基于EWB的共射極放大電路非線性失真仿真

葉桂銳

摘 要：利用EWB仿真軟件進(jìn)行圖形化分析可以給研究帶來(lái)很大的便利。筆者在電子技術(shù)一體化教學(xué)中，通過(guò)利用EWB軟件進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)共射極放大電路的輸入輸出波形進(jìn)行仿真分析，從而研究其出現(xiàn)非線性失真的原因，總結(jié)出消除非線性失真的方法。

關(guān)鍵詞：非線性失真 EWB仿真 靜態(tài)工作點(diǎn)

非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變，表現(xiàn)為音響系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不成線性關(guān)系。非線性失真不僅會(huì)破壞音質(zhì)，還有可能由于過(guò)量的高頻諧波和直流分量燒毀音箱高音揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器。

在教學(xué)過(guò)程中，如何讓學(xué)生很好地去理解非線性失真，如何將抽象的知識(shí)形象地表達(dá)出來(lái)，成為教師教學(xué)中的重點(diǎn)。

EWB是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，是交互圖像技術(shù)有限公司推出的EDA軟件，用于模擬電路和數(shù)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(qiáng)大的軟件。

一、仿真實(shí)驗(yàn)

啟動(dòng)EWB仿真軟件，在電路窗口中創(chuàng)建一個(gè)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(tài)工作點(diǎn)；RC為集電極負(fù)載，將晶體管電流放大轉(zhuǎn)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(tài)工作點(diǎn)，輸入交流小信號(hào)，觀察輸入輸出波形

（1）當(dāng) RB=180kΩ 時(shí)，用仿真電壓表測(cè)得Uce≈Vcc=3.102V，靜態(tài)工作點(diǎn)處于放大區(qū)中間區(qū)域，如圖1所示。

（2）輸入信號(hào)Ui=5mV，1kHz，如圖2所示。

圖2

（3）對(duì)電路進(jìn)行仿真，點(diǎn)擊圖中的雙通道示波器按鈕，彈出的對(duì)話框中顯示輸入（黑色）和輸出（紅色）電壓波形，示波器時(shí)基可在s～ns的范圍內(nèi)調(diào)整，如圖3所示。

圖3

（4）進(jìn)一步提高測(cè)量精度，可卷動(dòng)時(shí)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(dòng)指針到信號(hào)的最大值處，從雙蹤示波器的數(shù)據(jù)欄中讀出相關(guān)數(shù)據(jù)：

Uim=VA1=7.0189mV Uom=VB1=-276.9916mV

可算出該放大電路的電壓放大倍數(shù)：

2.減小RB阻值，造成飽和失真，觀察輸入輸出波形

（1）當(dāng)RB=56kΩ 時(shí)，UCE=0.117V，靜態(tài)工作點(diǎn)處于飽和區(qū)；

（2）輸入信號(hào)Ui=10mV，1kHz；

（3）對(duì)電路進(jìn)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(fù)半周被削底，產(chǎn)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(dāng)RB=1kΩ 時(shí)，UCE=5.474V，靜態(tài)工作點(diǎn)接近于截止區(qū)；

（2）輸入信號(hào)Ui=30mV，1kHz；

（3）對(duì)電路進(jìn)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(chǎn)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(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，偏離放大區(qū)中間區(qū)域過(guò)多。此外，輸入信號(hào)過(guò)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(huì)造成失真。

靜態(tài)工作點(diǎn)位置不合適，對(duì)波形失真的影響可分兩種情況說(shuō)明。

（1）靜態(tài)工作點(diǎn)偏低時(shí)產(chǎn)生截止失真。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)偏低為QB時(shí)，接近截止區(qū)，交流量在截止區(qū)不能放大（三極管截止），使輸出電壓波形正半周被削頂，產(chǎn)生截止失真。

（2）靜態(tài)工作點(diǎn)偏高時(shí)產(chǎn)生飽和失真。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)偏高為QA時(shí)，接近飽和區(qū)，交流量在飽和區(qū)不能放大，使輸出電壓波形負(fù)半周被削底，產(chǎn)生飽和失真。

三、失真的消除方法

要使共射極放大電路不產(chǎn)生失真，必須有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，它應(yīng)大致選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。此外輸入信號(hào)u的幅值不能太大，以避免放大電路的工作范圍超過(guò)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(shù)β不變，則在電路各元件中，基極偏置電阻RB的大小對(duì)電路靜態(tài)工作點(diǎn)的影響最大：RB偏小，靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高，容易產(chǎn)生飽和失真；RB偏大，靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低，容易產(chǎn)生截止失真；通常采用調(diào)節(jié)RB阻值大小的方法，，建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

在電子技術(shù)一體化教學(xué)中，用EWB軟件進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，選擇各種元件空間大，修改參數(shù)方便，避免了因反復(fù)焊下元件而損壞器件和電路板，而且調(diào)試電路快捷方便，數(shù)據(jù)直觀可靠，使教學(xué)的課時(shí)大大減少，對(duì)教學(xué)具有一定的輔助作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳恒玉.EWB在電子技術(shù)中的應(yīng)用之研究[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2005（1）

（作者單位：廣東省云浮市技工學(xué)校）