帶有非旁路發(fā)射極電阻調(diào)諧放大器性能的研究

李雪瑩， 葉建芳， 董琳

(東華大學 信息科學與技術(shù)學院, 上海 201620)

0 引言

調(diào)諧放大器是高頻小信號放大器的一種，也是超外差式接收機的主要部分[1]。在超外差式無線電接收機中作中頻放大器用,主要用來選擇和放大中頻信號[2]。本論文以仿真軟件Mulistims13.0為基礎(chǔ)，通過仿真探究放大器發(fā)射極電容旁路電阻和非旁路電阻作用及參數(shù)設(shè)置。

1 交互式Multisim13.0 仿真軟件

NI Multisim 電路仿真軟件是一款專門用于電子線路設(shè)計仿真的虛擬電子工作平臺。該軟件平臺將原理圖輸入、工業(yè)標準的SPICE仿真集成在同一環(huán)境中完成電路行為分析[3][4]。其提供的元件庫豐富全面，是高頻電子線路設(shè)計分析中強大的工具。同時虛擬儀器的使用給學生的分析工作提供了很大便利且縮短實驗時間，減少大量元件的耗費[5]。在實現(xiàn)高頻電路分析和設(shè)計方面不僅高效、可靠，而且具有逼近真實電路的效果[6]。

2 電路設(shè)計及仿真模型的構(gòu)建

設(shè)計的單調(diào)諧選頻放大電路性能指標：

a.中心頻率：3 MHz；

b.通頻帶：BW=80 kHz；

c.電壓增益:>=20 dB；

d.要求：采用LC諧振回路選頻，負載RL=10 kΩ,放大電路性能穩(wěn)定。

考慮高頻放大電路的基本特性，采用具有較高增益的共發(fā)射極組態(tài)單調(diào)諧放大電路，Multisim環(huán)境中構(gòu)建的電路仿真模型如圖1所示。

晶體管是放大電路的核心，主要作用是控制電流和放大，論文采用NPN型三極管2N2222。該器件最大集電極電流IC=800 mA、集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCE=30 V，其工作的截止頻率為250 MHz，β取值范圍為100-300，導通電壓為0.7 V。該NPN型三極管特征頻率fT較高、極間電容較小，可保證電路在高頻情況下對有用信號具有較高的電壓增益和穩(wěn)定性[7]。

圖1 單調(diào)諧放大電路仿真模型

直流偏置電路的作用在于為晶體管正常工作提供合適的靜態(tài)工作點。該電路靜態(tài)工作點Q主要由R5、R4、R3、R1、VCC確定。利用R3和R1的分壓來固定基極偏置電位VBQ。同時電路中采用π型LC退耦電路避免高頻信號對電源穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

單調(diào)諧放大電路中，常見的發(fā)射極偏置電路如圖2(a)所示。

但由于晶體三極管是溫度敏感元件，溫度對其各項參數(shù)影響極大，結(jié)果使該放大電路的靜態(tài)工作點及增益不穩(wěn)定。在分壓式偏置共射放大電路中，為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點ICQ，降低溫度變化對電路穩(wěn)定性的不良影響，電路應具有一定大小的發(fā)射極電阻[8]。因此論文引入圖2(b)所示發(fā)射極接入帶有非旁路電阻R5的偏置電路以提高發(fā)射極電阻來扼制溫度影響。

由以上分析可知，發(fā)射極電阻R5阻值的增大有利于電路穩(wěn)定性，但由“模擬電子電路”基本理論可知，發(fā)射極電阻在穩(wěn)定靜態(tài)工作點的同時，會犧牲放大電路的增益[9-10]。。而放大電路的設(shè)計中必須同時兼顧穩(wěn)定性和增益這兩個因素來設(shè)置最佳的R5阻值。本論文將運用Multisim強大快速的電路分析功能，研究如何配置發(fā)射極電阻來確保有效抑制RBE變化對電壓增益穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響，同時避免電壓增益下降過多導致的電路放大性能的惡化。

3 調(diào)諧放大器的仿真分析

3.1 發(fā)射極總電阻值的設(shè)置

發(fā)射極電阻由旁路電阻R4和非旁路電阻R5串聯(lián)組成。在平臺中針對各參數(shù)對管壓降VCE影響的靈敏度分析可知，發(fā)射極總電阻值對電路有很大影響[11]，接下來，我們運用仿真來確定發(fā)射極兩電阻阻值的最佳配比。研究思路如圖3所示。

圖3 發(fā)射極電阻阻值配比研究思路

發(fā)射極電阻R4對晶體管靜態(tài)工作點有很大影響，從而影響到電路的輸出波形，利用參數(shù)掃描中的瞬態(tài)分析得到當發(fā)射極非旁路電阻R5取值為0時，旁路電阻R4分別取0,1 kΩ，2 kΩ時的輸出波形，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 發(fā)射極電阻對輸出波形的影響

由圖可知當發(fā)射極電阻為0 Ω時輸出波形幅值呈下降趨勢，不穩(wěn)定；當發(fā)射極電阻為1 kΩ,2 kΩ時輸出波形相對穩(wěn)定，且為1 kΩ時較2 kΩ時電壓放大倍數(shù)大。結(jié)合輸出波形穩(wěn)定性和電壓放大倍數(shù)兩個因素，可知發(fā)射極電阻選擇1 kΩ比較合適。

其次考慮發(fā)射極電阻在于溫度變化時在穩(wěn)定靜態(tài)工作點中的作用。晶體管是一個溫度敏感器件，溫度對晶體管參數(shù)β、反向飽和電流ICEO以及發(fā)射結(jié)電壓VCE的變化作用顯著，從而引起電壓放大倍數(shù)和輸入電阻等動態(tài)參數(shù)的不穩(wěn)定[12]。選取合適的發(fā)射極電阻阻值使晶體管溫度穩(wěn)定性更佳極其重要。利用Multisim平臺中溫度掃描分析可得到發(fā)射極電阻取1 kΩ時靜態(tài)工作點隨溫度變化較小[11]。

綜合參數(shù)掃描及溫度掃描結(jié)果可知，發(fā)射極總阻值取1 kΩ時電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定性最佳。

3.2 發(fā)射極兩電阻對電壓增益的影響

結(jié)合以上放大電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定分析，接下來要考慮發(fā)射極兩電阻對電路增益特性影響。首先，利用平臺中參數(shù)掃描功能，借控制變量法，探尋兩電阻在電路中的作用。一般非旁路電阻R5阻值很小，這里設(shè)為100 Ω，利用參數(shù)掃描分析對R4進行參數(shù)掃描，得到R”4為900 Ω,1 900 Ω，2 900 Ω時的幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 旁路發(fā)射極電阻參數(shù)掃描

由圖可知，放大器電壓增益隨R4的增大而略微減小。因為隨著R4增大，發(fā)射極電流變小，而晶體管發(fā)射極內(nèi)阻增大，導致放大器電壓增益減小。但發(fā)射極內(nèi)阻RBE對電壓放大倍數(shù)的影響還受到了R5限制，因此改變R4對電壓增益的影響不大。由此可知，旁路電阻R4在交流電路中被電容短路而起到了引入直流負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用。

其次探究發(fā)射極非旁路電阻R5作用。設(shè)R4阻值為980 Ω，對R5進行參數(shù)掃描，得到其值為20 Ω,100 Ω,200 Ω,500 Ω,1 kΩ，2 kΩ時的幅頻特性曲線如圖6所示。

圖6 非旁路發(fā)射極電阻參數(shù)掃描

由上圖可知，當射極電阻R5不斷增大時，輸出波形峰值不斷減小，即放大器增益隨非旁路電阻增大而減小。

分析可知，非旁路電阻R5在交流中起到電流串聯(lián)反饋作用，當R5增大時，將使負反饋深度增大，放大器互導放大倍數(shù)降低。所以放大器增益變小，輸出波形帶寬不變。在直流中改變了靜態(tài)工作點進而改變發(fā)射極內(nèi)阻而影響電壓放大倍數(shù)。

根據(jù)以上兩電阻作用分析，可知其對電路增益影響如下：放大器的電壓放大倍數(shù)受R4的影響較小。而非旁路電阻R5兼具直流和交流反饋的作用，不僅可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點，對放大器的電壓增益也有影響。

3.3 發(fā)射極電阻R4、R5阻值分配

由以上R4、R5總阻值及R4參數(shù)掃描分析可知，R4取980 Ω左右比較合理。接下來論文就電壓增益問題來定量探討引入的非旁路電阻R5的合理取值。

共射放大器的晶體管輸入阻抗很低，而小的晶體管輸入電阻直接并接在諧振回路兩端，會大大降低回路的諧振阻抗和Q值，降低諧振阻抗的后果是降低放大器的增益[1]。本課題中電路輸入電阻為：R∑=R1||R3||RBE+(1+β)R5。由于在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)總是正偏的，所以RBE通常很小。因此輸入電阻等效為R∑=RBE+(1+β)R5。而RBE大小隨著的變化而變化具有一定的不穩(wěn)定性，所以需要考慮引入R5后抵消發(fā)射極內(nèi)阻RBE的影響其中當(1+β)R5?RBE時，可忽略RBE的作用(一般取10倍為遠大于)，使得輸入電阻主要由R5決定。式中β約為100，對R5進行參數(shù)掃描，即可得到RBE與R5的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 R5與RBE的關(guān)系曲線

由圖可知，當(1+β)R5～10RBE時，R5為143 Ω，RBE為1.43 kΩ，此時，(1+β)R5遠大于RBE，所以在確保輸入電阻主要由R5決定來降低溫度影響的前提下，R5應取143 Ω左右。

在確保有一定輸入阻抗的前提下，還需要考慮R5的引入會犧牲電壓增益，要在保證輸出穩(wěn)定性的同時確保有適當?shù)碾妷涸鲆妗в蟹桥月冯娮璧碾娐返碾妷涸鲆鏋橄率剑?/p>

由以上輸入阻抗的分析，取RBE為1 000 Ω，通過仿真得到R5在不同取值下的電壓增益，用點測法繪制R5與Au之間的關(guān)系曲線見圖8所示。

由圖可知放大器電壓增益和非旁路電阻R5呈反比例遞減趨勢，且當電阻大于143 Ω后，Au隨R5減小的速度變緩，此時電壓增益僅為6.47，放大倍數(shù)過小，所以R5應小于143 Ω。因此，R5取值需權(quán)衡電壓增益與電路輸入阻抗影響。

圖8 R5與Au的關(guān)系曲線

在確保Au主要取決于R5及放大器有較大電壓增益的前提下，對R5進行取值時，還要考慮發(fā)射極阻值對晶體管發(fā)射極內(nèi)阻，即對電壓增益的變化率的影響。變化率越小代表電壓放大倍數(shù)受發(fā)射極內(nèi)阻的影響越小即穩(wěn)定性越好。通過改變發(fā)射極電阻R4改變發(fā)射極電流值繼而得到不同的發(fā)射極內(nèi)阻RBE的值，再由參數(shù)掃描得到R5取不同值時的電壓放大倍數(shù)，利用公式ΔAu/ΔRBE計算得到電壓增益與發(fā)射極內(nèi)阻間的的變化率如表1所示。

表1 電壓增益與發(fā)射極內(nèi)阻變化率

(變化率K為RBE每變化1 kΩ對應的電壓放大倍數(shù)的變化)

由仿真計算結(jié)果可知：

①R5=0 Ω時，此時電壓增益相對較大，但發(fā)射極內(nèi)阻RBE對電壓增益影響極大，而晶體管內(nèi)阻受很多因素影響，此時不利于放大器系統(tǒng)穩(wěn)定。

②R5=143 Ω時，發(fā)射極內(nèi)阻RBE對電壓放大倍數(shù)的影響最小，但此時電壓放大倍數(shù)也相對很小，達不到放大要求。

③R5=20 Ω時，既確保放大器有適當?shù)碾妷涸鲆?，也一定程度上抵消了發(fā)射極內(nèi)阻對電壓增益的影響，提高了放大器的穩(wěn)定性。

綜上所述，通過點測法繪表制圖，可以清晰地得到發(fā)射極非旁路電阻R5與旁路電阻R4最佳阻值分別為20 Ω，980 Ω。此時可有效地權(quán)衡電壓增益與電路穩(wěn)定性。使電路性能最優(yōu)。

4 總結(jié)

論文運用嚴謹?shù)倪壿?，定量且系統(tǒng)地闡述了發(fā)射極兩電阻阻值配比問題。首先考慮輸出波形穩(wěn)定性及靜態(tài)工作點，運用Multisim中的瞬態(tài)分析及溫度掃描功能，確立發(fā)射極最優(yōu)總阻值；再考慮電壓增益確立旁路電阻及非旁路電阻作用，便于定量分析。最后考慮三極管內(nèi)阻影響，創(chuàng)新地運用點測法繪制非旁路電阻與增益的關(guān)系及與電壓增益變化率的關(guān)系，定量的得出發(fā)射極旁路電阻和非旁路電阻的阻值。使電路工作在適當?shù)碾妷涸鲆嫦?，同時一定程度上抵消發(fā)射極內(nèi)阻對電壓放大倍數(shù)的影響。