基于QUCS-S軟件的共射極放大電路仿真

李鑫圣

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

0 引言

放大電路作為模擬電子線路最重要和最核心的內(nèi)容，一直倍受老師和同學(xué)重視[1]。傳統(tǒng)教學(xué)中通過“面包板”搭建電路并進(jìn)行輸出測量[2]，該方式雖然可以提升學(xué)生的動手能力，但接線復(fù)雜且完成布線后不易更改元件參數(shù)，難以直觀地觀察各種結(jié)果并對其進(jìn)行分析。SPICE 是一個普遍的電路級仿真程序，其功能豐富、速度優(yōu)越，可以模擬和計算電路性能[3]。基于SPICE 內(nèi)核，已經(jīng)開發(fā)了許多商業(yè)電路仿真軟件[4-6]。該文使用的軟件內(nèi)核為基于SPICE 的NGSPICE[7]，它沒有GUI 界面，完全由命令行進(jìn)行操作，給初學(xué)者的使用帶來了不便，因此引入QUCS-S。QUCS-S 融合了SPICE 的強(qiáng)大功能和QUCS GUI 的簡單性，易于學(xué)習(xí)者理解與操作。該文基于QUCS-S 軟件設(shè)計并模擬了經(jīng)典共射極放大電路實驗，對比觀察了引入負(fù)反饋和分壓電阻后，電路的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)、通頻帶寬度等參數(shù)的變化情況。驗證了仿真設(shè)計結(jié)果與理論計算相同，證明了仿真能使抽象的結(jié)果具體化和形象化。

1 基本原理

1.1 兩級阻容耦合放大電路

耦合電路有直流耦合、阻容耦合和變壓器耦合3 種形式。兩級阻容耦合電路各級的靜態(tài)工作點都相互獨立、互不影響。因此，只要選擇足夠大的耦合電容，就可以讓前一級輸出信號在一定頻率范圍內(nèi)幾乎不衰減地加到后一級的輸入端，使信號得到充分應(yīng)用。

原理圖如圖1 所示，其中C3、C4、C6 和C7 為耦合電容，其功能為隔直通交；C5 為級間電容，主要影響電路的高頻輸出。R3、R6、R7 和W3 電阻的功能是穩(wěn)定三極管的靜態(tài)工作點；R4、R5、R8、R9 和W1 電阻的功能是限制通過三極管的集電極和發(fā)射極電流。該電路是在典型的射極偏置耦合放大電路的基礎(chǔ)上，通過增加前級輸出阻抗和后級輸出阻抗共同構(gòu)成的兩級阻容耦合放大電路，采用兩級電路進(jìn)行輸出，可較好地突出放大電路對信號的增益效果。通過調(diào)節(jié)W3 的阻值實現(xiàn)對靜態(tài)工作點的設(shè)置，由于該電路各級靜態(tài)工作點互不影響，因此可以通過分別計算單極工作點進(jìn)行設(shè)置。

圖1 兩級阻容耦合放大電路圖

1.2 負(fù)反饋對電路的影響

負(fù)反饋放大電路由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，反饋網(wǎng)絡(luò)從輸出信號Xo中取出反饋信號Xf，使其與輸入信號Xi疊加，得到凈輸入信號Xd。對于負(fù)反饋電路，輸入信號滿足xd=xi-xf，由于xi與xf同相位，因此輸出信號強(qiáng)度小于輸入信號的強(qiáng)度，綜上所述，基本放大電路的放大倍數(shù)和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。如公式（1）和公式（2）所示。

值得注意的是，負(fù)反饋雖然減小了放大電路的放大倍數(shù)，但是卻使放大器的各項性能指標(biāo)得到改善，這主要是因為負(fù)反饋提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、展寬了頻帶且減小了非線性失真。其中的電壓串聯(lián)負(fù)反饋增大了輸入阻抗且減小了輸出阻抗。由公式（4）可以計算出閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了1+AVFV倍。

式中：AVF為電壓放大倍數(shù)；FV為電壓反饋系數(shù)；AV為放大器的電壓增益。

在放大電路中，由于電容元件、分布電容以及晶體管結(jié)電容的存在，因此放大器的放大倍數(shù)就與信號頻率有關(guān)，當(dāng)信號頻率偏低或偏高時，放大倍數(shù)都將減小。引入負(fù)反饋后，由于中頻段的開環(huán)放大倍數(shù)大、反饋信號強(qiáng)，因此閉環(huán)放大倍數(shù)會比開環(huán)放大倍數(shù)小很多；在低頻段和高頻段，開環(huán)放大倍數(shù)小、反饋信號也比較弱，因此閉環(huán)放大倍數(shù)相對于中頻時降低較小。由此產(chǎn)生的實際效果是展寬了放大電路的通頻帶。閉環(huán)通頻帶BWF與開環(huán)通頻帶BW之間的關(guān)系如公式（5）所示。

電路圖以圖1 為基礎(chǔ)，把C、D兩點接通，C、D兩點為負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)連接點，它們構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路；W2 和C8 組成反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示。該電路在上述阻容耦合的兩級分壓偏置式基本共射放大電路的基礎(chǔ)上引入了反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋信號來自第二級的輸出電壓，并通過支路反饋到Q1 的發(fā)射極。通過瞬時極性法，可知該反饋為電壓串聯(lián)式負(fù)反饋。

圖2 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

1.3 分壓電阻對電路的影響

在帶射極電阻的固定偏執(zhí)放大電路第二級中引入1 個電阻構(gòu)成分壓偏置式電路，其相較固定偏置放大電路僅做出微小改動，但卻可以使放大電路的靜態(tài)工作點穩(wěn)定，從而使整體電路的穩(wěn)定性得到很大改善。采用上下偏置電阻也可以方便地改變基極電壓。在實際應(yīng)用中，為了防止溫度的影響，常在R7 上方再串聯(lián)1 個二極管，一起實現(xiàn)穩(wěn)定工作點的目的。

2 仿真分析

2.1 放大倍數(shù)仿真模擬

基本放大電路仿真電路圖如圖3 所示。該電路圖按照圖1 的形式進(jìn)行接線，成為阻容耦合共射放大電路的仿真檢測電路圖。為了探測信號情況，在輸入端V1 與C3 之間、第一級輸出端C5 與R6 之間以及第二級輸出端C7和RL 之間放置檢測點。

圖3 基本放大器仿真電路圖

初始設(shè)定電源提供約10 mV、1 kHz 的正弦輸入電壓信號，持續(xù)時間為15 ms。觀察到輸入與輸出波形的對比，如圖4 所示。實線為輸入信號電壓，虛線為末級輸出信號電壓，可以觀察到輸出電壓相比于輸入電壓有較明顯的放大情況。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出電壓放大倍數(shù)為。

接下來引入負(fù)反饋電路，仿真電路圖如圖5 所示，即在圖4 的基礎(chǔ)上加入負(fù)反饋支路，其余設(shè)置不變，方便后續(xù)的分析和對比。得到的輸入與輸出波形的對比，如圖6 所示。可以觀察到圖6 中的電壓放大倍數(shù)比圖4 的電壓放大倍數(shù)小。

圖4 開環(huán)輸入輸出波形對比圖

圖5 閉環(huán)放大器仿真電路圖

圖6 閉環(huán)輸入輸出對比圖

通過計算，此時電壓放大倍數(shù)如下。

由此可見，負(fù)反饋降低了電壓的放大倍數(shù)。改變電路中各元件動態(tài)參數(shù)（例如RL），具體實驗結(jié)果見表1。雖然負(fù)反饋降低了電壓放大倍數(shù)，但引入負(fù)反饋后電路更加穩(wěn)定，與理論分析結(jié)果保持一致。

表1 元件動態(tài)參數(shù)結(jié)果

2.2 幅頻特性仿真模擬

斷開C、D，在保持輸入電壓不變的情況下，需要在實驗中逐步減少和增大頻率，使其輸出電壓為原輸出電壓的0.7 倍。在模擬中可直接由AC 仿真得出上限頻率與下限頻率。然后連接C、D兩點，構(gòu)成負(fù)反饋放大器，繼續(xù)仿真得到反饋電路的上、下限頻率。圖7 為開環(huán)和閉環(huán)幅頻特性的比較結(jié)果。虛線為加入負(fù)反饋后的情況。由圖7可以看出，引入負(fù)反饋后通頻帶增加，表明負(fù)反饋拓展了放大電路的通頻帶。其原因是在低頻段和高頻段，開環(huán)放大倍數(shù)小且反饋信號比較弱；而中頻段的開環(huán)放大倍數(shù)大且反饋信號強(qiáng)，因此負(fù)反饋是通過犧牲放大倍數(shù)來實現(xiàn)穩(wěn)定電路的目標(biāo)。具體數(shù)據(jù)見表2。

圖7 開環(huán)閉環(huán)放大電路頻率仿真圖

表2 幅頻特性仿真結(jié)果

2.3 負(fù)反饋對非線性失真的改善

斷開C、D兩點，加大輸入電壓，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓增大到60 mV 時，開始出現(xiàn)較為明顯的截至失真。此時，輸入電壓為0.1 V，輸出電壓為1 V。連接C、D兩點，繼續(xù)輸入電壓為60 mV 的信號，觀察閉環(huán)的仿真結(jié)果，如圖8 所示。與開環(huán)結(jié)果相比，輸出電壓雖然減小，但是失真程度也明顯減少。其原因是對于高增益放大電路來說，負(fù)反饋使閉環(huán)增益降低，在環(huán)路增益足夠大時，放大電路的非線性影響被閉環(huán)減弱，因此非線性失真得到改善。由此可見，放大電路使用反饋可以較好地改善失真的情況。

3 應(yīng)用

放大電路作為使用最為廣泛的電子電路之一，是構(gòu)成其他電子電路的核心，也是處理模擬信號的最基本方式；分壓式偏置共發(fā)射極放大電路作為應(yīng)用最廣的放大電路，是助聽器、收音機(jī)、音響以及聲卡等器件中的關(guān)鍵部分。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，單管放大電路已實現(xiàn)集成化，即集成運算放大器。運算器中的電路一般為多級放大集成電路，它的輸入級使用差分放大電路，抑制零點漂移；中間級則由共射極放大電路構(gòu)成，實現(xiàn)最重要的電壓放大功能。由此可見，放大電路在實際生產(chǎn)生活中具有重要作用。

圖8 開環(huán)閉環(huán)放大電路輸出波形

4 結(jié)語

該文通過QUCS-S 軟件對電路進(jìn)行設(shè)計，分析了反饋對放大電路性能的影響，在理論計算的基礎(chǔ)上，通過仿真得出放大電路和反饋放大電路在動態(tài)參數(shù)和幅頻特性等方面的仿真結(jié)果，證明了反饋在放大電路中可以拓展通頻帶和改善電路的非線性失真。同時，仿真軟件由計算機(jī)分析電路，大大減少了人工計算帶來的誤差；也可以使學(xué)習(xí)者更直觀地觀察到結(jié)果，有利于加深對放大電路知識的理解。