基于QUCS-S软件的共射极放大电路仿真

李鑫圣

（西藏大学理学院，西藏 拉萨 850000）

0 引言

放大电路作为模拟电子线路最重要和最核心的内容，一直倍受老师和同学重视[1]。传统教学中通过“面包板”搭建电路并进行输出测量[2]，该方式虽然可以提升学生的动手能力，但接线复杂且完成布线后不易更改元件参数，难以直观地观察各种结果并对其进行分析。SPICE 是一个普遍的电路级仿真程序，其功能丰富、速度优越，可以模拟和计算电路性能[3]。基于SPICE 内核，已经开发了许多商业电路仿真软件[4-6]。该文使用的软件内核为基于SPICE 的NGSPICE[7]，它没有GUI 界面，完全由命令行进行操作，给初学者的使用带来了不便，因此引入QUCS-S。QUCS-S 融合了SPICE 的强大功能和QUCS GUI 的简单性，易于学习者理解与操作。该文基于QUCS-S 软件设计并模拟了经典共射极放大电路实验，对比观察了引入负反馈和分压电阻后，电路的开环和闭环系统的放大倍数、通频带宽度等参数的变化情况。验证了仿真设计结果与理论计算相同，证明了仿真能使抽象的结果具体化和形象化。

1 基本原理

1.1 两级阻容耦合放大电路

耦合电路有直流耦合、阻容耦合和变压器耦合3 种形式。两级阻容耦合电路各级的静态工作点都相互独立、互不影响。因此，只要选择足够大的耦合电容，就可以让前一级输出信号在一定频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端，使信号得到充分应用。

原理图如图1 所示，其中C3、C4、C6 和C7 为耦合电容，其功能为隔直通交；C5 为级间电容，主要影响电路的高频输出。R3、R6、R7 和W3 电阻的功能是稳定三极管的静态工作点；R4、R5、R8、R9 和W1 电阻的功能是限制通过三极管的集电极和发射极电流。该电路是在典型的射极偏置耦合放大电路的基础上，通过增加前级输出阻抗和后级输出阻抗共同构成的两级阻容耦合放大电路，采用两级电路进行输出，可较好地突出放大电路对信号的增益效果。通过调节W3 的阻值实现对静态工作点的设置，由于该电路各级静态工作点互不影响，因此可以通过分别计算单极工作点进行设置。

图1 两级阻容耦合放大电路图

1.2 负反馈对电路的影响

负反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络构成，反馈网络从输出信号Xo中取出反馈信号Xf，使其与输入信号Xi叠加，得到净输入信号Xd。对于负反馈电路，输入信号满足xd=xi-xf，由于xi与xf同相位，因此输出信号强度小于输入信号的强度，综上所述，基本放大电路的放大倍数和反馈网络的反馈系数。如公式（1）和公式（2）所示。

值得注意的是，负反馈虽然减小了放大电路的放大倍数，但是却使放大器的各项性能指标得到改善，这主要是因为负反馈提高了放大倍数的稳定性、展宽了频带且减小了非线性失真。其中的电压串联负反馈增大了输入阻抗且减小了输出阻抗。由公式（4）可以计算出闭环电压放大倍数的稳定性提高了1+AVFV倍。

式中：AVF为电压放大倍数；FV为电压反馈系数；AV为放大器的电压增益。

在放大电路中，由于电容元件、分布电容以及晶体管结电容的存在，因此放大器的放大倍数就与信号频率有关，当信号频率偏低或偏高时，放大倍数都将减小。引入负反馈后，由于中频段的开环放大倍数大、反馈信号强，因此闭环放大倍数会比开环放大倍数小很多；在低频段和高频段，开环放大倍数小、反馈信号也比较弱，因此闭环放大倍数相对于中频时降低较小。由此产生的实际效果是展宽了放大电路的通频带。闭环通频带BWF与开环通频带BW之间的关系如公式（5）所示。

电路图以图1 为基础，把C、D两点接通，C、D两点为负反馈网络连接点，它们构成电压串联负反馈放大电路；W2 和C8 组成反馈网络，如图2 所示。该电路在上述阻容耦合的两级分压偏置式基本共射放大电路的基础上引入了反馈网络，反馈信号来自第二级的输出电压，并通过支路反馈到Q1 的发射极。通过瞬时极性法，可知该反馈为电压串联式负反馈。

图2 电压串联负反馈放大电路

1.3 分压电阻对电路的影响

在带射极电阻的固定偏执放大电路第二级中引入1 个电阻构成分压偏置式电路，其相较固定偏置放大电路仅做出微小改动，但却可以使放大电路的静态工作点稳定，从而使整体电路的稳定性得到很大改善。采用上下偏置电阻也可以方便地改变基极电压。在实际应用中，为了防止温度的影响，常在R7 上方再串联1 个二极管，一起实现稳定工作点的目的。

2 仿真分析

2.1 放大倍数仿真模拟

基本放大电路仿真电路图如图3 所示。该电路图按照图1 的形式进行接线，成为阻容耦合共射放大电路的仿真检测电路图。为了探测信号情况，在输入端V1 与C3 之间、第一级输出端C5 与R6 之间以及第二级输出端C7和RL 之间放置检测点。

图3 基本放大器仿真电路图

初始设定电源提供约10 mV、1 kHz 的正弦输入电压信号，持续时间为15 ms。观察到输入与输出波形的对比，如图4 所示。实线为输入信号电压，虚线为末级输出信号电压，可以观察到输出电压相比于输入电压有较明显的放大情况。

对数据进行计算，得出电压放大倍数为。

接下来引入负反馈电路，仿真电路图如图5 所示，即在图4 的基础上加入负反馈支路，其余设置不变，方便后续的分析和对比。得到的输入与输出波形的对比，如图6 所示。可以观察到图6 中的电压放大倍数比图4 的电压放大倍数小。

图4 开环输入输出波形对比图

图5 闭环放大器仿真电路图

图6 闭环输入输出对比图

通过计算，此时电压放大倍数如下。

由此可见，负反馈降低了电压的放大倍数。改变电路中各元件动态参数（例如RL），具体实验结果见表1。虽然负反馈降低了电压放大倍数，但引入负反馈后电路更加稳定，与理论分析结果保持一致。

表1 元件动态参数结果

2.2 幅频特性仿真模拟

断开C、D，在保持输入电压不变的情况下，需要在实验中逐步减少和增大频率，使其输出电压为原输出电压的0.7 倍。在模拟中可直接由AC 仿真得出上限频率与下限频率。然后连接C、D两点，构成负反馈放大器，继续仿真得到反馈电路的上、下限频率。图7 为开环和闭环幅频特性的比较结果。虚线为加入负反馈后的情况。由图7可以看出，引入负反馈后通频带增加，表明负反馈拓展了放大电路的通频带。其原因是在低频段和高频段，开环放大倍数小且反馈信号比较弱；而中频段的开环放大倍数大且反馈信号强，因此负反馈是通过牺牲放大倍数来实现稳定电路的目标。具体数据见表2。

图7 开环闭环放大电路频率仿真图

表2 幅频特性仿真结果

2.3 负反馈对非线性失真的改善

断开C、D两点，加大输入电压，可以发现当电压增大到60 mV 时，开始出现较为明显的截至失真。此时，输入电压为0.1 V，输出电压为1 V。连接C、D两点，继续输入电压为60 mV 的信号，观察闭环的仿真结果，如图8 所示。与开环结果相比，输出电压虽然减小，但是失真程度也明显减少。其原因是对于高增益放大电路来说，负反馈使闭环增益降低，在环路增益足够大时，放大电路的非线性影响被闭环减弱，因此非线性失真得到改善。由此可见，放大电路使用反馈可以较好地改善失真的情况。

3 应用

放大电路作为使用最为广泛的电子电路之一，是构成其他电子电路的核心，也是处理模拟信号的最基本方式；分压式偏置共发射极放大电路作为应用最广的放大电路，是助听器、收音机、音响以及声卡等器件中的关键部分。随着电子技术的进步，单管放大电路已实现集成化，即集成运算放大器。运算器中的电路一般为多级放大集成电路，它的输入级使用差分放大电路，抑制零点漂移；中间级则由共射极放大电路构成，实现最重要的电压放大功能。由此可见，放大电路在实际生产生活中具有重要作用。

图8 开环闭环放大电路输出波形

4 结语

该文通过QUCS-S 软件对电路进行设计，分析了反馈对放大电路性能的影响，在理论计算的基础上，通过仿真得出放大电路和反馈放大电路在动态参数和幅频特性等方面的仿真结果，证明了反馈在放大电路中可以拓展通频带和改善电路的非线性失真。同时，仿真软件由计算机分析电路，大大减少了人工计算带来的误差；也可以使学习者更直观地观察到结果，有利于加深对放大电路知识的理解。