基于multisim的互補(bǔ)輸出電路仿真測(cè)試

1、基于Multisim互補(bǔ)輸出電路的仿真測(cè)試摘 要隨著集成電路的廣泛應(yīng)用，其電路的輸出級(jí)也在不斷的變化中，大多數(shù)輸出電路采用互補(bǔ)輸出形式，由于互補(bǔ)輸出電路具有輸出正負(fù)方向?qū)ΨQ(chēng)，雙向跟隨，帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，常作為直接耦合多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。在集成運(yùn)放電路輸出級(jí)中互補(bǔ)輸出電路不僅作為其輸出級(jí)用于帶動(dòng)負(fù)載，也作為集成功率放大器的輸出級(jí)形式。本文介紹了互補(bǔ)輸出的基本電路以及兩種消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)，并針對(duì)選定的晶體管等元件參數(shù)，應(yīng)用Multisim10.0進(jìn)行了仿真，主要包括靜態(tài)時(shí)晶體管基極和發(fā)射極電位，以及動(dòng)態(tài)時(shí)輸入與輸出波形的峰值、幅頻及失真性等，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，得出該互補(bǔ)電路適合大多數(shù)電路

2、輸出級(jí)設(shè)計(jì)以及雙向跟隨特性。關(guān)鍵詞：互補(bǔ)輸出級(jí),交越失真，Mulitisim10AbstractAlong with the extensive application of integrated circuit, the circuit of the output stage is also in constant change, most of the output circuit using complementary output form, due to complementary output circuit with output positive and negative di

3、rection symmetry, two-way follow, with strong ability to load characteristics, often as directly coupled multi-stage amplification circuit of the output stage.In the integrated operational amplifier circuit output stage complementary output circuit not only as the output stage is used to drive the l

4、oad, also serves as an integrated power amplifier output stage form.This paper introduces the complementary outputs of the basic circuit and two eliminate distortion is complementary output stage, and according to the selected transistor elements such as parameters, the application of multisim10.0 s

5、imulation, mainly including static transistor base and emitter potential, as well as dynamic input and output waveform peak, amplitude frequency and distortion, through the analysis of the data that the complementary circuit suitable for most of the output stage circuit design and two-way following

6、characteristics.Keywords: Complementary output stage, crossover distortion, Mulitisim10目 錄1緒 論12互補(bǔ)輸出電路的工作原理22.1基本互補(bǔ)輸出電路22.2消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)33仿真測(cè)試的目的、方法和要求53.1消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真電路測(cè)試仿真的目的53.2搭建消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的測(cè)試電路53.3掌握消除交越失真電路的原理與波形特點(diǎn)53.4仿真內(nèi)容64對(duì)消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的仿真分析64.1搭建基本互補(bǔ)和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路64.2靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試74.3仿真測(cè)試的分析與結(jié)論104.

7、3.1基本互補(bǔ)輸出電路的仿真分析104.3.2消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)電路的仿真分析105結(jié)語(yǔ)106參考文獻(xiàn)111 緒 論互補(bǔ)輸出電路作為直接耦合多級(jí)放大電路的輸出級(jí),本文對(duì)互補(bǔ)輸出電路的基本原理進(jìn)行了具體闡述，并對(duì)其交越失真的產(chǎn)生和如何消除做了說(shuō)明，至于元件參數(shù)的選擇，首先通過(guò)理論估算，再通過(guò)Multisim進(jìn)行仿真，測(cè)量了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，基本做到零輸入零輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分立元件的數(shù)量相對(duì)較少，動(dòng)態(tài)調(diào)試效果較好。多級(jí)放大電路對(duì)輸出級(jí)的要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)，直流功耗小，負(fù)載電阻上無(wú)直流功耗，最大不失真輸出電壓最大。為此采用射極輸出形式，減小靜態(tài)工作電流，保證輸入為零時(shí)輸出為零，雙電源供電時(shí)的峰

8、值接近電源電壓。單電源供電的峰值接近二分之一電源電壓，可以說(shuō)互補(bǔ)輸出級(jí)是直接耦合的功率放大電路。2 互補(bǔ)輸出電路的工作原理對(duì)于直接耦合放大電路的輸出級(jí),一般有兩個(gè)基本的要求:一是輸出電阻要低,二是最大不失真輸出電壓盡可能高。根據(jù)基本放大電路中晶體管不同接法的特點(diǎn),共集電極能滿(mǎn)足前一個(gè)要求,但帶上負(fù)載后靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化,且輸出不失真電壓將會(huì)減小。為了能滿(mǎn)足上述兩個(gè)的要求,且做到輸入電壓為零時(shí)輸出電壓也為零,便產(chǎn)生了雙向跟隨的互補(bǔ)輸出級(jí)電路。2.1 基本互補(bǔ)輸出電路基本互補(bǔ)輸出電路如圖2-1中（a）所示，其中為NPN型晶體管,為PNP型晶體管,要求個(gè)晶體管的參數(shù)相同、特性對(duì)稱(chēng)。假設(shè)晶體管有理想

9、的輸入特性。設(shè)輸入電壓為正弦波,當(dāng)時(shí), 導(dǎo)通, 截止, 以射極輸出形式將的正半周信號(hào)傳遞到負(fù)載上,輸出電壓，此時(shí)正電源供電,電流導(dǎo)通如圖2-1(a)中帶箭頭的實(shí)線(xiàn)所示。與此相反,當(dāng), 導(dǎo)通, 截止, 以射極輸出形式將的負(fù)半周信號(hào)傳遞到負(fù)載上, 輸出電壓。此時(shí)負(fù)電源供電,電流導(dǎo)通如圖2-1(a)中帶箭頭的虛線(xiàn)所示。這樣和以互補(bǔ)形式交替工作、正負(fù)電源交替供電,電路實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。當(dāng)輸入的幅值足夠大,輸出電壓最大幅值可達(dá)到，其中為晶體管的飽和管壓降。（b）交越失真（a）基本電路圖2-1互補(bǔ)輸出級(jí)基本電路及其交越失真圖若考慮晶體管實(shí)際輸入特性則不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電壓小于極間的開(kāi)啟電壓時(shí), 和均處于截止?fàn)顟B(tài)

10、。也就是說(shuō)當(dāng)時(shí),輸出電壓才跟隨變化。因此當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí),在過(guò)零附近時(shí)輸出電壓將產(chǎn)生交越失真(見(jiàn)圖2-1(b)。與一般放大電路相同,消除交越失真的方法是設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)?？梢栽O(shè)想:若在靜態(tài)時(shí)和均處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài),則當(dāng)輸入信號(hào)作用時(shí),即能保證至少有一個(gè)晶體管導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)雙向跟隨作用。2.2 消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)設(shè)計(jì)消除交越失真現(xiàn)象的電路形式比較多,比較經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的方法是采用二極管或倍增等電路來(lái)避免交越失真的產(chǎn)生。倍增電路二極管電路圖2-2消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)電路(2-1)在圖2所示的電路原理中,靜態(tài)時(shí)從正電源經(jīng)、到負(fù)電源形成一個(gè)直流電流,這必然會(huì)在和的基極之間(和之間)

11、產(chǎn)生電壓,即若晶體管、和二極管均采用相同材料制作而成,就可使和均處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小,可認(rèn)為和的基極動(dòng)態(tài)電位近似相等,且均約為即。對(duì)于倍增電路來(lái)說(shuō)，常應(yīng)用于集成電路，若,則 (2-2)合理的選擇,可以得到任意倍數(shù)的直流電壓，同時(shí)也可得到PN結(jié)任意倍數(shù)的溫度系數(shù)，故可以用于溫度補(bǔ)償。為了增大管和管的電流放大系數(shù)，以減小前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，常采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)，考慮到尋找完全對(duì)稱(chēng)的NPN管和PNP管比較困難，因此在實(shí)用電路中常采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)，使得管子特性更相近。本文采用二極管電路消除交越失真，其元件參數(shù)如下：NPN型號(hào):2N3903 PNP型號(hào):2N39053 仿真測(cè)試的目的、方法和要求

12、為更好地研究和分析互補(bǔ)輸出級(jí)消除交越失真、達(dá)到帶負(fù)載能力強(qiáng)和最大不失真輸出電壓高的要求,對(duì)測(cè)試的仿真電路提出了一定的要求。3.1 消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真電路測(cè)試仿真的目的本文對(duì)于消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真電路進(jìn)行測(cè)試仿真的主要目的:一是掌握消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的方法和工作原理;二是研究有交越失真和無(wú)交越失真兩種情況下的輸出波形的變化特征;三是分析基本互補(bǔ)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)。3.2 搭建消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的測(cè)試電路本文利用Multisim仿真軟件對(duì)互補(bǔ)輸出級(jí)的消除交越失真電路進(jìn)行了測(cè)試和分析研究。按照特定的電路參數(shù)和元器件要求搭建了測(cè)試電路,并且對(duì)消除交越失真的電

13、路進(jìn)行虛擬仿真,觀察并對(duì)比輸入、輸出波形變化規(guī)律,比較基本互補(bǔ)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù),從而得出結(jié)論。3.3 掌握消除交越失真電路的原理與波形特點(diǎn)為使不加任何措施的基本互補(bǔ)電路產(chǎn)生的交越失真得以消除,在不加輸入信號(hào)時(shí),應(yīng)使特性對(duì)稱(chēng)的NPN 和PNP兩個(gè)晶體管提前處于微導(dǎo)通狀態(tài),后再加上輸入信號(hào),輸出電壓的波形將不會(huì)產(chǎn)生交越失真,輸出波形和輸入波形具有很好的跟隨特性。3.4 仿真內(nèi)容1) 利用直流電壓表測(cè)量基本互補(bǔ)電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)兩種電路的晶體管基極電位和發(fā)射極電位,得到電路靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓值;2) 用示波器觀察上述兩種電路的輸入波形和輸出波形,并測(cè)試輸出電

14、壓的幅值,論證其電壓跟隨特性。4 對(duì)消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的仿真分析4.1 搭建基本互補(bǔ)和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路搭建基本互補(bǔ)電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)兩個(gè)靜態(tài)測(cè)試電路如圖所示。在圖4-1中,特性對(duì)稱(chēng)的晶體管一個(gè)采用NPN 型2N3903,一個(gè)采用PNP 型2N3905,二極管選用穩(wěn)壓值約為721的1N4009兩只。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,幾乎不可能得到具有理想對(duì)稱(chēng)的NPN 和PNP型晶體管,但在Multisim 虛擬測(cè)試仿真中可以做到。因此,在實(shí)驗(yàn)中可看到只受晶體管輸入特性影響(不受其他因素影響)所產(chǎn)生的交越失真現(xiàn)象和消除交越失真的方法;供電的直流電源。(a)基本互補(bǔ)輸出電路（b）消除交越互補(bǔ)輸出

15、電路圖4-1 兩種互補(bǔ)輸出的靜態(tài)測(cè)試電路4.2 靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試在基本互補(bǔ)輸出電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出這兩種電路靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試中,看特性對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)晶體管間的電壓是否大于等于,在輸入信號(hào)時(shí),判別晶體管是否處于微導(dǎo)通狀態(tài);觀察輸出波形和輸入波形變化,輸出波形是否產(chǎn)生交越失真輸出波形與輸入波形是否具備跟隨特征。()連接電路進(jìn)行仿真由表4-1,直流電壓表XMM和XMM讀數(shù)分別為V 和,說(shuō)明當(dāng)電路零輸入時(shí),基本能實(shí)現(xiàn)零輸出。表4-1 基本互補(bǔ)電路測(cè)試數(shù)據(jù)電壓表XMM1讀數(shù)電壓表XMM2讀數(shù)輸入信號(hào)峰值輸出信號(hào)峰值0-3.046n2.7972.140（a）基本互補(bǔ)輸出電路（b）二極管消除交越失真電路

16、圖4-2 兩種互補(bǔ)輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)測(cè)試()由表4-2，消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路中的直流電壓表XMM、XMM和XMM,讀數(shù)分別是、mV。發(fā)現(xiàn)XMM和XMM的讀數(shù)差的讀數(shù)差大于或等于NPN的值,XMM和XMM的讀數(shù)差大于或等于PNP的值,從而得知兩管均處于微導(dǎo)通的工作狀態(tài)。表4-2 消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)參數(shù)Q7基極電位Q8基極電位輸入信號(hào)峰值輸出信號(hào)峰值721.138-718.0892.8262.824()分別將圖4-2(a)和圖4-2(b)兩種電路的輸入信號(hào)大小均變?yōu)閂(有效值),其他參數(shù)不變,進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。如圖所示,讀出消除交越失真互補(bǔ)輸出電路中的兩個(gè)晶體管基極電位大小,觀察兩種電

17、路的輸入波形和輸出波形的變化特征，其波形如圖4-3,圖4-4所示。圖4-3 基本互補(bǔ)電路輸出波形與輸入波形圖4-4 消除交越失真電路的輸出輸入波形波形4.3 仿真測(cè)試的分析與結(jié)論4.3.1 基本互補(bǔ)輸出電路的仿真分析1) 靜態(tài)時(shí)(即輸入電壓)晶體管的基極和發(fā)射極的直流電位均為零,靜態(tài)功耗非常小;2) 由于小于晶體管的間的開(kāi)啟電壓時(shí),兩只晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài),輸出信號(hào)波形明顯產(chǎn)生交越失真現(xiàn)象,且輸出電壓的峰值小于輸入信號(hào)電壓的峰值。4.3.2 消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)電路的仿真分析1) 晶體管基極直流電位,表明兩只晶體管在靜態(tài)均處于導(dǎo)通狀態(tài),發(fā)射級(jí)的直流電位,很接近,說(shuō)明具有很好的對(duì)稱(chēng)性。、的原因仍在NPN 型晶體管2N3903和PNP型晶體管2N3905的不對(duì)稱(chēng)性。2) 輸入電壓峰值為。在動(dòng)態(tài)測(cè)試中,說(shuō)明在動(dòng)態(tài)近似分析中可將晶體管和的基極與輸入端看成一個(gè)點(diǎn)。3) 輸出電壓的峰值和輸入電壓的峰值相差無(wú)幾,在刻度相同時(shí)波形處基本重合,且輸出電壓波形沒(méi)有交越失真發(fā)生,說(shuō)明設(shè)置合理的靜態(tài)工作點(diǎn)是消除交越失真的基本方法,且能夠使電路的跟隨特性更好。5 結(jié)語(yǔ)對(duì)基本互補(bǔ)輸出電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)