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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