時間：2023-06-02 10:00:38
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇放大電路，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
一、基本放大電路的放大概念
基本放大電路又稱放大器，其功能是把微弱的電信號不失真地放大到所需要的數值。這里微弱的電信號是可以由傳感器轉化的模擬電信號，也可以是來自前級放大器的輸出信號或是來自于廣播電臺發射的無線電信號等。基本放大電路，是指由一只放大管構成的簡單放大電路。放大電路中的放大，其本質是實現能量的控制和轉換。當輸入電信號較小，不能直接驅動負載時，需要另外提供一個直流電源。在輸入信號的控制下，放大電路將直流電源的能量轉化為較大的輸出能量，從而驅動負載。這種用小能量控制大能量的能量轉換作用，即為放大電路中的放大。因此，基本放大電路實際上是一個受輸入信號控制的能量轉換器。
二、基本放大電路的分類及工作原理
在放大電路中，應用最廣泛的是共發射極放大電路（簡稱共射電路），常見的共發射極放大電路有兩種，一種是基本共發射極放大電路，另一種是靜態工作點穩定的共發射極放大電路，也稱分壓式共發射極放大電路。
1.電路的組成及各元器件的作用
為了實現不失真地放大輸入的交流信號，放大電路的組成必須遵循以下規則：
（1）加入直流電源的極性必須使晶體管處于放大狀態，即發射結正偏，集電結反偏。
（2）為了保證放大電路不失真的放大輸入的交流信號，在沒加入輸入信號時，還必須給晶體管加一個合適的直流電壓、電流，稱之為合理地設置靜態工作點。
（3）如下圖所示按照上述原則組成的基本共發射極放大電路。
電路中各元件的作用：
VT為NPN型晶體管，是放大電路中的核心器件，在電路中起放大作用。Vcc為直流電源，是放大電路的能源，其作用有兩個，一是保證晶體管工作在放大狀態，通過Rb、Rc（Rb>Rc）給晶體管的發射結提供正偏電壓，給集電結提供反偏電壓；二是提供能量，在輸入信號的控制下，通過晶體管將直流電源的能量轉換為負載所需要的較大的交流能量。
Rb為基極偏置電阻，作用有兩個：一是給發射結提供正偏電壓通路；二是決定靜態基極電流Ib的大小。當Vcc、Rb的值固定時，Ib也固定了，所以這種電路也被稱為固定偏置放大電路。
Rc為集電極負載電阻，作用有兩個：一是給集電結提供反偏電壓通路；二是通過Rc將晶體管集電極電流的變化轉換成集成電極電壓的變化，從而實現電壓放大。
C■、C■為耦合電容，作用是“隔直通交”，即把輸入信號中交流成分傳遞給晶體管的基極，再把晶體管集電極輸出電壓中的交流成分傳遞給負載。因此要求C■、C■在輸入信號頻率下的容抗很小（可視為短路）。在低頻率放大電路中，C■、C■容量均取的很大，常采用幾十微法的電解電容。
2.放大電路的工作原理
從放大電路的組成可知，放大電路正常放大信號時，電路中既有直流電源Vcc，又有輸入的交流信號Ui，因此電路中晶體管各級的電壓電流中有直流成分，也有交流成分，總電壓、總電流是交直流的疊加。為了便于分析，通常把放大電路中的直流分量和交流分量分開討論。當沒加輸入信號時電路中只有直流流過，稱這種情況為放大電路的直流工作狀態，簡稱靜態。加入輸入信號后，電路中交直流并存，當只考慮交流不考慮直流時，這種情況下稱放大電路處于交流工作狀態，簡稱動態。
（1）放大電路的靜態，為了不失真地放大輸入信號，必須保證晶體管在輸入信號的整個周期內，始終處于放大狀態。例如：當輸入信號為正弦波時，如果不設置直流工作狀態，則幅值為0.5V以下的輸入信號都會使晶體管處在截止狀態（硅管），而不能通過放大電路，輸出信號將出現失真。因此，在沒加輸入信號前，需要給放大電路設置一個合適的工作狀態。當電路參數（Vcc、Rb、Rc）確定之后，對應的直流電流、電壓Ib、Ic、Uce也就確定了，根據這三個直流分量，可以在晶體管輸出特性曲線上確定一個點，稱這個點為靜態工作點，用Q表示。通常直流工作點上的電流、電壓用Ibq、Icq、Uceq表示。
（2）放大電路的動態，在放大電路的輸入端加上正弦信號Ui，經過C■送到電路的輸入端產生電壓為Ubc，由Ubc產生一個按正弦變化的基極電流Ib，次電流疊加在靜態電流Ibq上，使得基極的總電流為IB=Ib+IBQ。晶體管放大，集電極產生一個和Ib變化規律一樣，且放大β倍的正弦電流Ic（Ic與Ui相位相同），這個電流疊加在靜態電流ICQ上，使集電極的總電流為Ic=ICQ+Ic。當Ic流過Rc時，Rc上也產生一個正弦電壓URC=RcIc（與Ic的變化相同）由于Uce=Uce-IcRc，所以Rc上的電壓變化，必將引起壓管壓降Uce反方向的變化（與Ic的變化相反）。
由上述可知，基本共發射極放大電路是利用晶體管的電流放大作用，并依靠Rc將電流的變化轉化為電壓的變化，使輸出電壓的數值上比輸入電壓大很多，相位上與輸入電壓相反，從而實現電壓放大。
3.基本放大電路的分類
（1）靜態工作點穩定的共發射極放大電路。放大電路靜態工作點位置不僅決定電路是否會產生失真，還影響著電路的電壓放大倍數、輸入電阻等動態參數。如果靜態工作點不穩定，放大電路的這些參數就會發生變化，嚴重時會使放大電路不能正常工作。因此如何保持靜態工作點的穩定是十分重要的。
（2）共集電極放大電路。共集電極放大電路具有輸入電阻大、輸出電阻小及較強的電流放大能力，但它不具備電壓放大作用。因此，它從信號源索取的電流小，帶負載的能力強，還可以通過輸入輸出電阻的變換，使多極放大電路前后級阻抗達到匹配。所以在多極放大電路中，共集電極放大電路常用作輸入級、輸出級緩沖級。
（3）共基極放大電路。共基極放大電路具有輸入電阻小（只有幾十歐）、輸出電阻較大（與基本共發射極放大電路相同）的特點，雖然具有較強的同相電壓放大能力，但不具備電流放大作用。它的同頻率較好，適于做寬頻帶放大電路。
（4）共源極放大電路。常用的共源極放大電路有兩種：一種是自給偏壓式共源極放大電路，另一種是分壓式共源極放大電路。
（5）共漏極放大電路。共漏極放大電路又稱為源極跟隨器、源極輸出器，它與晶體管射極跟隨器有類似的特點，如輸入阻抗高、輸出阻抗低、放大倍數小于且接近1等，應用比較廣泛。
三、基本放大電路的主要性能指標
任何一個放大電路，均可將其視為一個兩端口網絡，如下圖所示。
在放大電路的輸入端A、B處接信號源，稱此閉合回路為輸入回路。信號源是所需放大的輸入電信號，輸入電信號可以等效電壓源或電流源。圖中Rs是信號源的內電阻；Us為理想電壓源。
在放大電路的輸出端C、D處接負載，稱此閉合回路為輸出回路。負載是接受放大電路輸出信號的換能器。為了分析問題方便，一般負載用純電阻RL來等效。
信號源和負載對放大電路的工作將產生一定影響。直流電源是用以提供放大電路工作時所需要能量的，同時也為放大電路中的放大管處于正常放大狀態提供合適的直流電壓。
四、結語
模擬電子技術在現代國防建設、科學研究、工農業生產、醫療、通信及文化生活等各個領域得到了極為廣泛的應用，并起著巨大的作用。特別是在各個領域中的自動化控制中，模擬電子技術無處不在。所以在研究基本放大電路時我們應該持嚴謹的科學態度，認真對每一項工作負責，通過自己的努力能夠更好地、更詳細地運用基本放大電路。
關鍵詞：密集度光電立靶前放干擾噪聲
在靶場測試中，彈丸射擊密度是衡量低伸彈道武器性能的一項重要指標。到目前為止，國內靶場在密度集度測量方面已有多種方法，最先進的方法是采用光電靶進行測量。筆者研制了一種四光幕交匯的光電立靶測試系統，該系統以四個無形的光幕（紅外光）為靶面，當彈丸穿過四個不同不幕時產生相應的脈沖序列，通過對這四個時間值的解算可得到彈丸的著靶坐標，進而換算出彈丸射擊密集度。
在測試中，光電靶的靈敏度直接影響整個系統的測試精度，而影響光電靶靈敏度的關鍵因素就是信號調度電路中放大電路的放大倍數和信噪比，而此設計性能良好的前置放大電路顯得尤為重要。本文介紹了一種采用低噪聲運放和儀表放大器組成的前放電路，該電路不僅可以很好地放大微弱信號，而且克服了傳統設計方法的弊端，簡化了設計，也使得電路結構更為緊湊。
1測試系統工作原理
光電靶的測試以光電轉換為基礎，以無形的光幕為靶面。圖1所示是光電靶測試的系統框圖，其測試原理如下：當有物體穿過光幕時，會引起接收光電管的光通量發生變化，此時，光電管所在電路會產生一個正比于該光通量變化的電信號，處理電路將這個電信號放大、整形、最后以脈沖形式輸出，再經過數據處理得到所要測量的物理量。
2設計要求
該系統中，紅外光電管輸出的信號十分微弱，最大約為10mV，如果此輸出信號直接輸入到后續電路，則往往會被噪聲淹沒，要有效利用這個輸出信號，就必須對其進行放大。在一般情況的光電檢測系統中，光電敏感器件的輸出端都緊密連接一個低噪聲前放大器，它的任務是：放大光電敏感器件所輸出的微弱電信號，并匹配后續調理電路與光電敏感器件之間的阻抗。根據該系統要求，由光電敏感器件輸出的微弱電信號應被放大800倍左右，因此，對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負載能力、良好的線性和抗干擾能力、結構緊湊、靠近光電敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
3設計方案
該前置放大器電路的設計要從以下幾個方面考慮：首先應滿足放大電路的高信噪比和信號源阻抗與放大器之間的噪聲匹配（所謂噪聲匹配是指信號源阻抗等于最佳源阻抗，使得放大電路的噪聲系數最小）；其次，要考慮電路組態、形式等以滿足對放大器增益、頻響、輸入輸出阻抗等方面的要求；最后通牒，還應采取一定的方法來減少噪聲，采取屏蔽以及接地措施以盡量避免信號受到外來的干擾。
3．1傳統方法
傳統的放大器電路設計方法是采用超大β管或直接利用儀表放大器增益的可編程性來獲取所需要大倍數。按照傳統方法，若采用晶體管組成放大電路則輸入阻抗較低，尤其在放大微弱信號時會影響輸入信號的質量；若采用場效應管組成放大電路，雖然具有高的輸入阻抗，但相比較而言它的溫漂大、穩定性差，同時不管采用晶體管和還是場效應管，均使得整個電路設計比較復雜，組裝和調試也不方便，結構不夠緊湊；若直接采用儀表放大器進行高增益單級放大，則不能使儀表放大器達到最佳性能。例如：則若輸入失調電壓為0.5mV，放大10000倍后可達5V。一般情況下，可利用儀表放大器作前級放大，然后再經過后級放大，但采用儀表放大器組成多級放大電路，將會增加制作成本。
3．2器件選擇
為了滿足低噪聲放大器對噪聲匹配的要求，應選擇合適的源電阻，因為源電阻的大小是選以一級放大元件的重要依據。源電阻小于100Ω時，可用變壓器耦合，源電阻在100Ω至1MΩ之間可選用晶體管，源電阻在1kΩ至1MΩ之間可以選用運放，源電阻在1kΩ至1GΩ之間多采用結型場效應管（JEFT），源電阻超過1MΩ也可選用MOSFET。
由于所選紅外光電管的輸出電阻為20kΩ,因此選用晶體管、運算放大器、結構場效應管均可。相比較而言，運算放大器輸入阻抗高、失調和漂移較小、共模抑制比高、對溫度變化、電源波動以及其它外界干擾具有較強的抑制能力，因此適用于放大微北信號，同時采用運算放大器也可使電路設計簡化、組裝調試方便、功耗低、體積小、可靠性高。
為了獲得低噪聲放大電路，應選用低噪聲元器件。電阻選用金屬膜電阻，電容選用鉭電容或瓷介電容，信號輸入線應采用盡量短的屏蔽電纜，電路板選用漏電流小的高絕緣電路板。
3．3新型方案實現
根據系統要求，光電管輸出的原始信號應被放大800倍左右，若采用單級放大電路，則當放大倍數較高時，可能會導致電路自激，而避免自激的常用方法就是壓低放大電路對信號的放大倍數。因此，本設計采用低噪聲運算放大器和儀表放大器構成兩級放大電路，前級由低噪聲運放放大8倍，后級由儀表放大器放大100倍，兩級級聯即可獲得所需放大倍數。
圖2
光電靶測試系統中放大電路的原始圖如圖示所示，圖中，一級放大采用ADI公司的低噪聲運算放大器AD829，并設計為負反饋放大電路。AD829是一種高速、低噪聲運算放大器，它的等效輸入噪聲電壓密度較小，其最大值為2nV/(Hz)1/2，等效輸入噪聲電流密度的最大值為1.5pA/(Hz)1/2，電源電壓范圍為±5~±15V，具有0.04o的相位偏差為0.02%的增益偏差并具有良好的動態特性。根據理想運算放大器的特點和虛短、虛新的概念，可知運放兩輸入端電壓相等，即：U+=U-,又有Uin=U+,由此可得流過電阻R3的電流為：
IR3=U-/R3=U+/U3=Uin/R3
運算放大器的輸出為：
Uout=IR3(R2+R3)=Uin(R2+R3)/R3
因一級放大倍數為8位，選擇電阻R2=7R3，由此可得到運放輸出為：
Uout=Uin(R2+R3)/R3=Uin(7R3+R3)/R3=8Uin
二級放大電路采用BB公司的INA103。INA103是低噪聲儀表放大器，它的等效輸入噪聲電壓密度最大為1nV/(Hz)1/2。電源電壓范圍為±9V~±25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的動態特性和1~1000的增益變化范圍。
本設計采用了INA103的一種典型用法，只外接了電阻R4、R5和電位器RW，電阻R4與R5阻值相等且等于電位器RW阻值的一半，推薦最大使用值為RW=100kΩ、R4=R5=50kΩ。該方法能提供補償電壓同時使輸入端電流基本不變。
光電管輸出信號經電容耦合到集成運算放大器的輸入端，兩級放大電路之間采用阻容耦合方式進行耦合。阻容耦合方法中放大電路的靜態工作點是獨立的，即前、后級無關，也就是說它能隔離各級靜態之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。
噪聲和干擾信號能夠通過多種渠道影響放大電路，在實際應用中必須采取必要的措施以尺可能降低噪聲和干擾信號的影響。在電路中，為了防止電源波動帶來的干擾，在電源輸入端跨接了大小合適的陶瓷電容，適當時候還可采用電池供電。在電路板制作中導線應盡量加寬，同時在功耗不是首要因素時選用阻值較小的電阻來減小電阻帶來的噪聲。
4屏蔽與接地措施
在微弱信號的檢測中，由于有用信號極其微弱，其量級通常非常低，會被強大的噪聲所淹沒，因此要設計這樣的放大電路，應采用合理的屏蔽和接地技術，以最大限度地降低外部干擾、耦合等噪聲。
4．1屏蔽措施
在本系統，放大電路和紅外光電管被共同放置在金屬盒中，金屬盒對整個放大電路來說相當于一個屏蔽罩，從而起到了屏蔽作用。在電路連接中應該注意以下兩點：第一，導線屏蔽層應在信號接地處與零信號參考電位點相連。這樣，屏蔽可看成不需要電流返回接地點的泄露通道；第二，若要使靜電屏蔽罩有效，就必須將屏蔽罩內電路的零信號參考電位點與屏蔽罩相連接。如果信號地或接大地，那么屏蔽罩也要接地或接大地。如果信號不接地或大地，則屏蔽罩也不能接地或大地。
4．2接地措施
一般接地按其作用可分為保護接地和信號接地兩類。低噪聲放大器中的接地主要是指信號接地，接地的目的是希望放大器所有彼此連接的接地點對地的阻抗盡量小，從而降低地線電流對放大順的影響。為了降低地線阻抗，最簡單的辦法是電路就近接地，同時盡量避免使用很長的接地線。通常，當工作頻率低于1MHz時，可采用一點接地方式；當頻率在1~10MHz之間時，如用一點接地，其地線總長度不得超過波長的1/20，反之，則應使用多點接地；當頻率高于10MHz時，應采用多點接地。根據系統的工作頻率，本設計采用了多點接地形式。多點接地示意圖如圖3所示。此外，還應注意整個電路電源線、地線的走向應與數據傳遞方向一致。但要避免交叉。在滿足其它要求的基礎上，應盡量加密地線以降低地線的阻抗。
5實驗測試
本文所介紹的放大電路經長時間通電測試，表現出輸出電壓漂移小、信噪比高、穩定度較高，線性度良好的特性。根據光電靶工作原理以及氣槍彈形狀，可知當氣槍彈丸穿過光幕時，光電管會輸出一個由小到大再由大到小的漸變信號。氣槍彈進行射擊時放大電路的實驗數據如表1所列。
表1放大電路實驗數據
Vi(mv)1.002.204.406.807.655.457.006.588.80
Vo(mv)799.001750.03500.05425.06125.04375.05600.05250.07000.0
Av799.0795.5795.5797.0800.6802.7800.0797.8795.5
其中：Av=798.8,ΔAv=7.2,ΔVv%=0.72%<1%
通過實驗發現：光電管本身的熱噪聲和散粒噪聲以及外部光源（如日光）的影響會使得光電管的輸出產生1MHz以下的低頻干擾。由于AD829的INA103對聯MHz以下的信號不產生放大作用，因此能夠抑制這種噪聲信號，而晶體管和場效應管通頻帶寬不能抑制這種噪聲信號，為此需附加硬件電路，這樣會使得電路結構更加復雜，不利于調試和安裝，也影響了電路的穩定性。
關鍵詞 電子電路設計；語音放大電路；Multisim仿真
中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2015）16-0037-02
1 設計任務與技術指標
設計任務 設計并制作一個由集成運算放大器組成的語音放大電路，其作用是不失真地放大輸入的音頻信號。為此，語音放大電路應由輸入電路、前置放大器、有源帶通濾波器、功率放大器和揚聲器幾部分構成。
技術指標
1）前置放大器：輸入信號Uid≤10 mV，輸入阻抗Ri≥100 kΩ，共模抑制比KCMR≥60 dB。
2）有源帶通濾波器：帶通頻率范圍300 Hz～3 kHz。
3）功率放大器：最大不失真輸出功率Pom≥5 W，負載阻抗RL=4 Ω。
2 工作原理
由于話筒的輸出信號比較小，為此需用前置放大器對話音進行放大。聲音是通過空氣傳播的一種連續的波，說話的信號頻率通常在300 Hz～3 kHz之間，這種頻率范圍的信號稱為語音信號。聲音在空氣中傳播會產生諧波失真，為了提高輸出信號的高保真性能，需要設計頻率范圍在300 Hz～
3 kHz之間的帶通濾波器，用于濾除語音信號頻帶以外的噪聲。功率放大器用于對語音信號進行功率放大驅動揚聲器輸出，要求輸出功率盡可能大，轉換效率盡可能高，非線性失真盡可能小[1]。
3 設計方案
根據技術指標要求，可由輸入信號、最大不失真輸出功率、負載阻抗，求出系統總電壓放大倍數Au=894。由于實際電路中存在損耗，故取Au=900。根據各單元電路的功能，各級電壓放大倍數分配為：前置放大器11倍，有源帶通濾波器2.5倍，功率放大器33倍。
前置放大器 前置放大器為測量用小信號放大電路。由于傳聲器輸出信號的最大幅度僅有若干毫伏，而共模噪聲可能高到幾伏，在設計中要考慮放大器輸入漂移、噪聲以及放大器本身的共模抑制比對設計精度的影響，前置放大器應該是一個高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。本設計采用具有很高輸入阻抗、能與高阻話筒配接的同相比例運算電路作為前置放大器，電路如圖1所示，其電壓放大倍數Au為：
所以取R1=10 kΩ，R2=100 kΩ，R3=R4=200 kΩ。
有源帶通濾波器 由有源器件和RC網絡組成的濾波器稱為有源濾波器。按照濾波器工作頻帶的不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器。根據語音信號的特點，語音濾波器應該是一個二階有源帶通濾波器，其頻率范圍應在300 Hz～3 kHz之間。
1）二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器如圖2所示。
電壓放大倍數為：
設品質因數Q=0.707，得通帶放大倍數Aup=1.58，故取R3=47 kΩ，R4=27 kΩ。由于f0=3 kHz，若取C1=C2=6.8 nF，
則有R1=R2=8.2 kΩ。
2）二階有源高通濾波器。高通濾波器與低通濾波器具有對偶性，若把圖2中的C1、C2和R1、R2位置互換，就可得到二階有源高通濾波器。電壓放大倍數為：
設品質因數Q=0.707，得Aup=1.58，故取R3=47 kΩ，R4=
27 kΩ。由于f0=300 Hz，若取C1=C2=68 nF，則有R1=R2=
8.2 kΩ。
3）寬帶帶通濾波器。當低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率時，將二階低通濾波器和二階高通濾波器串聯，就可得到通帶較寬的二階帶通濾波器。該方法構成的帶通濾波器多用作測量信噪比的音頻帶通濾波器，其帶寬由兩個濾波器的截止頻率決定，且通帶截止頻率易于調整[2]。
功率放大器 功率放大器的作用是給語音放大電路的負載（揚聲器）提供所需的輸出功率。LM386是一種低電壓音頻集成功放，具有電源電壓范圍寬、靜態功耗低、電壓增益可調、外接元件少和低失真度等優點。
LM386的典型應用電路如圖3所示。LM386的電源電壓范圍為4～15 V，靜態電源電流為4 mA，輸入阻抗為50 kΩ。
電路由單電源供電，輸出端經輸出電容C5接負載，以構成OTL電路。RP1和C6阻容網絡用來設定電壓增益，即調節電位器RP1，可使電壓增益在20～200之間變化；C2為去耦電容，用來濾掉電源的高頻交流成分；C3為旁路電容，起濾除噪聲的作用；R1和C4校正網絡用來進行相位補償，防止電路高頻自激；C5為耦合電容，起隔直流通交流作用。
4 電路實現
利用Multisim軟件畫出各單元電路的仿真電路圖，先對各單元電路進行分級調試，再將各單元電路級聯進行整機調試；然后進行電路焊接與裝配，對實際電路進行性能指標測試；最后進行實際系統音質效果試聽，即將話筒或收音機的耳機輸出口接語音放大電路的輸入端，用揚聲器代替負載電阻，應能聽到音質清晰的聲音。
參考文獻
[關鍵詞]音頻 放大電路 抗干擾
中圖分類號：P101 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）40-0002-01
1、概述
信號接收機一種從天線接收并解調無線電信號的電子設備，并制成聲音信號反饋給使用者，而這種聲音信號接收初期比較微弱，幅值和功率都無法滿足輸出要求，需要利用音頻放大器有效放大音頻信號，滿足音頻信號的輸出。任何噪聲的加入都可能導致音頻信號的無效輸出，所以信號接收機的抗干擾性能是系統可靠性的重要指標。在電子設備中，一個電路所受干擾的程度可用下式描述：
S=WC/I
其中，S為電子線路受干擾的程度，為干擾發生的強度，C為干擾通過某種途徑到達干擾處的耦合因素，，為受干擾電路的抗干擾性能Ⅲ。筆者將從減少干擾源產生的干擾強度、切斷和降低干擾耦合因素和采取各種措施提高電路的抗干擾能力等多方面出發來提高接收機的抗干擾性。
2、音頻放大器的設計
音頻放大器由前置放大器和功率放大器組成回，原理框圖如圖1所示。
2.1 前置放大器
信號源前置放大器的作用為：（1）有選擇地吸收信號源的信號；（2）對輸入信號進行頻率均衡或阻抗變換；（3）對信號進行相應的放大，使之能滿足功率放大器對輸入信號的電平要求，并改善其信噪比。由于LM324運放電路具有電源電壓范圍寬、靜態功耗小、價格低廉等優點，該設計用此放大器代替晶體管進行交流放大，用作功率放大器的前置放大。
2.2 功率放大器
通常在設計音頻功率放大器時，需要了解以下6點：（1）所需的輸出功率；（2）輸入阻抗；（3）輸入信號電平；（4）最大電源電壓；（5）負載電阻；（6）帶寬翻。在筆者的設計中，要求輸出功率為16W，輸入阻抗≥lO0kQ，輸入信號電平5V（最大），負載電阻4Q，帶寬20-800Hz（±0.25dB）。筆者選用TDA2030A集成塊來設計音頻
功率放大器，其輸出功率最大可達l8W，電源電壓為6-18V，也可單電源供電，輸出電流大（最大3.5A），諧波失真和交越失真小（+14V/4n，THD=0.5%），電氣性能穩定、可靠、適應長時間連續工作且芯片內部具有過載保護和熱切斷保護電路。
3、抗干擾性分析和低噪聲研究
儀器干擾分2種：（1）外部干擾是指那些與系統結構無關而是由于使用條件和外部環境因素所決定的干擾；（2）內部干擾是指由于系統結構、元件布局和生產工藝等所決定的干擾。內部干擾主要有散雜電感和電容的結合引起的不同信號感應、長線傳輸造成電磁波的反射、多點接地造成的電位差干擾等[51。抑制和消除干擾的方法主要是明確干擾源、切斷耦合途徑和降低裝置本身對干擾的敏感度。在電路設計和印制板制作過程中所采取的主要抗干擾措施如下。
3.1 硬件設計抗干擾技術
（1）電源的抗干擾措施
來自電源的干擾主要從電源和電源引線侵入系統，當系統與其他經常變動的大負載共用電源時，會產生電源噪聲，如電源過壓、欠壓、浪涌、下陷等尖峰干擾。首先，筆者采用開關穩壓電源供電，提高了供電質量；其次，在音頻功率放大電路部分設計獨立的電源插座，這部分的供電線不經過PCB板，直接用屏蔽線與直流穩壓電源相連，避免數字電路中高頻成分的串擾；再次，在電源輸出端采用大電容并接小電容的方法進一步濾除電源本身的諧波成分，提高供電的穩定性。
（2）地線的處理
數字地線通常有很大的噪聲且有很大的電流尖峰，在筆者設計中所有的模擬地線和數字地線分開走線，且音頻功放電路部分的地獨立于其他模擬地單獨布線，最后三種地并聯單點接地。
（3）設計硬件濾波器消除高頻干擾
由于腦波音樂屬于低頻信號，為防止高頻噪聲被功率放大器進一步放大，在功率放大器的輸入端設計了一階低通濾波電路，其上限截止頻率
3.2 印制電路板抗干擾技術
（1）地線和電源線的處理
地線和電源線加粗，對用電量較大的主電源走線和主地線特別加粗，以防止細線阻抗使電源和接地電位隨負載電流變化而導致噪聲增加。電源線和地線基本上分布于印制板的兩面，并對部分地線進行覆銅處理，這樣可減小接地電阻、減少電流環路面積、降低接地電位差并有利于散熱。
（2）器件布置
在制作印制板時，器件布局主要考慮以下3點：①元器件的布局遵循主信號線短且直的要求；②信號輸入和輸出分別位于功放的兩側，以防止相互干擾；③左右兩路放大器的元件對稱安放，這樣不但有利于兩路信號無差別傳輸，而且使電路板更加美觀。
（3）對音頻功率放大電路加屏蔽
對整個系統來說，音頻功率放大器本身為一強干擾源，筆者在音頻功放周圍加上屏蔽體（地線圈）且將屏蔽體一點接地，可把電場形成的干擾弧屏蔽掉，使之對鄰近導線或回路不產生干擾且可抑制磁場對弱信號回路可能造成的干擾。信號通過小電阻跨接進出屏蔽體，防止信號線與屏蔽體正交處產生的分布電容影響信號的完整性。
4、實驗結果
該設計應用于接收機的原理樣機中。實驗表明，該音頻放大器可有效放大接收機的音頻信號，其抗干擾設計提高了系統的可靠性并有效抑制了噪聲干擾，輸出基本滿足設計要求
計算電源電壓功率放大器的本質為將電源電能“轉化”為音頻信號的電能。所以最大電源電壓的確定就顯得相當重要，一般來說，輸出功率和負載阻抗決定了對電源電壓有一定的要求。因此，在有效抑制抗干擾的時候可以從以下幾方面著手：
（1）在峰值輸出的幅度。加一個壓降（約5V），得到電源電壓的基本值；（2）電源的調整率取決于無負載時的電壓，通常要高于15%左右；（3）考慮電網電壓的波動，按10%計算，因此，最大電源電壓。
（2）由于電阻有分壓作用，放大器增益提高，可提供更大的輸出功率和動態范圍，但隨著增益的提高，噪聲也相應放大，結果降低了信噪比，也影響了功率帶寬。
（3）TDA2030A是一個大功率放大器，為了使器件在正常工作時不發生熱關斷，提高器件的長期可靠性和系統的穩定性，設計采用鋁合金散熱片為其散熱。
5、結語
本文針抗干擾性能進行了理論計算與仿真分析。通過改變放大器的電壓以及增加相關器件，進一步提高了放大電路抗干擾性能，從而實現了音頻放大電路的有效信號源。
參考文獻
[1]倪其育.音頻技術教程[M].北京：國防工業出版社，2011.
關鍵詞：Multisim；差分放大電路；仿真分析；差模信號；共模信號
中圖分類號：TN707 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2009)04-014-02
Analysis of Differential Amplifier Circuit Simulation Based on Multisim
XIONG Xujun
(Lanzhou City College,Lanzhou,730070,China)
Abstract：Features ofMultisim8 software and differential amplifier for the simulation analysis are introduced,research on how to enlarge differential mode signal and restrain common mode signal.The simulation results calculated in line with the theoretical analysis,in the classroom teaching of electronic technology to simulate more image,flexible and closer to actual projects,to help students understand theory,a better grasp of the knowledge acquired by the purpose It has great significance to enhance students practical ability and analysis of issues and problem-solving abilitie.
Keywords：Multisim;differential amplifier;simulation analysis;differential mode signal;common mode signal
差分放大電路利用電路參數的對稱性和負反饋作用，有效地穩定靜態工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征，廣泛應用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構復雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術中的難點［1,2］。Multisim 作為著名的電路設計與仿真軟件,它不需要真實電路環境的介入,具有仿真速度快、精度高、準確、形象等優點。因此,Multisim被許多高校引入到電子電路實驗的輔助教學中,形成虛擬實驗和虛擬實驗室。通過對實際電子電路的仿真分析,對于縮短設計周期、節省設計費用、提高設計質量具有重要意義。
1Multisim8軟件的特點
Multisim是加拿大IIT (Interactive Image Technologies)公司在EWB (Electronics Workbench)基礎上推出的電子電路仿真設計軟件,Multisim現有版本為Multisim2001，Multisim7和較新版本Multisim8。它具有這樣一些特點:
(1) 系統高度集成，界面直觀，操作方便。將電路原理圖的創建、電路的仿真分析和分析結果的輸出都集成在一起。采用直觀的圖形界面創建電路：在計算機屏幕上模仿真實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。操作方法簡單易學。
(2) 支持模擬電路、數字電路以及模擬/數字混合電路的設計仿真。既可以分別對模擬電子系統和數字電子系統進行仿真，也可以對數字電路和模擬電路混合在一起的電子系統進行仿真分析。
(3) 電路分析手段完備,除了可以用多種常用測試儀表（如示波器、數字萬用表、波特圖儀等）對電路進行測試以外，還提供多種電路分析方法，包括靜態工作點分析、瞬態分析、傅里葉分析等。
(4)提供多種輸入/輸出接口,可以輸入由PSpice等其他電路仿真軟件所創建的Spice網表文件，并自動形成相應的電路原理圖，也可以把Multisim環境下創建的電路原理圖文件輸出給Protel等常見的印刷電路軟件PCB進行印刷電路設計［3,4］。
2 差分放大電路仿真分析
運行Multisim 8，在繪圖編輯器中選擇信號源、直流電源、三極管、電阻，創建雙端輸入雙端輸出差分放大電路（雙入雙出差分放大電路）如圖 1所示，標出電路中的結點編號。
該次仿真中，采用虛擬直流電壓源和虛擬晶體管，差分輸入信號采用一對峰值為5 mV、頻率為1 kHz的虛擬正弦波信號源。設置虛擬晶體管的模型參數BF=150，RB=300 Ω［5］。
圖1 雙入雙出差分放大電路
2.1 差模放大性能仿真分析
2.1.1 直流分析
直流分析實際上就是確定靜態工作點。選擇Simulate菜單中的Analysis命令,然后選擇DC Operating Point子命令,分析結果如圖2所示。
用靜態工作點分析方法得UBEQ1=UBEQ2=0.69 V，UCEQ1=UCEQ2=V3-V28.94 V，與題中理論計算結果完全相同。
2.1.2 差模放大倍數分析
加差模信號ui1,ui2，分別接入電路的左右輸入端，電阻R1作為輸出負載，則電路的接法屬于雙入雙出。將四通道示波器XSC1的3個通道分別接在信號源ui1和負載R1兩端，如圖1所示［6,7］。運行并雙擊示波器圖標XSC1，調整各通道顯示比例，得差分放大電路的輸入/輸出波形如圖3所示。
用示波器觀察和測量輸入電壓和輸出電壓值，差模信號單邊電壓V1-3.597 mV(5 mV/Div),單邊輸出交流幅值約為170.124 mV(500 mV/Div),所以雙入雙出差分放大電路的差模放大倍數Au-170.124/3.597=-47，與單管共射的放大倍數相同，即差分放大電路對差模信號具有很強的放大能力。
仿真結果與題中理論計算結果相同。
2.2 共模抑制特性仿真分析
2.2.1 共模放大倍數分析
在圖1中，將信號源ui2的方向反過來，即加上共模信號，運行并雙擊示波器圖標XSC1，調整A，B通道顯示比例，可得如圖4所示波形［4］。
由圖4波形可知,在峰-峰14 mV(有效值為5 mV)的共模信號作用下,輸出的峰值極小,峰-峰值為13 mV,因此單邊共模放大倍數小于1。且uc1和uc2大小相等，極性相同。所以，在參數對稱且雙端輸出時，共模放大倍數等于0，說明差分放大電路對共模信號具有很強的抑制能力。顯然，仿真結果與理論分析結果一致。
圖2 差分放大電路靜態工作點
圖3 雙入雙出差分放大電路輸入輸出波形
圖4 差分放大電路共模信號輸入輸出波形
2.2.2 共模抑制比分析
選擇Simulate菜單中的Analysis命令，然后選擇Transient Analysis子命令，選擇結點3，4作為輸出，單擊Simulate按鈕；選擇Simulate菜單中的后處理器Postprocessor子命令，在Expression列表框中編輯“V（＄4）-V（＄3）”，然后打開Graph選項卡，可畫出差分放大電路共模輸入雙端輸出波形，見圖5。可見，波形屬于噪聲信號，且幅值極小，可忽略不計。因此，差分放大電路雙端輸出時，其共模抑制比KCMR趨于無窮大。
如果再將圖1所示的電路中發射極電阻R2改為恒流源，重復前面步驟，再分析共模特性，可得出結論：具有恒流源的差分放大電路的共模抑制比KCMR更高［6,8］。
3 結 語
應用Multisim8軟件對差分放大電路進行仿真分析,結果表明仿真與理論分析和計算結果一致,應用Multisim進行虛擬電子技術實驗可以十分方便快捷地獲取實驗數據,突破了在傳統實驗中硬件設備條件的限制,大大提高了實驗的深度和廣度。利用仿真可以使枯燥的電路變得有趣,復雜的波形變得形象生動,并且不受場地(可以在教室、宿舍),不受時間(課內、課外)的限制,通過教師演示和學生動手設計、調試,不但可以使學生更好地掌握所學的知識,同時提高了學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力［9，10］。
圖5 差分放大電路共模輸入雙端輸出波形
參 考 文 獻
［1］侯勇嚴,郭文強.PSpice在差分放大電路分析中的應用研究［J］.微計算機信息，2006,22(9):303-305.
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關鍵詞：仿真；差動放大電路；共模抑制比；差模輸出
中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)16-3884-03
模擬電子技術是電子信息類專業的一門主干課程，該課程中的核心元件為二極管和三極管。這些器件不同于電阻和電容之處在于它們的非線性，以及分析的過程中往往交直流共存。加上學生在實驗室的時間有限，缺乏直觀的認識，給學生的認識帶來困難。該文以模擬電子技術課程中基本的差動放大器電路為例，介紹了Proteus在電路仿真中的應用，分析了電路參數的改變對電路的影響。在課堂教學中引入Proteus，使教學更加生動，貼近實際。對提高學生興趣，培養學生創新能力有非常好的促進作用。
圖5 2.3輸出波形的觀察
在差模輸入時，如果輸入信號的正極性端接T1管的基極，由于共射電路的倒相性，單端輸出從T1管的集電極對地的輸出電壓是和輸入差模信號倒相的，相反，對于同樣的輸入信號，從T2管的集電極輸出電壓是和輸入電壓同相的，如圖5所示，分別是單端輸出時的兩個輸出電壓及差模輸入電壓。
雙端輸出時，如果選擇T1管的集電極為輸出電壓的正極性端，則輸出電壓與輸入電壓同相，否則反相。
該文以模擬電子技術中的差動放大電路為例介紹了Proteus軟件在電路模擬和仿真中的應用，在課堂教學中使課堂更加生動，靈活，達到了幫助學生理解原理，提高分析問題的能力。相信這種生動的教學模式在電路分析，數字電路和單片機等課程的教學過程中會發揮更大的作用。
[1]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].4版.北京:高等教育出版社, 2006.
[2]羅映祥.Multisim電路仿真軟件在差分電路分析中的應用[J].電腦知識與技術,2008,1(1):169-173.
關鍵詞:直接耦合; 零點漂移;差動放大電路; 下限頻率
中圖分類號:TN710 文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)12-0013-03
Suppression Method of Zero-drift in Direct-coupled Amplifying Circuit
GAO Mei-rong
(Baoji College of Arts & Science, Baoji 721001, China)
Abstract:The direct-coupled amplifier circuit, whose lower limit frequency of the frequency characteristics is zero, can amplify the AC signals, slowly varying signals and DC signals. The direct coupling structure is generally adopted in the integrated amplifying circuit since the large-capacity capacitors in the integrated circiuts are difficult to make. However, the direct coupling amplifying mode brings about a particular issue, which is called "zero drift". The characteristics of the direct-coupled amplifying circuits and the special problems caused by the direct coupling are described. A variety of measures to solve the problem of the zero drift and the productive reason of the problem are elaborated. The principle to suppress the zero drift with the differential amplifying circuit is described emphatically.
Keywords:direct coupling; zero drift; differential amplification circuit; lower limit frequency
收稿日期:2010-01-04
0 引 言
直接耦合是級與級連接方式中最簡單的,就是將后級的輸入與前級輸出直接連接在一起,一個放大電路的輸出端與另一個放大電路的輸入端直接連接的耦合方式稱為直接耦合[1] 。另外直接耦合放大電路既能對交流信號進行放大,也可以放大變化緩慢的信號;并且由于電路中沒有大容量電容,所以易于將全部電路集成在一片硅片上,構成集成放大電路。由于電子工業的飛速發展,使集成放大電路的性能越來越好,種類越來越多,價格也越來越便宜,所以直接耦合放大電路的使用越來越廣泛。除此之外很多物理量如壓力、液面、流量、溫度、長度等經過傳感器處理后轉變為微弱的、變化緩慢的非周期電信號,這類信號還不足以驅動負載,必須經過放大[2] 。因這類信號不能通過耦合電容逐級傳遞,所以,要放大這類信號,采用阻容耦合放大電路顯然是不行的,必須采用直接耦合放大電路。但是各級之間采用了直接耦合的聯接方式后卻出現前后級之間靜態工作點相互影響及零點漂移的問題,在此主要分析零點漂移的產生原因,并尋找解決的辦法。
1 直接耦合放大電路的特點
當多級放大電路需要放大頻率極低的信號,甚至直流信號時,級間采用阻容耦合和變壓器耦合都不適用,必須采用如圖1所示的直接耦合方式。
圖1 直接耦合兩級放大電路
圖1中的阻容耦合方式只用一只電容器就將兩級放大電路連接起來,方式簡單。耦合電容器具有隔直通交作用。根據信號頻率的高低選取電容器的電容量,使容抗很小,就能順利傳送交流信號; 電容器的隔直作用,使各級放大電路的靜態工作點各自獨立,互不影響,只要各級靜態工作點比較穩定,整個放大電路工作就比較穩定。所以阻容耦合放大電路應用十分廣泛。但是,在各種自動控制系統和┮恍┆測量儀表中,傳遞信號多數是變化極為緩慢的、非周期的信號,甚至為直流信號。例如,水輪發電機組的轉速,發電機的端電壓,變壓器的油溫,水電站前池的水位等變化是緩慢的,要實現對這些緩慢變化的物理量的測量和自動控制,必須將這些物理量轉變為電信號(即模擬信號),由于這些電信號不僅是緩變的,而且是微弱的,因此必須進行放大。緩變信號包含的頻率極低,用電容耦合,電容量必須很大,這樣的電容器難以制作,不僅成本高、體積大,而且性能也差,是不現實的。人們自然會想到直接用導線將兩級放大電路連接起來,這樣再低頻率的信號,乃至直流信號就能順利通過,這就是的直接耦合方式。直接耦合放大電路既能放大交流信號,又能放大緩變信號和直流信號(所以在一些書中稱其為直流放大電路),它的頻率特性的下限頻率為零,在自動控制系統和電子儀表中獲得廣泛應用。
2 直接耦合放大電路的特殊問題 零點漂移
零點漂移是直接耦合放大電路存在的一個特殊問題。所謂零點漂移的是指放大電路在輸入端短路(即沒有輸入信號輸入時)用靈敏的直流表測量輸出端,也會有變化緩慢的輸出電壓產生,稱為零點漂移現象,如圖2所示[3] 。零點漂移的信號會在各級放大的電路間傳遞,經過多級放大后,在輸出端成為較大的信號,如果有用信號較弱,存在零點漂移現象的直接耦合放大電路中,漂移電壓和有效信號電壓混雜在一起被逐級放大,當漂移電壓大小可以和有效信號電壓相比時,是很難在輸出端分辨出有效信號的電壓;在漂移現象嚴重的情況下,往往會使有效信號“淹沒”,使放大電路不能正常工作。因此,必須找出產生零漂的原因和抑制零漂的方法。
圖2 零點漂移現象
3 零點漂移產生的原因
產生零點漂移的原因很多,主要有3個方面:一是電源電壓的波動,將造成輸出電壓漂移;二是電路元件的老化,也將造成輸出電壓的漂移;三是半導體器件隨溫度變化而產生變化,也將造成輸出電壓的漂移[4] 。
前兩個因素造成零點漂移較小, 實踐證明,溫度變化是產生零點漂移的主要原因,也是最難克服的因素,這是由于半導體器件的導電性對溫度非常敏感,而溫度又很難維持恒定造成的。當環境溫度變化時,將引起晶體管參數VBE,β,ICBO的變化,從而使放大電路的靜態工作點發生變化,而且由于級間耦合采用直接耦合方式,這種變化將逐級放大和傳遞,最后導致輸出端的電壓發生漂移。直接耦合放大電路的級數愈多,放大倍數愈大,則零點漂移愈嚴重,并且在各級產生的零點漂移中,第1級產生零點漂移影響最大,因此,減小零點漂移的關鍵是改善放大電路第1級的性能。
4 抑制零點漂移的措施
抑制零點漂移的措施具體有以下幾種:
(1) 選用高質量的硅管 硅管的ICBO要比鍺管小好幾個數量級,因此目前高質量的直流放大電路幾乎都采用硅管。另外晶體管的制造工藝也很重要,即使是同┮恢知類型的晶體管,如工藝不夠嚴格,半導體表面不干凈,將會使漂移程度增加。所以必須嚴格挑選合格的半導體器件。
(2) 在電路中引入直流負反饋,穩定靜態工作點[5] 。
(3) 采用溫度補償的方法,利用熱敏元件來抵消放大管的變化[5] 。補償是指用另外一個元器件的漂移來抵消放大電路的漂移,如果參數配合得當,就能把漂移抑制在較低的限度之內。在分立元件組成的電路中常用二極管補償方式來穩定靜態工作點。此方法簡單實用,但效果不盡理想,適用于對溫漂要求不高的電路。
(4) 采用調制手段,調制是指將直流變化量轉換為其他形式的變化量(如正弦波幅度的變化),并通過漂移很小的阻容耦合電路放大,再設法將放大了的信號還原為直流成份的變化。這種方式電路結構復雜、成本高、頻率特性差。實現這種方法成本投入較高。
(5) 受溫度補償法的啟發,人們利用2只型號和特性都相同的晶體管來進行補償,收到了較好的抑制零點漂移的效果,這就是差動放大電路。在集成電路內部應用最廣的單元電路就是基于參數補償原理構成的差動式放大電路。在直接耦合放大電路中,抑制零點漂移最有效地方法是采用差動式放大電路。
4.1 差動放大電路抑制零點漂移的原理
差動放大電路又叫差分電路,他不僅能有效地放大直流信號,而且還能有效的減小由于電源波動和晶體管隨溫度變化而引起的零點漂移,因而獲得廣泛的應用[6] ,特別是大量地應用于集成運放電路,其常被用作多級放大器的前置級。
基本差動式放大器如圖3所示[7] 。 圖中VT1,VT2 是特性相同的晶體管,電路對稱,參數也對稱。如:VBE1=VBE2,RC1=RC2=RC,RB1=RB2=RB,β1=β2=β。電路有2個輸入端和2個輸出端。因左右2個放大電路完全對稱,所以在沒有信號情況下,即輸入信號UI=0時,UO1=UO2,因此輸出電壓UO=0,即表明差分放大器具有零輸入時零輸出的特點。當溫度變化時,左右兩個管子的輸出電壓UO1,UO2都要發生變動,但由于電路對稱,兩管的輸出變化量(即每管的零漂)相同,即│UO1=ΔUO2,則UO=0,可見利用兩管的零漂在輸出端相抵消,從而有效地抑制了零點漂移。
如圖3所示的差動放大電路所以能抑制零點漂移,是由于電路的對稱性。但是此電路存在缺陷:完全對稱的理想情況并不存在;所以單靠提高電路的對稱性來抑制零點漂移是有限度的。上述差動電路的每個管的集電極電位的漂移并末受到抑制,如果采用單端輸出(輸出電壓從一個管的集電極與“地”之間取出),漂移根本無法抑制。為此,常采用圖4所示的典型差動放大電路。
圖3 差分電路
4.2 典型差動放大電路結構及抑制零點漂移的原理
典型差動放大電路如圖4所示,與最簡單的差動放大電路相比,該電路增加了調零電位器RP、發射極公共電阻RE和負電源UEE。下面分析電路抑制零點漂移的原理、發射極公共電阻RE(可以認為調零電位器RP是RE的一部分)和負電源EE的作用。
圖4 典型差動放大器
電路中RE的主要作用是穩定電路的靜態工作點,從而限制每個管子的漂移范圍,進一步減小零點漂移[7] 。例如當溫度升高使IC1和IC2均增加時,則有如┩5的抑制漂移的過程[8-9] 。
可見,由于RE的電流負反饋作用,其結果使集電極電位基本不變,減小了輸出端的漂移量。反饋電阻RE可以抑制共模信號,對差模信號不起作用。零點漂移屬于共模信號,所以使每個管子的漂移又得到了一定程度的抑制。顯然,RE的阻值取得大些,電流負反饋作用就強些,穩流效果會更好些,因而抑制每個管子的漂移作用就愈顯著。
圖5 抑制漂移過程
射極負電源UEE的作用:由于各種原因引起兩管的集電極電流、集電極電位產生同相的漂移時(如:2個輸入信號都含有共模信號分量或50 Hz交流的共模干擾信號等),那么RE對它們都具有電流負反饋作用,使每管的漂移都受到了削弱,這樣就進一步增強了差動電路抑制漂移和抑制相位相同信號的能力。雖然,RE愈大,抑制零點漂移的作用愈顯著;但是,在UCC一定時,過大的RE會使集電極電流過小,會影響靜態工作點和電壓放大倍數。為此,接入負電源UEE來抵償RE兩端的直流壓降,則發射極點位近似為零,獲得合適的靜態工作點。
電阻RP的作用:電位器RP是調平衡用的,又稱調零電位器。因為電路不會完全對稱,當輸入電壓為零(將兩輸入端都接“地”)時,輸出電壓不一定等于零。這時可以通過調節RP來改變兩管的初始工作狀態,從而使輸出電壓為零[10] 。但RP對相位相反的信號將起負反饋作用,因此阻值不宜過大,一般RP值取在幾十歐姆到幾百歐姆之間。
5 結 語
由以上分析可知,典型差動放大電路既可利用電路的對稱性、采用雙端輸出的方式抑制零點漂移;又可利用發射極公共電阻RE的作用抑制每個三極管的零點漂移、穩定靜態工作點。因此,這種典型差動放大電路即使是采用單端輸出,其零點漂移也能得到有效地抑制。所以這種電路得到了廣泛的應用。
參考文獻
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關鍵詞： Multisim； 三極管； 放大電路； 模擬電子電路
中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0123?04
0 引 言
放大電路是構成各種功能模擬電路的基本電路，能實現對模擬信號最基本的處理――放大[1]，因此掌握基本的放大電路的分析對電子電路的學習起著至關重要的作用。三極管放大電路是含有半導體器件三極管的放大電路，是構成各種實用放大電路的基礎電路，是《模擬電子技術》課程中的重點內容。在課程學習中，一再向學生強調，放大電路放大的對象是動態信號，但放大電路能進行放大的前提是必須設置合適的靜態工作點，如果靜態工作點不合適，輸出的波形將會出現失真，這樣的“放大”就毫無意義[1]。什么樣的靜態工作點是合適的靜態工作點；電路中的參數對靜態工作點及動態輸出會產生怎樣的影響；正常放大的輸出波形與失真的輸出波形有什么區別；這些問題單靠課堂上的推理及語言描述往往很難讓學生有一個直觀的認識。在課堂教學中引入Multisim仿真技術，即時地以圖形、數字或曲線的形式來顯示那些難以通過語言、文字表達令人理解的現象及復雜的變化過程，有助于學生對電子電路中的各種現象形成直觀的認識，加深學生對于電子電路本質的理解，提高課堂教學的效果[2]。實現在有限的課堂教學中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，充分調動學生的學習興趣和自主性 [3?4]。
1 Multisim 10簡介
Multisim 10 是美國國家儀器公司（NI公司）推出的功能強大的電子電路仿真設計軟件，其集電路設計和功能測試于一體，為設計者提供了一個功能強大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺，設計者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進行模擬電路、數字電路、單片機和射頻電子線路的仿真和調試[5?6]。
Multisim 10 的主窗口如同一個實際的電子實驗臺。屏幕中央區域最大的窗口就是電路工作區，電路工作窗口兩邊是設計工具欄和儀器儀表欄。設計工具欄存放著各種電子元器件，儀器儀表欄存放著各種測試儀器儀表，可從中方便地選擇所需的各種電子元器件和測試儀器儀表在電路工作區連接成實驗電路，并通過“仿真”菜單選擇相應的仿真項目得到需要的仿真數據[7?8]。
2 三極管放大電路的仿真分析
本文以圖1所示的阻容耦合三極管單級放大電路作為分析對象，分別進行靜態分析和動態分析。靜態分析將分析電路的直流工作情況，動態分析將分析電路對交流信號的放大情況。
根據實驗電路圖，在Multisim 界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數，使用Multisim 虛擬儀器進行在線測量[9]。與理論分析一樣，仿真分析時應遵循“先靜態，后動態”的原則[1]。首先獲取電路的靜態工作點數據，再輸出電路的動態輸出情況。這里將利用 “直流工作點分析”功能讀取靜態工作點數據，利用虛擬儀器“示波器”觀察三極管的輸入/輸出波形。
2.1 仿真分析的理論依據
分析圖1所示電路，可求得其靜態工作點估算表達式：
由理論分析可知，當利用三極管單級放大電路對交流小信號進行放大時，如果為電路設置了合適的靜態工作點Q，就能保證三極管在整個信號周期內均工作在放大區，放大輸出的信號就不會失真。若Q點偏高，三極管會在輸入信號的正半周因集電極電位[UC]低于基極電位[UB]而飽和，集電極電流[IC]因此會出現頂部失真，而放大電路輸出的信號則會出現底部失真。若Q點偏低，三極管會在輸入信號的負半周因發射結電壓[UBE]低于導通電壓[UON]而截止，基極電流[IB]及集電極電流[IC]因此會出現底部失真，而放大電路輸出的信號則會出現頂部失真[10]。三極管在直流電源及外電路的共同作用下靜態工作點是否合適，可由[UBEQ]，[UCEQ]的取值進行判斷。
（1）若[UBEQ]的取值為三極管2N222A的導通電壓[UON]，約在0.6～0.7 V之間，且[UCEQ]的取值接近于[VCC]的[12]時，能保證三極管在整個信號周期均能工作在放大區，輸入信號被放大一定倍數后在輸出端不失真的輸出，且輸出與輸入反向。
（2）若[UBEQ]的取值為三極管2N222A的導通電壓[UON]，但[UCEQ]的取值小于[UBEQ]時，三極管此時已經飽和，在輸入信號的正半周會一直處于飽和狀態，輸出信號因此出現底部失真現象。
（3）若[UBEQ]的取值小于三極管2N222A的導通電壓[UON]，但[UCEQ]的取值接近于[VCC]時，三極管此時基本處于截止狀態，在輸入信號的負半周會一直處于截止狀態，輸出信號因此出現頂部失真現象。
2.2 仿真分析
在圖1所示電路中選擇節點電壓[U1（UB）]，[U6（UC）]，[U5（UE）]作為“直流工作點分析”的三個電路變量，據此計算[UBEQ]，[UCEQ]的值，并判斷晶體管此時的工作狀態。
獲得靜態工作點數據后，通過電阻[R1]，[R2]為電路輸入頻率為1 kHz、幅值為500 mV的正弦信號[ui]，此時三極管上真正的輸入信號應為電阻[R2]兩端獲得的動態小信號[uR2]，其幅值低于10 mV，符合實驗電路交流小信號的要求。三極管的動態輸出信號為負載[RL]兩端的輸出電壓[uRL]，用雙蹤示波器顯示實時的輸入信號[uR2]及輸出信號[uRL]的波形，驗證上述分析的結果。
由式（1）～式（3）可知，可調電位器[Rp]的取值將影響各靜態工作點的取值，仿真過程中通過修改電路元件[Rp]的參數改變基極電阻，觀察各項靜態工作點數據及輸出波形因此產生的變化。
2.2.1 合適的靜態工作點
當[Rp=91 kΩ]時得到如圖2（a）所示的直流工作點數據，可得三極管三個極此時的電位：
圖2（b）所示即為此時的輸入輸出波形，從波形圖看出，輸入與輸出反相，[uRL]正負半周對稱，[uR2]的信號峰值約為9.75 mV，[uRL]的信號峰值約為101.78 mV，[uRL]實現了對輸入信號[uR2]不失真的放大，符合理論分析的結果。
2.2.2 靜態工作點偏高
關鍵詞:Multisim9;單級放大電路;仿真分析;軟件;電路仿真
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)23-0046-02
Multisim是一款先進的電路仿真分析軟件,該軟件適合于各種模擬/數字電路板的設計應用。而Multisim 9作為Multisim 2001之后的Multisim最新版本(2006年底又最新的版本Multisim10),提供了全面集成化的設計環境,完成從原理圖設計輸入、電路仿真分析到電路功能測試等工作。
一、Multisim9的特點
1.Multisim9作為一款優秀的行業專用軟件,有如下的一些特點:(1)創建電路形象而且直觀。全部工作通過電腦屏幕的仿真實驗室成,所有需要的器件、測試設備都能從屏幕上選取;(2)軟件儀器外形與操作方式跟實物吻合,而且實驗仿真是實時的。除此以外,它還具有多種電路的分析手段;(3)除了作為一種實際開發的工具以外,還是一個良好的訓練工具,使得學習者能了解仿真電路的實際運行情況,鍛煉對常用電子儀器的使用。
2.除此以外,9系列從套件角度,還有一些特點:(1)使工程師在模擬過程中無需分析,便可運用數學表達式;(2)能夠應用電路向導,根據設定的參數,自動產生電路;(3)Ultiroute9自動路由器也有所改進,能夠自動優先發送命令。
二、Multisim 9的基本操作
1.在元器件欄中單擊要選擇的元器件庫圖標,打開該元器件庫。在屏幕出現的元器件庫對話框中選擇所需的元器件,常用元器件庫有13個:信號源庫、基本元件庫、二極管庫、晶體管庫、模擬器件庫、TTL數字集成電路庫、CMOS數字集成電路庫、其他數字器件庫、混合器件庫、指示器件庫、其他器件庫、射頻器件庫、機電器件庫等。
2.雙擊元器件,在彈出的元器件特性對話框中,可以設置或編輯元器件的各種特性參數。元器件不同每個選項下將對應不同的參數。例如NPN三極管的選項為:Label ――標識 、Display――顯示、Value――數值、Pins――管腳。
3.選擇菜單Options欄下的Sheet Properties命令,每個選項下又有各自不同的對話內容,用于設置與電路顯示方式相關的選項。電路Circuit的主要選項為:1.Show欄目的顯示控制:Labels 標簽、RefDes 元件序號、Values 值、Attributes 屬性、Pin names 管腳名字、Pin numbers 管腳數目;2.Workspace 環境Sheet size欄目實現圖紙大小和方向的設置;Zoom level欄目實現電路工作區顯示比例的控制;3.Wring 連線 Wire width欄目設置連接線的線寬;Autowire欄目控制自動連線的方式;4.PCB 電路板 PCB選項選擇與制作電路板相關的命令。
三、單級放大電路仿真分析
(一)電路仿真
啟動multisim,通過菜單欄place/component設置屬性,選擇合適的電子元器件。比如從元器件列表中選中1.5kΩ 5%電阻。在面板上合理的調整各個元器件的方向位置。并且把所有元件連接成單級放大器電路,如圖1所示:
示波器分為2個通道,每個通道有+和-,連接時只需用+即可,示波器默認的地已經連接好的。觀察波形圖時會出現不知道那個波形是那個通道的,解決方法是更改連接通道的導線顏色,即:右鍵擊導線,彈出),單擊wire color,可以更改顏色,同時示波器中波形顏色也隨之改變。單擊工具欄中運行按鈕,接可以進行數據的仿真,仿真出的波形圖如圖2所示:
通過改變圖1中的滑動變阻器阻值,可以清楚地看到波形的變化。通過應用這種良好的仿真技術,能夠很好的驗證、探索單級放大電路中參數與性能的關系,而且成本低廉、操作方便,既有利于學習者試驗驗證所學知識,又有利于科研工作者開發實際的應用電路。
(二)電路分析
對此放大電路進一步可以應用軟件進行各種分析,本文以直流工作點分析為例進行分析。了解電路的直流工作點,才能進一步分析電路在交流信號作用下電路能否正常工作。求解電路的直流工作點在電路分析過程中是至關重要的。為了分析電路的交流信號是否能正常放大,必須了解電路的直流工作點設置得是否合理,所以首先應對電路得直流工作點進行分析。執行菜單命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析類型中選擇DC Operating Point,則出現直流工作點分析對話框,如圖A所示。直流工作點分析對話框B。
Output用于選定需要分析的節點。左邊Variables in circuit 欄內列出電路中各節點電壓變量和流過電源的電流變量。右邊Selected variables for 欄用于存放需要分析的節點。具體做法是先在左邊Variables in circuit 欄內中選中需要分析的變量(可以通過鼠標拖拉進行全選),再單擊Add按鈕,相應變量則會出現在Selected variables for 欄中。如果Selected variables for 欄中的某個變量不需要分析,則先選中它,然后點擊Remove按鈕,該變量將會回到左邊Variables in circuit 欄中。Analysis Options 和Summary選項表示:分析的參數設置和Summary頁中排列了該分析所設置的所有參數和選項。通過檢查可以確認這些參數的設置。點擊B圖下部Simulate按鈕,測試結果如圖所示。測試結果給出電路各個節點的電壓值。根據這些電壓的大小,可以確定該電路的靜態工作點是否合理。如果不合理,可以改變電路中的某個參數,利用這種方法,可以觀察電路中某個元件參數的改變對電路直流工作點的影響。
參考文獻
（曲阜遠東職業技術學院，山東曲阜273115）
摘要：從電路的穩定性和可靠性出發，設計一款用于白光LED驅動電路中的誤差放大器。結合DC/DC升壓式變換器的工作原理，在無錫上華（CSMC）的標準0.5 μm兩層多晶硅、三層金屬CMOS工藝下，采用比較簡單的兩級運放電路。通過Spectre軟件進行仿真驗證，在2.5 V 的電源電壓下，得到開環增益為54.87 dB，共模抑制比為70.98 dB，電源電壓抑制比為63.15 dB。該設計與傳統的設計方法相比，減小了芯片的面積，同時基本達到設計指標。
關鍵詞 ：LED驅動電路；誤差放大電路；兩級運放；仿真驗證
中圖分類號：TN72?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）18?0155?03
0 引言
隨著手機智能化的迅速發展，白光LED 作為手機背光源，其驅動電路的設計就顯得尤為重要。誤差放大器是驅動LED 電路中一個重要的模塊，其性能的好壞直接影響著驅動電路輸出的穩定性和精度。誤差放大器就是將反饋電壓與基準電壓的差值放大，輸出誤差放大值到PWM比較器的輸入值。
目前，主要常用的運算放大器包括套筒式共源?共柵運放、折疊式共源?共柵運放和簡單的兩級運放，前兩者運放電路復雜，電路穩定性差，輸出電阻大，導致電路驅動能力和速度的下降[1]。誤差放大器用于檢測LED電流的反饋電壓，由于輸出端紋波電壓的存在，誤差放大器增益不需太高，一般取50～80 dB 即可。再者，本誤差放大器的電源電壓為2.5 V，若采用共源共柵放大器，將存在過驅動電壓不足，晶體管無法工作在飽和區的問題。因此需要對其誤差放大器進行重新設計驗證。
1 基本性能參數
誤差放大器主要的性能參數有7點：
（1）增益Av。運放的開環增益Av 直接影響反饋系統的精度，進而影響電路的輸出精度。在理想情況下，運放具有無限大的差模電壓增益、無限大的輸入阻抗和零輸出阻抗，但是在實際中，由于受各種參數的影響，開環增益大于等于60 dB 就能滿足需求[2]。
（2）單位增益帶寬GB。單位增益帶寬GB 是運放開環增益為1時的頻率。計算公式為：
一個閉環系統-3 dB 帶寬等于該閉環系統的運放的單位增益帶寬，必須滿足以下兩個條件：反饋網絡中不含頻率分量；單位增益帶寬頻率內只有1個極點[3]。
（3）相位裕值PM。相位裕度主要是衡量負反饋系統穩定性的一個重要指標。它是指運算放大器增益幅度為1時的相位，與-180°相位的差值。經研究發現，相位裕度至少要45°，最好是60°。
（4）建立時間。建立時間（Settling Time）表示從跳變開始到輸出穩定的時間，主要反映運放的反應速度。增大單位增益帶寬，可以縮小建立時間。由上文可知，增大單位增益帶寬就等于增大了負反饋系統的-3 dB帶寬，可以根據芯片建立時間的要求，設計芯片的單位增益寬度[4]。
（5）轉換速率SR。轉換速率定義為最大輸出電壓變化的速率，轉速的計算公式為：
由式（2）可以看出，其性能取決于運放的尾電流Iss和負載電容C 的值。如果要求誤差放大器的轉換速率大，其尾電流必將變大。
（6）共模抑制比。共模抑制（CMRR）比表示誤差放大器抑制共模信號放大差分信號的能力，其定義為放大電路差模信號的電壓增益Avd 與共模信號的電壓增益Avc 之比的絕對值，計算公式為：
由式（3）可見，差模信號的電壓增益Avd 越大，共模信號的電壓增益Avc 越小，則共模抑制比CMRR越大，放大電路的性能越好。在理想情況下，共模抑制比CMRR為無窮大。
（7）電源抑制比。實際使用中，電源經常有噪聲存在，電源抑制比（PSRR）正是表征抵制電源噪聲的能力，定義為運放輸入到輸出的增益與電源到輸出的增益之比，其計算公式為：
式中Vdd = 0 和Vin = 0 分別指的是電源電壓和輸入電壓的交流小信號為零。
2 誤差放大器的設計
2.1 設計目標及參數
根據設計目標，可以大概確定MOS 的寬長比和補償電容C1 的大小：
（1）要滿足相位裕度60°，米勒補償電容C1 取值應滿足：C1 > 0.22CL ，CL 為負載電容值，取C1 = 2 pF ；
（2）此誤差放大器由兩級運放組成，第1級運放尾電流IM2 為：IM2 = SR·C1 ；第2 級運放尾電流IM5 為：IM5 = SR ? CL ；
（3） 計算M3 管和M4 管的寬長比，gM4 = GB ? C1 ，W L = g2M4 (2K4 ID1)，MOS管M3和M4寬長比相等；
（4）確定M1 管和N1 管的寬長比，以確定電流偏置電路所能給兩級運放提供的偏置電壓；
（5）由輸入共模范圍最小值CCMR=-1.5 V，計算出N2管和N3管的寬長比[5]；
（6）一般情況下為得到合理的相位裕度，gN4/CL>2.2 GB ，近似可以得到MOS管N4的寬長比；
（7）檢查電路功耗：
2.2 設計方案
本文設計的誤差放大器由兩級運放組成[6]：第1 級運放由M3，M4，N2，N3 組成單端差分放大電路，其中M3，M4組成差分輸入對，N2，N3組成NMOS電流鏡；第2級運放由M5，N4 組成的共源放大電路。M1 和N1 構成電流偏置電路，通過M2和M5為運放提供偏置，如圖1所示。
電路中米勒補償電容C1的作用是用來改善運放的頻率響應和相位裕度特性[7]。
3 仿真驗證
（1）增益和相位。圖2 是電源電壓為2.5 V 時，誤差放大器增益和相位仿真結果，從仿真結果波形可以看出，開環增益在頻率小于10 kHz時為54.87 dB，在10 kHz以后，運放增益隨著頻率的增大而下降。單位增益帶寬為8.684 MHz，相位裕度為60°，滿足設計要求[8]。
（2） 共模抑制比。圖3 是誤差放大器在-25～100 ℃范圍的共模抑制比仿真結果，從仿真結果中可以看出，溫度在-25 ℃時，共模抑制比最小，但同時在低頻時仍可以達到64.77 dB。在常溫下，誤差放大器的共模抑制比為70.98 dB，滿足設計要求。
（3）電源抑制比。圖4是誤差放大器在-25～100 ℃范圍的電源抑制比仿真結果，從圖中可以看出，在此溫度范圍內，低頻電源電壓抑制比最小為62.83 dB，但電源抑制比也大于60 dB，滿足設計要求。
（4）建立時間。圖5 是在-25～100 ℃溫度范圍內對階躍小信號的響應曲線，借助Calculator中settlinTime函數計算建立時間，將1 ns時的輸出電壓作為初始值，190 ns時的輸出電壓作為結束值，容差范圍為2%，可得建立時間[9]為0.278 μs。
（5）轉換速率。圖6 是常溫下輸出電壓的時域響應曲線，借助Calculator中slewRate函數計算轉換速率，可得誤差放大器的轉換速率為0.793 V/μs。
4 結論
本文通過比較套筒式共源?共柵運放、折疊式共源?共柵運放和簡單的兩級運放的優缺點，選擇結構較為簡單的兩級運放作為本芯片的誤差放大器作為白光LED驅動電路誤差放大器。本文根據設計參數要求，設計出一種誤差放大電路，通過Spectre軟件進行仿真，驗證了設計電路的合理性，為成品的白光LED 驅動電路中誤差放大器的設計提供了一種新的參考[10]。
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關鍵詞： 靜態工作點； Multisim l0； 放大電路； 電路仿真
中圖分類號： TN919?34； TP319.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0127?04
0 引 言
模擬電子技術作為高校理工科專業的一門重要的專業基礎課程，工程實踐性比較強。由于課程知識體系和分析方法等方面的特點，學生對課程的學習存在一定的困難。鑒于此，在模擬電子技術課程的教學中，采取將傳統的電路理論分析與仿真技術相結合的方式，對課程中的重點、難點知識進行突破，不失為一種有效的措施。
靜態工作點的概念幾乎貫穿整個“模擬電子技術”教學的始終，是本課程的教學重點，也是教學難點[1]。為了使學生在基本放大電路的學習中就對靜態工作點的概念、靜態工作點對放大電路的必要性和重要性有比較清晰正確的認識，為模擬電路后期的學期打下扎實的基礎。本文利用仿真Multisim 10軟件，對共發射極基本放大電路進行靜態仿真測試分析。利用計算機仿真軟件，課內講授和課外探究相結合，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，充分調動了學生的學習興趣和自主性，幫助學生更好地理解和掌握教學內容[2?7]。
1 基本放大電路中的靜態工作點
1.1 靜態工作點
當輸入信號為零時，放大電路工作在直流工作狀態，也稱為靜態。此時，晶體管的基極電流[IB、]集電極電流[IC、]基一射極間的電壓[UBE]和集一射極間管壓降[UCE，]統稱為靜態工作點參數。又因這些直流量所對應的正是晶體管輸入輸出特性曲線上的一個點，故稱其為靜態工作點Q，如圖1所示。
1.2 設置靜態工作點的必要性
設置合適的靜態工作點是保障放大電路正常放大信號的前提。設置靜態工作點的目的在于保證輸入信號在整個變化范圍內，工作點始終處于放大區，從而使放大電路不失真地放大信號[8?9]。在如圖2所示電路中不設置靜態工作點（去掉電路的上偏電阻），利用Multisim 10仿真軟件進行仿真后觀察分析電路的輸出波形。
在仿真過程中觀察到：當輸入電壓較小時，峰值小于晶體管的基?射極間的開啟電壓 ，則晶體管在輸入信號的整個周期內均截止，因此觀察不到輸出信號；進一步調整輸入信號的幅度，幅值足夠大，晶體管也只可能在信號正半周數值大于基?射極間的開啟電壓時間段內導通，輸出波形必然會失真。失真波形如圖3所示。由結果引導學生從理論上分析輸出波形出現失真的原因[1，10]。
基于以上仿真、觀察、分析，說明不設置靜態工作點，電路就不能正常放大輸入信號。使學生進一步理解設置合適的靜態工作點的必要性。
2 共發射極基本放大電路的靜態分析
2.1 共發射極單管放大電路正常工作時的測試分析
通過仿真技術分析單管放大電路在靜態工作點設置不同的情況下的輸出波形、靜態值等特點，使學生進一步認識到了合適的靜態工作點的設置對放大電路正常放大信號的重要性。同時也使學生進一步了解了同一放大電路在不同的工作狀態下，靜態電流、電壓的數值特點，也將此數值特點可以作為今后在電路調試中判斷電路工作狀態的基本依據。
3 結 語
將放大電路靜態工作點的知識講授與Multisim 10仿真有機結合起來，對靜態工作點這個教學重點的突破不失為一種有效的途徑。
首先，借助Multisim 10仿真，使學生對靜態工作點設置的必要性和重要性有進一步深刻的理解。
其次，借助Multisim 10仿真，將靜態工作點正確設置和不能正確設置兩種情況下，電路的輸出波形的特點、靜態工作點數值特點，形象直觀地展現在學生面前，由此創設情景，激發了學生探究的興趣，進一步從理論上解釋觀察到的現象和數值特點。相比傳統的枯燥的理論講解，學生的理解效果更好。
最后，借助Multisim 10仿真，將不同工作情況下電路的輸出波形、靜態工作點數值特點集中在一起進行對比，為學生今后分析問題解決問題能力的培養打下基礎。
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關鍵詞：非線性失真 EWB仿真 靜態工作點
非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變，表現為音響系統輸出信號與輸入信號不成線性關系。非線性失真不僅會破壞音質，還有可能由于過量的高頻諧波和直流分量燒毀音箱高音揚聲器和低音揚聲器。
在教學過程中，如何讓學生很好地去理解非線性失真，如何將抽象的知識形象地表達出來，成為教師教學中的重點。
EWB是一種電子電路計算機仿真軟件，它被稱為電子設計工作平臺或虛擬電子實驗室，是交互圖像技術有限公司推出的EDA軟件，用于模擬電路和數字電路的混合仿真，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。EWB是一款仿真功能十分強大的軟件。
一、仿真實驗
啟動EWB仿真軟件，在電路窗口中創建一個共射極放大電路，如圖1所示。圖中VCC為直流電源，提供放大電路的能量；Q為晶體管，具有電流放大作用，是放大電路的核心器件；RB為基極偏置電阻，提供合適的靜態工作點；RC為集電極負載，將晶體管電流放大轉為電壓放大的形式；C1、C2為隔直流通交流電容。
1.選擇合適的靜態工作點，輸入交流小信號，觀察輸入輸出波形
（1）當 RB=180kΩ 時，用仿真電壓表測得Uce≈Vcc=3.102V，靜態工作點處于放大區中間區域，如圖1所示。
（2）輸入信號Ui=5mV，1kHz，如圖2所示。
圖2
（3）對電路進行仿真，點擊圖中的雙通道示波器按鈕，彈出的對話框中顯示輸入（黑色）和輸出（紅色）電壓波形，示波器時基可在s～ns的范圍內調整，如圖3所示。
圖3
（4）進一步提高測量精度，可卷動時間軸，觀察輸入、輸出電壓波形，可看出放大后波形基本上不失真，移動指針到信號的最大值處，從雙蹤示波器的數據欄中讀出相關數據：
Uim=VA1=7.0189mV Uom=VB1=-276.9916mV
可算出該放大電路的電壓放大倍數：
2.減小RB阻值，造成飽和失真，觀察輸入輸出波形
（1）當RB=56kΩ 時，UCE=0.117V，靜態工作點處于飽和區；
（2）輸入信號Ui=10mV，1kHz；
（3）對電路進行仿真，從雙蹤示波器上觀察輸入和輸出電壓波形如圖4所示，可看出輸出電壓波形負半周被削底，產生飽和失真。
圖4
3.增大RB阻值，造成截止失真，觀察輸入輸出波形
（1）當RB=1kΩ 時，UCE=5.474V，靜態工作點接近于截止區；
（2）輸入信號Ui=30mV，1kHz；
（3）對電路進行仿真，從雙蹤示波器觀察輸入和輸出電壓波形如圖5所示，可看出輸出電壓波形正半周被削頂，產生截止失真。
圖5
二、影響失真的因素
共射極放大電路中引起失真的原因主要為靜態工作點設置不當，偏離放大區中間區域過多。此外，輸入信號過大，使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，同樣會造成失真。
靜態工作點位置不合適，對波形失真的影響可分兩種情況說明。
（1）靜態工作點偏低時產生截止失真。當靜態工作點偏低為QB時，接近截止區，交流量在截止區不能放大（三極管截止），使輸出電壓波形正半周被削頂，產生截止失真。
（2）靜態工作點偏高時產生飽和失真。當靜態工作點偏高為QA時，接近飽和區，交流量在飽和區不能放大，使輸出電壓波形負半周被削底，產生飽和失真。
三、失真的消除方法
要使共射極放大電路不產生失真，必須有一個合適的靜態工作點Q，它應大致選在交流負載線的中點。此外輸入信號u的幅值不能太大，以避免放大電路的工作范圍超過特性曲線的線性范圍。
由電路的直流通路分析： ICQ≈βIBQ
可知，若電源VCC與三極管電流放大倍數β不變，則在電路各元件中，基極偏置電阻RB的大小對電路靜態工作點的影響最大：RB偏小，靜態工作點過高，容易產生飽和失真；RB偏大，靜態工作點過低，容易產生截止失真；通常采用調節RB阻值大小的方法，，建立合適的靜態工作點。
在電子技術一體化教學中，用EWB軟件進行仿真模擬實驗，選擇各種元件空間大，修改參數方便，避免了因反復焊下元件而損壞器件和電路板，而且調試電路快捷方便，數據直觀可靠，使教學的課時大大減少，對教學具有一定的輔助作用。
參考文獻：
