共射/共源放大电路的仿真实验

共射/共源放大电路的仿真实验

  对于单管放大电路,我们可以通过图解法和等效电路分析法分析电路;也可以分成静态和动态两个方面来分析电路。分析电路涉及到的问,一般包括电路组成、静态工作点稳定、放大电路的性能指标、元件选择等等。下面借助于Multisim14 仿真软件,来研究单管放大电路的特性。

1.共射放大电路的仿真模拟

      实验器材:

       ①BJT 2N3904;

       ②20kΩ,62kΩ,3kΩ,1kΩ,1.5kΩ的电阻各一个,3kΩ的电阻两个;

       ③10uF电容两个,50uF电容一个;

       ④双踪示波器;

       ⑤电流表一个;

       ⑥电压表一个;

       ⑦20mVrms 10kHz正弦交流源一个。

共射放大电路电路图如图1-1所示。

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                   图 1-1

(1)共射放大电路主要性能指标

      ①静态参数测试:  = 6.643V;BJT集电极电流  = 1.853mA。

       ②主要性能指标:

       示波器图像如图1-1(1)所示,用Channel A(红色)在T1和T2处的读数分别为输入信号的负向和正向峰值,Channel B(蓝色)在T1和T2处的读数分别为输出信号的负向和正向峰值,AuL就是输出信号与输入信号峰值的比值,于是有:

                  输出电压峰值 = 1.897V

                  输入电压峰值 = 19.2075mV

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               图1-1(1)

AuL = -3.794/38.415 * 1000 ≈ -98.69

(2)输出端电阻(RL)对放大性能的影响

当RL->∞时,即放大电路输出端处于空载状态。测得示波器波形如图1-2(1)。

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               图1-2(1)

算得:Au ≈ -190.24

由此可得出结论:

       可见,当负载电阻RL 与集电极负载电阻Rc 相等时,负载后放大倍数约下降了一半,说明共射放大电路的负载能力不强。这是由于共射放大电路的输出电阻较大造成的。放大电路的负载电阻大小极易影响放大电路的性能。在示波器上还可以看出,输入信号的正向峰值对应输出信号的负向峰值,说明在中频段共射放大电路输入与输出信号的极性相反,相位差为180°。

(3)输入端电阻(Rs)对放大性能的影响

当Rs = 200Ω时,数据如图1-3(1)所示。

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                图1-3(1)

同理可得:Au‘ =-8.150/45.451*1000 ≈ -179.3

       若信号源内阻RS 减小到200Ω,放大电路的输入信号ui 和输出信号uo 的幅度会增大;若RS 增加到10kΩ(图略),ui和uo 的幅度将下降很多,说明共射放大电路对电压信号的获取能力不强。这是由于其输入电阻(也就是rbe)不高造成的。将共射放大电路看成输入端的一个电阻Ri则更容易理解,输入的电阻为Ri对电源Us的分压,Rs越大共射放大电路的输入端分压越小,则放大的性能降低。Rs降低,则Ri共射放大电路电路输入端分压更多,于是也就放大的更多。

(4)频率响应分析

数据如图1-4(1)所示。

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                                       图1-4(1)

图1-4(1)为共射放大电路AC Analysis交流小信号分析。对Uo进行扫描分析的结果如下:移动光标测量纵坐标的最大值为68.452,再将T1 和T2 分别向低频和高频方向移动到纵坐标约为0.707 AUM(≈48.3691)处,分别测得下限截止频率为161.8386Hz 和上限截止频率为1.0511 MHz。可见,共射放大电路的上限截止频率不高。应用有局限性。这其实也是阻容耦合放大电路的共同缺点。

(5)共射放大电路温度扫描分析

Q 点温度稳定性分析:图1-5(1)为共基放大电路的温度扫描分析。温度变化范围设置在0℃~ 100℃。对三极管静态集电极电流IC 进行扫描。移动光标T1 到0℃,T2 到100℃位置,从弹出的光标窗口可以读出温度变化100℃时集电极电流的变化量:dX =100℃时,dY = 160.4640μA。

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                  图1-5(1)

由此可以看出,由于温度升高而引起的Q点变化几乎可以忽略不计(电流随温度变化率一直在10^(-3)次方数量级)。电阻RB2起到了稳定Q点的作用,使共射放大电路基本不可能因温度变化而发生截止失真或饱和失真。

 

2.共源放大电路的仿真模拟

实验器材:

              ①JEFT 2N4858;

              ②1kΩ电阻一个,3kΩ电阻两个,10MΩ电阻一个,10kΩ电阻一个;

              ③10uF电容两个;

              ④双踪示波器;

              ⑤电流表一个;

              ⑥电压表三个;

              ⑦1Vrms 10kHz正弦交流源一个。

       仿真电路图如图2-1所示。

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                   图2-1

(1)共源放大电路主要性能指标

      ①静态参数测试:

    UGS1 = -1.978V,UDS1 = 4.089V,

    U01 = 0.372V,ID1 = 1.319mA

       ②主要性能指标:

       示波器图像如图2-1(1)所示,用Channel A(红色)在T1和T2处的读数分别为输入信号的负向和正向峰值,Channel B(蓝色)在T1和T2处的读数分别为输出信号的负向和正向峰值,AuL就是输出信号与输入信号峰值的比值,于是有:

               输出电压峰值 = 0.517V

               输入电压峰值 = 27.754mV

计算的Au = -18.628

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              图2-1(1)

通过对比,可以发现共源放大电路的放大倍数比共射要小很多。

(2)输出端电阻(RL)对放大性能的影响

当RL = 10kΩ时,即放大电路输出端开关A闭合。测得示波器波形如图2-2(1)。

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                图2-2(1)

算出:AuL = -1.033/55.509 * 1000 ≈ -18.610

可以看出,负载电阻的大小对共源放大电路的影响微乎其微。共源放大电路有电压放大能力;输出电压与输入电压的相位相反;输出电阻较高。但共源极放大电路的电压放大能力通常低于共射极放大电路。

(3)输入端电阻(Rs)对放大性能的影响

Rs = 3kΩ时,如图2-3(1):

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              图2-3(1)

Rs = 10kΩ时,如图2-3(2):

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                图2-3(2)

即使Rs变化了100倍,共源放大电路的放大倍数变化也不大,没有出现像共射放大电路那样近乎放大倍数折半的情况。其实道理非常简单,我们可以拿共射放大电路做类比:Ri的值非常大,Rs <

(4)频率响应分析

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                    图2-4(1)

图2-4(1)为共源放大电路AC Analysis交流小信号分析。对Uo进行扫描分析的结果如下:移动光标测量纵坐标的最大值(即输出电压幅值为39.8m)处,再将T1 和T2 分别向低频和高频方向移动到纵坐标约为0.707 幅值(≈28.1m)处,分别测得下限截止频率为2.96Hz 和上限截止频率为8.541 MHz。可见,共源放大电路的上限截止非常高,同时下限也低。应用比共射放大电路广泛。

(5)共源放大电路温度扫描分析

Q 点温度稳定性分析:图2-5(1)为共源放大电路的温度扫描分析。温度变化范围设置在0℃~ 100℃。对三极管静态集电极电流IC 进行扫描。移动光标T1 到0℃,T2 到100℃位置,从弹出的光标窗口可以读出温度变化100℃时集电极电流的变化量:dX =100℃时,dY = 95.8345u A。

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                  图2-5(1)

由此可以看出,由于温度升高而引起的Q点变化几乎可以忽略不计(电流随温度变化率一直在10^(-5)次方数量级)。JEFT本身良好的特性使温度升高时静态工作点几乎不变,使共源放大电路基本不可能因温度变化而发生截止失真或饱和失真。

场效应管共源放大电路的优缺点有:

优点:(1)输入电阻大。用普通三极管做成放大电路,共射电路的输入电阻约几KΩ,(我们一般称之为10^3级),共集电极电路的输入电阻也只能做到几十K欧到一百多K欧(10^5级),而使用结型场效应管(JFET)就可做到输入电阻10^6级,使用MOS管能做到10^8级以上。(2)温度稳定性好,由于场效应管里没有漂移电流,基本不受温度变化的影响。

缺点:(1)放大倍数小,一级放大只能做到几倍(可能不到10倍),(2)输入端由于静电感应容易产生击穿。

小结

       场效应管共源极放大电路分别与三极管共射极放大电路相对应,但比三极管放大电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小。共源电路与共射电路均有电压放大作用,而且输出电压与输入电压相位相反。因此,这两种放大电路可统称为反相电压放大器。

       场效应管放大电路最突出的优点是,共源电路的输入电阻高于相应的共射电路的输入电阻。此外,场效应管还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于三极管的特点,而且便于集成。必须指出,由于场效应管的低频跨导一般比较小,所以场效应管的放大能力比三极管差,如共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益。在实际应用中,我们更多的选择FET管。

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