根据multisim仿真实验的共射放大电路的研究.doc
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1、.- 邯郸学院本科毕业论文邯郸学院本科毕业论文 题题 目目 基于 multisim 仿真实验的共 射放大电路设计与研究 学学 生生 李小赛 指导教师指导教师 张 劼 教授教授 年年 级级 2007 级级 专专 业业 物理学 系系 部部 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 .- 摘摘 要要 单管共
2、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。 关键词关键词 共射放大电路 频率响应 截止频率 仿真实验 .- Abstract .- 目 录 摘摘 要要 .I ABSTRACT.II 1 引言引言.1 2 背景介绍背景介绍.1 3 频率响应的基本概念频率响应的基本概念.1 3.1 高通电路 .1 3.2 低通
3、电路.3 4 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型.4 4.1 BJT 完整的混合 模型.4 4. 2 简化的混合 模型.5 4.3 混合 模型的主要参数.6 4.4 BJT 的频率参数 .7 5 共射放大电路的频率响应共射放大电路的频率响应.9 5.1 共射放大电路的低频响应 .9 5.2 共射放大电路的中频响应 .12 5.3 共射放大电路的高频响应 .13 5.4 频率改变对共射放大电路输出波形的影响 .16 6 关于共射放大电路的频率响应的讨论关于共射放大电路的频率响应的讨论.20 参考文献参考文献.21 致致 谢谢.22 .- 基于 multisim 仿真实验的共射放大电路设计与
4、研究 1 引言引言 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,
5、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
6、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频率响应的基本概念 3.13.1 高通电路高通电路 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
7、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) i o U U . . 1 R R j C 1 1 1 j C 式中 为输入信号的角频率,RC 为回路的时间常数 ,令 L = = ,则 RC 1 1 = = = (3.1.2) 因此, L f 2 L 2 1 RC2 1 .- u = = = (3.1.3) 1 1 L j 1 1 L f jf 1 L L f j f f j f 将 u 用其幅值与相角表示,
8、得出 = (3.1.4a) u A 2 1 L L f f f f = (3.1.4b) o 90arctan L f f 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,f L f1 u A0o L ff , 1 0.707 2 u A ;当时, ,表明每下降 10 倍,也下降 10 倍;45of L f1 L f f u L f f A f u A 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,f u A o 9
9、0 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, L f L f 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 o 45 频特性曲线。 .- 图 3.1.1 f 图 3.1.2 3.23.2 低通电路低通电路 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
10、o(C 两端的电压)与输入电压 i之比为 u,则 (3.2.1) 1 1 1 1 o u i Uj C jRC UR j C A 回路的时间常数,令则RC 1 H (3.2.2) 11 222 H H f RC 将式 3.2.2 代入式 3.2.1 可得 (3.2.3) 11 11 u HH f jj f A 将 u用其幅值及相角表示,得 (3.2.4a) 2 1 1 u H f f A 1 0.707 f f 0 o 90 o 45 o 0 .- (3.2.4b)arctan H f f 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 u
11、A u A 时,;当时,;当时, H ff1 u A0o H ff120.707 u A45o H ff ,表明每升高 10 倍,降低 10 倍;当趋于无穷时,趋于1 H f f H u f f Af u Af u A 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 o 90 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%, H f H f u A 相移为。图 3.2.2 为低通电路的幅频与相频特性曲线。45o 图 3.2.1 图 3.2.2 4 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型 f 1 f f 0.707 0 0 0
12、45o 90o .- 4.14.1 BJTBJT 完整的混合完整的混合模型模型 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 c r e r 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, C b c r (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 4.1.1a bb r C b e r 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 C CcI bI 的函数,应记作。根据半导体物理的分析,晶体管的受
13、控电流与发射结电压成线性关系, cI b eU 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 m g m g b eU cI 控制关系,即。其中 R5 为,R6 为,R7 为,U1 为,U2 为。c b e m Ig U b e r b c r ce r beU b eU (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 4.24.2 简化的混合简化的混合模型模型 在图 4.1.1b 所示电路中,通常情况下,远大于 c-e 间所接的负载电阻,而也远大于 ce r b c r 的容抗,因而可认为和开路。 C ce r b c r 由
14、于跨接在输入与输出回路之间,使电路的分析变得十分复杂。因此,为简单起见,将 C 等效到输入回路和输出回路中去,称为单向化。单向化是通过等效变换来实现的。设折合 C C 到间的电容为,折合到间的电容为。be CceC 等效变换过程如下:从看进去中流过的电流为b C .- 式 4.2.1 (1) b eceb e C CC UUK U I XX ce b e U K U 为保证变换的等效性,要求流过的电流仍为,而它的端电压为,因此的电抗为CCI b eU C 式 4.2.2 1 (1) Cb eb e C Cb e C X UU X IUK K X 考虑在近似计算时,取中频值的时,所以。约为的分之
15、一,因此K KK C X C X(1)K 式 4.2.3(1)(1)CK CK C 间总电容为be 式 4.2.4(1)CCCCK C 用同样的方法可得 式 4.2.5 1K CC K 因为,且一般情况下的容抗远大于,中的电流可忽略不计,所以简化的混合CC C L RC 模型如图 4.2.1 所示。 图 4.2.1 4.34.3 混合混合模型的主要参数模型的主要参数 将简化的混合模型与简化的 H 参数等效模型相比较,它们的电阻参数是完全相同的,从手 册中可查得,而 bb r bb r b e b e r _ + beU _ + b c b e m g U C .- (4.3.1)(1) T b
16、 eo EQ U r I 式中为低频段晶体管的电流放大系数。虽然利用和表述的受控关系不同,但是它们所要表 o m g 述的却是同一个物理量,即 式 4.3.2cb b e mo Ig UI 由于,且如式 4.3.1 所示,又由于通常,所以b b e b e UI r b e r1 o 式 4.3.3 EQ o m b eT I g rU 在半导体器件手册中可以查得参数,是晶体管为发射极开路时间的结电容, ob C ob Ccb 近似为。的数值可通过手册给出的特征频率和放大电路的静态工作点求解。是电C ob C C T fK 路的电压放大倍数,可以通过计算得到。 4.44.4 BJTBJT 的频
17、率参数的频率参数 BJT 的频率参数用来描述管子对不同频率信号的放大能力。常用的频率参数有共射极截止频率 、特征频率等。 f T f 由 H 参数可知,此式也可写成,根据此式将混合模型中输出 CE C fe BU i h i 0 ce c b U I I ce 端短路,则得图 4.4.1。 图 4.4.1 由图可见,集电极短路电流为 式 4.4.1()c b e mb c Igj CU 基极电流与之间的关系可以利用去乘、e 之间的阻抗来获得:bI b eU bI b bb r b e r b e C b c C b e m g V b e b c bI .- 式 4.4.2 11 (|)b b
18、 e b e b eb c UIr j Cj C 由式 4.4.1 与式 4.4.2 可得的表达式 式 4.4.3 1() c mb c b eb eb c b gj CI rjCC I 在图 4.2.4 所示模型的有效频率范围内,因而有 mb c gC 式 4.4.4 1() m b e b eb cb e g r jCCr 考虑式 4.3.3可得 o m b e g r 式 4.4.5 1() o b eb cb e jCCr 由此可得 式 4.4.6 2 1 () o f f 其中 式 4.4.7 1 2() b eb eb c f rCC 可见为具有一个转折频率的频响曲线,称为共发射极
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