实验六、R_b、R_c和晶体管的参数对放大电路静态和动态参数的影响

一、题目

$R_b$、$R_c$ 和晶体管参数变化对 $Q$点、${\dot{A}}_u$、$R_i$、$R_o$ 和$U_{om}$的影响。

二、仿真电路

仿真电路如图1所示。为了便于设置和修改电路参数，以研究参数对性能的影响，全部元件均采用了虚拟元件。

$$图1仿真电路$$图中 $Q1$ 为虚拟的NPN管，位置如图2所示。XFG1为函数发生器，作为放大电路的信号源。万用表XMM1和XMM2分别测量晶体管的静态基极 $I_{BQ}$ 和集电极电流 $I_{CQ}$。XMM3测量晶体管的静态管压降 $U_{CEQ}$。XSC1是双踪示波器，用于测量输入电压和输出电压的幅值、频率（周期）和相位关系，从中可得到电压放大倍数。
$$图2虚拟\text{NPN}管的位置$$
应当特别指出的是，至于在仿真环境下才采用串联电流表的方法测量电流。在用常用电子仪器实际测量时，为避免干扰，应当注意测量仪器与测试电路需“共地”，因此是通过测量电位和简单计算来获得电流的。

三、仿真内容

（1）函数发生器给放大电路的是频率为1 kHz、峰值1 mV 的电压信号 $U_{smax}$。利用仪器仪表可测得 $I_{BQ}$、$I_{CQ}$、$U_{CEQ}$、输入电压峰值 $U_{imax}$、空载输出电压峰值 $U_{oomax}$ 和带5 kΩ 负载时的输出电压峰值 $U_{omax}$，可通过下列算式得到 ${\dot{A}}_u$、$R_i$、和$R_o$。$${\dot{A}}_u=\frac{U_{omax}}{U_{imax}}，R_i=\frac{U_{imax}}{U_{smax}-U_{imax}}\cdot R_s，R_o=(\frac{U_{oomax}}{U_{omax}}-1)\cdot R_L$$虚拟NPN管的参数修改如图3所示，双击 $Q1$ 即可弹出对话框。其中参数 BF 即为 $\beta$，RB 即为 $r_{b{b}^{\prime }}$。
$$(a)修改\text{BJT\_NPN}的参数$$$$(b)\beta 的位置$$$$(c)r_{b{b}^{\prime }}的位置$$$$图3修改虚拟\text{NPN}的参数$$当 $R_c=5\text{k}\Omega$、$\beta =80$、$r_{b{b}^{\prime }}=100\Omega$时，$R_b$ 变化所产生的影响如表1所示。当 $R_b=510\text{k}\Omega$、$\beta =80$、$r_{b{b}^{\prime }}=100\Omega$时，$R_c$ 变化所产生的影响如表2所示。当 $R_b=510\text{k}\Omega$、$R_c=5\text{k}\Omega$时，$\beta$ 和 $r_{b{b}^{\prime }}$ 变化所产生的影响。$$表1R_b变化$$

$R_b$/kΩ	$I_{BQ}$/μA	$I_{CQ}$/mA	$U_{CEQ}$/V	$U_{imax}$/mV	$U_{omax}$/mV	$U_{oomax}$/mV	${\dot{A}}_u$	$R_i$/kΩ	$R_o$/kΩ
510	27.848	2.228	3.861	0.336487	-65.552	-130.723	-195	1.01	4.97
600	23.678	1.894	5.529	0.369230	-62.088	-124.194	-168	1.17	5.00
700	20.302	1.624	6.879	0.402953	-58.818	-117.546	-146	1.35	4.99

$$表2R_c变化$$

$R_c$/kΩ	$I_{BQ}$/μA	$I_{CQ}$/mA	$U_{CEQ}$/V	$U_{imax}$/mV	$U_{omax}$/mV	$U_{oomax}$/mV	${\dot{A}}_u$	$R_i$/kΩ	$R_o$/kΩ
5	27.848	2.228	3.861	0.335798	-65.420	-130.858	-195	1.01	5.00
4	27.848	2.228	6.089	0.335455	-58.091	-104.686	-173	1.01	4.01
3	27.848	2.228	8.317	0.335454	-49.013	-78.515	-146	1.01	3.01

$$表3\beta 、r_{b{b}^{\prime }}变化$$

$\beta$	$r_{b{b}^{\prime }}$/Ω	$I_{BQ}$/μA	$I_{CQ}$/mA	$U_{CEQ}$/V	$U_{imax}$/mV	$U_{omax}$/mV	$U_{oomax}$/mV	${\dot{A}}_u$	$R_i$/kΩ	$R_o$/kΩ
80	100	27.848	2.228	3.861	0.335798	-65.420	-130.858	-195	1.01	5.00
80	200	27.842	2.227	3.863	0.357125	-63.381	-126.523	-177	1.11	4.98
60	100	27.862	1.672	6.641	0.335082	-48.980	-98.159	-146	1.01	5.02

（2）通过Multisim中的“参数扫描分析”也可分析 $R_b$、$R_c$ 变化对 $Q$ 点的影响。图4(a)为 $R_b$ 从500 ~ 800 kΩ中五个不同取值情况下的 $U_{BEQ}$ 和 $U_{CEQ}$ 的变化情况。图4(b)为 $R_c$ 从3 ~ 5 kΩ中十个不同取值情况下 $U_{CEQ}$ 的变化情况。

$$(a)R_b变化对U_{BEQ}即V(3)和U_{CEQ}即V(4)的影响$$$$(b)R_c变化对U_{CEQ}的影响$$$$图4R_b和R_c变化对Q点的影响$$

（3）利用Multisim中的虚拟仪器“失真度分析仪”（Distortion Analyzer）辅助测试最大不失真输出电压。
对于实际电路，由于放大管特性的非线性，很少能看到输出电压“平顶”或“平底”的失真情况。通常，若从示波器观察到了失真，则失真情况已非常严重了。因此，可借助失真度分析仪对最大不失真输出电压进行科学的测试。具体做法是：在用户指定的基准频率下设定总谐波失真度的百分比（如 5%），在放大电路输出电压失真度为设定值时用示波器测得输入电压峰值，就是该放大电路的最大不失真输出电压峰值。测试电路如图5所示。其中失真度分析参数设置的为总谐波失真（THD）、基准频率为1 kHz，即输入电压频率。
$$图5测量最大不失真输出电压电路$$
设定失真度为 5%，不同参数下的最大不失真输出电压如表4所示。也可以使用交流电压表直接测量最大不失真输出电压的有效值。$$表4最大不失真输出电压$$

序号	$R_b$/kΩ	$R_c$/kΩ	$\beta$	$r_{b{b}^{\prime }}$/Ω	$U_i$/mV	失真度/%	$+U_{omax}$/V	$-U_{omax}$/V
1	510	5	80	100	50	5.000	3.040	-3.362
2	600	5	80	100	41	4.981	2.374	-2.624
3	510	4	80	100	50	5.000	2.702	-2.989
4	510	5	80	200	53	5.007	3.115	-3.446
5	510	5	60	100	50	4.996	2.280	-2.522

四、结论

（1）由仿真内容的（1）（2）的结果可知：
① 当 $R_b$ 增大时，$I_{BQ}$ 减小、$I_{CQ}$ 减小、$U_{CEQ}$ 增大，$|{\dot{A}}_u|$ 减小、$R_i$ 增大。
② 当 $R_c$ 减小时，$I_{BQ}$ 不变、$I_{CQ}$ 基本不变、$U_{CEQ}$ 增大，$|{\dot{A}}_u|$ 减小、$R_i$ 基本不变、$R_o$ 减小。
③ 当 $r_{b{b}^{\prime }}$ 增大时，$|{\dot{A}}_u|$ 减小、$R_i$ 增大。当 $\beta$ 减小时，$|{\dot{A}}_u|$ 减小、$R_i$ 变化不大。
上述结论与理论分析基本相同。
（2）有仿真内容的（3）结果可知：
① $R_b$ 增大时，$U_{omax}$ 减小。
② $R_c$ 减小时，$U_{omax}$ 减小。
③ $r_{b{b}^{\prime }}$ 增大时，$U_{omax}$ 增大。
④ $\beta$ 减小时，$U_{omax}$ 减小。