基于mulisim的工作點穩(wěn)定電路頻率響應(yīng)仿真分析

基于mulisim的工作點穩(wěn)定電路頻率響應(yīng)仿真分析

在實際應(yīng)用中，語音信號、電子顯路等電子電路處理信號不是簡單的頻率信號，而是由幅和相位上具有固定比例關(guān)系的多頻率分量組成的復(fù)雜信號，即具有一定的光譜。而對這些信號頻譜的具體電路必須通過大量的實驗來輔助和加深理論學(xué)習(xí),而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在某些局限性,這無形中要求不斷改進(jìn)實驗教學(xué)效果[1?2],研究新的實驗方法和手段,以提高電路的實驗教學(xué)效果。而Multisim10.1是由美國國家儀器有限公司研發(fā)的高版本的電路模擬仿真軟件,將Multisim10.1用于電子線路實踐教學(xué)中,對傳統(tǒng)教學(xué)模式起到了很好地補充。本文以靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的頻率響應(yīng)仿真分析為例,介紹Multisim10.1在實驗電子電路教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。1放大電路對不同頻率信號的幅值放大效果會引起相位失真由于放大電路中存在電抗元件(如管子的極間電容,電路的負(fù)載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等),使得放大器可能對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和相移不同。若放大電路對不同頻率信號的幅值放大不同,就會引起幅度失真;若放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生的相移不同就會引起相位失真。幅度失真和相位失真總稱為頻率失真,而此失真是由電路的線性電抗元件(電阻、電容、電感等)引起的,故稱為線性失真。為實現(xiàn)信號不失真放大則必須要研究靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的頻率響應(yīng)(又稱頻率特性)。1.1幅頻特性指標(biāo)放大電路在輸入信號幅度不變,而僅改變輸入信號頻率的情況下,研究并考察輸出信號的幅值和相位的變化規(guī)律。它常包括幅頻特性和相頻特性。在幅頻特性曲線圖中包括下限頻率fL(當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降到0.707Au時,相應(yīng)的低頻頻率)、上限頻率fH(當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降到0.707Au時,相應(yīng)的高頻頻率)和通頻帶fBW(上限頻率和下限頻率之間的頻率范圍)等三個指標(biāo)。相頻特性曲線主要描述的是電壓放大倍數(shù)的相位角度與頻率的函數(shù)關(guān)系,它能正確的表現(xiàn)輸入信號和輸出信號相位之間的超前或滯后關(guān)系。1.2高頻放大倍數(shù)以單管共射電路為例,影響放大電路頻率響應(yīng)的主要因素大致可歸結(jié)見表1。從表1可看出:放大倍數(shù)幅值不隨頻率變化而變化,只有固定相位差;影響高頻放大倍數(shù)主要由極間電容和分布電容引起,主要計算上限截止頻率fH;影響低頻放大倍數(shù)主要由耦合電容或旁路電容引起,主要計算下限截止頻率fL。而如何更好反映出放大電路的頻率特性則需要用表達(dá)式或波特圖法來加以說明。1.3放大電路頻率響應(yīng)的表達(dá)放大電路頻率響應(yīng)可以表示成解析表達(dá)式,也可用頻率特性曲線(即波特圖)來具體分析說明。(1)應(yīng)的具體表達(dá)形式以單管共射放大電路為例,頻率響應(yīng)的具體表達(dá)形式如式(1):式中:為中頻段電壓放大倍;fL為低頻段下限頻率;fH為高頻段上限頻率。(2)性縱坐標(biāo)的電路設(shè)計實際電子電路工程中的波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性兩部分組成,橫坐標(biāo)均采用f刻度,幅頻特性縱坐標(biāo)取,單位是分貝(dB);相頻特性縱坐標(biāo)為φ。下面以低通和高通電路為例說明。低通電路如圖1所示,高通電路如圖2所示。式(2)對應(yīng)的相頻和幅頻大小如式(3)和式(4):對應(yīng)的波特幅頻特性和相頻特性如式(5)和式(6):在圖2中,令則有式(7):幅頻和相頻分別如式(8),式(9):對應(yīng)的波特幅頻特性和相頻特性如式(10)和式(11):圖1低通電路和圖2高通電路對應(yīng)的幅頻特性和相頻特性的近似波特圖分別如圖3和圖4所示。1.4混合等效變換后的理論分析常見的單管放大電路很多,在此以單管共射放大電路為例說明放大電路的頻率響應(yīng),電路如圖5所示。由于低頻段耦合電容容抗較大,故不能忽略,隔直電容與放大電路的輸入電阻構(gòu)成一個RC高通電路;而在高頻段極間電容并聯(lián)在電路中,構(gòu)成一個RC低通電路。由于篇幅有限,晶體管的混合π等效不予討論。把圖5電路進(jìn)行混合π等效等效變換后,經(jīng)理論分析,得出的的完整電壓放大倍數(shù)表達(dá)式如式(12):理論分析表明:圖5中的耦合電容C1,C2和旁路電容Ce影響放大電路的低頻特性,改變耦合電容或旁路電容所在回路的時間常數(shù)τ(=ReqC耦合后旁路)的大小(即改變電容大小或電容對應(yīng)的等效電阻),可改變下限截止頻率fL的大小;晶體管混合π模型等效參數(shù)中極間電容影響放大電路的高頻特性,同樣改變它對應(yīng)的時間常數(shù)τ(=ReqC極間)大小,可改變上限截止頻率fH的大小。當(dāng)有M個旁路或耦合電容同時影響fL時,最終的下限截止頻率fL按照其中最大的計算;同樣有N個極間電容或分布電容同時影響fH時,最終的上限截止頻率fH按照最小的計算。圖5對應(yīng)完整的幅頻特性和相頻特性的近似波特圖如圖6所示。為更好地說明放大電路的頻率響應(yīng),下面以單管共射電路為例來仿真分析放大電路的頻率特性。2頻率響應(yīng)測試(1)測試在典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路中,改變旁路電容和耦合電容大小會引起什么樣的頻率響應(yīng);目的是觀測波特圖中改變耦合電容或旁路電容的大小是否影響放大電路下限截止頻率fL的變化。(2)測試并觀察改變靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路中的射極電阻Re的大小引起什么樣的頻率響應(yīng);目的是觀測波特圖中改變發(fā)射極電阻Re大小是否影響上限截止頻率fH的變化。3用于模擬10.1的二進(jìn)制西米軟件3.1虛擬仿真電路按實際要求在電子仿真軟件Multisim10.1的軟件平臺上搭建如圖7所示的虛擬仿真電路。耦合電容和旁路電容大小均設(shè)置為10μF,射極電阻為1kΩ。信號源大小為1mV,頻率為1kHz的交流源,晶體管選擇高頻小信號管子ZTX325型號,各電阻大小如圖7中所示,工作電壓VCC=12V。3.2u3000ce的大小改變對應(yīng)的下限截止頻率fl(1)改變旁路電容Ce的大小。令圖7中Ce=10μF,Ce1=100μF,其余參數(shù)不變。開啟仿真開關(guān),雙擊波特儀XBP1和XBP2(參數(shù)設(shè)置如圖中所示),觀察幅頻特性。移動指針可看到在Ce=10μF時,從水平33.491dB下降3dB(約30.531dB)后觀察的頻率是1.577kHz;當(dāng)Ce1=100μF時,從水平33.499dB下降3dB(約30.495dB)后觀察的頻率是174.485Hz。這說明改變Ce的大小對應(yīng)的下線截止頻率變化較大,最終的下限截止頻率fH約是Ce對應(yīng)的下限截止頻率。按照理論Ce(=10μF)對應(yīng)的頻率表達(dá)式為,而統(tǒng)籌考慮整個電路的下限截止頻率后約等于1.563kHz,其值遠(yuǎn)小于C1對應(yīng)的下限頻率(見下);而改變Ce從10~100μF后,經(jīng)理論計算fL≈0.1726kHz。Ce的大小改變對應(yīng)的下限截止頻率經(jīng)過理論計算與圖7改變Ce的大小后虛擬仿真的fL值分析結(jié)果是基本相等的。這說明改變Ce的大小使得整個電路的下限截止頻率fL變化受其影響較大。(2)改變旁路電容C1的大小。令圖7中C1從10μF變?yōu)?00μF,Ce=10μF,其余參數(shù)不變。開啟仿真開關(guān),雙擊波特儀XBP1,仿真結(jié)果如圖8所示。觀察幅頻特性,移動讀數(shù)指針看到在C1=10μF時,從水平讀數(shù)33.499dB下降3dB后(約30.531dB)觀察的下限截止頻率約為1.577kHz;當(dāng)C1=100μF時,從水平讀數(shù)33.499dB下降3dB后(約30.579dB)觀察的下限截止頻率fL仍約為1.577kHz。這說明改變C1的大小使得整個電路的下限截止頻率fL變化受其影響較小。按照理論C1(=10μF)時來計算(C1對應(yīng)頻率表達(dá)式為,統(tǒng)籌考慮整個電路后最終的下限截止頻率約等于1.569kHz;改變C1從10μF到100μF后,經(jīng)理論計算整個電路最終的下線截止頻率頻率fL仍為1.569kHz。理論計算與圖7的仿真分析結(jié)果是基本相符合的。通過比較上述(1)和(2)的分析結(jié)果,說明改變C1和Ce的大小它們各自的下限頻率雖然不同,但整個電路的最終下限截止頻率fL是由Ce對應(yīng)的下限頻率來決定的。3.3虛擬仿真分析由于發(fā)射極電阻Re大小決定了靜態(tài)工作點IEQ的大小,而它的大小又決定跨導(dǎo)gm大小,gm的大小又決定極間電容C′π的大小,而C′π的大小最終影響整個放大電路的最終上限截止頻率fH的大小。如果僅改變圖7的發(fā)射極電阻讓Re從1kΩ變?yōu)?.2kΩ,電容大小均為10μF,其余參數(shù)不變,電路如圖9所示。打開圖9中的仿真開關(guān)并雙擊波特儀表,當(dāng)Re=1kΩ時,移動讀數(shù)指針從水平33.499dB下降3dB后(約30.537dB)對應(yīng)的上限截止頻率讀數(shù)fH=228.546MHz;當(dāng)Re=1.2kΩ時,移動讀數(shù)指針從水平32.296dB下降3dB后(約29.294dB)對應(yīng)的fH=244.5MHz。按照極間電容對應(yīng)的上限截止頻率計算公式:。經(jīng)過理論分析計算可得:當(dāng)Re=1kΩ時,fH≈227.93MHz;當(dāng)Re=1.2kΩ時,fH≈243.73MHz。虛擬仿真分析的結(jié)果基本與理論計算相吻合。這進(jìn)一步說明了當(dāng)Re改變,Q點的靜態(tài)電流IEQ大小會改變,從而影響跨導(dǎo)gm和極間電容C′π,其大小最終決定了上限截止頻率fH的大小。3.4不同濾波器中耦合電容、旁路電容和發(fā)射極電阻的仿真研究由3.2節(jié)和3.3節(jié)的虛擬仿真可得出圖7在分別改變耦合電容、旁路電容和發(fā)射極電阻的大小時(見圖8和圖9所示),從不同仿真的波特分析儀來觀察的幅頻特性圖和頻率的變化見表2。4保護(hù)電路實現(xiàn)理論分析與實驗同步進(jìn)行當(dāng)基本放大電路的耦合電容從C1從10μF變?yōu)?00μF時,放大電路的下限截止頻率基本不變;而當(dāng)旁路電容Ce從10μF到100μF時放大電路的下限截止頻率明顯減小。這說明了兩點:一是Ce所在的回路等效電阻最小,因此想改變電路的低頻特性應(yīng)增大Ce;二是在分析放大電路的下限截止頻率時,耦合電容C1,C2或旁路電容Ce所在的回路時間常數(shù)τ哪個最小,則該電容所確定的下限截止頻率就是整個電路的下限截止頻率fL。故沒必要再計算其余電容所確定的下限截止頻率,因此計算前的分析是非常重要的。在靜態(tài)工作點(即Q點)穩(wěn)定的放大電路中,當(dāng)發(fā)射極電阻Re從1kΩ變?yōu)?.2kΩ時,放大管的發(fā)射極靜態(tài)電流IEQ減小,導(dǎo)致跨導(dǎo)gm減小,從而導(dǎo)致極間電容C′π減小,使放大電路最終的最終上限截止頻率fH增大。上述現(xiàn)象一方面說明電路放大倍數(shù)(增益)與帶寬的矛盾關(guān)系,另一方面又說明了等效電容與靜態(tài)工作點有關(guān),即Q點的設(shè)置會影響放大電路的上