静态工作点稳定电路仿真分析报告.docx

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静态工作点稳定电路仿真分析报告

xx理工大学xx学院

专业课程设计报告

题目：

静态工作点稳定电路仿真分析

专业：

电气工程及其自动化

班级：

14电气三班

姓名：

刘德员

学号:

201430884035

同组队员：

庄阳，沈李，黄金金，陈区，胡源

指导教师：

王萍

日期：

2014年7月9日

一、设计目的

为了熟悉模拟电子技术基础课程，从整个过程中学习到更加贴近实践的知识，巩固我们理论方面的理解，学习Orcad仿真软件的使用，实现题目所要求的仿真效果，了解实际电路频率特性的测量方法，因此对静态工作点稳定电路进行仿真分析。

二、设计要求

第一部分：

电路如图

（1）所示，结合必要的理论分析和相关计算，用仿真软件研究下列问题：

（1）确定一组电路参数，使电路的Q点合适。

（2）若输出底部失真，则可采取哪些措施？

若输出电压波形顶部失真，则可采取哪些措施？

若同时出现顶部和底部失真呢？

调整Q点约在交流负载线的中点。

（3）要想提高电路的电压放大能力，可采用哪些措施。

图

（1）

第二部分：

利用软件研究图

（2）所示电路的频率响应。

（1）设C1=C2=10uF,分别测试它们所确定的下限频率。

（2）C1=C2=10uF时电路的频率响应及C1，C2取值对低频特性的影响。

（3）放大管的集电极静态电流对上限频率的影响。

图（7）

三、设计内容

3.1静态工作点稳定电路仿真分析

3.1.1.题目分析

（1）确定一组电路参数，使电路的Q点合适：

自己选定一组电阻、电容等器件的参数，通过观察仿真软件的输出波形，判定是否可以得到一组合适的静态工作点。

（2）若输出底部失真，则可采取哪些措施？

若输出电压波形顶部失真，则可采取哪些措施？

若同时出现顶部和底部失真呢？

答：

出现底部失真说明晶体管产生饱和失真，即Q点过高，只要适当把Q点降低就可以解决该问题。

出现顶部是真，说明晶体管产生截止失真，即Q点过低，只要适当把Q点升高就可以解决该问题。

如果出现底部和顶部同时失真，就要把最大不失真输出电压的峰值适当减低，从而达到目的。

（3）要想提高电路的电压放大能力，可采用哪些措施：

①选用高倍数晶体管；②提高输出阻抗；③提高电源电压；④采用多级复合。

3.1.2.整体构思

先用课本的理论知识根据自己设定的参数分析电路的Q点，分析某一个量对Q点的影响，然后在仿真软件上验证是否正确。

同理对其他的量也进行一样的验证步骤。

分析一些参数对波形失真与否的影响，确定解决失真问题中要改变的一些变量，从而得到解决失真中具体问题的方法。

如果要知道其放大能力，就要使得放大倍数增大，输出电阻大的话，输出电压也会相应的变大，根据放大倍数的公式AU=U0/Ui。

当，U0变大的时，AU也会相应的变大，其放大能力也就提高了。

3.1.3具体实现

①确定合适的Q点：

任意给定一组参数。

在Orcad软件上，得出的Q点的值，判断出是截止失真还是饱和失真，在根据两种失真的解决方法，依次尝试，得出最后的在放大区域内的输出波形（没有失真情况下），也即其中一个适合的Q点。

适合的Q点参数如下图所示。

图

（2）

得出的输出波形仿真图如下。

图3

②根据“①”步骤中可以得到一些截止失真和饱和失真的波形图，它们的参数分别是：

a．顶部失真：

Rb2=10k。

其他参数跟图

（2）的参数一样。

得出的波形图如下

图4

解决方法：

（如果把Rb2增大到15k，就等效于把基极电源增大，从而达到了解决顶部失真的目的，就可以得到上面的图3的波形图了）

b.底部失真：

Rb1=5k。

其他的参数跟图

（2）的参数一样得出的波形图如下：

图5

解决方法：

如果把Rb1的值增大到12k，也即等效的减少了IBQ的大小，从而达到解决底部失真的目的，也就可以的上面图3的波形图。

C．同时出现底部和顶部失真：

RL=2.3k，其他参数与图

（2）一样，这样就出现了底部和顶部同时失真的输出波形仿真图如下

图6

解决方法：

如果把RL=5.1k，也即增大了交流负载线的斜率，使得输出最大不失真电压峰值变大，此时的波形图如图3所示。

3.1.4定性说明以及定量计算

3.1.4.1确定合适Q点的定量计算：

由图1可得近似计算方法：

        ，

        若采用戴维南等效，则有：

        其中：

    ，

        可见，只有在电阻Re和Rb1、Rb2是同一数量级时才可以简单采用估算方法。

如果Re比Rb1、Rb2小得多，则只能采用戴维南等效方法进行计算。

3.1.4.2底部失真，顶部失真和同时底部、顶部失真的定性分析：

顶部失真可以适当提高静态工作点Q，只有将基极电压增大，就可以以实现将Q点降低。

如果是底部失真，就要适当降低Q点，为此，可以增大基极电阻，以减少基极静态电流IBQ，从而减小集电极静态电流ICQ；也可以减少集电极电阻以改变负载斜率，从而增大UCEQ，或者变换一直β较小的管子，以便在同样的IBQ情况下减小ICQ。

若同时出现顶部和底部失真呢？

调整Q点约在交流负载线的中点（根据交流负载线的斜率=【-1/（Rc//RL）】，所以如果是底部和底部同时失真的话，说明交流负载线的斜率比较小，为了不出现这种情况，可以增大其斜率，则只能够增大RL。

由于RC不变，所以不影响到直流负载线的斜率，波形的幅值就会变大。

达到目的）。

3.1.4.3提高电压放大能力的定性分析和定量计算：

为使问题简单起见，设电路某一参数变化时其余参数不变。

在晶体管的h参数等效电路中：

（1）

 图1所示电路的电压放大倍数为：

（2）

其中：

单从式

（2）看，可以通过增大β、RC、RL和减小rbe来增大|AU|，这些方法是否合理且行之有效呢？

（1）RL是由负载本身决定的，通常不能改变。

（2）增大RC虽可使AU增大。

但必须考虑到，一方面由于输出电阻为，增大，就是增大，从而使电路带负载能力减弱；另一方面，当远远大于时，，所以增大对提高电压放大能力的影响不大，而且增大会使静态管压降减小，从而可能引起放大电路产生饱和失真。

（3）若且，根据式

（1）可得

        （3）

  于是式

（2）可改写为

（4）

        式（4）表明，通过更换管子来增大对影响不大。

换言之，在相同的情况下，大的管子也大，只有在不满足式（3）时增大才是有效的方法。

同时应注意，增大会使增大，从而使Q点沿直流负载线上移，易产生饱和失真。

（4）减小使增大，随之增大，必然减小，根据式

（2）可知，一定增大。

从对各种组态的放大电路分析可知，电压放大倍数与有关，所以对单管放大电路而言，减小是增大的行之有效的方法。

但是由于输入电阻，减小和将使减小，从而增大从信号源汲取的电流；而且减小会使Q点沿直流负载线上移，易产生饱和失真。

        综上所述，各种方法中，减小即增大是提高图1所示放大电路电压放大能力的最有效的方法。

当然，的减小必须适当。

可见，无论采用何种方法均不能顾此失彼，应当充分考虑它们对Q点的影响，以及由于Q点变化对输入电阻和输出电阻等的影响。

上述分析也说明，不能将电子电路中的表达式看成为单纯的数学公式，电子电路是非线性电路，各种参数均与静态工作点有关。

我们应对照电路深入理解式中各参量的物理意义及其相互关系。

3.2电路的频率响应的仿真分析

3.2.1题目分析

（1）设C1=C2=10uF,分别测试它们所确定的下限频率：

先自己选定输入直流电源和输入交流电源的参数，晶体管选用高频小信号晶体管ＺＴＸ３２５,通过观察仿真软件的输出波形，和静态工作点数值的分析，判定是否可以得到一组合适的静态工作点。

此后开始进行下限频率的求取。

对于C1所确定的下限频率，可令C2=500uF，使得C2对放大电路下限频率几乎无影响。

同理，对于Ｃ２确定的下限频率，也可令C1=500uF。

用仿真软件，得出电路放大倍数AUS的波特图，在波特图中可以找出中频带的峰值，峰值的0.707倍的值所对应的频率则是其下限频率fL。

这样就求出了两个对应的下限频率。

（2）C1=C2=10uF时电路的频率响应及C1，C2取值对低频特性的影响：

①对于C1=C2=10uF时候对应的频率响应可以通过仿真软件，对于其放大倍数AUs取dB值就可以了，也即在确定输出波形时候选定的量纲为dB（AUs），此时得到的图像就是该电路在C1=C2=10uF条件下的频率响应。

②对于C1，C2的取值对其低频段的特性的影响，我们可以分别对C1与C2取不同的值，观察其变化，则可以得出其变化的规律。

从而得出最后结论。

（3）放大管的集电极静态电流对上限频率的影响：

改变放大管的集电极的静态电流，也即改变基极的电流，前提是要保晶体管工作在放大区域内，方可进行下面的步骤：

观察其上限频率的变化，得出结论。

3.2.2整体构思

先实现第一小题的仿真分析，在其中得出下限频率之后，再做第二小题，再实现第三小题的仿真分析，这三个小题主要注意的就是静态工作点，一定要保证晶体管工作在放大区域内，保证实验的顺利进行。

3.2.3具体实现

（1）求下限频率。

如图（7）——上面。

令C1=10uF，C2=500uF，其它值不变，则可得到的AUS的波特图中，标志其峰值是105.883，再由105.883×0.707=74.859所对应的频率，通过在仿真图上移动校准线，得到的对应的频率值则为下限频率的值，具体可以从图（8）观察得出，C1确定的下限频率fL=2.4705Hz

图8

对于C2确定的下限频率，令C1=500uF，C2=10uF，跟

（1）中同样的步骤可以得到相应的下限频率fL=490.019mHz。

如图（9）

图9

（2）①频率响应仿真图:

令C1=C2=10uF，其它参数与图（7）一样。

在仿

真过程中，选定输出量纲为dB（AUs），得到的频率响应仿真图（10）

图10

②C1、C2对低频特性的影响：

表1

C1=10uF;C2=5uF（图11），fL=3.561Hz

C1=10uF;C2=30uF（图12）,fL=2.538Hz

C1=5uF;C2=10uF（图13）,fL=5.223Hz

C1=30uF;C2=10uF（图14），fL=1.391Hz

图11

图12

图13

图14

结论:

由图10、图11、图12、图13、图14的下限频率数值对比可知，当

C1不变，C2减小的时候，低频带会变宽，反之变窄；当C2不变的时

候，C1减小的时候，低频带会变宽，反之则变窄。

（3）、放大管的集电极静态电流对上限频率的影响：

通过改变基极电阻Rb，可以改变基极电流，从而达到改变集电极电流的目的，在用仿真软件orcad作出其放大倍数的波特图，观察其上限频率的变化。

具体参数的设定如下表所示。

表2

Rb=620k，fH=6.8348MHz，如图（10）

Rb=750k，fH=6.1612MHz，如图（15）

Rb=500k，fH=10.533MHz，如图（16）

图15

图16

结论：

如表2数据所示，当Rb增大的时候，集电极电流减小，此时上限频

上限频率fH减小。

当Rb减小的时候，集电极电流增大，此时上限

频率fH增大。

四、仿真设计过程中遇到的问题及排除措施

1、在整个仿真过程中，有些参数设置过大的问题。

我们可以根据公式分析，得出一个大概的值，从而在仿真软件上设定出来，再观察其输出波形的变化，观察静态工作点的一些参数，从而对自己的分析的一个很好的验证，也为我们下一步参数的设定提供了一个很好的参