放大電路非線性失真的Multisim仿真分析*

計(jì)銘杰，衛(wèi) 宏

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

在電子信息和自動(dòng)化領(lǐng)域中常需要將一些小信號(hào)放大，以便于測(cè)量并計(jì)算，因此，晶體管放大電路是電子技術(shù)的核心。在晶體管放大電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，各元件參數(shù)的合理配置對(duì)放大過(guò)程起著決定性作用，其性能方面涉及的參數(shù)也十分繁雜，包括頻率特性、靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)等，靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整影響著動(dòng)態(tài)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)參數(shù)又恰恰能反作用于靜態(tài)工作點(diǎn)[1]，所以二者的平衡調(diào)節(jié)也至關(guān)重要。利用Multisim軟件進(jìn)行晶體管放大器電路的設(shè)計(jì)與仿真，可以直觀地觀察到不同參數(shù)對(duì)放大電路性能指標(biāo)的影響，以及非線性失真產(chǎn)生的情況及其電流諧波總畸變率THD的變化。

1 非線性失真的產(chǎn)生

1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的定義

基本放大電路的靜態(tài)[2]指的是無(wú)輸入交流信號(hào)，結(jié)合三極管的特性曲線，靜態(tài)時(shí)BJT各電極的直流電流及各電極間的直流電壓，基極電流IBQ、集電極電流ICQ、基-射電壓UBEQ、集-射電壓UCEQ定義為靜態(tài)工作點(diǎn)。由于放大電路中的放大性能受它的靜態(tài)值的影響非常明顯，因此在分析放大電路的放大性能之前，必須要先求解三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。

1.2 截止失真

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)Q偏低時(shí)，在交流信號(hào)負(fù)半周峰值附近的部分時(shí)間內(nèi)進(jìn)入截止區(qū)，晶體管b-e間電壓Ube小于開(kāi)啟電壓，晶體管截止，使iB、iC、uCE、uce的波形失真，都出現(xiàn)底部截止的波形。從而，因晶體管截止而產(chǎn)生的失真稱為截止失真。

1.3 飽和失真

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)偏高時(shí)，UBEQ、IBQ過(guò)大，則BJT會(huì)在交流信號(hào)線ube正半周峰值靠近附近的某段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入飽和區(qū)，引起iB、iC、uCE、uce的波形失真。此時(shí)，當(dāng)基極電流增大時(shí)，導(dǎo)致集電極電流的波形產(chǎn)生頂部失真。從而，因晶體管飽和而產(chǎn)生的失真稱為飽和失真。

1.4 飽和截止失真

即使靜態(tài)工作點(diǎn)選擇合適,但如果輸入信號(hào)幅度過(guò)大,超出了信號(hào)變化范圍，始終處在線性放大區(qū)之外，輸出波形也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生出現(xiàn)飽和失真和截止失真的情況，將這種失真稱為雙向失真[3]。

1.5 交越失真

交越失真是乙類推挽放大器所特有的失真，在推挽電路中，兩只晶體管射極相連，分別在輸入信號(hào)的正、負(fù)半周導(dǎo)通，交替工作，對(duì)正、負(fù)半周信號(hào)進(jìn)行放大，電路實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。但乙類放大器是不提供給晶體管靜態(tài)偏置的，由于晶體管的輸入特性圖解曲線在UBE小于開(kāi)啟電壓時(shí)IB接近為零，晶體管基本不導(dǎo)通，即存在死區(qū)電壓Ur。當(dāng)|UBE|

1.6 THD的測(cè)量

總諧波失真(THD)是信號(hào)的重要參數(shù)之一，它表征了信號(hào)偏離正弦波的程度，是衡量運(yùn)算放大器、功率放大器等器件及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等儀器的重要指標(biāo)，在這里，我們將它代替為非線性失真系數(shù)r，來(lái)肉眼觀察非線性失真情況[11]。THD主要有基波抑制、頻譜分析及正弦波形擬合等測(cè)量方法[12]。

2 技術(shù)方案比較

將小信號(hào)電源進(jìn)行放大通常可以通過(guò)用晶體管作差分放大電路，有效地抑制了共模信號(hào)，還可以合理地控制放大倍數(shù)。集成運(yùn)算放大器LM358差分放大電路集成芯片具有增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、共模抑制比大等特點(diǎn),具有線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩種應(yīng)用環(huán)境。電路放大器的線性度直接關(guān)系到模擬電路的失真特性[5-7]，所以在選擇差分放大電路時(shí)，采用集成性更佳、穩(wěn)定性更好的LM358芯片來(lái)取代經(jīng)典差分放大電路。

經(jīng)過(guò)差分放大電路后，信號(hào)經(jīng)過(guò)電容通入晶體管放大電路，在晶體管放大電路的選擇上，基極分壓式射級(jí)偏置電路優(yōu)于固定偏置電路。它具有良好的電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度升高引起靜態(tài)電流ICQ增加時(shí)，發(fā)射極直流電位UEQ也增加。由于基極電位UBQ基本固定不變，因此外加在發(fā)射極上的電壓UBEQ=UBQ-UEQ將自動(dòng)減小，使IBQ跟著減小，結(jié)果抑制了ICQ的增加，使ICQ基本維持不變，達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。當(dāng)溫度降低時(shí)，各電量向相反方向變化，Q點(diǎn)穩(wěn)定[8]。通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，在溫度變化時(shí)基極分壓式射級(jí)偏置電路有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)各個(gè)參數(shù)。

3 消除非線性失真的的措施

3.1 設(shè)置合理的偏置電阻以減小非線性失

在晶體管放大電路上，將Q點(diǎn)設(shè)置在直流負(fù)載線的中間位置，微信號(hào)波動(dòng)范圍相對(duì)較大，輸入信號(hào)不易進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，則輸出信號(hào)正常，此時(shí)容易輸出正常的波形；在推挽電路中，將二極管的正向?qū)妷翰唤?jīng)偏置電阻，滿足三極管開(kāi)啟電壓，則可以將三極管保持在微導(dǎo)通狀態(tài)，達(dá)到消除交越失真的目的。

3.2 引入負(fù)反饋減小溫度引起的非線性失真

分壓偏置電流負(fù)反饋電路可以有效地減小溫度對(duì)三極管放大倍數(shù)β的影響，UBQ僅有Rb1、Rb2的分壓來(lái)決定，不受溫度的影響[9]。

3.3 選擇輸入電壓幅值來(lái)減小非線性失真

偏置電阻選擇得當(dāng)，對(duì)輸入電壓的幅值還是有一定的限制，超出這個(gè)限度，仍會(huì)造成非線性失真。

4 非線性失真仿真電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)開(kāi)關(guān)S選擇晶體管放大電路和OTL電路，通過(guò)LM358放大運(yùn)放器可實(shí)現(xiàn)將小信號(hào)電壓跟隨和電壓放大從而分別實(shí)現(xiàn)截止失真、飽和失真、交越失真和雙向失真(如圖1所示)。當(dāng)S接晶體管放大電路時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)Rb1電阻選擇Q的靜態(tài)工作點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)截止失真、飽和失真，再通過(guò)控制放大器的放大倍數(shù)來(lái)控制輸入電壓，將輸入電壓幅值超出晶體管信號(hào)變化范圍，來(lái)產(chǎn)生雙向失真；當(dāng)S接OTL電路時(shí)，OTL電路選擇特性對(duì)稱的兩個(gè)晶體管，而且OTL電路的電壓跟隨特性優(yōu)越[10]，因此，在仿真中可以看到只受晶體管特性影響的失真情況，通過(guò)對(duì)變阻R的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)偏置電壓的控制，從而控制交越失真的產(chǎn)生。

圖1 晶體管放大電路及其OTL電路

5 仿真測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 仿真電路的準(zhǔn)備與測(cè)試

在反相放大器中，輸入電壓為1 kHz、10 mVpp的正弦電壓，將放大器選在電壓跟隨檔。電壓經(jīng)過(guò)各線性電抗元件產(chǎn)生了線性失真(這種幅度的失真或者相位的失真是由該電路的線性電抗元件對(duì)不同頻率的響應(yīng)不同而引起的，所以叫線性失真)，小信號(hào)電壓受到了干擾，幅值會(huì)受到一定的影響，但從THD來(lái)看，基波量遠(yuǎn)大于諧波量，在線性放大范圍之內(nèi)。所以將放大器倍數(shù)調(diào)節(jié)，令放大輸出信號(hào)接近10 mV即可。

5.2 晶體管未失真的失真分析

輸出電壓與輸入電壓會(huì)存在一定的線性失真(圖2所示)。將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整得當(dāng)，從數(shù)值上看，放大倍數(shù)約為50倍，從波形和THD值來(lái)看，輸出波形良好，但經(jīng)過(guò)晶體管放大，產(chǎn)生的諧波量增大，THD值增大無(wú)法避免，但仍在線性放大限度之內(nèi)。

圖2 晶體管放大未失真情況

5.3 底部失真和頂部失真的失真分析

在頂部失真和底部失真情況下(如圖3,4所示)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)反向放大，輸出波形反向，將偏置電阻調(diào)小，基極的直流電壓值為1.944 V，靜態(tài)工作點(diǎn)處在飽和區(qū)，輸出波形出現(xiàn)頂部截止，產(chǎn)生頂部失真，放大倍數(shù)約為30倍；將偏置電阻調(diào)大，基極的直流電壓值降為644.263 mV，靜態(tài)工作點(diǎn)處在截止區(qū)，輸出波形出現(xiàn)底部截止，產(chǎn)生底部失真，放大倍數(shù)約為7倍，從THD來(lái)看，輸出信號(hào)都產(chǎn)生了大量的諧波，這種情況下，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的干擾，使結(jié)果不準(zhǔn)確，要通過(guò)調(diào)試來(lái)避免這種情況的發(fā)生。

圖3 頂部失真

圖4 底部失真

5.4 雙向失真的失真分析

在雙向失真中(如圖5)，將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整得當(dāng)，此時(shí)基極的直流電壓值為1.412，再將放大器倍數(shù)加大，使輸入晶體管電壓增大，超出線性放大區(qū)，此時(shí)輸出波形雙向截止，產(chǎn)生了雙向失真，放大倍數(shù)約為20倍，從整體上看，雙向失真的THD值最大，產(chǎn)生的諧波最多，說(shuō)明失真是最明顯的。

圖5 雙向失真

5.5 交越失真的失真分析

為了實(shí)現(xiàn)交越失真，將偏置電阻調(diào)大，直至產(chǎn)生交越失真，此時(shí)放大倍數(shù)約為6倍，通過(guò)輸出電壓波形和THD值(如圖6所示)看出，輸出信號(hào)也產(chǎn)生大量的諧波，僅次于雙向失真。

圖6 交越失真

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合Multisim仿真的進(jìn)一步研究，可以發(fā)現(xiàn)：失真分為線性失真與非線性失真。輸入電壓經(jīng)過(guò)隔直流電容、射極旁路電容、結(jié)電容和各種寄生電容等線性元件會(huì)產(chǎn)生線性失真，使得它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)所產(chǎn)生的增益及相移是不同的。而非線性失真是因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化產(chǎn)生的，且都會(huì)使晶體管放大倍數(shù)減小，讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重偏差，得不到預(yù)想的結(jié)果，浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)成本。本次研究通過(guò)針對(duì)非線性失真的產(chǎn)生和影響進(jìn)行分析，更深入地了解到不同的失真現(xiàn)象和失真對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選型上注意本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)效率。