共射极放大电路电容参数对频率特性的影响分析

张学文，司佑全

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

放大电路的频率特性是放大电路特性的一个重要指标，放大电路的通频带直接影响放大电路的实际应用。图1所示共射极放大电路是模拟电子技术中很重要的电路[1]。共射极放大电路在低频区时，由于耦合电容、旁路电容的影响，其增益随频率的下降而下降；在高频区，由于极间电容的影响，其增益随频率的增大而下降；在中频区，极间电容、耦合电容、旁路电容都可以视为短路，故中频区增益基本不随频率变化[2,3]。

图1 共射极单管放大电路

在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降[4]。在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。改变输入信号频率，若输出信号幅值下降到中频电压放大倍数的0.707时，相应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，二者之差即为带宽。

文[5～8]对影响频率特性的因素进行了定性分析，指出在低频区影响放大电路频率特性的主要因素是耦合电容和旁路电容，影响高频特性的主要因素是放大管的极间电容。但关于这些因素对频率特性的影响程度并没有作进一步的比较分析。

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的EDA工具软件，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，具有丰富的仿真分析能力[9～12]。利用Multisim13的参数扫描功能，可以方便地对电路参数的各影响因素进行比较分析。参数扫描分析是将电路参数设置在一定范围内变化，以分析参数变化对电路性能的影响，相当于对电路进行多次不同参数的仿真分析，可以快速检验电路性能。通过设置参数变化的开始值、结束值、增量值和扫描方式，从而控制参数的变化。

选择工具栏中的Simulate→Analysis→Parameter Sweep，打开设置窗口进行仿真设置。Sweep parameter有三个选项：Device parameter、Model parameter、Circuit parameter(分析耦合电容和旁路电容时选择Device parameter；分析三极管电容时选择Model parameter)。设置扫描方式：从“Sweep Variation Type” 下拉列表中选择扫描方式(Decade, Linear，Octave,List)选择Linear，线性扫描；Analysis to sweep有五个选项：DC Operating Point(直流工作点分析)，AC Analysis(交流分析),Single Frequency AC Analysis(单一交流频率分析),Transient Analysis(瞬态分析),Nested sweep, 选择AC Analysis.分别在“Start”“Stop”“Number of Points”“Increment”,设置好扫描参数的起始值、终止值、扫描点数和增量值，点击Edit Analysis按钮，打开相应分析对话框，编辑所选分析参数，其默认频率起点1Hz，终点10GHz.Output选项中选择节点4电压输出，单击Simulate进行仿真。

1 耦合电容、旁路电容对频率特性的影响

采用Multisim13仿真中的参数扫描分析，可以方便地观测电容C1、C2、C3的变化对放大器频率特性的影响。C1、C2从1μF到22μF取3个点，C3从1μF到100μF取4个点。

1.1 C1参数扫描时幅频、相频特性

1.2 C2参数扫描时幅频、相频特性

1.3 C3参数扫描时幅频、相频特性

图2～4 C1～C3不同的扫描点的取值，通过移动光标可以得到每个扫描点对应的上、下限频率和其对应相位差，见表1.

图2 C1参数扫描输出信号交流分析

图3 C2参数扫描输出信号交流分析

图4 C3参数扫描输出信号交流分析

表1 C1、C2、C3与频率特性关系

由表1，改变C1、C2、C3参数，对上限频率没有影响，对下限频率有影响。C1、C2超过10μF之后下限频率几乎没有变化。C1= C2=10μF，C3=100μF时下限频率为66Hz.C3参数变化对下限频率的影响大于C1、C2，旁路电容C3越大，下限频率越低。要改善电路的低频特性，应适当增大旁路电容C3的值。

参数扫描结果直观地显示了频率响应与电容C1、C2、C3的关系。根据其变化关系，可以选定最佳的电容值，实现电路的优化设计。

实验中我们通常选取1kHz作为输入信号的频率，从图1～图3幅频、相频特性图来看，10kHz作为中频信号频率比较合适。

2 三极管电容对放大电路频率特性的影响

2.1 极间电容对频率特性的影响

图1中2SC1815模型的默认值CJC=10.21pF,CJE=10.21pF，CJS=0pF.(由Multisim13中2SC1815已有模型参数查得)。分别对图1中晶体管2SC1815模型参数中的集电结电容CJC、发射结电容CJE、衬底电容CJS进行参数扫描分析，容值为:10pF～80pF，步距值均设置为35pF.

2.1.1 集电结电容对频率特性的影响

2.1.2 发射结电容对频率特性的影响

2.2 三极管衬底电容对频率特性的影响

图5～7 CJC、CJE、CJS不同的扫描点的取值，通过移动光标可以得到每个扫描点对应的上、下限频率和其对应相位差,见表2.

图5 集电结电容CJC参数扫描分析

图6 发射结电容CJE参数扫描分析

图7 三极管衬底电容的CJS参数扫描分析

表2 集电结电容CJC、发射结电容CJE、衬底电容的CJS与频率特性关系

由图5～7及表2可知，改变三极管极间电容参数，对下限频率没有影响，对上限频率有影响。极间电容越大，上限频率越低。可见晶体管的极间电容对放大电路高频频率特性的影响较为显著。晶体管集电结电容参数CJC越大，高频特性越差，集电结电容对电路的高频特性起主要的影响作用，集电结电容越小，高频特性越好。

三极管衬底电容、集电结电容对电路的高频特性影响较大。电路中选择极间电容值较小的三极管，上限频率就会更高一些。除了考虑了三极管的极问电容影响，还要考虑三极管衬底电容的影响。

3 总结

影响共射放大电路下限截止频率的主要因素是射极旁路电容，影响上限截止频率主要是集电结电容和三极管衬底电容。

利用Multisim13仿真参数扫描分析方法对电路的频率特性进行仿真测试，选定测试参数，测量结果非常直观、简洁，同时可将仿真测量结果输出到Excel中并对电路性能指标进行分析，从而优化电路设计。