毕业设计（论文）-基于Multisim仿真实验的共基放大电路的性能研究

1、邯郸学晚本科毕北论丈题目基于multisim仿真实验的共基放大电路性能研究学生指导教师 教授助教年级2007级专 业物理学系 部物理与电气工程系邯郸学晚物理与电气工程糸2011年6月郑重声明本人的毕业论文是在指导教师张劼教授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 円摘要 本论文主要应用multisim软件对共基放大电路进行仿真。获取该电路在各 频率下的输出波形图，通过对数据及图像的分析，最终得出共基放大电路在频率多少时, 放大能

2、力最强且波形失真小且波形稳定。关键词 共基放大电路下限截止频率频率响应放大倍数the design and research of common-base amplifier based on multisim simulation testbai leilei driected by prof. zhang jie and lecturer li jie abstract this paper mainly applied multisim software simulation to common-base amplifier. obtain the output waveform in

3、different frequency based on the analysis of the data and figure. eventually get common-base amplifiers amplification ability is the best and waveform distortion is small and waveform stability in what kind of frequency.key words common-base amplifier lower cut-off frequency frequency response ampli

4、fication摘要 外文页1前12半导体三极管的结构、工作原理及参数2.1半导体三极管的结构 2.2半导体三极管的工作原理 2.3三极管的主要参数3基本放大电路3. 1放大电路的频率响应3. 1. 1幅频特性和相频特性3.1.2下限频率、上限频率和通频带3. 1.3频率失真23. 1.4波特图23.2三极管的频率参数4共基放大电路频率响应4. 1共基放大电路的低频响应4.2共基放大电路的中频响应64. 3共基放大电路的尚频响应5. 基于multisim仿真95. 1 multisim 软件简介95. 2共基放大电路低频仿真95.3共基放大电路中频仿真115.4共基放大电路高频仿真125.5频

5、率改变对共基放大电路输出波形的影响135.6关于共基放大电路的频率响应的讨论17雜17参考文献18b w19基于multisim仿真实验的共基放大电路性能研究1刖言儿乎现阶段每个完整的电子产品屮都离不开放人器，而放大器性能的提高对电子产品的 功能起着重要的决定作用。关于共基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己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 行仿真并进行结果分析的研宂并不常见，此项研宂既可以对共基放大电路频率响应的理论结 果进行验证，而且在实践屮还具有一定的指导意义。未来放大器市场增长的驱动力主要有三 方面：其一，便携式应用的低功耗

6、要求将推动具有低操作电源电压电流的放大器增长;其二， 高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因 此能够集成其他功能的放大器前景乐观。测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是 提升放大器性能的主要驱动力。但对丁低速的高精度系统，直流方而的特性则通常更为重要。 衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等；而衡量系统在直流特性方面 的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。2半导体三极管的结构、工作原理及参数2. 1半导体三极管的结构半导体三极管又称为晶体管、三极管、双极型晶体管、bjt。它由2个背靠背的pn结 组成，分为np

7、n型、pnp型。由制造的材料又分为硅三极管、锗三极管。npn型三极管：采用平面管制造工艺，在n +型底层上形成两个pn结。工艺特点：三 个区，二个结，引出三根电极，杂质浓度e区掺杂浓度最髙，b区较高，c区最低，而积c区最 大，e |x:大，b|x:窄。pnp型三极管：在p +型底层上形成两个pn结。2.2半导体三极管的工作原理npn管的工作原理:为使npn管正常放大发射结正偏（v#0），集电结反偏（0 ）。 发射区向基区大g发射电子（多子），进入基区的电子成为基区的少子，其屮小部分与基区的 多子（空穴）复合，形成电流，绝大部分继续向集电结扩散并达到集电结边缘。因集电结反 偏，这些少子将非常容易

8、漂移到集电区，形成集电集电流的一部分/。而基区和集电区本 身的少子也要漂移到对方，形成反向饱和电流。c c/v + cbo，- 权，£ + c/v + ic - icbo +l c + /?晶体管的四种工作状态：1. 发射结正偏，集电结反偏：放大工作状态，川在模拟电子电路2. 发射结反偏，集电结反偏：截止工作状态3. 发射结正偏，集电结正偏：饱和工作状态，用在开关电路中4. 发射结反偏，集电结正偏：倒罝工作状态，较少应用三种基本组态：共射组态，共集组态，共基组态。（集电极不能作为输入端，基极不能 作为输出端。）2.3三极管的主要参数 共射极直流电流放大倍数：b=icicii0共射极交

9、流电流放大倍数：=a/,i82 -共基极直流电流放大倍数：=££2 _ le共基极交流电流放大倍数：a = = l（：2极间反向饱和电流是指发射极开路，集电极与基极之间加反14电压时的反肉饱 和电流。与单个pn结的反向电流一样，主要取决于温度和少子浓度。穿透电流是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时，从集电极穿过基 区流入发射极的反向饱和电流。是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，其值愈 小愈好。集电极最大允许电流/ea当z*e超过时，电流放大倍数夕将显著下降。集电极最大允许功耗户, :表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过

10、户，时，管子可能烧毁。反向击穿电压：超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击穿电压的大小不仅与管 子本身的特性有关，还与外电路的接法有关。3基本放大电路3. 1放大电路的频率响应频率响应是衡量放大电路对不同频率输入信号适应能力的一项技术指标。3.1.1幅频特性和相频特性巾于电抗性元件的作用，使正弦波信号通过放大电路时，不仅信号的幅度得到放大，而 且还将产生一个相位移。此时，电压放大倍数4。可表示如下：4利w）电压放人倍数的幅值|人|和相角都是频率的函数。其屮，（称为幅频特性，*称为相 频特性。3.1.2下限频率、上限频率和通频带在广大的中频范围内，电压放大倍数的幅值基本不变，相角0大致等于1

11、80"。而当频 率降低或升高时，电压放大倍数的幅值都将减小，同时产生超前或滞后的附加相位移。通常 将屮频段的电压放大倍数称为屮频电压放大倍数并规定当电压倍数下降到0.707>1 时相应的低频频率和尚频频率分别称为放大电路的下限频率和上限频率,二者之间的 频率范围称为通频带bw，即bvv = 乂 - /；3.1.3频率失真由于放大电路的通频有一定限制，因此对于不同频率的输入信号，可能放大倍数的幅值 不同，相移也不同。当输入信号多次谐波时，经过放大以后，输出波形将产生频率失真。频 率失真与非线性失真相比，虽然从现象來看，同样表现为输出信号不能如实反映输入信号的 波形，但是这两种失真

12、产生的原因不同。前者是rtr丁放大电路的通频带不够宽，闪而对不同 频率的信号响应不同而产生的；而后者是由放大器件的非线性特性而产生的。3.1.4波特图根据放大电路频率特性的表达式，可以画出其频率特性曲线。在实际工作屮，应用比较 广泛的是对数频率特性。这种对数频率特性又称为波特图。绘制波特图时，横坐标是频率/ , 采用对数坐标。对数幅频特性的纵坐标是电压放大倍数幅伉的对数201g人，单位是分贝（db）。对数相频特性的纵坐标是相角0，不取对数。每当人增大为原来的10倍时，相应的201g攻将增加20（必）。若次增大一倍，则相应的20lg攻增加6db。当次=1时，201g|4| = 0。当次1时，20

13、lg 4 >o；当人<1时，20lg 4 <0。对数频率特性的主要优点是可以拓宽视野，在较小的坐标范围内表示宽广频率范围的变化情况，同时将低 频和高频段的特性都表示得很清楚，而且作图方便，尤其对于多级放大电路更是如此。因为 多级放大电路的放大倍数是各极放大倍数的乘积，故画对数幅频特性吋，只需将各级对数增 益相加即可。多级放大电路总的相移等于各级相移之和，故对数相频特性的纵坐标不再取对 数。3.2三极管的频率参数在中频时，一般认为三极管的共射电流放大系数#是一个常数。但当频率升高吋，由 于存在极间电容，因此三极管的电流放大作用将被削弱，所以电流放大系数是频率的函数。 为了描述三

14、极管对高频信号的放大能力，引出若干频率参数，下面分别进行介绍。共射截止频率：一般将值下降到0.707/?0时的频率定义为三极管的共射截止频率，用符 号表示，当/ =人时，0.7.07凡。可见，所谓截止频率，并不意味着此时三极管己经完全失去了放大作用，而只是表示此 时已下降中频时的70%左右，或的对数幅频特性下降了 3db。特征频率：一般以|值降为1时的频率定义为三极管的特征频率，用符号表示。当 / =人时，二丨，201g|糾=0,所以夕的对数幅频特性与横坐标交点处的频率即是厶。 特征频率是三极管的一个重要参数。当/人时，|/?|值将小于1，表示此时三极管已失去放 大作用，所以不允许三极管工作在

15、如此高的频率范围。一个三极管的特征频率人与其共射 截止频率心二者之间是互相有关的，而且人比人高得多，大约是人的凡倍。共基截止频率凡：厶为使汉下降到0.7（）7叫的频率。厶二（1 +凡）=人，可见共基电路的截止频率远高于共射电路的截止频率综上所述，可知三极管的三个频率参数不是独立的，而且互相有关，三者的数值大小符合/人乂。三极管的频率参数也是选用三极管的重要依据之一、通常在要求通频带比较宽的放大电路中，应该选用高频管，即频率参数位较高的三极管。如对通频带没有特殊要求， 则可选用低频管。一般低频小功率三极管的人值约为儿i至儿百千赫，高频小功率三极管 的人约为几十至几百兆赫。一般可从器件手册上查到三

16、极管的/,、人或人伉。4共基放大电路频率响应我们以图4.1所示的单管共基放大电路为例，用晶体管混合71模型来分析此电路的电压 增益与信号频率的关系。由于分析的是在不同频率下的交流放大倍数，为此先画出电路的交 流等效电路，晶体管用混合71模型代替，如图4.2所示。为了简化分析计算过程，对模型作了一些处理，由于！及的数值很大，且高频时的数值远大于一!一，故可视为开路。 "bebecochribr?图4.1基本中.管共杜放大电路c4. 1共基放大电路的低频响应图4. 2单管共棊放大交流等效电路阁4. 3共基放人电路低频等效模型当低频信号作用时，rti于c；、c。的容抗很大，可视为开路，影响

17、低频电压增益的电界 主要是耦合电容c2、c2，这样便可得到如图4.3所示的低频等效电路，电压放大倍数表zj orti图4.3可得:rberesn,rterers. +)c,jeo(rcrt)c2rhe + regmr.re以么人)+ jrc + r,)c2 1 + y7y(r +rba)c,而（八.+ /?z）-c2就是电容c2所在回路的时间常数，记作z；2, （ry +电容qm在回路的时间常数，记作r/2。令：）c,就是则原式变为:2ti 27rrl 2(/?( +/?/) c22兀 2r/:2( r +rbererbe + re+g，ere）q(4.1)(4.2)a = a/；/ fl2(

18、4.3)1+j 丄 1+jijlj12由式4.3可以看出，共基放大电路低频电压增益有两个零点和两个极点，它们分别由 输入、输出回路产生。其幅频特性和相频特性表达式分别为：1_ 1_201g4/=201ga/w+201g,+201g fn(4.4)（4.5）jl2）不是很小的情况下，输出回路产生的零点和极点将成rber,在 c,及（/:. +为主要的零点和极点，所以低频增益可以近似看成是一个零点和一个极点的函数，下限 截止频率力=人。此时有：1+4其幅频特性和相频特性表达式分别为：(4.6)201ga,=201g4+201g/i(4.7)丄(4.8)0 = 180°次jl4.2共基放大

19、电路的中频响应中频电压信号作用时，由于一!一l,+则c;cn可视为开路，而lz则c,、c2可视为短路，这样便可得到如图4.4所示的单管共基放大 电路中频等效电路。图4.4共基放大电路中频等效电路由于电路中不存在电抗元件，故电压放大倍数是一个实数，川表示。由于 = 1+么，且令乂=登，则有：(4.9)在忽略z；影响的情况下，式4.1可写为:(4.10)上式中没有负号，表明中频时共基放大电路输山信号与输入信号同相位。4.3共基放大电路的高频响应高频电压信号作用时，由于1/ -!一/所以耦合电容q、（?7近似短路，可 cocx coc2忽略不计。由此可以推导出共基放大电路的高频i增益，但是其表达式相

20、当复杂，为了简化计 算过程，我们采用略去.的近似简化分析方法，这样便得到如图4.5所示的等效电路。bb-hr1u1rercuo图4. 5共基放人电路髙频等效模型 电路放大倍数用表示。由图4.5我们可以得到：1 11 +加1 + jcorca rj/? + /?, + g,nrher( + rbererrbere + smrbererbere(4.11)在式4.9屮如果略去则有:(4.12)而jcors(rbe + re + smrbere) + rber就是c；所在回路的时间常数，记作r2 令：1 aiik 27rrhl人2就是c；所在回路的时间常数，记作r/n，ricrsw兀(4.13)将式

21、4.10、4.11、4.12代入式4.9得：= ars(rbe + re + 8mrm+rbere吟 2 _1_127t 27tth2 27tr,c(4.14)(4.15)1 +j 1 + 7卞jh jh由式4.15可以看出，共基放大电路髙频增益有两个极点，它们分别由输入、输出回路产生 在&和负载电容不是很大的情况下，输入回路产生的极点将成为主极点。所以当增益在 (wb以上吋，高频增益可以看成是一个单极点函数，上限截止频率人=几，此时有：14/, =由式4.16可知高频增益的幅频特性和相频特性分别为:l+ji(4.16)201ga,i=201ga</+201g-(4.17)

22、63;_ai2fhl(4.18)j hlj hl如果将高频增益看成是一个单极点函数，a = a,则其幅频特性和相频特性的表达式分别 为： 1201g=201ga,w+201g(4.19)k2伞=（4.20） jh前面分别讨论了单管共基电路的电压放大倍数在中频段、低频段和高频段的情况，把它 们合起来，就组成了电压放大倍数完整的频率响应。综合分析式4.3、4.9、4.15就得到电压 放大倍数久的近似式：（7/；2（1 +7）0 +7jljl2为分析方便，町以综合分析式4.6、4.9、4.16,则有:fh(4.21)./(4.22)(1 + 7 )(1+ 7-)j lljh对于单管共射放大电路来说，

23、它的电压放大倍数au的近似式为:(14-7)(1 +7)jijh(4.23)比较式4.22和式4.23，可以看出共基放人电路与共射放大电路的电压放大倍数的形式 是相同的，但是必须注意到它们的上限截止频率是不相同的，也就是说它们的频率性能是不 相同的。对于共射放大电路来说，它的高频等效电路必须考虑极间电容c,对于输入冋路的影响，即存在c/z对于输入端的密勒效应，这样输入电容就比较大（输入电阻 c"+（i-k）c“,d），而对于共基放大电路来说，晶体管极间电容（，是在输出回路，而不是跨接在输入端和输出端之间，所以c/z的存在不影响输入冋路，亦即不存在c。对 输入端的密勒效应，这样就大大减

24、小了输入电容（输入电容为c；）。而且共基放大电路输入 rsrehe冋路的等效电阻也小于共射放大电路输入回路的等效电阻（共射电路不考虑尺（，有.=4+.）/;。）。这样我们比较式4.13及共射电路上限截止频率便可以知道共基放大电路的上限截止频率比共射电路大，亦即共棊放大电路的商频特性比共射放大电路优越。对于低频特性来说，如果它们所取参数相 同，那么共基和共射电路的低频特性是一致的。所以总的来说，单管共基放大电路的频率性能优于单管共射放大电路，而且也优于共集 放大电路(在此就不再详细比较)。所以共基电路常用于宽频带放大器。5.基于multisim仿真5. 1 multisim软件简介multisi

25、m是著名的电路设计与仿真软件，它不需要真实电路环境的介入，具有仿真速度 快、精度高、准确及形象等优点。通过对实际电子电路的仿真分析，对于缩短设计周期、节 省设计费用和提高设计质量有重要意义。multisim软件的特点multisim是加拿大iit公司在ewb基础上推出的电子电路仿真设计软件。它有以下一 择特点：(1) 系统高度集成，界而直观，操作方便。将电路原理图的创逮、电路的仿真分析和分 析结果的输出都集成在一起。采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模拟仿真实验 室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路测量需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。 操作方法简单易学。(2) 支持模拟电路、数

26、字电路以及模拟/数字混合电路的设计仿真。既可以对模拟电子系 统和数字电子系统进行仿真，也可以对数字电路和模拟电路混合在一起的电子系统进行仿真 分析。(3) 电路分析手段完备。除了可以用多种常用测试仪表(如示波器、数字万用表和波特图 仪等)对电路进行测试以外，还提供多种电路分析方法，包拈静态工作点分析、瞬态分析和 傅立叶分析等。(4) 提供多种输入/输山接门。可以输入由pspice等其它电路仿真软件所创建的spice图 表文件，并自动形成相应的电路原理图，也可以把multisim环境下创建的电路原理图输出 给protel等常见的印刷电路软件pcb进行印刷电路设计5. 2共基放大电路低频仿真下而观

27、察在仿真实验屮改变电容的容抗对电路下限截止频率的影响。图5. 2低频仿真波特图12mh25hz595.05 hz36,296 db土+ 畝-+給出图5. 4低频仿真波特图2i 586.464 kz间加502db图5. 6低频仿jx波特图3由以上仿真可知，随着旁路电容(的改变，电路的下限频率也随之改变，而耦合电容c3的改变对下限频率基本没有影响。现将上述电路的参数、理论得到的下限频率及仿真实验测 得的下限频率进行比较。表5. 1低频仿真数据旁路电容 c, (uf)耦合电容 c2 (uf)耦合电容 c3 (uf)屮频电压增益 (仿真下限频率10101039.292590.082101010039.

28、292595.05100101039.292586.4645.3共基放大电路中频仿真由4.2可知共基放大电路中频电压增益为一实数：r - re ,rbe下而将在仿真中验证：图5. 8中频仿真波特图由图5.8可知中频电压增益确实为一实数。5.4共基放大电路高频仿真对于共基放大电路來说，晶体管极间电容是在输出回路，而不是跨接在输入端和输出 端之间，所以的存在不影响输入回路，亦即不存在cz/对输入端输出端的密勒效应。图5. 10髙频仿真波特图由图5.10高频仿真波特图可知该电路的上限截止频率为10.438mhz5.5频率改变对共基放大电路输出波形的影响本段主要讨论由于频率从低到髙的变化，对于一定的共

29、基放大电路，其输出波形必然 产生相应的变化，从而确定其通频带，即在哪一频率范围内可以得到较好的放大电路的波形 输出，使在实践允许的失真范围内尽可能扩大其通频带，改善频率响应性能。下面在仿真实验中通过观察输出的波形可以得到在通频带范围内波形基本不变化（主 要指峰值的变化）。图5. 11频率为10hz吋仿h电路图5. 12频率为loiiz时输出波形图时m350.224 ms 355.ms s.oo9 msm«/dlvj隻5靈21.656 mv -21.666 mv -43.325 mv連迸a 比例 y位蠻mv/dtvfy/f) fan4?., 1 e/a j ( a/b cacil q

30、("dc1i色道 bibus比例(5 v/d*v1°ac)i q ipdcjczzi傑存ext. triqqer图5.13频率为100hz时输出波形图122时闷272. 1s3 rr»5iii .ze»2 mv遇逍一d1反內1273.662 ni!>-1 i2.ee2 mv1 .499 ms-224.144 mvf呆存ext. trtqqcrm龙边沿11 ri电平o丄类® f正弦）标准k自动j厂无7州司63.(503 me 84.353 ms 749.529 us时i'司 比例达沿电平通 ijh a比例 1oo mv/l>v

31、 y位置o ac o ifoc 1比例uo us/divv/orvoo时i日轴iwkw aet匕资着2oo us，dlvloo mv，dtvt匕sx 位«| y 位«y 位置 ofitnbm 載 j acjlojcpcjcacjcojcdq图5. 14频率为1000hz时输出波形图si 5. 15频率为2000hz时输出波形图时闷65.303 rr.5127.128 mv遇逍一d|反內|65.683-129.927 v3z9.4z3 us2s7.om mvf呆存嫵令祐ext. tr»9qerp- _5lica31°j/-)i 标准k自动】si 5. 16

32、频率为4000hz时输出波形图i色道 b时m82.444 ms 82.743 ms127.336 mv -129.737 mv傑存时问油i»i* a匕炒着 50 u5/d1vx位置o比例 too mv/cxvy位货0|y/t lxin«jlb/ajta/bjaclc q fpc 通® 比例 y位鸞i a.- i n ii dc ii jjext. trigger(5 v/d*v1°rr阁5. 17频率为5000hz时输出波形图122时i<111i8o.4s us1 15.so2 rnvu1i89.56e u!,1 18.486 mv99.w12 n

33、s234.3zo mv匚f呆iwxw at 匕例 loomv/dtvwxk b比例5 v/dtv1 y 位 hr°y位置oac o fpciacii o lloclq时问啤比例 50 nwdivxoly/t on 載 jext. trtqqcrm龙边沿u n5i电平 lo1vf正弦）标准）自动无i图5. 18频率为5mhz时输出波形图t1 t2 t2-t1时网6. iq9 uc 46.239 u5 so.094 ns时闷轴fc匕例 20 ns/div x位s通 iji a-94.54 mv91.s66 mv186.412 mv通道a比例 1oo mv/drv y位蚤 oivn ；ni

34、r. r.m )1 a,j. | a，11 . ii (n i波该xsc通道e 比例 yelssv/drv1 a< 1 o | dc h - |达沿电平1。ext. trgorjljcad外由1无】图5. 19频率为10mhz时输出波形图yrxw e时旧7.580 us 7.500 9.981 nsns/oivx fv wa-1-1. is8 mv 14.1-11 mv 16.519 uv通逆a比例 io mv/div y位资 o通is e 比例 y伦wv/otv反两保存ext. triqqerfy" 1加貌 1【b/aacm u )pc 1acirmrcx： irn边沿曲平典

35、型(n=dlt7 ,图5. 20频率为100mhz时输出波形图外部cajsz)515.21频率为500mhz时输出波形图阁5. 22频率为5ghz时输出波形图图5. 23频率为500ghz时输出波形图图5. 24频率为5thz时输出波形图1图5. 24频率为5thz时输出波形图25.6关于共基放大电路的频率响应的讨论电子线路中所遇到的信号往往不是单一频率，而是具有一定的频谱，而放大电路中的电 抗性元件，如电容和电感的电抗在不同频率下是不相同的，因此放大电路的电压增益将是频 率的函数。放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应称为频率响应。影响放人电路频率响应的主要因素就是电路屮包含的极间电容、耦合电

36、容、旁路电容、 接线电容等电抗性元件。耦合电容、旁路电容主要影响放大电路低频段的频率响应。在放大 电路的低频区内，由于耦合电容和旁路电容的存在，对信号构成丫高通电路，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，从而导致放人倍数的数值减小ii产生超前相移。 bjt的极间电容、接线电容是影响高频段频率响应的主要因素，主要表现为密勒电容的存在 对高频段的信号影响。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依减小且产生滞后相移。通频带就是用来描述各种电子线路对不同频率信号适应能力的动态参数。对于一个任何 具体