電路仿真參考

1、1.1 三極管的高頻特性仿真分析1、目的(1)加深對晶體管頻率特性參數(shù)的理解。(2)認(rèn)識(shí)低頻管和高頻管的頻響差別。(3)了解晶體管輸入阻抗、輸出阻抗隨工作頻率變化的情況。2、原理晶體管頻率特性指的是晶體管對不同頻率信號(hào)的放大能力，主要表現(xiàn)為：在低頻范圍內(nèi)，晶體管的電流放大系數(shù)(、)基本上是恒定值，但頻率升高到一定數(shù)值后，和將隨頻率的升高而下降。為定量比較晶體管的高頻特性，工程上確定了幾個(gè)頻率參數(shù)：共基極截止頻率f(又稱截止頻率，是指降低到其低頻值的0.707倍即3dB時(shí)的頻率)、共發(fā)射極截止頻率f (又稱截止頻率，是指降低到其低頻值的0.707倍時(shí)的頻率)、特征頻率fT(下降到l時(shí)所對應(yīng)的頻率

2、)、最高振蕩頻率fmax(功率增益為1時(shí)所對應(yīng)的頻率)。3、電路電路說明如下： (1)該實(shí)驗(yàn)采用的晶體管型號(hào)為BF374，多用于電視機(jī)的中放級(jí)，查手冊可知其特征頻率在400MHz以上。 (2)電路中節(jié)點(diǎn)Vi、Vo為電壓波形觀察點(diǎn)；Va、Vb、Vc、Vd用于觀察交流放大系數(shù)，R2、R3兩個(gè)小電阻取得電流ib、ic，。 圖1.2-1 基本共射電路信號(hào)源的設(shè)置圖： 4步驟(1) f和fT值的測量。i) 把開PROTEL 99SE工作界面，按圖1.2-1要求繪制基本共射電路，用“瞬態(tài)特性分析”觀察vi、vo波形，要注意正確選擇元件參數(shù)，使波形不失真，如圖1.2-2所示。從輸入輸出波形幅度可見電路的交流

3、增益為150。圖1.2-2：vi和vo的瞬態(tài)波形ii) 將負(fù)載R5短路，撤除vo并以圖1.2-3所示參數(shù)選擇“AC小信號(hào)分析”，（操作步驟：Simulate-setup-Ac small signal analysis，然后在Browse SimData選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊New出現(xiàn)圖1.2-4界面生成新的波形）得到圖1.2-5所示幅頻特件曲線，其中的（vd-vc）/（vb-va）即為共射短路電流放大系數(shù)。圖1.2-3 ：“Ac小信號(hào)分析”參數(shù)設(shè)置圖1.2-4：產(chǎn)生波形的設(shè)置對話框（顯示新波形的變量設(shè)置）圖1.2-5：高頻管“BF374”的-f關(guān)系曲線圖1.2-6：高頻管“BF374”的-f關(guān)系曲線局

4、部放大圖iii) 根據(jù)幅頻特性曲線測量f和fT的值：點(diǎn)擊鼠標(biāo)并拖放至1kHz處測出低頻時(shí)的值，約120；計(jì)算低頻時(shí)的值的0.707倍(即3dB)對應(yīng)的值，約84；點(diǎn)擊鼠標(biāo)，并拖放至該值處，測量其對應(yīng)的頻率，此值即為截止頻率f，約4MHz。把鼠標(biāo)拖放至=1處，讀出此時(shí)對應(yīng)的頻率，即特征頻率fT，約427MHz，與實(shí)際相符。(2) 比較高頻管和低頻管的頻響差別：把電路中的三極管“BF374”用“2N2222”(低頻管)取代，重復(fù)上述操作，得到圖1.2-5、1.2-6所類似的幅頻特性曲線，測量此時(shí)的f和fT。i) 在1kHz處側(cè)得的低頻值約140，其0.707約為99，由此測出截止頻率f為l.1MH

5、z。ii) 測得=1時(shí)對應(yīng)的頻率即特征頻率fT約為140MHz，與實(shí)際相符。結(jié)論：可見不同的三極管其頻率特性可以存在很大的差異，這對放大電路的頻響起著很關(guān)鍵的作用。(3) 觀察負(fù)載對電路頻響的影響：把電路中的三極管恢復(fù)為高頻管“BF374”，并且把1K的負(fù)載(R5)重新接上，用上述同樣方法測量此時(shí)的f和fT值。結(jié)論：接上1k負(fù)載后，截止頻率約為560kHz，特征頻率約為50MHz，對照前面的結(jié)論可知，放大電路的頻響還與電路的負(fù)載(后級(jí)的輸入阻抗)有很大關(guān)系。(4) 測量三極管的最高振蕩頻率fmax：i) 將電路小的R2短路以減小輸入信號(hào)的衰減；將R5短路，R3即變成交流輸出負(fù)載，準(zhǔn)備取其交流功

6、率與輸入信號(hào)功率相比得出交流功率增益。ii) 設(shè)置“AC小信號(hào)分析”初始值為1、終止值為600MHz；同時(shí)用“參數(shù)掃描分析”對R3進(jìn)行掃描以判斷其取值為多大時(shí)最有利頻率的延伸，分別選取l0、30、50、70、90，掃描結(jié)果如圖1.2-7所示。盡管R310時(shí)功率幅度較小，但頻率延伸最大，因此把R3取值I0作為最高振蕩頻率fmax的測試負(fù)載。iii) 用“AC小信號(hào)分析”觀察功率增益(vd-vc)2 /10/Vi（p）隨頻率的變化關(guān)系曲線，如圖1.2-7和圖1.2-8所示。圖1.2-7：對R3掃描所得電路頻響特性（輸出功率po-頻率f）說明：功率增益圖1.2-8：功率增益隨頻率的變化曲線（R3=1

7、0歐）iv) 測量功率增益下降于1時(shí)對應(yīng)的頻率，即最高振蕩頻率fmax(圖1.2-8所示為大于600MHz)。(5) 測量電路輸入阻抗隨頻率的變化：利用“Ac小信號(hào)分析”觀察電路的輸入阻抗vi (Z)隨頻率的變化規(guī)律得到圖1.2-9所示特性曲線。 圖1.2-9：輸入陽抗隨頻率的變化結(jié)論：電路的輸入阻抗隨頻率的升高而下降，在頻率較低時(shí)(低于0.5MHz時(shí))，這種現(xiàn)象尤為明顯，對于本電路所設(shè)置的信號(hào)頻率(1MHz)，輸入阻抗約為150。順便一提，電路工作點(diǎn)對輸入阻抗的影響是很大的，Ib越大，阻抗越小。(6) 測量電路輸出阻抗隨頻率的變化i) 去掉輸入信號(hào)源，但保留該信號(hào)源的阻抗(即以160電阻取代

8、原信號(hào)源)。ii) 將負(fù)載電阻去掉，換上新的信號(hào)源Vi(相當(dāng)于后級(jí)的輸入)。iii) 用“AC小信號(hào)分析”顯示有效信號(hào)列表中的vi(Z)(此參數(shù)即原電路的輸出阻抗)，得到圖1.2-10所示特性曲線。圖1.2-10：輸出阻抗隨頻率的變化規(guī)律結(jié)論：電路的輸出阻抗隨頻率的升高而下降，在頻率較低時(shí)(低于0.5MHz時(shí))，這種現(xiàn)象尤為明顯。對于本電路所設(shè)置的信號(hào)頻率(1MHz)，輸出阻抗約為530。順便一提，電路工作點(diǎn)對輸出阻抗的影響并不大，對于不同的Ic阻抗變化差不多。(7) 測量晶體管結(jié)電容對頻率特性的影響：i) 在圖1.2-1電路的三極管各管腳間加上20pF電容(用來模擬結(jié)電容)，圖略。ii) 用

9、“Ac小信號(hào)分析”測量特征頻率fT。在結(jié)電容影響下測得的特征頻率fT數(shù)據(jù)見下表(注：末考慮結(jié)電容影響時(shí)的特征頻率fT為427MHz)。表一：特征頻率與結(jié)電容值表結(jié)電容取值特征頻率fT（MHz）Cce單獨(dú)作用Cbe單獨(dú)作用Cbc單獨(dú)作用同時(shí)作用20pF395375262225結(jié)論：在高頻使用時(shí)，結(jié)電容對電路的影響之一是使特征頻率降低；在各個(gè)結(jié)電容中，b、c極間的結(jié)電容對頻率特性的影響最大。思考題：1. 按圖1.2-11繪制基本共基電路，用上述方法（1）之（ii）對f值進(jìn)行測量。結(jié)果表明：在1MHz時(shí)的值約為0.994，下降0.707倍時(shí)對應(yīng)的f值約為177MHz。2. 用類似步驟(5)、(6)的

10、方法測量圖1.2-1電路采用型號(hào)為“2N2222”的晶體管時(shí)的輸入阻抗和輸出阻抗。3. 通過實(shí)驗(yàn)，比較結(jié)電容大小對晶體管頻率特性的影響有何區(qū)別。圖1.2-11：三極管高頻特性仿真電路(共基組態(tài))及其交流等效電路1.2 諧振電路仿真分析1目的(1) 理解并聯(lián)諧振電路的幅頻特性和相頻特性。(2) 掌握諧振頻率與L、C的關(guān)系。(3) 了解回路Q值的測量方法，理解回路頻率特性與Q值的關(guān)系”(4) 了解耦合狀態(tài)對雙調(diào)諧回路頻率特性的影響。2原理(1) 在高頻電子線路中，小信號(hào)放大器和功率放大器均以并聯(lián)諧振電路作為晶體管負(fù)載，放大后的輸出電壓從回路兩端取出，因此研究并聯(lián)回路的頻率特性具有重要的實(shí)用意義。(

11、2) 并聯(lián)諧振電路具有選頻作用，其頻率特性可由幅頻特性、相頻特性曲線體現(xiàn)。(3) 諧振回路的諧振頻率取決于電感和電容的值：。(4) 品質(zhì)因數(shù)Q的測量可借助公式進(jìn)行。(5) 品質(zhì)因數(shù)Q反映LC回路的選擇性，Q越大，幅頻特性曲線越尖銳，通頻帶越窄，選擇性越好；當(dāng)R一定時(shí)，可通過減小回路(LC)比值來提高Q值，因?yàn)?。圖1.3-1：單、雙諧振電路分析仿真電路3電路電路見圖1.3-1。電路說明：選取元件參數(shù)時(shí)須使LC回路處于諧振狀態(tài)。當(dāng)電感組成互感時(shí)，通過菜單Place-Text Frame輸入電感耦合參數(shù)，這一個(gè)功能在高頻電路中廣泛應(yīng)用。如下例所示：.NSXK L1 L2 0.5 （耦合描述 電感1

12、電感2 耦合度） 電流源參數(shù)設(shè)置圖4步驟(1) 單調(diào)諧回路的分析。l 打開PROTEL 99SE工作界面，按圖1.3-1要求繪制單調(diào)諧回路，用“瞬態(tài)特性分析”觀察vo波形，如圖2所示。圖1.3-2：瞬態(tài)分析結(jié)果結(jié)論：由瞬態(tài)分析結(jié)果可知，回路兩端輸出電壓幅度為10kV，頻率約為10MH2，可見此時(shí)回路的等效阻抗應(yīng)趨向無窮，回路處于并聯(lián)諧振狀態(tài)。(2) 頻率特性的測試。以圖1.3-3所示參數(shù)選擇“AC小信號(hào)分析”，得到圖1.3-4所示。圖1.3-3： “AC小信號(hào)分析”參數(shù)設(shè)置相頻特性曲線的顯示：單獨(dú)顯示該波形（Single），在顯示區(qū)域單擊鼠標(biāo)右鍵后，選擇scaling命令。將Primary設(shè)置

13、為Magnitude in Decibels，將Secondary設(shè)置為Phase in Radians，即可得到。結(jié)論：由幅頻特性曲線和相頻特性曲線均可讀出諧振頻率約為10MHz，與理論值相符，諧振時(shí)，輸出電壓幅值達(dá)最大，且與電流源的相位差為0；此外，幅頻特性曲線還可測得通頻帶約為700kHz；利用公式可算得Q值約為13。圖1.3-4：幅頻、相頻特性曲線。l 觀察電感和電容取值變化對頻率特性的影響(如圖1.3-5所示)。電感量取值分別為0.5微亨(uH)(vo_p1)、l微亨(vo_p2)、1.5微亨(vo_p3)的幅頻特性。電容量取值分別為150微微法(pF)(vo_p1)、250微微法(

14、vo_p2)、350微微法(vo_p3)。圖1.3-5：單回路L不同取值的幅頻特性結(jié)論：電感和電容的取值改變會(huì)使幅頻特性曲線發(fā)生變化，具體變化情況見下表：諧振頻率fo通頻帶BQ電感L減小升高影響不大升高電感L增大降低影響不大降低電容C減小升高變寬降低電容C增大降低變窄升高圖1.3-5：單回路C不同取值的幅頻特性l 觀察負(fù)載阻值(阻尼)變化對頻率特性的影響。電阻值分別取0.5k(vo_p1)、1k(vo_p2)、1.5k(vo_p3)、得到圖1.3-6所示幅頻特性曲線。圖1.3-6 負(fù)載變化頻率特性的影響結(jié)論：負(fù)載阻值的改變會(huì)使幅頻和相頻特性曲線發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為，阻值增大時(shí)，通頻帶變窄、Q值

15、變大。在阻值較小時(shí)，這種變化尤為明顯。(3) 雙調(diào)諧回路的分析。l 按圖1.3-1要求繪制雙調(diào)諧回路，用“AC小信號(hào)分析”觀察幅頻特性曲線(進(jìn)入強(qiáng)耦合區(qū))，如圖1.3-7所示。使L1、L2具有用合作用，可在電路中添加字符幀，按下面格式填寫：.NSX (網(wǎng)絡(luò)說明)K12 Ll L2 0.1 (耦合 電感1 電感2 藕合度)結(jié)論：由幅頻特性曲線可讀出諧振頻率為10MHz，諧振時(shí)輸出電壓幅值較大，接近500V；由幅頻特性曲線還可測得通頻帶約為1.2MHz。圖1.3-7：雙調(diào)諧回路的幅頻特性曲線l 把互感耦合系數(shù)改為不同取值，再分別用“A小信號(hào)分析”觀察幅頻特性曲線。圖1.3-是耦合系數(shù)k取不同數(shù)值時(shí)的幅頻特性。 k=0.01 k=0.06 k=0.3圖1.3-8：不同耦合系數(shù)時(shí)的幅頻特性曲線結(jié)論： (1)在電路其他參數(shù)不變的前提下，k某值時(shí)，電路處于臨界耦合狀