模电仿真晶体管共射放大电路的失真分析.docx
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模电仿真晶体管共射放大电路的失真分析
晶体管共射放大电路的失真分析
一、设计目的
1.总结Q点设置原则。
2.总结截止失真和饱和失真可能发生的场合以及可以使用的调节手段。
3.总结带载后对电路输出电压造成的影响。
二、设计要求及内容
1.电路图如下图1所示,调节Rb的值,使得UCEQ=6V,计算最大不失真输出电压Uom的理论值,并和仿真结果加以对比。
图1
调节Rb的值,使得UCEQ=6V,如下图2,这时Rb的值为560.4KΩ。
图2
图解法:
当小信号幅值增大到5.23mV时,总谐波失真约为5%。
这时输出波形发生饱和失真,如下图:
继续增大小信号到20mV时,输出波形发生饱和失真,如下图:
这时输出电压波形底部峰值为3.588V,所以最大不失真电压为Uom=3.588/√2=2.54V。
仿真结果与理论分析结果有较大的误差。
2.元件和参数如下图设置,请完成:
(1)空载时电路会发生什么失真?
请做图解法的理论分析,并用仿真验证。
(2)若电路带载(S1闭合),该失真会消除吗?
输出电压会怎样变化?
请做图解法从负载线变化的角度做理论分析,并用仿真验证。
(3)如何消除此失真,请做图解法理论分析,并用仿真验证。
图解法:
理论上分析其直流工作点,由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ,ICQ=βIBQ,三式联立解得,UCEQ=10.87V,IBQ=3.77uA,ICQ=377uA
则当开关断开时,理论上应该是先发生顶部失真,即截止失真。
(1)开关断开时,Q点如下:
开关闭合时,Q点如下:
由以上的图可知,闭合开关,带载后对直流工作点没有影响。
空载时输出波形如下:
由上图可知空载时电路会发生截止失真。
(2)电路带载(开关闭合)后,截止失真不会消除,输出电压幅值减半。
图解法:
从理论上分析,带载后由于交流负载线变化,在横轴上的截距变成:
UCEQ+ICQ*(R1//R2)=10.86+0.57=11.43V,输出波形上半部分还是不能完全在放大区,所以理论上不可能消除截止失真。
电压输出波形如下图,由下图可知电路带载(开关闭合)后截止失真并没有消除,输出电压幅值减半。
(3)要消除截止失真,可以增加一个射极电阻Re,从而增大晶体管基极电压,使Q点上升。
图解法:
从理论上分析,要消除截止失真,只需把Q点升高即可。
而要升高Q点,我们可以通过增大晶体管基极电压来增大基极电流。
为了增大基极与射极的压降,在射极支路上加一个电阻。
增加电阻Re→UBE↑→IB↑→IC↑。
电压输出波形如下图:
由上图可知输出波形上下近似对称,截止失真程度变小,说明增加射极电阻Re可以消除截止失真。
3.元件和参数如下图设置,请完成:
(1)空载时电路会发生什么失真?
请做图解法的理论分析,并用仿真验证。
(2)若电路带载(S1闭合),该失真会消除吗?
输出电压会怎样变化?
请做图解法从负载线变化的角度做理论分析,并用仿真验证。
(3)如何消除此失真,请做图解法理论分析,并用仿真验证。
(1)开关断开时,Q点如下
空载时电路会发生饱和失真。
图解法:
理论上分析其直流工作点,由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ,ICQ=βIBQ,三式联立解得,UCEQ=0.7V,IBQ=37.7uA,ICQ=3.77mA。
则当开关断开时,理论上应该是先发生底部失真,即饱和失真。
仿真结果输出电压波形如下图:
由上图可知空载时电路会发生饱和失真。
(2)电路带载后饱和失真有可能消除,输出电压幅值减半。
图解法:
电压输出波形如下图,由下图可知电路带载(开关闭合)后饱和失真程度减小,输出波形上下近似对称,所以饱和失真有可能消除。
输出电压幅值减半。
(3)要消除饱和失真,可以增大Rb的阻值,或者减小Rc的阻值。
图解法:
如下图所示,增大Rb的阻值:
增大Rb的阻值后输出波形如下图:
饱和失真程度减小,输出波形上下近似对称,所以增大Rb的阻值可以消除饱和失真。
如下图所示,减小Rc的阻值:
减小Rc的阻值后输出波形如下图:
饱和失真程度减小,输出波形上下近似对称,所以减小Rc的阻值可以消除饱和失真。
三、设计结果及分析
1.对于第1题,由理论分析可得:
UCEQ-UCES=6-0.7=5.3V 我们从仿真的结果可以看出,慢慢增大交流小信号,从示波器中观察到的输出波形先发生了底部失真,即饱和失真。 当交流小信号增大,现象更明显。 2. (1)理论上分析其直流工作点,由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ,ICQ=βIBQ,三式联立解得,UCEQ=10.87V,IBQ=3.77uA,ICQ=377uA 则当开关断开时,理论上应该是先发生顶部失真,即截止失真。 由示波器图形分析可以得到,是先发生截止失真。 当开关闭合时。 理论上对直流工作点未造成影响,由直流工作点分析得,仿真结果与理论结果一致。 (2)从理论上分析,带载后由于交流负载线变化,在横轴上的截距变成: UCEQ+ICQ*(R1//R2)=10.86+0.57=11.43V,输出波形上半部分还是不能完全在放大区,所以理论上不可能消除截止失真。 从示波器中可以看出,当开关闭合后的确无法消除截止失真。 (3)从理论上分析,要消除截止失真,只需把Q点升高即可。 而要升高Q点,我们可以通过增大晶体管基极电压来增大基极电流。 为了增大基极与射极的压降,在射极支路上加一个电阻。 增加电阻Re→UBE↑→IB↑→IC↑。 从示波器中我们可以看出,加了电阻Re后截止失真程度减小,所以通过增加射极电阻来消除截止失真的设想可行。 3. (1)理论上分析其直流工作点,由Vcc=IBQ*Rb+UBEQ,Vcc=ICQ*Rc+UCEQ,ICQ=βIBQ,三式联立解得,UCEQ=0.7V,IBQ=37.7uA,ICQ=3.77mA。 则当开关断开时,理论上应该是先发生底部失真,即饱和失真。 由示波器图形分析可以得到,是先发生饱和失真。 当开关闭合时。 理论上对直流工作点未造成影响,由直流工作点分析得,仿真结果与理论结果一致。 (2)从理论上分析,带载后由于交流负载线变陡,有可能消除了饱和失真。 从示波器中可以看出,当开关闭合后饱和失真程度减小,和分析一致。 (3)不带负载时,我们也可以通过减小Rc来使Q点右移,远离饱和区从而达到消除饱和失真。 也可以通过增大Rb来减小基极静态电流IBQ,从而降低ICQ,使Q点右移。 从示波器中输出波形可以看出,当增大Rb或减小Rc后饱和失真程度减小,和分析一致。 四、总结及感想 1.晶体管共射放大电路Q点应当尽量设置在放大区内负载线的中点,即其横坐标值为(Vcc+UCES)/2的位置。 2. (1)当Q点设置过低时,即UCEQ-UCES 若发生了截止失真,则可以通过增大基极电压来进行调节。 (2)当Q点设置过高时,即UCEQ-UCES>Vcc-UCEQ时,输出电压会首先发生饱和失真。 若发生了饱和失真,则可以通过以下几种方法进行调节: ①减小输出电阻Rc;②增大输入电阻Rb;③带负载。 (3)带载后会使电路的输出电压减小。
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