿真—共集—共射—共集组态设计思路：信号源与共射电路之间接共集电路（减小源内阻对上限频率的影响）共射电路与负载之间接共集电路（减小负载电容对上限频率的影响）仿真结果：参数原共射电路共集—共射—共集总增益41.5dB42.4dB（略有提高）上限频率982kHz11MHz（大幅提高）下限频率154Hz

注：阻容耦合方式受耦合电容、旁路电容影响，下限频率不易做得很低，但各级Q点可独立调整。(a)仿真图(b)幅频特性图5-11共集一共射一共集组态电路仿真5.4共基极放大电路本节概述在工作点稳定的偏置电路基础上：输入耦合信号源经耦合电容接发射极输出耦合集电极经耦合电容接负载旁路接地基极经旁路电容接地这就构成了共基极放大电路（简称共基电路）。5.4.1电路共基极放大电路结构(a)电路(b)交流通路图5-12共基极放大电路电原理图共基电路定义信号输入端为发射极，输出端为集电极，基极为输入回路和输出回路的公共端。5.4.1电路—主要参数几个主要参数：

特点：输出电流与输入电流大小相等、相位相同；输入电阻小，输出电阻大。5.4.2仿真—基本频率特性

测试结果：电压增益：14dB上限频率：约30MHz（远大于共射电路的982kHz）(a)仿真图(b)幅频特性和相频特性图5-13共基电路的仿真分析5.4.2仿真—共射—共基组态电路共射—共基组态设计思路：

仿真结果：参数原共射电路共射—共基总增益41.5dB41.3dB（基本相同）上限频率982kHz8.4MHz（大幅提高）下限频率154Hz

(a)仿真图(b)幅频特性和相频特性图5-14共射一共基组态电路的仿真5.4.2仿真—共集—共射—共基组态电路共集—共射—共基组态：在信号源与共射电路之间再接入共集电路，进一步减小源内阻影响。仿真结果：参数共射—共基共集—共射—共基总增益41.3dB43.1dB（提高）上限频率8.4MHz41.3MHz（大幅提高）下限频率155.5Hz

(a)仿真图(b)幅频特性图5-15共集一共射一共基组态电路仿真5.5电流源电路本节概述电流源在电路中的三大作用：①稳定直流偏置为各级电路提供稳定的直流偏置电流②有源负载作为单级放大电路的有源负载（交流电阻很大），以提高放大电路的增益③电流模式电路电流模式电路的最小单元5.5.1电路—基本电流镜图5-16基本电流镜

输出电流：

基准电流：输出电阻：

5.5.1电路—基本三晶体管电流镜图5-17基本三晶体管电流镜基准电流：输出电流：输出电阻：

5.5.1电路—Cascode电流镜将两个基本电流镜级联，得到Cascode电流镜：图5-18Cascode电流镜基准电流：

输出电流：

输出电阻：

5.5.1电路—Wilson电流镜通过电流负反馈来改善输出性能：图5-19Wilson电流镜基准电流：输出电流：输出电阻：

5.5.1电路—Widlar电流镜适合产生小电流的电流源：图5-20Widlar电流镜基准电流：输出电流（满足关系）：输出电阻：

5.5.1电路—多路电流镜

图5-21多路电流镜若所用晶体管均相同，则每路电流与基准电流的关系为：

5.5.2仿真—基本电流镜基本电流镜仿真图：

图5-22基本电流镜仿真图

(a)负载特性

(b)三极管放大倍数的影响图5-23基本电流镜仿真结果5.5.2仿真—传输函数分析与各电流镜输出电阻基本电流镜输出电阻仿真值：74.81350kΩ

图5-24传输函数分析表5-1不同电流镜输出电阻仿真结果电流镜类型输出电阻基本电流镜74.81350kΩ三晶体管74.64673kΩCascode8.18445MΩWilson6.30119MΩWidlar48.92541MΩ5.5.2仿真—各种电流镜仿真图(a)三晶体管电流镜(b)Cascode电流镜图5-25各种电流镜仿真图(c)Wilson电流镜(d)Widlar电流镜图5-25各种电流镜仿真图5.6差分放大电路本节概述差分放大电路的特点：放大差模信号，抑制共模信号优势较单端输入放大电路有明显优势应用在集成电路中有着极为广泛的应用5.6.1电路—基本差分电路差分电路的基本形式图5-26差分电路的基本形式为了更好地"放大差模信号，抑制共模信号"，可考虑电流源偏置。5.6.1电路—带有源负载的差分放大电路图5-27带有源负载的差分放大电路电路说明：T_3、T_4构成基本电流镜，作为T_1、T_2差分电路的有源负载，电路采用单端输出T_5、T_6构成基本电流镜：T_5为T_1、T_2提供工作电流；电流源T_5具有极高的交流电阻，对共模信号有极强的负反馈作用，抑制共模信号，对差模信号无影响在单端输出时，该电路具有更高的共模抑制比（CMRR）5.6.2仿真—实际电流源偏置的差分电路

图5-28实际电流源偏置的差分电路

5.6.2仿真—差模信号作用

(a)仿真图(b)输入波形(c)输出波形图5-29差模信号作用于差分电路分析结论：每一半为共射电路，输出为放大的正弦波，相位与基极信号相反

5.6.2仿真—共模信号作用仿真条件：两个输入信号电压幅值相等，相位相同（纯共模输入）(a)仿真图(b)输入波形(c)输出波形图5-30共模信号作用于差分电路分析结论：T_1、T_2射极电位幅值约为1mV（不再是交流"地"）单端输出峰峰值：(-177.7136)-(-177.8119)=0.0983mV单端输出共模增益≈0.049（R_Q=50kΩ时）双端输出共模增益=0增大R_Q可降低共模增益：R_Q=100kΩ时，共模增益约为0.0245.6.2仿真—任意输入信号作用表5-2差模、共模分量和输出电压幅值输入信号差模、共模分量输出电压（Q1和Q2集电极）

186.4mV和178.0mV

96.7mV和86.9mV

共模抑制比（CMRR）：(a)仿真图(b)Q1（细线）和Q2（粗线）集电极电压波形图5-31任意输入信号作用于差分电路5.6.2仿真—设计题（CMRR=95dB）设计要求：设计一个差分放大电路，使CMRR=95dB电路分析：

CMRR表达式：

计算结果：

电流镜选型：

5.6.2仿真—设计题仿真验证Multisim仿真：

仿真测试结果：静态：Q3集电极电流为1mA（符合要求）差模增益：39.0228dB共模增益：-63.5571dB

图5-32设计题仿真5.7互补对称放大电路本节概述多级放大电路后需要一个输出级，能向负载提供足够大的信号电压和电流。互补对称放大电路的特点：隔离作用具有很好的隔离作用带负载能力具有极强的带负载能力最大输出保证最大不失真输出电压尽可能大零输入零输出实现输入为零时输出也为零5.7.1电路—互补对称型双向射极跟随器图5-33互补对称型双向射极跟随器交越失真问题：

5.7.1电路—改进方案互补输出电路的改进：①电阻偏置的互补输出电路图5-34电阻偏置的互补输出电路②二极管偏置的互补输出电路图5-35二极管偏置的互补输出电路5.7.1电路—改进方案（续）

④采用复合管的准互补输出电路图5-37采用复合管的准互补输出电路5.7.2仿真—交越失真交越失真仿真：(a)仿真图(b)直流电压传输特性(c)输入（细线）和输出（粗线）波形图5-38互补输出电路的仿真测试结果：导通时曲线斜率≈1（仿真约0.989），等同于射极跟随器输入幅值3V，输出幅值约2.3V（小约0.7V），且出现交越失真5.7.2仿真—消除交越失真方法一（1）集电极-基极短接的NPN和PNP偏置：Q1和Q2相同，Q3和Q4相同(a)仿真电路(b)输入输出波形（下为输入，上为输出）图5-39集电极-基极短接的NPN和PNP偏置仿真图结论：输出波形没有明显的交越失真。5.7.2仿真—消除交越失真方法二（2）射极跟随器偏置(a)仿真电路(b)输入输出波形图5-40射极跟随器偏置的互补输出电路仿真结论：输出波形没有明显的交越失真。5.7.2仿真—准互补输出电路准互补输出电路仿真：

结论输出波形已无明显的交越失真，测得失真度为1.488%。(a)仿真图(b)输出波形图5-41准互补输出电路仿真5.8应用电路设计任务：基于差分电路和共射电路，设计一个电压放大电路设计要求：①零输入零输出当输入电压为零时，输出电压也为零②总电压增益

③器件参数

5.8.1电路差分-共射放