共射極放大電路電容參數(shù)對頻率特性的影響分析

張學(xué)文，司佑全

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

放大電路的頻率特性是放大電路特性的一個重要指標(biāo)，放大電路的通頻帶直接影響放大電路的實際應(yīng)用。圖1所示共射極放大電路是模擬電子技術(shù)中很重要的電路[1]。共射極放大電路在低頻區(qū)時，由于耦合電容、旁路電容的影響，其增益隨頻率的下降而下降；在高頻區(qū)，由于極間電容的影響，其增益隨頻率的增大而下降；在中頻區(qū)，極間電容、耦合電容、旁路電容都可以視為短路，故中頻區(qū)增益基本不隨頻率變化[2,3]。

圖1 共射極單管放大電路

在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降[4]。在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。改變輸入信號頻率，若輸出信號幅值下降到中頻電壓放大倍數(shù)的0.707時，相應(yīng)的低頻頻率和高頻頻率分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH，二者之差即為帶寬。

文[5～8]對影響頻率特性的因素進(jìn)行了定性分析，指出在低頻區(qū)影響放大電路頻率特性的主要因素是耦合電容和旁路電容，影響高頻特性的主要因素是放大管的極間電容。但關(guān)于這些因素對頻率特性的影響程度并沒有作進(jìn)一步的比較分析。

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的EDA工具軟件，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作，具有豐富的仿真分析能力[9～12]。利用Multisim13的參數(shù)掃描功能，可以方便地對電路參數(shù)的各影響因素進(jìn)行比較分析。參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)設(shè)置在一定范圍內(nèi)變化，以分析參數(shù)變化對電路性能的影響，相當(dāng)于對電路進(jìn)行多次不同參數(shù)的仿真分析，可以快速檢驗電路性能。通過設(shè)置參數(shù)變化的開始值、結(jié)束值、增量值和掃描方式，從而控制參數(shù)的變化。

選擇工具欄中的Simulate→Analysis→Parameter Sweep，打開設(shè)置窗口進(jìn)行仿真設(shè)置。Sweep parameter有三個選項：Device parameter、Model parameter、Circuit parameter(分析耦合電容和旁路電容時選擇Device parameter；分析三極管電容時選擇Model parameter)。設(shè)置掃描方式：從“Sweep Variation Type” 下拉列表中選擇掃描方式(Decade, Linear，Octave,List)選擇Linear，線性掃描；Analysis to sweep有五個選項：DC Operating Point(直流工作點分析)，AC Analysis(交流分析),Single Frequency AC Analysis(單一交流頻率分析),Transient Analysis(瞬態(tài)分析),Nested sweep, 選擇AC Analysis.分別在“Start”“Stop”“Number of Points”“Increment”,設(shè)置好掃描參數(shù)的起始值、終止值、掃描點數(shù)和增量值，點擊Edit Analysis按鈕，打開相應(yīng)分析對話框，編輯所選分析參數(shù)，其默認(rèn)頻率起點1Hz，終點10GHz.Output選項中選擇節(jié)點4電壓輸出，單擊Simulate進(jìn)行仿真。

1 耦合電容、旁路電容對頻率特性的影響

采用Multisim13仿真中的參數(shù)掃描分析，可以方便地觀測電容C1、C2、C3的變化對放大器頻率特性的影響。C1、C2從1μF到22μF取3個點，C3從1μF到100μF取4個點。

1.1 C1參數(shù)掃描時幅頻、相頻特性

1.2 C2參數(shù)掃描時幅頻、相頻特性

1.3 C3參數(shù)掃描時幅頻、相頻特性

圖2～4 C1～C3不同的掃描點的取值，通過移動光標(biāo)可以得到每個掃描點對應(yīng)的上、下限頻率和其對應(yīng)相位差，見表1.

圖2 C1參數(shù)掃描輸出信號交流分析

圖3 C2參數(shù)掃描輸出信號交流分析

圖4 C3參數(shù)掃描輸出信號交流分析

表1 C1、C2、C3與頻率特性關(guān)系

由表1，改變C1、C2、C3參數(shù)，對上限頻率沒有影響，對下限頻率有影響。C1、C2超過10μF之后下限頻率幾乎沒有變化。C1= C2=10μF，C3=100μF時下限頻率為66Hz.C3參數(shù)變化對下限頻率的影響大于C1、C2，旁路電容C3越大，下限頻率越低。要改善電路的低頻特性，應(yīng)適當(dāng)增大旁路電容C3的值。

參數(shù)掃描結(jié)果直觀地顯示了頻率響應(yīng)與電容C1、C2、C3的關(guān)系。根據(jù)其變化關(guān)系，可以選定最佳的電容值，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。

實驗中我們通常選取1kHz作為輸入信號的頻率，從圖1～圖3幅頻、相頻特性圖來看，10kHz作為中頻信號頻率比較合適。

2 三極管電容對放大電路頻率特性的影響

2.1 極間電容對頻率特性的影響

圖1中2SC1815模型的默認(rèn)值CJC=10.21pF,CJE=10.21pF，CJS=0pF.(由Multisim13中2SC1815已有模型參數(shù)查得)。分別對圖1中晶體管2SC1815模型參數(shù)中的集電結(jié)電容CJC、發(fā)射結(jié)電容CJE、襯底電容CJS進(jìn)行參數(shù)掃描分析，容值為:10pF～80pF，步距值均設(shè)置為35pF.

2.1.1 集電結(jié)電容對頻率特性的影響

2.1.2 發(fā)射結(jié)電容對頻率特性的影響

2.2 三極管襯底電容對頻率特性的影響

圖5～7 CJC、CJE、CJS不同的掃描點的取值，通過移動光標(biāo)可以得到每個掃描點對應(yīng)的上、下限頻率和其對應(yīng)相位差,見表2.

圖5 集電結(jié)電容CJC參數(shù)掃描分析

圖6 發(fā)射結(jié)電容CJE參數(shù)掃描分析

圖7 三極管襯底電容的CJS參數(shù)掃描分析

表2 集電結(jié)電容CJC、發(fā)射結(jié)電容CJE、襯底電容的CJS與頻率特性關(guān)系

由圖5～7及表2可知，改變?nèi)龢O管極間電容參數(shù)，對下限頻率沒有影響，對上限頻率有影響。極間電容越大，上限頻率越低?？梢娋w管的極間電容對放大電路高頻頻率特性的影響較為顯著。晶體管集電結(jié)電容參數(shù)CJC越大，高頻特性越差，集電結(jié)電容對電路的高頻特性起主要的影響作用，集電結(jié)電容越小，高頻特性越好。

三極管襯底電容、集電結(jié)電容對電路的高頻特性影響較大。電路中選擇極間電容值較小的三極管，上限頻率就會更高一些。除了考慮了三極管的極問電容影響，還要考慮三極管襯底電容的影響。

3 總結(jié)

影響共射放大電路下限截止頻率的主要因素是射極旁路電容，影響上限截止頻率主要是集電結(jié)電容和三極管襯底電容。

利用Multisim13仿真參數(shù)掃描分析方法對電路的頻率特性進(jìn)行仿真測試，選定測試參數(shù)，測量結(jié)果非常直觀、簡潔，同時可將仿真測量結(jié)果輸出到Excel中并對電路性能指標(biāo)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化電路設(shè)計。