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文檔簡介
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倍時的頻率)、特征頻率fT(下降到l時所對應(yīng)的頻率
2、)、最高振蕩頻率fmax(功率增益為1時所對應(yīng)的頻率)。3、電路電路說明如下: (1)該實(shí)驗(yàn)采用的晶體管型號為BF374,多用于電視機(jī)的中放級,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、R3兩個小電阻取得電流ib、ic,。 圖1.2-1 基本共射電路信號源的設(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小信號分析”,(操作步驟:Simulate-setup-Ac small signal analysis,然后在Browse SimData選項卡中點(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處測出低頻時的值,約120;計算低頻時的值的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、率與輸入信號功率相比得出交流功率增益。ii) 設(shè)置“AC小信號分析”初始值為1、終止值為600MHz;同時用“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(低于0.5MHz時),這種現(xiàn)象尤為明顯,對于本電路所設(shè)置的信號頻率(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) 去掉輸入信號源,但保留該信號源的阻抗(即以160電阻取代
8、原信號源)。ii) 將負(fù)載電阻去掉,換上新的信號源Vi(相當(dāng)于后級的輸入)。iii) 用“AC小信號分析”顯示有效信號列表中的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(低于0.5MHz時),這種現(xiàn)象尤為明顯。對于本電路所設(shè)置的信號頻率(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)作用同時作用20pF395375262225結(jié)論:在高頻使用時,結(jié)電容對電路的影響之一是使特征頻率降低;在各個結(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時的值約為0.994,下降0.707倍時對應(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電路采用型號為“2N2222”的晶體管時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,可通過減小回路(LC)比值來提高Q值,因?yàn)椤D1.3-1: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)時須使LC回路處于諧振狀態(tài)。當(dāng)電感組成互感時,通過菜單Place-Text Frame輸入電感耦合參數(shù),這一個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小信號分析”,得到圖1.3-4所示。圖1.3-3: “AC小信號分析”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,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,通頻帶變窄、Q值
15、變大。在阻值較小時,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,電路處于臨界耦合狀
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