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1、邯郸学院本科毕业论文题 目 基于multisim仿真实验的共射放大电路设计与研究学 生 李小赛指导教师 张 劼 教授年 级 2007级专 业 物理学系 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II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 要 单管共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，
2、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 共射放大电路 频率响应 截止频率 仿真实验 Abstract目 录摘 要IABSTRACTII1 引言12 背景介绍13 频率响应的基本概念13.1 高通电路13.2低通电路34 晶体管高频小信号模型44.1 BJT完整的混合模型44. 2 简化的混合模型54.3 混合模型的主要参数64.4 BJT的频率参数75 共射放大电路的频率响应95.1 共射放大电路的低频响应95.2 共射放大电路
3、的中频响应125.3 共射放大电路的高频响应135.4 频率改变对共射放大电路输出波形的影响166 关于共射放大电路的频率响应的讨论20参考文献21致 谢22基于multisim仿真实验的共射放大电路设计与研究1 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
4、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，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
5、、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3.1 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
6、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) 式中为输入信号的角频率，RC为回路的时间常数，令L = = ,则= = = (3.1.2) 因此，u = = = (3.1.3)将u 用其幅值与相角表示，得出 = （3.1.4a） = (3.1.4b)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
7、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， ；当时， ，表明每下降10倍，也下降10倍；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，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，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频特性曲线。图3.1.10.7071 0 图3.1.23.2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
8、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o（C两端的电压）与输入电压i之比为u，则 (3.2.1)回路的时间常数，令则 (3.2.2)将式3.2.2代入式3.2.1可得 (3.2.3)将u用其幅值及相角表示，得 （3.2.4a） (3.2.4b)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，当时，；当时，；当时，表明每升高10倍，降低10倍；当趋于无穷时，趋于零，趋于。由此可见，对于低通电路，频率越高，衰减越大，相移越大；只有当频率远低于时，o才约为i。称为上限截
9、止频率，简称上限频率，在该频率下，降到70.7%，相移为。图3.2.2为低通电路的幅频与相频特性曲线。10.7070图3.2.1图3.2.24 晶体管高频小信号模型4.1 BJT完整的混合模型图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，（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的函数，应记作。根据半导体物理的分析，晶体管的
10、受控电流与发射结电压成线性关系，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，描述对的控制关系，即。其中R5为，R6为，R7为，U1为，U2为。（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4.2 简化的混合模型在图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，而也远大于的容抗，因而可认为和开路。由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。设折合到间的电容为,折合到间的电容为。等效变换过程如下：从看进去中流过的电流为 式4
11、.2.1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 式4.2.2考虑在近似计算时，取中频值的时，所以。约为的分之一，因此 式4.2.3间总电容为 式4.2.4用同样的方法可得 式4.2.5e_+_+bc因为，且一般情况下的容抗远大于，中的电流可忽略不计，所以简化的混合模型如图4.2.1所示。图4.2.14.3 混合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 （4.3.1）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，但是它们所要表述的却是同一个物理量，即 式4.3.2由于，且如式4.3.
12、1所示，又由于通常，所以 式4.3.3 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，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。是电路的电压放大倍数，可以通过计算得到。4.4 BJT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。由H参数可知，此式也可写成，根据此式将混合模型中输出端短路，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： 式4.4.2由式4.4.1与式4.4.2可得的表达式 式4.4.3在图4.2.
13、4所示模型的有效频率范围内，因而有 式4.4.4考虑式4.3.3可得 式4.4.5由此可得 式4.4.6其中 式4.4.7可见为具有一个转折频率的频响曲线，称为共发射极截止频率，其值主要决定于管子的结构。当得频响曲线以每十倍频程的斜率下降，直至增益为时的某一频率为特征频率。当，由式4.4.6可得 式4.4.8考虑式4.3.3 和式4.4.7的关系，上式可表示为 式4.4.9一般，故 式4.4.10特征频率是BJT的重要参数，常在手册中给出。的典型数据约在1001000MHz之间。值得注意的是，当频率高于5或10时，混合模型中的电阻可以忽略不计，因而模型中的成为唯一的电阻，它对管子的高频响应呈现较大的影响。5 共射放大电路的频率响应在分析共射放大电路图的频率响应时，为方便起见，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段。在中频段时，极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小而视为短路，故不考虑它们的影响；在低频段，主要考虑耦合 电容的影响，此时极间电容仍视为开路；在高频段，主要考虑极间电容的影响，此时耦合电容（或旁路电容）仍视为短路；根据上述原则，便可得到共射放大电路在各频段的等效电路，从而得到各频段的频率响应。图5.1.1如上图，单管共射放大电路，下面将分别分析其低频、中频
