三極管多級音頻放大器自激振蕩研究與仿真

許少娟，肖傳棟，刁立強(qiáng)

(大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧 大連 116600)

模擬電子電路課程設(shè)計(jì)是電氣類專業(yè)學(xué)生學(xué)完模擬電子電路、大學(xué)物理理論及實(shí)驗(yàn)課程后的綜合設(shè)計(jì)，本文研究的三極管多級音頻放大器是該課程設(shè)計(jì)的一個(gè)題目。筆者在指導(dǎo)歷屆課程設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)現(xiàn)該電路總是存在輸出信號被干擾信號淹沒的問題，本文在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際電路調(diào)試，借助Multisim軟件仿真，對多級放大電路公共電源內(nèi)阻引起自激振蕩進(jìn)行驗(yàn)證，并給出了解決措施。

反饋放大電路自激振蕩由于產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜抽象，向來是模擬電路課程教學(xué)的難點(diǎn)，而大多教材中對寄生反饋引起自激振蕩這部分內(nèi)容僅簡單提及，不作詳細(xì)深入的介紹[1,2]。本文電路調(diào)試過程直觀地呈現(xiàn)了寄生反饋引起自激振蕩的產(chǎn)生和消除過程，可作為反饋、自激振蕩教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際案例，對于存在寄生反饋并可能引起自激振蕩的電路調(diào)試具有一定的參考意義。

1 三極管多級音頻放大器中的高頻自激振蕩

1.1 題目設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

設(shè)計(jì)三極管多級音頻放大器，信號源為20 KΩ高內(nèi)阻，要求電壓放大倍數(shù)達(dá)到450倍，輸出阻抗低于100 Ω，集電極最大電流不超過20 mA，電源電壓15 V，輸出信號峰峰值不小于8 V，非線性失真度小于5%。設(shè)計(jì)電路，計(jì)算所需電路參數(shù)，進(jìn)行Multisim軟件仿真，并在面包板上搭建調(diào)試。

1.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)任務(wù)要求，信號源內(nèi)阻很高為20 KΩ，輸入級可采用輸入阻抗高的共集電極放大電路；要求輸出阻抗小于100 Ω，輸出級可采用輸出阻抗低的共集電極放大電路；要求電壓增益大于450倍，單級共射極放大電路電壓增益無法達(dá)到，可由兩級共射極放大電路實(shí)現(xiàn)。考慮靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性，采用實(shí)用的分壓偏置共射放大電路，且射極電阻采用兩個(gè)電阻串聯(lián)，大電阻并聯(lián)旁路電容以降低射極電阻對電壓增益的影響；要求輸出信號峰峰值不小于8V，可通過設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)來保證足夠的動(dòng)態(tài)范圍。由此可得系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。

1.3 調(diào)試現(xiàn)象

Multisim是國內(nèi)目前教學(xué)中使用較多的仿真軟件，提供的虛擬設(shè)備和分析工具可以方便地開展電路仿真、測試和分析[3,4]。采用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真研究，易于獲得各種分析結(jié)果，可達(dá)到事半功倍的效果[5]。先對電路作Multisim仿真，根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案繪制仿真電路，分別調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)和交流波形。對每級放大電路，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)為交流負(fù)載線中點(diǎn)附近，以保證動(dòng)態(tài)范圍不小于8 V，調(diào)試得到系統(tǒng)電路及元件參數(shù)如圖1。之后輸入端加正弦信號，逐級調(diào)試交流信號，每一級電路的交流波形正常，最后將四級電路級聯(lián)，仿真結(jié)果顯示能實(shí)現(xiàn)預(yù)定參數(shù)要求。

圖1 系統(tǒng)電路及參數(shù)

再將電路在面包板上搭建，按照仿真同樣的步驟進(jìn)行調(diào)試，之前分級調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，但是當(dāng)四級放大電路完整級聯(lián)時(shí)，示波器測得輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重的高頻自激振蕩，有用信號被振蕩信號淹沒。

2 引起自激振蕩的原因分析

自激振蕩是一種特殊的電路現(xiàn)象，此時(shí)放大器不加輸入信號也存在輸出信號。產(chǎn)生自激振蕩的必要條件是正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，閉環(huán)電壓增益趨近無窮大，電路處于自激狀態(tài)，無法正常放大[6]。本文電路并未人為引入反饋，故推測電路中存在寄生耦合，且構(gòu)成正反饋從而導(dǎo)致自激振蕩。

2.1 電路中可能存在的寄生反饋分析

放大電路中電源內(nèi)阻、地線內(nèi)阻、寄生電感、分布電容、示波器探頭高阻抗、電容等諸多因素都可能引起寄生反饋[7]，具體如下：

(1)直流電源內(nèi)阻引起寄生反饋。由于放大器的前后各級共用同一個(gè)直流電源，在一定條件下可為輸出信號提供路徑反饋回輸入端，引起寄生反饋。

(2)地線引起寄生反饋，包括以下幾種情況：① 地線內(nèi)阻引起寄生反饋。當(dāng)放大電路增益很高或信號頻率很高時(shí)，地線內(nèi)阻上的信號電壓不能忽略。② 接地點(diǎn)不合理，由地線阻抗引起寄生反饋。③ 地線電感引起寄生反饋。頻率大于幾兆赫時(shí)，地線電感的阻抗不可忽略。

(3)分布電容引起寄生反饋。電路中各種看不見的分布電容可能由寄生耦合形成正反饋，產(chǎn)生自激振蕩，在低頻時(shí)可忽略[8]。

(4)示波器探頭高阻抗引起寄生反饋，可通過在示波器探頭接電阻排查消除。

本電路工作于音頻，工作頻率較低，故地線電感和分布電容的影響可忽略；電路增益達(dá)到幾百倍，故地線內(nèi)阻的影響不可忽視。綜上，該電路中可能引起正反饋的原因有三個(gè)：直流電源內(nèi)阻、地線(地線內(nèi)阻、接地點(diǎn)不合理)、示波器探頭高阻抗。后兩種情況排查和消除比較簡便，可通過實(shí)際電路調(diào)試進(jìn)行排查：調(diào)整地線，采用一點(diǎn)接地，并將接地點(diǎn)接到靠近輸出級，檢查地線接地電阻正常無虛接，可排查是否由地線引入正反饋；在示波器探頭接不同阻值電阻，可排查是否為示波器探頭引起正反饋。而電源內(nèi)阻引起自激振蕩的相關(guān)研究較少，因此本文對此作重點(diǎn)分析。

2.2 電源內(nèi)阻寄生反饋分析

以下對本電路直流電源內(nèi)阻導(dǎo)致寄生反饋的原理進(jìn)行分析。如圖2所示，為便于分析，將實(shí)用分壓偏置共射電路簡化為基本共射電路，不影響電路工作原理分析。

圖2 直流電源內(nèi)阻造成的寄生反饋

此交流電源通過各級放大電路的基極偏置電阻反饋回輸入，引起放大電路各級之間的寄生耦合。反饋電流if1、if2、if3、if4的方向如圖中虛線所示，它們都構(gòu)成并聯(lián)反饋，分別為負(fù)反饋、負(fù)反饋、正反饋、負(fù)反饋。由于正反饋的存在，可能會(huì)在某些頻率滿足自激振蕩條件，產(chǎn)生寄生振蕩，破壞正常放大。

3 電源內(nèi)阻引起的自激振蕩仿真

為了驗(yàn)證電源內(nèi)阻Rs能否引起自激振蕩，用Multisim軟件建立電路模型，分別在電源內(nèi)阻為0和顯著值時(shí)作仿真，根據(jù)仿真結(jié)果作進(jìn)一步分析。

3.1 直流電源內(nèi)阻Rs=0時(shí)輸出波形仿真

如圖1設(shè)置電源內(nèi)阻Rs=0，適當(dāng)調(diào)節(jié)各級放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)，施加幅度2 mV、頻率1 kHz的正弦信號，示波器A通道接26號節(jié)點(diǎn)測量輸入信號，B通道接25號節(jié)點(diǎn)測量輸出信號，由示波器波形可見直流電源內(nèi)阻為0時(shí)，輸出波形穩(wěn)定無自激振蕩，根據(jù)示波器示數(shù)得電壓增益AV≈480。

3.2 直流電源內(nèi)阻Rs=500Ω時(shí)輸出波形仿真

重新設(shè)置圖1直流電源內(nèi)阻Rs，取顯著值500Ω，調(diào)節(jié)偏置電阻，設(shè)置節(jié)點(diǎn)1、30、21、23作直流工作點(diǎn)分析，分析四級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示，滿足輸出信號峰峰值不小于8 V的要求。

圖3 各級靜態(tài)工作點(diǎn)分析

設(shè)置交流源信號幅度2 mV，用示波器測量輸入輸出信號。仿真過程中發(fā)現(xiàn)，隨著仿真時(shí)間增加，信號波形在不斷變化，如圖4所示，在三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)分別截取信號波形，并對輸出信號作19次諧波傅里葉分析以了解振蕩頻率成分，示波器A、B通道垂直靈敏度統(tǒng)一取2 mV/Div、200 mV/Div。

(a) t=40 ms輸入、輸出波形(Δ-輸出)

由圖4，仿真剛開始時(shí)，t=40 ms，可見輸出波形已經(jīng)產(chǎn)生了180°相移，但并未出現(xiàn)高頻振蕩，傅里葉分析顯示沒有諧波，只有和輸入同頻的放大信號。隨著時(shí)間增加，逐漸出現(xiàn)了高頻的自激振蕩，t=150 ms，波形及傅里葉分析結(jié)果均顯示存在眾多頻率的諧波信號，幅度比較小，隨著時(shí)間繼續(xù)增加，t=180 ms，傅里葉分析結(jié)果顯示，在正反饋的加強(qiáng)作用下，振蕩信號各頻率的諧波進(jìn)一步增大。由于電路中沒有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，最終振蕩波形趨于極端。

利用Multisim虛擬示波器將時(shí)間細(xì)化到ms，能夠直觀、形象地觀察到自激振蕩從無到有的完整產(chǎn)生過程，對理解正反饋的本質(zhì)和自激振蕩的產(chǎn)生機(jī)理非常有幫助。由仿真結(jié)果可見，直流電源內(nèi)阻Rs=0時(shí)電路能夠正常放大，而Rs=500Ω時(shí)卻出現(xiàn)自激振蕩，由此可以確定，各級公共的直流電源內(nèi)阻確實(shí)能引起自激振蕩。

4 電源內(nèi)阻寄生反饋消除

4.1 消除措施

要減小電源內(nèi)阻引起的寄生反饋，除采用低內(nèi)阻電源外，可利用RC或LC構(gòu)成去耦電路，在供電回路逐級退耦，這是實(shí)際應(yīng)用中非常有效的方法[9]。本文采取供電電路中接入RC去耦電路的方法，對圖1電路在第一級放大電路實(shí)施RC退耦，即圖5中R17和C9，這樣反饋信號經(jīng)R17和C9組成的去耦電路分壓之后，C9分得電壓加在R2和地之間，從而降低了寄生反饋。

圖5 RC退耦電路

則電容分得的反饋電壓微乎其微，第一級放大電路的寄生反饋被大大削弱。但另一方面，退耦電阻越大，電源利用率越低。綜合考慮退耦效果和直流電源利用率，取

本電路處理音頻信號，頻率范圍較低，取下限截止頻率fl=50 Hz，電容C=100 μF，計(jì)算得R17=320 Ω。

4.2 RC退耦仿真

為檢驗(yàn)增加退耦電路后電路是否仍然符合設(shè)計(jì)要求，重新對四級放大電路作直流工作點(diǎn)分析。由于增加退耦電路后節(jié)點(diǎn)名稱發(fā)生了變化，設(shè)置節(jié)點(diǎn)2、11、12、6，分析結(jié)果如圖6所示，與不加退耦電路時(shí)對比變化微小，可見增加退耦電阻對靜態(tài)工作點(diǎn)影響不大，因而不會(huì)壓縮輸出信號動(dòng)態(tài)范圍。

圖6 增加RC退耦電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

為了保證結(jié)果穩(wěn)定性，仿真足夠長時(shí)間(t=450 ms)，波形如圖7所示，示波器A、B通道垂直靈敏度分別為2 mV/Div、2 V/Div，可見自激振蕩完全被消除，電壓增益AV=565，符合題目要求。

圖7 RC退耦后輸入、輸出波形(Δ-輸出)

4.3 實(shí)際電路調(diào)試

實(shí)際電路增加RC退耦電路后自激振蕩消失，信號正常放大，證明RC退耦電路能夠有效地消除電源內(nèi)阻導(dǎo)致的寄生反饋，從而消除自激振蕩。本文僅對第一級放大電路實(shí)施退耦即消除了寄生耦合，若退耦效果不夠，可將退耦電阻向后級移動(dòng)實(shí)施逐級退耦。

5 結(jié) 語

寄生反饋嚴(yán)重干擾有用信號，甚至導(dǎo)致電路自激振蕩無法正常工作，如何消除或削弱其影響是放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題[10]。引起寄生反饋的原因非常多，現(xiàn)象也不盡相同，因而寄生反饋的原因排查和消除是非常復(fù)雜的，需要針對具體電路具體分析，反復(fù)試驗(yàn)。本文四級放大電路由于前后各級共用同一個(gè)直流電源，為輸出信號提供了反饋到前面各級放大電路輸入端的路徑，該寄生反饋構(gòu)成正反饋，引起自激振蕩。文中給出了在實(shí)際電路調(diào)試基礎(chǔ)上借助Multisim仿真排查寄生反饋的方法，通過仿真分析驗(yàn)證了直流電源能夠引起寄生反饋，并采取退耦電路對其進(jìn)行消除，可作為反饋、自激振蕩教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際案例。

通過仿真軟件的深度開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)對于題目實(shí)驗(yàn)實(shí)施的輔助，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中測試手段和實(shí)驗(yàn)儀器的不足，擴(kuò)展題目的測試分析范圍[11]。本文是教學(xué)實(shí)踐中發(fā)掘出的問題，源于實(shí)踐，又反過來促進(jìn)教學(xué)，形成了良性的循環(huán)。調(diào)試和分析過程充分發(fā)揮了仿真軟件的優(yōu)越性，配合實(shí)際電路調(diào)試，利用虛擬電源內(nèi)阻置零的方法來診斷自激振蕩的產(chǎn)生根源，克服了實(shí)際電源內(nèi)阻無法置零的限制，為分析電路、排查故障提供了一種有效的方法。