晶體管放大電路溫漂特性智慧教室仿真探討

楊 丹， 徐 彬

(東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

0 引言

“模擬電子技術(shù)”(簡稱“模電”)課程作為電類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程, 理論性、實(shí)踐性和工程性都很強(qiáng)， 在電類專業(yè)人才培養(yǎng)方面具有承前啟后作用。 筆者所在學(xué)校的自動(dòng)化、電氣工程、測(cè)控技術(shù)、電子科學(xué)與工程、電子信息工程、通信工程6個(gè)專業(yè)，均開設(shè)該課程作為專業(yè)基礎(chǔ)必修課學(xué)習(xí)。多年教學(xué)實(shí)踐告訴我們，學(xué)生要想學(xué)好“模電“必須清晰地理解“器件-電路-應(yīng)用”課程主線，扎實(shí)地掌握由晶體管構(gòu)成的放大電路及其衍生基本問題，才能真正實(shí)現(xiàn)“模電”課程工程入門。

隨著高等教育不斷完善，教學(xué)的課堂模式也不斷更新，慕課、雨課堂等多種教學(xué)新模式不斷涌現(xiàn)。針對(duì)“模電”課程知識(shí)點(diǎn)多、授課時(shí)間緊等諸多問題，我校在新一輪“模電”教學(xué)過程中，開展了基于中國慕課在線的“模電”混合式教學(xué)實(shí)踐。學(xué)生通過線上自學(xué)，智慧教室研討等形式深入學(xué)習(xí)“模電”課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，教學(xué)效果良好。

本文介紹在智慧教室課程教學(xué)中對(duì)于晶體管放大電路溫漂的討論，通過分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路和差分晶體管放大電路兩個(gè)實(shí)例，運(yùn)用Mutisim仿真，探討電路形式對(duì)放大電路溫度漂移的影響，讓學(xué)生在智慧教室，通過自己動(dòng)手仿真實(shí)驗(yàn)切身體會(huì)溫漂對(duì)放大電路的影響，深入理解溫度對(duì)放大電路性能產(chǎn)生的影響。

1 晶體管放大電路的溫漂問題

1.1 溫漂產(chǎn)生的原因

對(duì)于晶體管放大電路而言，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效放大，必須有一個(gè)合適穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。而在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境溫度變化、晶體管的更換、電路器件的老化以及電源電壓的波動(dòng)等因素都可能使得靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響放大電路的性能。

由于半導(dǎo)體材料的熱敏特性，晶體管中載流子的數(shù)量與溫度有關(guān)，尤其是少子數(shù)量受溫度影響很大，幾乎晶體管全部參數(shù)均對(duì)溫度敏感，因此溫度變化對(duì)晶體管放大電路的影響最大。由于溫度變化，引起晶體管參數(shù)變化，從而使得放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)生變化，被定義為放大電路的溫漂。

1.2 抑制溫漂的典型電路

針對(duì)放大電路中晶體管的溫漂常用的兩種典型電路為分壓式直流負(fù)反饋電路和差分放大電路。

1 分壓式直流負(fù)反饋電路

放大電路中Q點(diǎn)穩(wěn)定指的是晶體管輸出特性曲線上Icq和Uceq不變。而一般的晶體管放大電路的偏置電路中Icq和管壓降Uceq是晶體管電流放大倍數(shù)的函數(shù)。而晶體管放大倍數(shù)受溫度影響，從而使得電路中集電極電流和管壓降Uceq波動(dòng)。圖1所示分壓式直流負(fù)反饋放大電路中，通過電路中參數(shù)Rb1和Rb2參數(shù)選擇，保證Icq和Uceq不隨晶體管放大倍數(shù)變化而變化，放大電路Q點(diǎn)穩(wěn)定。

圖1 分壓式直流負(fù)反饋靜態(tài)工作點(diǎn)典型電路

2 差分放大電路

差分放大電路是集成運(yùn)算放大器的第一級(jí)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，雖然兩邊管子的集電極電流都增大或者減小，使得兩個(gè)管子集電極電位均產(chǎn)生相同趨勢(shì)變化。電路參數(shù)選擇保證電路理想對(duì)稱。從而使得放大電路輸出穩(wěn)定。

圖2 單入單出差分放大的典型電路

2 電路實(shí)例的Multisim仿真

基于智慧教室的混合式教學(xué)開展過程：首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，結(jié)合線上慕課和線下授課學(xué)習(xí)掌握放大電路的溫漂特性；在進(jìn)入智慧教室之前，要求學(xué)生開展分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路和差分電路的參數(shù)選取和理論計(jì)算；進(jìn)入智慧教室后，通過Multisim仿真典型電路與理想分析結(jié)果比較，說明理論與仿真存在差異的原因，重點(diǎn)仿真放大電路對(duì)溫度的響應(yīng)。

2.1 分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路

分壓式直流負(fù)反饋仿真電路示于圖3。

圖3 分壓式直流負(fù)反饋仿真電路設(shè)計(jì)

1)理論分析

由于IB較小，近似認(rèn)為Rb1與Rb2直接分壓，此時(shí)可計(jì)算B點(diǎn)電位有：

(1)

此時(shí)由于晶體管為NPN型硅管，取開啟電壓：

UBEQ=0.7 V

(2)

則有：

(3)

UCEQ=Vcc-RcICQ-ReIEQ=1.92 V

(4)

此時(shí)的電壓放大倍數(shù)：

(5)

輸入電阻：

Ri=Rbe//Rb1//Rb2=1.33k Ω

(6)

輸出電阻：

Ro=RC=2k Ω

(7)

2)仿真實(shí)驗(yàn)

利用電流探針、電壓探針對(duì)搭建的仿真電路進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)將電壓源置零，當(dāng)測(cè)量電壓放大倍數(shù)時(shí)將電壓源設(shè)置為10mV，實(shí)驗(yàn)電路如下圖4所示。

圖4 分壓式直流負(fù)反饋電路的仿真示意圖

利用Multisim的溫度分析，對(duì)該電路溫度從 25℃上升到100℃時(shí)，電路產(chǎn)生輸出電壓的偏差進(jìn)行瞬態(tài)分析，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,(a)為電路輸出電壓波形，(b)為電路輸出電壓的幅值。

(a)25°和100°電路輸出波形

(b)25°和100°電路輸出的幅值圖5 分壓式直流負(fù)反饋電路溫度分析

電壓最小時(shí)波動(dòng)百分比：

(8)

電壓最大時(shí)波動(dòng)百分比：

(9)

2.2 差分放大電路

差分?jǐn)?shù)大仿真電路如圖6所示。

1)理論分析

計(jì)算晶體管VT3的B點(diǎn)電位：

(10)

晶體管為NPN型硅管，取開啟電壓：

UBEQ=0.7 V

(11)

則有

(12)

由電路的對(duì)稱性，有：

(13)

且有VT2和VT1的C點(diǎn)電位：

UC1=UC2=VCC-IC1RC1=10.48V

(14)

計(jì)算二極管體電阻：

(a)25°和100°電路輸出波形

(15)

此時(shí)的電壓放大倍數(shù)：

(16)

差模輸入電阻

Rid=2(Rb+rbe)=2×(1+3.75526)≈9.51kΩ

(17)

輸出電阻

Ro=RC=2k Ω

(18)

2)溫度分析

電壓最小時(shí)波動(dòng)百分比：

(19)

電壓最大時(shí)波動(dòng)百分比：

(20)

2.3 案例分析

1)電路分析

分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路在穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)方面采用的是直流負(fù)反饋，一是通過電路參數(shù)選取使得晶體管的基極電位不受溫度影響，同時(shí)利用Re電阻的直流負(fù)反饋?zhàn)鳂I(yè)使得晶體管輸出Icq和Uceq不變。差分放大電路是實(shí)際上采用了兩個(gè)環(huán)節(jié)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)：對(duì)于一側(cè)晶體管放大電路而言，用恒流源電路相當(dāng)于射級(jí)電阻Re無窮大，即直流負(fù)反饋穩(wěn)定一側(cè)晶體管的輸出；同時(shí)，再利用電路對(duì)稱性，進(jìn)一步穩(wěn)定電路最終的輸出，從溫度穩(wěn)定性角度來說，采用了兩個(gè)環(huán)節(jié)。在對(duì)兩個(gè)電路溫度穩(wěn)定性仿真的結(jié)果看也證明了上述理論分析。顯然，差分放大電路的溫度穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于分壓式直流負(fù)反饋放大電路。此外，在仿真分析的過程中，學(xué)生確實(shí)看到當(dāng)溫度變化時(shí)，即使放大電路參數(shù)均不變，電路的輸出也會(huì)發(fā)生改變。

2)授課安排

對(duì)于溫漂知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，安排2學(xué)時(shí)智慧教室，參與學(xué)習(xí)人數(shù)60人，授課教師2人，每組人數(shù)約3-4人。組內(nèi)分工：1人負(fù)責(zé)電路理論分析與計(jì)算、仿真電路參數(shù)設(shè)計(jì)；1人負(fù)責(zé)電路仿真及數(shù)據(jù)整理；1人負(fù)責(zé)報(bào)告撰寫及實(shí)驗(yàn)展示。在智慧教室課堂教師和學(xué)生可以零距離互動(dòng)，如圖8所示。從教學(xué)效果看，學(xué)生對(duì)于在平時(shí)線下課堂難于理解和體會(huì)的溫漂問題，有了感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于放大電路的各種形式有進(jìn)一步了解。

圖8 智慧教室課堂師生討論

3 結(jié)語

溫漂問題是“模電”教學(xué)中的難點(diǎn)，也是模擬電子技術(shù)工程問題的重點(diǎn)。為了讓學(xué)生在高等教育的課程體系中對(duì)于這樣的問題，有深入理解，本文提出了基于智慧教室的溫漂問題仿真探討。學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行抑制溫漂電路的理論分析、電路設(shè)計(jì)和仿真分析，特別是通過仿真環(huán)節(jié)，進(jìn)一步體會(huì)溫度對(duì)放大電路產(chǎn)生的影響。在智慧教室中的分組學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)取得了良好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的廣泛贊譽(yù)。