孫一萍， 葉建芳， 劉婉茹

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

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基于Multisim 13.0調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點(diǎn)研究

孫一萍， 葉建芳， 劉婉茹

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

運(yùn)用Multisim13.0仿真軟件強(qiáng)大的電路仿真分析功能，對(duì)如何準(zhǔn)確進(jìn)行調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行探究。通過靈敏度分析定量地分析調(diào)諧放大器中影響靜態(tài)工作點(diǎn)的元件；利用參數(shù)掃描分析對(duì)偏置電路上偏置電阻進(jìn)行設(shè)置并驗(yàn)證合理設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性；在兼顧放大器增益以及靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性兩個(gè)因素的條件下,借助參數(shù)掃描分析和溫度掃描分析對(duì)發(fā)射極電阻值進(jìn)行設(shè)置。結(jié)果直觀、精確,很好地驗(yàn)證了理論, 借助仿真分析實(shí)現(xiàn)了定性分析到定量分析的跨越，表明該軟件有強(qiáng)大的仿真和分析功能,在實(shí)現(xiàn)高頻電路分析和設(shè)計(jì)方面不僅高效、可靠,而且具有逼近真實(shí)電路的效果。

Multisims13.0; 靜態(tài)工作點(diǎn); 調(diào)諧放大器

0 引 言

高頻調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路,廣泛應(yīng)用于廣播、雷達(dá)、通信等接收設(shè)備[1-3],其主要功能是從所接收的眾多電信號(hào)中,選出有用的信號(hào)并加以放大,而對(duì)其他無用信號(hào)、干擾與噪聲進(jìn)行抑制,以提高信號(hào)質(zhì)量和抗擾能力。調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)包括電壓增益、諧振頻率、通頻帶、選擇性等[4]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，融合現(xiàn)代化教學(xué)方法和先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助分析和電路綜合設(shè)計(jì)能力，已成為通信電路教學(xué)的必然選擇。論文將以Multisim.13.0為仿真，對(duì)如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確設(shè)置調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點(diǎn)展開深入研究。

1 交互式Multisim13.0 仿真軟件

NI Multisim13.0是EDA應(yīng)用軟件之一，該軟件平臺(tái)將原理圖輸入、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE仿真集成在同一環(huán)境中完成電路行為分析。它豐富的元件庫提供了16 000多個(gè)組件,全部采用實(shí)際模型,產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和圖形,為高頻電子線路整體分析與改進(jìn)提供了一條捷徑[5-8]。學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)基本理論預(yù)測(cè)電路行為，借助Multisim豐富的元件庫以及強(qiáng)大的仿真引擎，創(chuàng)建交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，如圖1所示。在Multisim中可同時(shí)使用多個(gè)儀器，這意味著可以同時(shí)分析觀察多種電路的運(yùn)行特性，圖1中用波特儀觀察放大器幅頻、相頻特性的同時(shí)，又用示波器觀察信號(hào)的時(shí)域波形。運(yùn)行Multisim中提供的仿真控件，系統(tǒng)立即非常直觀地給出如圖2所示的仿真結(jié)果。在仿真環(huán)境中可方便的改變電路元件參數(shù)，并通過測(cè)試儀器觀察對(duì)電路特性產(chǎn)生的影響，從而非常完美的解決了電子學(xué)教學(xué)中“如果……會(huì)怎么樣”的問題。鼓勵(lì)學(xué)生參與交互仿真過程，讓學(xué)生探索“假設(shè)”情景，可加深學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)基本理論的理解，掌握影響電路性能的關(guān)鍵因素，提高電路設(shè)計(jì)水平。

圖1 交互式仿真環(huán)境 圖2 仿真分析結(jié)果

2 調(diào)諧放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析

在分析放大電路時(shí)，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”原則[9]，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)是確保后續(xù)交流信號(hào)動(dòng)態(tài)分析的重要基礎(chǔ)。論文以中心頻率為3 MHz的調(diào)諧放大器為例，運(yùn)用Multisim13.0對(duì)調(diào)諧放大器中影響放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的元件，放大電路的基極上偏置電阻設(shè)置以及發(fā)射極電阻對(duì)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用進(jìn)行了深入地探討。

2.1 電路仿真模型的創(chuàng)建

進(jìn)入Multisim電路設(shè)計(jì)界面,選取所需元器件編輯電路圖,建立高頻單調(diào)諧放大電路仿真模型如圖3所示。該共發(fā)射極單調(diào)諧放大器采用的是最典型的分壓偏置電路，為了減少放大器增益對(duì)發(fā)射結(jié)電阻的依賴并提高放大器增益的穩(wěn)定性,發(fā)射極電阻采用部分非旁路電阻的形式[10]。波特儀器XBP1用來觀察放大器輸出信號(hào)的幅頻特性以及相頻特性，XSC1示波器用來觀察輸入輸出信號(hào)的時(shí)域波形。改變仿真平臺(tái)中偏置電路元件的參數(shù)，運(yùn)行Multisim中仿真控件，測(cè)試儀器立即非常直觀地給出仿真分析結(jié)果，為準(zhǔn)確高效的電路設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

2.2 靜態(tài)工作特性仿真分析

靈敏度是指電路中節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流對(duì)電路中元件參數(shù)變化的敏感程度，即電路中元件參數(shù)的變化引起電路中輸出電壓或電流變化的程度[11-12]。通過仿真分析中的靈敏度分析可以得出電路中的各元件對(duì)電壓變化的靈敏度，靈敏度越高代表元件對(duì)電壓的影響越大，通過分析可準(zhǔn)確定位圖3中對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)具有重要影響的元器件。

圖3 單調(diào)諧放大電路仿真模型

表1給出仿真分析中需要用到晶體三極管各極對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。

表1 三極管各極對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)

表中三極管的C;B;E極分別對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)是2、3、16，節(jié)點(diǎn)電壓U(2)、U(3)、U(16)分別代表UC、UB、UE。

研究晶體管集射極間管壓降對(duì)電路元件R5、R4、R3、R2、R1、UC變化的敏感程度，執(zhí)行Simulate菜單命令中的Analyses/Sensitivity Analysis，進(jìn)行靈敏度分析，在配置面板中編輯輸出電壓節(jié)點(diǎn)公式U(2)-U(16)(集射極間管壓降UCE)。然后點(diǎn)擊simulate進(jìn)行分析，仿真結(jié)果見表2。

表2 靈敏度分析結(jié)果

表中的rr5;rr4;rr3;rr2;rr1及Ucc分別與R5、R4、R3、R2、R1及UC對(duì)應(yīng)。仿真結(jié)果給出元件值每單位變化所造成的UCE電壓的變化，靈敏度越大說明元件對(duì)集射極間管壓降UCE影響越大。其中對(duì)UCE影響最大的是直流電壓源UC；電阻元件中R2對(duì)直流工作點(diǎn)靈敏度為0代表R2對(duì)UCE無影響，同樣位于發(fā)射極的兩個(gè)電阻R5、R4對(duì)UCE的影響相同，電阻元件的靈敏度表現(xiàn)為R1>R3>R4=R5，即同為基極偏置電阻的R1、R3對(duì)UCE的影響較發(fā)射極電阻R5、R4大。仿真結(jié)果表明：基極的上下偏置電阻和發(fā)射極電阻以及直流電源UCC共同決定了靜態(tài)工作點(diǎn)，與電路理論吻合，且實(shí)現(xiàn)了定性分析到定量分析的跨越。

2.3 上偏置電阻R3的設(shè)置

用參數(shù)掃描分析， 的掃描范圍設(shè)為0～50 kΩ,輸出選擇集電極電流ICQ,得到圖4的上偏置電阻R3與ICQ的關(guān)系曲線。

圖4 偏置電阻R3與Ica的關(guān)系曲線

放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)的，放大器的工作電流ICQ一般在0.8-2 mA內(nèi)[13],由圖4可以讀出ICQ為2 mA時(shí)，R3為20.92 kΩ；ICQ為0.8 mA時(shí)，R3為41.22 kΩ。R3取值應(yīng)該在20.92～41.22 kΩ。

通常一般硅管取基極電壓UBQ約為UBE的3～5倍(UBQ/UBE=3～5)。仿真分析中用U(3)～U(16)表示，U(3)表示UBQ，用仿真分析中參數(shù)掃描分析，設(shè)置上偏置電阻R3的掃描范圍為0～50 kΩ,編輯輸出信號(hào)表達(dá)式U(3)/(U(3)-U(16))(UBQ/UBE),得到仿真結(jié)果見圖5。

圖5 UBQ/UBE與R3關(guān)系曲線

從圖中可以讀出，上偏置電阻取值應(yīng)該在12.19～24.37 kΩ之間，結(jié)合圖4中的仿真結(jié)果可知取值應(yīng)該在20.92～24.37 kΩ之間，兼顧靜態(tài)電壓UBQ和靜態(tài)電流ICQ，R3設(shè)置為22 kΩ。

利用參數(shù)掃描分析中的瞬態(tài)分析對(duì)R3分別取100 Ω,22 kΩ時(shí)放大器的輸出波形進(jìn)行仿真分析,分析結(jié)果見圖6。

由圖6可見R3為100 Ω時(shí)輸出波形存在底部失真(飽和失真)，因?yàn)楫?dāng)R3過小時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)過高，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)；R3為22 kΩ時(shí)在圖中可以觀察到

圖6 輸出波形

輸出波形無明顯失真，此時(shí)放大器工作在放大區(qū)。仿真結(jié)果表明合理設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)是放大器實(shí)現(xiàn)線性放大的重要基礎(chǔ)[14]。

2.4 發(fā)射極電阻的設(shè)置

首先考慮到發(fā)射極電阻R4對(duì)輸出波形的影響，利用參數(shù)掃描中的瞬態(tài)分析得到發(fā)射極電阻分別取0,1 kΩ，2 kΩ時(shí)的電壓輸出波形，仿真分析結(jié)果見圖7。

圖7 發(fā)射極電阻對(duì)放大器特性的影響

首先考慮當(dāng)發(fā)射極電阻R4對(duì)放大器增益特性的影響。R4為0 Ω時(shí)輸出波形不穩(wěn)定,當(dāng)R4為1 kΩ,2 kΩ時(shí)輸出波形相對(duì)穩(wěn)定，且當(dāng)發(fā)射極電阻為1 kΩ時(shí)輸出波形的幅度較2 kΩ時(shí)大即放大器增益較大，兼顧放大增益以及輸出波形穩(wěn)定性發(fā)射極電阻選擇1 kΩ比較合適。

其次考慮到發(fā)射極電阻R4在穩(wěn)定靜態(tài)工作的中的作用。由于晶體管是一個(gè)溫度敏感器件，溫度對(duì)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定影響最為明顯，硅管具有UBE受溫度影響大的特點(diǎn)[15]。通過溫度掃描分析得到UBE隨溫度變化的曲線，R4分別取1 kΩ,2 kΩ時(shí)的仿真結(jié)果見圖8、9。

圖8 溫度掃描分析(R4=1 kΩ)

圖9 溫度掃描分析(R4=2 kΩ)

由圖可知當(dāng)發(fā)射極電阻為1 kΩ；2 kΩ時(shí)硅管UBE的溫度系數(shù)分別為-1.29；-1.38,可見當(dāng)發(fā)射極電阻取1 kΩ時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性更好。因此兼顧放大器增益以及靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性兩個(gè)因素發(fā)射極電阻值選擇1 kΩ為宜。

3 結(jié) 語

利用Multisim13.0對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響元件、偏置電路上偏置電阻、發(fā)射極電阻的設(shè)置三個(gè)方面進(jìn)行了仿真研究，理論與仿真結(jié)果一致。將Multisim仿真軟件引入到教學(xué)中，能使學(xué)生更方便、形象、直觀的觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)生電路設(shè)計(jì)水平起到良好的教學(xué)效果。

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Study on Quiescent Point in Tuned Amplifier Based on Multisim 13.0

SUNYi-ping,YEJian-fang,LIUWan-ru

(College of Information Sciences and Technology，Donghua University，Shanghai 201620, China)

The analysis for tuned amplifier has been carried out through Multisim 13.0 software. The suitable components which influence quiescent point were selected by sensitivity analysis, it is a quantitative analysis. The suitable components of the biasing circuit were selected by parametric scanning analysis, and the importance of setting suitable quiescent point was proved. The suitable emitter resistances were selected by parametric scanning analysis and temperature scanning analysis. All approved the stability of amplifier. The result were visual and precise, and could prove the theory very well. It was verified that the software has powerful simulation and analysis function. With the help of the software, we can convert the traditional qualitative analysis to quantitative analysis. The analysis and design of high frequency circuit are not only more precise and credible, but also more closed to the real circuit running status.

Multisim 13.0; quiescent point; tuned amplifier

2016-01-20

孫一萍(1992-)，女，山東煙臺(tái)人，碩士生，主要研究方向：射頻及無線通信。Tel.:18116439116;E-mail:sypjane1@163.com

葉建芳(1964-)，女，浙江金華人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：無線通信與射頻微波電路。

Tel.:13501632260;E-mail:leaf6411@dhu.edu.cn

TN 722

A

1006-7167(2016)09-0151-03