直接耦合多级放大电路的虚拟测试分析与研究

蒋俊华, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封 475003)

直接耦合多级放大电路的虚拟测试分析与研究

蒋俊华, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封 475003)

利用NI Multisim 12.0仿真软件对直接耦合多级放大电路的静态值、差模电压放大倍数和共模抑制比等参数进行了虚拟测试分析。通过调整晶体管集电极电阻测试静态电压值,满足了分析放大电路的先静态、后动态原则。观察共模放大和差模放大时各级输出电压的不失真波形,计算了电压放大倍数,其结果与理论计算相吻合。进一步利用仿真软件中的温度扫描分析功能验证了温度对晶体管静态工作点的影响。

直接耦合； 多级放大电路； 虚拟测试； 差分放大

在直接耦合多级放大电路中,差分放大电路常作为输入级,需要能抑制温漂和有较大的共模抑制比KCMR；而对于多级放大电路的中间级,常要求不但能放大电压,且输出波形不失真。通常,在分析和研究放大电路时应遵循先静态、后动态的原则,特别是静态工作点(又称Q点)取值要求合理。元件参数的改变和温度的变化常会导致Q点位置不合理、输出波形失真,使多级放大电路失去价值。为了能充分实现多级放大电路的性能要求,本文采用NI Multisim 12.0仿真软件对电路的Q点、动态参数、共模抑制比等参数进行了数据测试和整理。

1 直接耦合多级放大电路工作原理

直接耦合多级放大电路常由两级或两级以上组成,它是集成运算放大电路的雏形。本文虚拟测试采用双端输入-单端输出的差分电路作为第一级、共射极放大电路作为第二级的多级放大电路。

1.1 双端输入-单端输出的差分电路

采用差分电路的目的是抑制温漂、获得较高的共模抑制比KCMR,其电路有双端输入-双端输出、双端输入-单端输出、单端输入-双端输出和单端输入-单端输出等形式[1]。图1(a)为实用的双端输入-单端输出差分放大电路,图1(b)为其等效电路,ib、ube分别为晶体管的输入电流和输入电压,ic、uce为晶体管的输出电流和输出电压。理论上要求差分放大电路理想对称[2-3],晶体管T1、T2的输入特性、输出特性和转移特性相同。

图1 双端输入-单端输出差分电路

差分放大电路分析一般要求计算其静态值、差模电压放大倍数Au,d和共模电压放大倍数Au,c。

1.1.1 静态工作点的值分析

(1)

(2)

利用静态工作点分析方法得出等效电路的Ib,Q、Ic,Q、Uc,Q2分别见式(3)、(4)、(5),其中Ube,Q≈ 0.7 V。

Ib,Q1=Ib,Q2=Ib,Q= (Vee-Ube,Q) /[(1+β)×Re]

(3)

Ic,Q1=Ic,Q2=Ic,Q=β×Ib,Q

(4)

(5)

可见晶体管T1和T2的Uc,Q1和Uc,Q2值不同,静态工作点也不同；改变T2的集电极电阻Rc2的大小,Uc,Q2也将改变[4]。其中的β为晶体管电流放大倍数。

1.1.2 差模电压放大倍数Au,d

由理论分析可知,差模信号放大时,发射极电阻Re上面无差模电流,此时两个晶体管的发射极e等效接地,h参数等效电路如图2所示。

图2 差模放大h参数等效电路

差模电压放大倍数Aud为

Au,d= △uo,d/ △ui,d=β× (Rc2//RL) /2rbe

(6)

rbe为晶体管基极b和发射极e之间的动态电阻。

1.1.3 共模电压放大倍数Au,c

由理论分析可知,共模放大时,发射极电阻Re上面电流大小为每个晶体管共模电流△ie的2倍,此时在共模信号作用下,单端输出可化为的h参数等效电路如图3所示。其中的△uo,d为差模输出电压,△ui,d为差模输入电压。

图3 共模放大h参数等效电路

共模电压放大倍数Au,c如式(7),其中的△uo,c为共模输出电压,△ui,c为共模输入电压。

Au,c= △uo,c/△ui,c=-β×(Rc2//RL)/

[rbe+(1+β)Re]

(7)

共模抑制比KCMR如式(8)所示。为了抑制共模信号,常要求射极电阻Re大些,Re越大,KCMR也越大。

KCMR=Au,d/Au,c=[rbe+(1+β)Re]/2rbe

(8)

1.2 共射极放大电路

直接耦合多级放大电路中的共射电路常作为中间级使用,目的是提高电路的电压放大倍数。分析共射放大电路也要遵循先静态、后动态的原则[5-6]。图4所示为一个基本共射放大电路,改变集电极电阻Rc的值，会使电路静态工作点发生变化。本文仅分析共射放大电路动态参数中的电压放大倍数Au,共射,其h参数交流等效如图5所示。

图4 基本共射放大电路

图5 单管共射放大h参数等效电路

理论计算可求出图5电路的电压放大倍数Au共射

Au共射= △uo，c/△ui，c=-β×(Rc//RL)/[rbe+(1+β)Re]

(9)

如果将上述的差分电路和共射放大电路进行直接耦合,将构成直接耦合多级放大电路,整个电路电压放大倍数Au=Au差分×Au共射,最终Au值很高。

2 直接耦合多级放大电路的仿真目的和测试要求

2.1 电路测试与仿真测试软件

为分析直接耦合多级放大电路电压放大倍数Au、各级静态工作点相互影响、最大不失真输出电压Uo，m等一系列特点以及差分放大电路低温漂的优良特性,对直接耦合多级放大电路的仿真测试提出一些目的和要求。

Multisim 12.0是美国国家仪器有限公司研发的较新版本的电子电路虚拟仿真软件。该仿真软件不局限于电子电路的虚拟仿真[7-8],它在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard设计电路板等技术方面有更多的创新和提高,属于EDA更高层次的范畴[9]。由于Multisim 12.0仿真软件对传统的电子线路实验教学模式有很好的补充和辅助作用,故本文利用Multisim 12.0仿真软件对直接耦合多级放大电路静态工作点(Q点)、动态参数及温度对Q点影响的参数进行测试分析和仿真。

2.2 电路测试仿真的目的

依据选定的电路参数和元器件搭建了仿真测试电路,测试的目的包括:

(1) 通过调整测试电路电阻Rc2和Rc4大小,使得电路静态时晶体管Q4的集电极电位Uc为2～3 V,以确保输出电压Uo，m最大且不失真,从而实现电压放大倍数Au很大的特点(本测试结果的Au>500)。

(2) 理解共模抑制比KCMR的测试方法和多级放大电路的工作原理,掌握元件参数分布和虚拟测试电路的结构；观察并比较第一级和第二级输出波形的变化规律；研究静态工作点的测试、动态参数及共模抑制比的测试方法；最终分析仿真结果与理论计算结果的吻合程度。

(3) 验证温度的变化对多级放大电路静态参数的影响程度。

2.3 消除互补输出级交越失真电路的仿真测试

(1) 依据仿真目的确定部分电路的元件参数。

(2) 静态工作点的数据测试和整理,多级放大电路动态数据的测试和整理。

(3) 电路共模电压放大倍数Au，c测试和共模抑制比KCMR的计算。

(4) 利用仿真软件的“温度扫描分析”功能来研究温度对静态工作点的影响。

3 用Multisim 12.0进行电路的仿真测试

3.1 构建直接耦合多级放大电路仿真测试电路

搭建如图6所示的两级直接耦合放大电路的测试电路。

图6 基本互补输出和消除交越失真互补输出的静态测试电路

该电路的第一级为双端输入、单端输出的差分放大电路,放大管Q1、Q2(输入特性和输出特性要求相同)和由电阻R、稳压二极管D1、晶体管Q3组成的恒流源电路均从Multisim 12.0仿真软件的元器件库中调出,3个晶体管的型号均为2N2222A,β=220,rbb′=130 Ω；稳压二极管型号为IN3740A,稳定电压UZ=3.891 V。

第二级放大电路是由PNP型晶体管组成的共射放大电路,晶体管的型号为2N3720,β=133,rbb′=10 Ω。直流电源2个,一个是+VCC=+12 V,另一个是VEE=-6 V。为满足各放大晶体管静态工作点的要求,Q2的集电极电阻Rc2=18 kΩ,Q3的发射极电阻Re3=30 kΩ,Q4的发射极电阻Re4=360 Ω,Q4的集电极电阻Rc4=17.5 kΩ,稳压二极管的限流电阻RD1=2 kΩ。

3.2 静态数据的测试

(1) 电路部分电阻参数的确定。由于直接耦合多级放大电路各级静态工作点相互影响,利用参数扫描或累试方法调整图6中晶体管Q2的集电极电阻Rc2=18 kΩ,Q4的集电极电阻Rc4=17.5 kΩ,从而保证Q4的集电极电位为2～3 V,波形不会发生失真,且|Au|>500,最终参数调试结果如图6中的标注。

(2) 静态数据的测试。在图6中,利用3个万用表的直流电压档分别测量晶体管Q2和Q4集电极静态电位UcQ2、UcQ4及发射极的静态电位Ue4,测试静态值如图7所示。在函数发生器向放大电路输入频率f=100 Hz、Uo,m= 2 mV的正弦波电压时,用示波器对Q2集电极和Q4集电极的交流信号峰值电压的测试数据如图7所示。图7中，示波器呈现的红色波形表示第一级输出波,蓝色波形表示第二级输出波(蓝色波形也是整个电路的最终输出波)。

图7 静态数据和差模信号的输出波形

静态数据测试结果见表1。

表1 静态工作点调试结果

3.3 差模信号的动态数据的测试

依据图7中示波器中波形峰值读数,动态测试数据如表2所示。

表2 电压放大倍数Au的调试

3.4 共模抑制比KCMR的测试

将图6电路左边的信号源换为共模信号,仿真后从示波器可读出输出电压的峰值,得到共模电压放大倍数Au,c,进而得出共模抑制比KCMR。示波器显示波形如图8所示,其中红色波形代表第一级差分电路单端输出波,蓝色代表第二级共射放大电路的输出波,测试结果如表3所示。

表3 电压放大倍数的测试

3.5 温度对静态工作点的影响

在Multisim 12.0软件中,默认温度20 ℃。利用温度扫描分析(temperrature sweep analysis)功能能够了解温度对静态工作点的影响。首先设置温度的起始值(0 ℃)、终了值(50 ℃)和点数(步长为10 ℃),然后确定扫描对象晶体管Q2的集电极(V(2))和Q4的集电极(V(6))的电位,然后按下扫描键,即可得到测试结果如图9所示。

图8 共模电压放大时第一级波形和第二级波形

图9 直接耦合多级放大电路的温度扫描分析结果

3.6 测试结果分析

3.6.1 静态数据测试结果

根据表1中的数据,可以得出静态电流和管压降计算结果如下:

Ic,Q4= (Uc,Q4+VEE) /Rc4=8.418 / 17.5 ≈0.481 mA

|Uce,Q4| =|Uc,Q4-Ue,Q4|=9.408 V

理论计算:Q2集电极电位Uc,Q2= 12-0.052 7×18 ≈ 11.051 V,Q4基极电流Ib,Q4=0.003 66 mA,Q4管压降|Uce,Q4|≈|-9.558|V=9.558 V。从中可看出虚拟测试结果与理论计算结果基本一致。

管压降Uce,4Q数据表明:晶体管Q4远离饱和区,且由于总电源电压VCC+VEE=18 V,表明Q4也远离截止区,因此最大不失真输出电压较大。

3.6.2 差模放大时的动态数据测试结果

根据表2仿真测试结果,第一级的Au1=12.472 5,第二级的Au2=-42.453,最终放大倍数Au=Au1×Au2=-529.5,电压放大倍数很大。

理论计算:依据公式(6)计算出的Au1≈ 12.682,采用公式(9)计算出的Au2≈ -42.87,最终整个电路电压放大倍数Au≈543.68,与测试结果基本一致。

从表1和表2可看出,从静态到动态均达到了仿真的目的。应当指出,选取电路参数是电路设计的一部分,而且通常满足要求的参数并非具有唯一性,可以是多组的。

3.6.3 共模抑制比KCMR的测试结果

利用分立元件搭建实际的硬件电路,很难保证差分电路的对称性,其恒流源电路也不是理想的恒流源,共模放大倍数较大,共模抑制比KCMR较小。采用元件真实模型后,虽然解决了对称性问题,但未解决恒流源的理想化问题,因此共模放大倍数不为零,共模抑制比不是无穷大。尽管如此,与实际分立元件电路相比较,这两项指标已经相当优秀了。

3.6.4 温度对静态工作点影响的测试结果

从图9中可看出,Q2集电极电位V(2)变化较小,大小约11.12 V,这是因为差分放大电路中的恒流源电路共模负反馈作用强,使之温度漂移不明显；而第二级电路的直流负反馈较弱,因而随温度的升高,Q4集电极电位V(6)不断随温度的升高,即Q4集电极电阻上的电压从1.209 V增加到4.312 V,说明集电极电流增大,管压降减小,Q点位置明显漂移。Q点变化将引起诸多动态参数的变化。因此,如果直接耦合放大电路不解决温度漂移的问题,将不能成为实用电路。

4 结语

由于直接耦合多级放大电路各级静态工作点相互影响,在改变电路中某一个参数时会引起多个静态参数的变化,直接在硬件电路中进行调试比较困难,而通过Multisim 12.0可较快地确定电路参数。本文所述双端输入-单端输出差分放大电路,可结合理论计算对仿真测试结果进行测评。实际差分电路的共模抑制比不可能无穷大,而且温度对第二级共射放大电路的静态工作点影响较大,因此直接耦合多级放大电路需要引入足够强的直流负反馈才能稳定静态工作点,进一步抑制温漂,使之成为实用电路。将电子电路仿真测试引入实际的课程教学,有助于学生对理论知识的掌握和理解；把Multisim 12.0仿真分析和传统的实验教学有机地结合起来[10],将帮助学生更好地掌握电路分析和电路设计的技能。

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[2] 康华光,华中理工大学电子学教研室.电子技术基础:模拟部分[M].4版.北京:高等教育出版社,1999.

[3] 王丽, 高燕梅.模拟电子电路[M].北京:人民邮电出版社,2012.

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[10] 侯卫周,杨毅.基于NI Multisim12.0的OCL功率放大电路仿真测试[J].实验室研究与探索,2016,35(9):86-90.

Analysis and research on virtual testing of direct coupled multistage amplification circuit

Jiang Junhua, Hou Weizhou

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475003,China)

The virtual test analysis of quiescent values, differential mode voltage amplification and common mode rejection ratio parameters was carried out for direct coupled multistage amplification circuit via NI Multisim 12.0 software; by adjusting collector resistance, the quiescent voltage values were tested, which can meet the “static and dynamic” principle. At the same time, the voltage amplification of differential mode and common mode was calculated by observing the non distorted output voltage waveform, it is found that the amplification is in agreement with the theoretical calculation. It is further verified that temperature affects quiescent operation point of the transistor.

direct couple； multistage amplification circuit； virtual testing； differential amplification

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.029

2016-10-30

国家自然科学基金项目(21173068)；2015年河南省“电子信息科学与技术”教学团队资助

蒋俊华(1980—),女,河南西华,硕士,讲师,主要研究方向为电子电路应用与分析

E-mail：edelajiang@126.com

侯卫周(1973—),男,山西永济,硕士,副教授,主要研究方向为电子电路设计.

TN710.9; TN721

A

1002-4956(2017)3-0115-05