中周模型在Multisim中的实现

1、中周模型在 Multisim 中的实现文献标识码： AImplementation of intermediate frequency model in MultisimYIN Guo-dong ， ZHANG Min(Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China)?才？To solve the problem that there is no intermediate frequency model based on Multisim, through theoretical analysis of the hi

2、gh-frequency small-signal amplification module, LC circuit model is summarized to substitute intermediate frequency model. The simulation of high-frequency single-resonator amplifier module is performed. The correct simulation results are obtained.This method should be used for reference for the sim

3、ulating the high-frequency single-resonator amplifier based on Multisim.Keywords： high-frequency electronic; resonator amplifier; intermediate frequency; Multisim simulation?才？收稿日期： 2011-09-210 引 言 高频单谐调谐振放大器实验是高频电子教学的一个重要组 成部分。 中周在该实验中损耗较多， 增加了学生从理论上分析高 频小信号放大器的难度。随着计算机仿真软件的发展， Multisim 仿真教学实验方式 逐渐

4、兴起。 Multisim 包含丰富的虚拟仪器和电子元件库，学生 可方便地完成原理图的设计、仿真、原型设计和测试。但在 Multisim 中没有中周模型，通过对单谐调谐振放大器的原理分 析，提出了中周模型仿真的替代方法，取得了满意的仿真效果， 实验对 Multisim 仿真单谐调谐振放大模块具有借鉴意义。1 高频单谐调谐振放大器的原理及参数高频单谐调谐振电路图 1 如图 1 所示。其主要指标如下：1.1 谐振频率电路的谐振频率 f0 的表达式为：f0=12 n LCX(1)式中：L为电感线圈的电感量；C艺为调谐电路的总电容2;C艺=C+P21Coe+P22Cie;Coe为晶体管的输出电容，Cie

5、为晶 体管的输入电容，P1为初级线圈的抽头系数，P2为变压器T1的 变比。图1 高频单谐调谐振电路图1.2 电压放大倍数 电压放大倍数 Av0 为：AvO= vovi= P1P2yfeg 艺=P1P2yfeP21goe+P22gie+G(2)1.3 通频带电压放大倍数Av0下降到0.707倍所对应的频率范围称为放大器的通频带 Bw3 ，其表达式为：Bw=2A f0.7=f0/QL(3)式中QL为谐振电路的有载品质因数。1.4 矩形系数矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到 0.1倍的Av0时对应的频率与通频带Bw之比，即:Kv0.1=2 f0.1/2 f0.7=2 f0.1/Bw(4)2 仿真

6、参数估算放大器工作在高频条件下，根据晶体管的n参数模型设计谐振等效电路 4-5 如图 2所示。图 2 放大器的高频等效电路晶体管参数 yie,yoe,yfe 和 yre 分别为：输入导纳 :yie gb e +j 3 Cb e 1+rb ' b (gb ' e+j 3 Cb e)(5)输出导纳 :yoe gmrb' bj 3 Cb e1+rb' b(gb' e+j 3 Cb e)+j 3 Cb e(6)正向传输导纳 :yfe gm1+rb b(gb ' e+j 3 Cb e)(7)反向传输导纳 :yre -j 3 Cb e1+rb ' b

7、(gb ' e+j 3 Cb e )(8)式中 :gm 为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为 gm=Ie26S,le的单位为mA;gb e为发射结电导，与晶体管放大系数 B及le有关，gb ' e表达式为：gb ' e=1rb ' e=le26 B(9)式中：rb ' b为基极体电阻，一般为几十欧姆；Cb c为集 电极电容，一般为几皮法； Cb e 为发射极结电容，一般为几十 皮法至几百皮法。和工作频率 宀有关，晶体管手册中给出的参数是在上述条件给 定的情况下测得的。 高频电路的参数计算采用工程估算方法， 如 在f0=30 MHz，le=2 mA，Uce

8、=8 V条件下测得3DG6C的参数为： gie=1/rie=2 mS,Cie=12 pF,goe=1/roe=250 mS,Coe=4pF,yfe=40 mS,yre=350 卩 S。表1晶体管3DG6主要参数集电极反向？它鞔缪躬？Vbeo N集电集？朋畲蟮缌鳘？lcm/mA耗散功率PCM/W特征频率fT /MHz3DG6A15200.11003DG6B20200.11503DG6C20200.12503DG6D30200.1150根据实验需要，输入信号的频率是 12 MHz,从表1中选择 3GD6C即可满足要求。估算时参照其在 f0=30 MHz , Ie=2 mA和 Uce=8 V条件下的

9、工作参数。图 2 所示的等效电路中， P1 为晶体管集电极接入系数， P1=N1/N2; N2为电感L线圈的总匝数；P2为输出变压器T的副 边与原边的匝数比，P2=N3/N2。通常小信号放大器的下一级仍为放大器， 放大器的输出负载 电导 gL 将是下一级放大器的输入导纳 gie2 。并联回路的总电导 g"表达式为：gS =P21goe+P21gL+G(10)式中:G为LC回路本身的损耗电导。根据图2输出导纳为：y S =gS +j 3 CS +1/j 3 L(11)输出电压为：U•o=P1P2yfeUbe/yS(12)电压增益为：A•u=U&a

10、mp;#8226;oU•i=P1P2yfeYS, Ube=Ui(13) 当放大器处于谐振时，谐振频率可以由式 (1) 算出。3 电路仿真根据估算参数 ,构造单回路谐振放大器的无中周仿真电路6如图3所示。电路中的元件分别为：Q1为3DG6C R1,R2是用于调节Q1工作点的偏置电阻；CT,C,R和L构成了选频网络，用于 替代中周功能的模型；C1为隔直电容；Ce为发射极旁路电容； Ui 为信号源。图 3 无中周单回路谐振放大器结构图根据上述电路结构，在 Multisim 软件中绘制如图 4 所示的 高频小信号谐振放大器仿真电路 7-9 。各元件的名称及标称值 如表 2 所示。图

11、 4 无中周单回路谐振放大器仿真电路 表2 仿真电路元件清单 序号元件名称及标号标称值1 信号源 XFG150 MV/12 MHz2可调偏置电阻 R22,W310 kQ ,100 k Q3偏置电阻100 k Q4谐振回路阻尼电阻 R11 kQ5 发射极负反馈电阻 R5470 Q6 信号源耦合电容 C1220 pF7 谐振回路电容 C230 pF8谐振回路电感1卩H9 示波器 XSC14 性能参数分析4.1 静态参数 放大器的直流工作点如表 3 所示。表 3 放大器的静态参数值 序号直流工作点分析数值1V(2) ：12000 00 V2V(1) ：963668 96 mV3l(V1) ：-215

12、5 05 mV4V(6) ：1595 04 V5V(4) ：0000 00 V6V(5) ：2751 15 V7V(8) ：12000 00 V8V(7) ：1595 04 V9V(3;r1) ： 12000 00 V10V(9) ： 12000 00 V11V(3;r4) ： 797521 87 mV12V(3;r5) ： 481834 48 mV4.2 动态参数4.2.1 电压增益加入信号激励 Ui ，得到如图 5 所示的输入、输出波形，可 以读出电压增益约为 40 倍。?fe ?图 5 输入、输出波形4.2.2 矩形系数 谐振放大器特性曲线如图 6 所示。可以看出，谐振频率为11.99

13、MHz上限截止频率为12.52 MHz下限截止频率为11.42MHz通频带为1.11 MHz。根据式 得出矩形系数约为10。图 6 放大器的特性曲线4.2.3高频管的电流放大倍数B集电极与基极电流如图 7 所示。由此可得 ,放大倍数图 7 集电极与基极电流4.3 部分元件对电路的影响通过仿真发现，发射极反馈电阻 R5的改变对电路的通频带 和输出增益有较大影响。 在不影响放大器正常工作的情况下， 增 大R5,频带增大，输出增益减小；减小 R5,频带减小，输出增益 增大。阻尼电阻R1增大，频带减小，输出增益增大； R1减小，频 带增大，增益减小。当 R1 减小到一定程度，放大器不能正常工 作，信号失真。中周等效阻尼电阻不仅影响系统的带宽，还能影 响放大器的静态工作点，在设计电路时应合