基于Protel DXP仿真的三種基本放大電路動態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算與分析＊

帥海燕

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引言

三極管有三個電極，分別為發(fā)射極、集電極和基極。若分別以這三個電極作為單管放大電路的輸入回路和輸出回路的公共端，則可構(gòu)成單管放大電路的三種基本組態(tài)，即共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路［1］。以往對于這三種電路的分析與比較主要以定性分析和實(shí)驗(yàn)觀察為主。純理論上的定性分析缺乏可觀性和趣味性，不利用于高職院校學(xué)生對該知識點(diǎn)掌握和應(yīng)用；而實(shí)驗(yàn)中各種測量誤差因素的存在和電路元件的分散性，有時會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與要驗(yàn)證的結(jié)論不一致。

Protel DXP作為EDA的開發(fā)工具之一，除了具有強(qiáng)大的數(shù)／模混合信號電路仿真功能外，還集成了靜態(tài)特性分析、瞬態(tài)特性分析、交流小信號分析、噪聲分析、直流分析、蒙特卡羅分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、傅立葉分析和傳遞函數(shù)分析等多種仿真功能［2－4］。利用電路仿真功能不僅能通過知識點(diǎn)的可視化提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，過濾掉各種誤差因素和元件分散性對仿真結(jié)果的干擾，還可以在原理圖上靈活地更改元件及其參數(shù)以達(dá)到預(yù)期的效果。

本文利用Protel DXP的仿真功能對電子技術(shù)中的三種基本放大電路的動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并以這些動態(tài)性能指標(biāo)為基準(zhǔn)，對三個基本放大電路的動態(tài)性能進(jìn)行了分析與比較，并指出各電路的適用場合。

1 三種基本放大電路仿真模型的建立

運(yùn)行Protel DXP，進(jìn)入主窗口，單擊File＞New＞Schematic菜單，進(jìn)入到原理圖編輯界面，在該界面中依次對三個基本電路進(jìn)行繪制、編譯ERC，并增加激勵，最后依次保存這三個原理圖文件（＊.SchDoc）。

圖1為共射極放大電路，圖2為共集電極放大電路，圖3共基極放大電路。為了便于分析與比較，三個電路中的電路參數(shù)取值相同，直流電源（＋12V）和交流電源（Us＝100uV，f＝10KHz）也相同。

圖1 共射極放大電路

圖2 共集電極放大電路

圖3 共基極放大電路

2 基于仿真的三種基本放大電路動態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算與分析

參數(shù)設(shè)置完后，分別在三個原理圖編輯窗口內(nèi)單擊“Design＞Simulate＞MixedSim”菜單，啟動仿真功能，彈出仿真分析設(shè)置對話框AnalysesSetup。為了獲得三種電路的動態(tài)性能指標(biāo)（交流電流放大倍數(shù)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和通頻帶寬），本文分別在Analyses Setup的Analyses／Options分組框中選擇工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）和瞬態(tài)特性／傅里葉分析（Transient／FourierAnalysis）、參數(shù)掃描分析（ParameterSweetAnalysis）以及交流小信號分析（ACSmallSignalAnalysis）。

2.1 基于瞬態(tài)特性分析仿真的輸入電阻、電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)的計(jì)算

瞬態(tài)特性分析屬時域分析，用于獲得電路中節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流或元件功率等的瞬時值［5］。為簡化操作，本文對瞬態(tài)特性分析的仿真參數(shù)全部采用默認(rèn)值。圖4為三種電路的輸入電壓、輸出電壓波形和電流輸入電流、輸出電流波形。

圖4 三種基本放大電路的瞬態(tài)特性分析仿真波形

利用Protel DXP的測量游標(biāo)和“SimDataPanel”面板可從圖4的“瞬態(tài)分析”仿真出的波形圖中讀出三種基本放大電路的輸入電壓Uin、輸出電壓Uout及輸入電流Iin、輸出電流Iout的數(shù)值。根據(jù)公式Au＝Uout／Uin，Ri＝UinRs／（Us－Uin）和β＝Iout／Iin［6］可以計(jì)算出各放大電路的電壓放大倍數(shù)Au，輸入電阻Ri和電流放大倍數(shù)b。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 三種基本放大電路的輸入電阻，電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)（Us＝100uV，Rs＝1 KΩ）

2.2 基于參數(shù)掃描分析仿真的輸出電阻的計(jì)算

ProtelDXP的參數(shù)掃描分析是用來分析電路中某一元件參數(shù)變化時對電路性能的影響，常用于確定電路中某些關(guān)鍵元件的取值［7］。為計(jì)算各電路的輸出電阻RO，本文將PrimarySweepVariable（掃描參數(shù)）設(shè)為RL，PrimaryStartValue（掃描起始值）設(shè)為20K，PrimaryStopValue（掃描終止值）設(shè)為100K，PrimaryStepValue（掃描步長）設(shè)為20K，以得不同RL值時的電路輸出電壓Uout。圖5為三種基本放大電路的參數(shù)掃描分析仿真波形。

圖5 三種基本放大電路的參數(shù)掃描分析仿真波形

表2 三種基本放大電路輸出電阻

2.3 基于交流小信號分析仿真的通頻帶的計(jì)算

交流小信號分析用于在保持輸入信號的幅值不變的情況下，測試輸出信號的幅值或相位與輸入信號頻率變化的關(guān)系［8］。本文將StartFrequency（掃描起始頻率）設(shè)為1Hz，StopFrequency（掃描終止頻率）設(shè)為100MHz，SweepType（頻率掃描方式）設(shè)為Decade（對數(shù)掃描方式），TestPoints（測試點(diǎn)）設(shè)為100。圖6為三種基本放大電路的交流小信號分析仿真波形圖。

圖6 三種基本放大電路的交流小信號分析仿真波形

放大電路的下限頻率fL和上限頻率fH是指電壓放大倍數(shù)下降為0.707Au時所對應(yīng)的頻率［9］。本文根據(jù)公式Uout＝0.707Au×Uin確定fL和fH，即由Uout＝0.707Au×Uin算出各電路上、下頻率對應(yīng)的電壓值，然后在圖6上讀出各電路相應(yīng)的fL和fH。

表3 三種基本放大電路的通頻帶

2.4 三種基本電路的放大電路動態(tài)性能分析與比較

將表1～表3的交流電流放大倍數(shù)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和通頻帶值進(jìn)行匯總，如表4所示。

表4 三種基本放大電路動態(tài)性能指標(biāo)

由表4可知，共集電極放大電路的電流放大倍數(shù)最大，為330.8倍；共射極放大電路的次之，為136.77倍；而共基極電路的僅為0.983倍，即其沒有電流放大作用。共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)最大，為208.779倍；共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)次之，為153.011倍，與共射極的相差不是很大；而共集電極電路的電壓放大倍數(shù)僅為0.985倍，即其沒有電壓放大作用。從輸入電阻的大小來看，共集電極電路的最大，為7.84KΩ；共射極電路的次之，為2.28KΩ；共基極電路的最小，為0.03KΩ。共集電極電路的通頻帶寬為84050.499MHz，共基極電路的次之，為18827.848MHz；而共射極電路的通頻帶很窄，只有517.025KHz。

由上面數(shù)據(jù)分析可知，共射極放大電路既能放大電流也能放大電壓，輸入電阻居中，輸出電阻較大，通頻帶較窄，所以常作為低頻放大電路的單元電路；共集電極放大電路不能放大電壓，但電流放大能力較強(qiáng)，輸入電阻最大，輸出電阻最小，且有電壓跟隨的特點(diǎn)，因此常用作電壓放大電路的輸入和輸出級；共基極放大電路只能放大電壓不能放大電流，輸入電阻小，電壓放大倍數(shù)和輸出電阻與共射極的接近，其高頻特性是三種接法中最好的，所以常用作高頻或?qū)掝l帶電路。

3 結(jié)論

在《模擬電子技術(shù)》傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐中，“三種基本放大電路動態(tài)性能的分析與比較”通常采用的方法是純理論上的估算，這使得該知識點(diǎn)變得抽象、枯燥，很難激起學(xué)生的興趣，因此歷來是職業(yè)院校學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。為了克服這種弊端，作者將可視化電子設(shè)計(jì)自動化軟件Protel DXP的電路原理圖設(shè)計(jì)和電路仿真兩大功能融入到“三種基本放大電路動態(tài)性能的分析與比較”的教學(xué)中，在軟件操作演示的同時輔以理論知識的講解，從而使學(xué)生在身臨其境中深刻地理解知識點(diǎn)。因此，本文為提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提供了可行性的方法。

本文中的參數(shù)屬自行設(shè)定，具體的參數(shù)不同，各動態(tài)參數(shù)的具體數(shù)據(jù)可能會有所不同，但對各電路動態(tài)性能分析的結(jié)果應(yīng)該是相同的。

［1］［6］［9］華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006：111－225.

［2］趙迪，張貴辰，孫德輝.基于Protel DXP一體化方法的數(shù)字流量控制器設(shè)計(jì)［J］.北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（3）：29－34.

［3］馬建偉.基于Protel DXP車用永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真［J］.刑臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（1）：90－94.

［4］楊颯.基于Protel DXP的負(fù)反饋電路仿真分析［J］.安徽電子信息職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（4）：73－75.

［5］［7］［8］魯捷.Protel DXP電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：141－146.