带有非旁路发射极电阻调谐放大器性能的研究

李雪莹， 叶建芳， 董琳

(东华大学 信息科学与技术学院, 上海 201620)

0 引言

调谐放大器是高频小信号放大器的一种，也是超外差式接收机的主要部分[1]。在超外差式无线电接收机中作中频放大器用,主要用来选择和放大中频信号[2]。本论文以仿真软件Mulistims13.0为基础，通过仿真探究放大器发射极电容旁路电阻和非旁路电阻作用及参数设置。

1 交互式Multisim13.0 仿真软件

NI Multisim 电路仿真软件是一款专门用于电子线路设计仿真的虚拟电子工作平台。该软件平台将原理图输入、工业标准的SPICE仿真集成在同一环境中完成电路行为分析[3][4]。其提供的元件库丰富全面，是高频电子线路设计分析中强大的工具。同时虚拟仪器的使用给学生的分析工作提供了很大便利且缩短实验时间，减少大量元件的耗费[5]。在实现高频电路分析和设计方面不仅高效、可靠，而且具有逼近真实电路的效果[6]。

2 电路设计及仿真模型的构建

设计的单调谐选频放大电路性能指标：

a.中心频率：3 MHz；

b.通频带：BW=80 kHz；

c.电压增益:>=20 dB；

d.要求：采用LC谐振回路选频，负载RL=10 kΩ,放大电路性能稳定。

考虑高频放大电路的基本特性，采用具有较高增益的共发射极组态单调谐放大电路，Multisim环境中构建的电路仿真模型如图1所示。

晶体管是放大电路的核心，主要作用是控制电流和放大，论文采用NPN型三极管2N2222。该器件最大集电极电流IC=800 mA、集电极-发射极击穿电压VCE=30 V，其工作的截止频率为250 MHz，β取值范围为100-300，导通电压为0.7 V。该NPN型三极管特征频率fT较高、极间电容较小，可保证电路在高频情况下对有用信号具有较高的电压增益和稳定性[7]。

图1 单调谐放大电路仿真模型

直流偏置电路的作用在于为晶体管正常工作提供合适的静态工作点。该电路静态工作点Q主要由R5、R4、R3、R1、VCC确定。利用R3和R1的分压来固定基极偏置电位VBQ。同时电路中采用π型LC退耦电路避免高频信号对电源稳定性产生影响。

单调谐放大电路中，常见的发射极偏置电路如图2(a)所示。

但由于晶体三极管是温度敏感元件，温度对其各项参数影响极大，结果使该放大电路的静态工作点及增益不稳定。在分压式偏置共射放大电路中，为了稳定静态工作点ICQ，降低温度变化对电路稳定性的不良影响，电路应具有一定大小的发射极电阻[8]。因此论文引入图2(b)所示发射极接入带有非旁路电阻R5的偏置电路以提高发射极电阻来扼制温度影响。

由以上分析可知，发射极电阻R5阻值的增大有利于电路稳定性，但由“模拟电子电路”基本理论可知，发射极电阻在稳定静态工作点的同时，会牺牲放大电路的增益[9-10]。。而放大电路的设计中必须同时兼顾稳定性和增益这两个因素来设置最佳的R5阻值。本论文将运用Multisim强大快速的电路分析功能，研究如何配置发射极电阻来确保有效抑制RBE变化对电压增益稳定性产生的不良影响，同时避免电压增益下降过多导致的电路放大性能的恶化。

3 调谐放大器的仿真分析

3.1 发射极总电阻值的设置

发射极电阻由旁路电阻R4和非旁路电阻R5串联组成。在平台中针对各参数对管压降VCE影响的灵敏度分析可知，发射极总电阻值对电路有很大影响[11]，接下来，我们运用仿真来确定发射极两电阻阻值的最佳配比。研究思路如图3所示。

图3 发射极电阻阻值配比研究思路

发射极电阻R4对晶体管静态工作点有很大影响，从而影响到电路的输出波形，利用参数扫描中的瞬态分析得到当发射极非旁路电阻R5取值为0时，旁路电阻R4分别取0,1 kΩ，2 kΩ时的输出波形，仿真分析结果如图4所示。

图4 发射极电阻对输出波形的影响

由图可知当发射极电阻为0 Ω时输出波形幅值呈下降趋势，不稳定；当发射极电阻为1 kΩ,2 kΩ时输出波形相对稳定，且为1 kΩ时较2 kΩ时电压放大倍数大。结合输出波形稳定性和电压放大倍数两个因素，可知发射极电阻选择1 kΩ比较合适。

其次考虑发射极电阻在于温度变化时在稳定静态工作点中的作用。晶体管是一个温度敏感器件，温度对晶体管参数β、反向饱和电流ICEO以及发射结电压VCE的变化作用显著，从而引起电压放大倍数和输入电阻等动态参数的不稳定[12]。选取合适的发射极电阻阻值使晶体管温度稳定性更佳极其重要。利用Multisim平台中温度扫描分析可得到发射极电阻取1 kΩ时静态工作点随温度变化较小[11]。

综合参数扫描及温度扫描结果可知，发射极总阻值取1 kΩ时电路静态工作点稳定性最佳。

3.2 发射极两电阻对电压增益的影响

结合以上放大电路静态工作点稳定分析，接下来要考虑发射极两电阻对电路增益特性影响。首先，利用平台中参数扫描功能，借控制变量法，探寻两电阻在电路中的作用。一般非旁路电阻R5阻值很小，这里设为100 Ω，利用参数扫描分析对R4进行参数扫描，得到R”4为900 Ω,1 900 Ω，2 900 Ω时的幅频特性曲线如图5所示。

图5 旁路发射极电阻参数扫描

由图可知，放大器电压增益随R4的增大而略微减小。因为随着R4增大，发射极电流变小，而晶体管发射极内阻增大，导致放大器电压增益减小。但发射极内阻RBE对电压放大倍数的影响还受到了R5限制，因此改变R4对电压增益的影响不大。由此可知，旁路电阻R4在交流电路中被电容短路而起到了引入直流负反馈稳定静态工作点的作用。

其次探究发射极非旁路电阻R5作用。设R4阻值为980 Ω，对R5进行参数扫描，得到其值为20 Ω,100 Ω,200 Ω,500 Ω,1 kΩ，2 kΩ时的幅频特性曲线如图6所示。

图6 非旁路发射极电阻参数扫描

由上图可知，当射极电阻R5不断增大时，输出波形峰值不断减小，即放大器增益随非旁路电阻增大而减小。

分析可知，非旁路电阻R5在交流中起到电流串联反馈作用，当R5增大时，将使负反馈深度增大，放大器互导放大倍数降低。所以放大器增益变小，输出波形带宽不变。在直流中改变了静态工作点进而改变发射极内阻而影响电压放大倍数。

根据以上两电阻作用分析，可知其对电路增益影响如下：放大器的电压放大倍数受R4的影响较小。而非旁路电阻R5兼具直流和交流反馈的作用，不仅可以稳定静态工作点，对放大器的电压增益也有影响。

3.3 发射极电阻R4、R5阻值分配

由以上R4、R5总阻值及R4参数扫描分析可知，R4取980 Ω左右比较合理。接下来论文就电压增益问题来定量探讨引入的非旁路电阻R5的合理取值。

共射放大器的晶体管输入阻抗很低，而小的晶体管输入电阻直接并接在谐振回路两端，会大大降低回路的谐振阻抗和Q值，降低谐振阻抗的后果是降低放大器的增益[1]。本课题中电路输入电阻为：R∑=R1||R3||RBE+(1+β)R5。由于在放大区，发射结总是正偏的，所以RBE通常很小。因此输入电阻等效为R∑=RBE+(1+β)R5。而RBE大小随着的变化而变化具有一定的不稳定性，所以需要考虑引入R5后抵消发射极内阻RBE的影响其中当(1+β)R5≫RBE时，可忽略RBE的作用(一般取10倍为远大于)，使得输入电阻主要由R5决定。式中β约为100，对R5进行参数扫描，即可得到RBE与R5的关系曲线如图7所示。

图7 R5与RBE的关系曲线

由图可知，当(1+β)R5～10RBE时，R5为143 Ω，RBE为1.43 kΩ，此时，(1+β)R5远大于RBE，所以在确保输入电阻主要由R5决定来降低温度影响的前提下，R5应取143 Ω左右。

在确保有一定输入阻抗的前提下，还需要考虑R5的引入会牺牲电压增益，要在保证输出稳定性的同时确保有适当的电压增益。带有非旁路电阻的电路的电压增益为下式：

由以上输入阻抗的分析，取RBE为1 000 Ω，通过仿真得到R5在不同取值下的电压增益，用点测法绘制R5与Au之间的关系曲线见图8所示。

由图可知放大器电压增益和非旁路电阻R5呈反比例递减趋势，且当电阻大于143 Ω后，Au随R5减小的速度变缓，此时电压增益仅为6.47，放大倍数过小，所以R5应小于143 Ω。因此，R5取值需权衡电压增益与电路输入阻抗影响。

图8 R5与Au的关系曲线

在确保Au主要取决于R5及放大器有较大电压增益的前提下，对R5进行取值时，还要考虑发射极阻值对晶体管发射极内阻，即对电压增益的变化率的影响。变化率越小代表电压放大倍数受发射极内阻的影响越小即稳定性越好。通过改变发射极电阻R4改变发射极电流值继而得到不同的发射极内阻RBE的值，再由参数扫描得到R5取不同值时的电压放大倍数，利用公式ΔAu/ΔRBE计算得到电压增益与发射极内阻间的的变化率如表1所示。

表1 电压增益与发射极内阻变化率

(变化率K为RBE每变化1 kΩ对应的电压放大倍数的变化)

由仿真计算结果可知：

①R5=0 Ω时，此时电压增益相对较大，但发射极内阻RBE对电压增益影响极大，而晶体管内阻受很多因素影响，此时不利于放大器系统稳定。

②R5=143 Ω时，发射极内阻RBE对电压放大倍数的影响最小，但此时电压放大倍数也相对很小，达不到放大要求。

③R5=20 Ω时，既确保放大器有适当的电压增益，也一定程度上抵消了发射极内阻对电压增益的影响，提高了放大器的稳定性。

综上所述，通过点测法绘表制图，可以清晰地得到发射极非旁路电阻R5与旁路电阻R4最佳阻值分别为20 Ω，980 Ω。此时可有效地权衡电压增益与电路稳定性。使电路性能最优。

4 总结

论文运用严谨的逻辑，定量且系统地阐述了发射极两电阻阻值配比问题。首先考虑输出波形稳定性及静态工作点，运用Multisim中的瞬态分析及温度扫描功能，确立发射极最优总阻值；再考虑电压增益确立旁路电阻及非旁路电阻作用，便于定量分析。最后考虑三极管内阻影响，创新地运用点测法绘制非旁路电阻与增益的关系及与电压增益变化率的关系，定量的得出发射极旁路电阻和非旁路电阻的阻值。使电路工作在适当的电压增益下，同时一定程度上抵消发射极内阻对电压放大倍数的影响。