小信號(hào)單調(diào)諧放大器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

嚴(yán)小黑，張秀香

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左， 532200）

0 引言

通信電子電路是通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要介紹在通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備中所使用到的功能電路，該課程是模擬電路課程的延續(xù)，課程內(nèi)容較為抽象，難以理解。小信號(hào)單調(diào)諧放大器是接收設(shè)備中較常用的功能電路，也是學(xué)生學(xué)習(xí)這門課接觸到的第一個(gè)電路，學(xué)生對(duì)此電路理解的好壞程度將直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的信心。為課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能有效幫助學(xué)生理解電路，但傳統(tǒng)的基于硬件平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)存在以下問(wèn)題：一是學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)固定，不符合學(xué)生隨時(shí)隨地想開展實(shí)驗(yàn)的需求和愿望；二是基于集成電路的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路呈現(xiàn)不明顯，且可調(diào)器件和現(xiàn)象觀察受到硬件電路的限制。若能在基于硬件平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，再輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，則可在一定程度解決上述問(wèn)題。本文利用Multisim和LabVIEW兩款軟件的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)了小信號(hào)單調(diào)諧放大器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1 小信號(hào)單調(diào)諧放大器的工作原理及性能指標(biāo)

■1.1 工作原理

小信號(hào)單調(diào)諧放大器在接收設(shè)備中的功能是對(duì)輸入給它的小信號(hào)進(jìn)行放大并選出所需頻率的信號(hào)，其原理電路如圖1所示[1～2]。

圖1 小信號(hào)單調(diào)諧放大器原理電路

其工作原理是：R1、R2、R3為分壓式偏置電阻，它們?yōu)榫w管的各個(gè)電極分配合適的直流電壓，使得晶體管工作于放大狀態(tài)；C1為耦合電容、C2為旁路電容，均起著隔直通交的作用；晶體管為核心放大器件，能將輸入的小信號(hào)進(jìn)行放大；L和C組成并聯(lián)諧振回路，其能夠從信號(hào)中選出所需頻率的信號(hào)并用過(guò)耦合變壓器輸出給RL。LC并聯(lián)諧振回路能選頻的原因是對(duì)不同頻率的信號(hào)表現(xiàn)不同的阻抗，進(jìn)而輸出信號(hào)電壓不同，輸出信號(hào)電壓最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率，諧振頻率的計(jì)算式為：

輸出信號(hào)電壓隨信號(hào)頻率變化而變化的曲線稱為電路的諧振曲線或幅頻特性曲線，一般表現(xiàn)為圖2所示[3]。LC并聯(lián)諧振回路就是將諧振頻率附近一定頻率范圍的信號(hào)選出。

圖2 小信號(hào)單調(diào)諧放大器諧振曲線

■1.2 性能指標(biāo)

小信號(hào)單調(diào)諧放大器的性能包括放大性能和選頻性能。電路的放大性能主要由諧振電壓放大倍數(shù)衡量，即電路諧振時(shí)輸出信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓之比，可表示為：

電路的選頻性能主要包括品質(zhì)因數(shù)Q、通頻帶B、矩形系數(shù)K0.1。品質(zhì)因數(shù)為：

其反映諧振曲線的尖銳程度，Q值越大則曲線越尖銳，電路選擇性越好，但通頻帶越窄。通頻帶定義為隨著信號(hào)頻率變化，當(dāng)放大器的輸出電壓下降到諧振輸出電壓的0.707時(shí)所確定的頻帶寬度，可表示為：通頻帶不是越寬越好，也不是越窄越好，而是剛好等于

所需要選出信號(hào)頻率的帶寬為最佳，LC并聯(lián)諧振回路的通頻帶B與品質(zhì)因數(shù)Q之間有如下關(guān)系：

矩形系數(shù)K0.1定義為放大器的輸出電壓下降到諧振輸出電壓的0.1時(shí)，相應(yīng)的頻帶寬度與放大器通頻帶之比，可表示為：

其反映實(shí)際諧振曲線的距離理想諧振曲線的差距，理想諧振曲線的矩形系數(shù)為1，若矩形系數(shù)越接近于1，則越理想，越大于1，則越不理想。

2 Multisim實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

采用Multisim設(shè)計(jì)小信號(hào)單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路，如圖3所示。

圖3 Multisim小信號(hào)單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路

電路的輸入信號(hào)為壓控正弦波振蕩器，信號(hào)振幅為10mV，頻率受到控制電壓的控制。U1為壓控電阻，用于控制晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。U2為壓控電容，用于控制LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率。晶體管型號(hào)為2SC945。電路共設(shè)置7個(gè)LabVIEW協(xié)同仿真端口，用于和LabVIEW程序的聯(lián)動(dòng)，端口作用及對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表1。

表1 LabVIEW協(xié)同仿真端口作用及對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 LabVIEW前面板及程序設(shè)計(jì)

LabVIEW前面板如圖4所示，其包含3個(gè)區(qū)域，分別為實(shí)驗(yàn)電路區(qū)，輸入輸出波形顯示區(qū)和電路參數(shù)設(shè)置顯示區(qū)。電路可調(diào)整的參數(shù)有信號(hào)源頻率、偏置電阻U1和LC并聯(lián)諧振回路U2，可顯示的參數(shù)有晶體管的基極直流電壓Ubq和發(fā)射機(jī)直流電壓Ueq。

圖4 LabVIEW前面板

LabVIEW程序如圖5所示，主程序?yàn)榭丶c仿真循環(huán)，在其中調(diào)用小信號(hào)單調(diào)諧放大器Multisim Design VI。將電阻調(diào)節(jié)控件與可變電阻端口連接，電容調(diào)節(jié)控件與可變電容端口連接，頻率控件與輸入信號(hào)頻率端口連接，輸出信號(hào)波形圖表與輸出信號(hào)端口連接，輸出信號(hào)波形圖表與輸入信號(hào)端口連接，Ubq和Ueq顯示控件分別與對(duì)應(yīng)的端口連接。停止布爾控件用于控制主程序停止。

圖5 LabVIEW程序

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

■4.1 晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器放大性能的影響

設(shè)置輸入信號(hào)頻率為3MHz，并調(diào)諧可變電容，使得輸出信號(hào)幅度最大，此時(shí)電路諧振，對(duì)應(yīng)的電容值為88pF，與由諧振頻率公式計(jì)算出來(lái)的電容基本吻合。當(dāng)通過(guò)改變可變電阻值，改變晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，放大器的輸出信號(hào)幅度受到明顯影響，圖6給出了可變電阻U1分別為0.5kΩ、15kΩ、100kΩ對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)波形，當(dāng)U1為0.5kΩ和100kΩ時(shí)的輸出信號(hào)幅度明顯小于為15kΩ的輸出信號(hào)幅度。這是因?yàn)楫?dāng)U1為0.5kΩ時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)在輸出特性曲線放大區(qū)的位置偏高，使得其在交流工作時(shí)，有部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)，當(dāng)U1為100kΩ時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)在輸出特性曲線放大區(qū)的位置偏低，使得其在交流工作時(shí)，有部分時(shí)間進(jìn)入截止區(qū)，這兩種情況都會(huì)使得晶體管的電壓放大倍數(shù)有一定程度的降低。為使放大器有較好的放大性能，取可變電阻U1=15kΩ，此時(shí)輸出信號(hào)幅度Uom=0.513V，放大器的電壓放大倍數(shù)為：

圖6 不同可變電容值的輸出信號(hào)

■4.2 放大器幅頻特性曲線及選頻性能測(cè)量

改變輸入信號(hào)頻率，觀察輸出信號(hào)波形變化，并記錄相應(yīng)的幅度值，具體見表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以繪制出放大器的幅頻特性曲線，如圖7所示。根據(jù)通頻帶定義可以求得放大器的通頻帶為：

表2

根據(jù)品質(zhì)因數(shù)與通頻帶的關(guān)系，可計(jì)算出放大器的品質(zhì)因數(shù)為：

?

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的在線發(fā)布

LabVIEW Web發(fā)布工具可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布程序前面板圖像或HTML供計(jì)算機(jī)瀏覽和操作，如圖8所示。局域網(wǎng)用戶在瀏覽器地址欄中輸入圖8中的URL下的地址即可進(jìn)行訪問(wèn)，如果是Internet用戶則需要在地址欄中輸入格式為http://IP地址：端口/文件名.html 進(jìn)行訪問(wèn)，即把URL中的主機(jī)名替換為服務(wù)器的IP地址[4～5]。

6 結(jié)論

利用Multisim和LabVIEW兩款軟件的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)了小信號(hào)單調(diào)諧放大器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能觀察晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器放大性能的影響，能進(jìn)行放大器幅頻特性曲線及選頻性能測(cè)量，完成實(shí)驗(yàn)所要求的基本任務(wù)。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行Web發(fā)布，讓學(xué)生隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)，是傳統(tǒng)基于硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。