互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真消除方法的仿真測(cè)試研究

蔣俊華, 侯衛(wèi)周

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院, 河南 開(kāi)封　475004)

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互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真消除方法的仿真測(cè)試研究

蔣俊華, 侯衛(wèi)周

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院, 河南 開(kāi)封475004)

利用NI Multisim12.0仿真軟件分別對(duì)基本互補(bǔ)電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)進(jìn)行了虛擬測(cè)試分析。當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí),測(cè)試出的靜態(tài)電壓值與理論計(jì)算結(jié)果相吻合,互補(bǔ)輸出電路實(shí)現(xiàn)了零輸入零輸出；當(dāng)輸入電壓取一定值時(shí),根據(jù)晶體管基極和發(fā)射極的動(dòng)態(tài)電位,以及輸入和輸出波形,進(jìn)一步驗(yàn)證了消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)的工作原理,得出互補(bǔ)輸出電路有很好的電壓跟隨特性,提升了理論課的教學(xué)效果。

互補(bǔ)輸出級(jí)； 交越失真； 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)于直接耦合放大電路的輸出級(jí),一般有兩個(gè)基本的要求:一是輸出電阻Ro要低,二是最大不失真輸出電壓Uom盡可能高[1]。根據(jù)基本放大電路中晶體管不同接法的特點(diǎn),共集電極能滿足前一個(gè)要求,但帶上負(fù)載后靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化,且輸出不失真電壓將會(huì)減小。為了能滿足上述兩個(gè)的要求,且做到輸入電壓為零時(shí)輸出電壓也為零,便產(chǎn)生了雙向跟隨的互補(bǔ)輸出級(jí)電路[2-3]。

1　互補(bǔ)輸出級(jí)電路消除交越失真的工作原理

不加任何保護(hù)措施的直接耦合互補(bǔ)輸出將產(chǎn)生交越失真現(xiàn)象,導(dǎo)致輸出電壓波形畸變。

1.1基本互補(bǔ)輸出電路

基本互補(bǔ)輸出電路(見(jiàn)圖1(a))中T1為NPN型晶體管,T2為PNP型晶體管,要求2個(gè)晶體管的參數(shù)相同、特性對(duì)稱(chēng)。

圖1　互補(bǔ)輸出級(jí)基本電路及其交越失真

假設(shè)晶體管有理想的輸入特性。設(shè)輸入電壓ui為正弦波,當(dāng)ui>0,T1導(dǎo)通,T2截止,T1以射極輸出形式將ui的正半周信號(hào)傳遞到負(fù)載RL上,輸出電壓uo=ui,此時(shí)正電源+VCC供電,電流iC1導(dǎo)通如圖1(a)中帶箭頭的實(shí)線所示。與此相反,當(dāng)ui<0,T2導(dǎo)通,T1截止,T2以射極輸出形式將ui的負(fù)半周信號(hào)傳遞到負(fù)載RL上,uo=ui。此時(shí)負(fù)電源-VCC供電,電流iC2導(dǎo)通如圖1(a)中帶箭頭的虛線所示。這樣T1和T2以互補(bǔ)形式交替工作、正負(fù)電源交替供電,電路實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。當(dāng)輸入ui的幅值足夠大,輸出電壓最大幅值可達(dá)到±(VCC-Uces),其中Uces為晶體管的飽和管壓降。若考慮晶體管實(shí)際輸入特性則不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電壓ui小于b-e間的開(kāi)啟電壓Uon時(shí),T1和T2均處于截止?fàn)顟B(tài)。也就是說(shuō)當(dāng)|ui|>Uon時(shí),輸出電壓uo才跟隨ui變化。因此當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí),在ui過(guò)零附近時(shí)輸出電壓uo將產(chǎn)生失真(見(jiàn)圖1(b)),即交越失真。與一般放大電路相同,消除交越失真的方法是設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)[4]。可以設(shè)想:若在靜態(tài)時(shí)T1和T2均處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài),則當(dāng)輸入信號(hào)作用時(shí),即能保證至少有一個(gè)晶體管導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。

1.2消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)

消除交越失真現(xiàn)象的電路形式比較多,比較實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方法是采用二極管或Ube倍增等電路來(lái)避免交越失真的產(chǎn)生。在圖2所示的電路原理中,靜態(tài)時(shí)從正電源+VCC經(jīng)R1、D1、D2、R2到負(fù)電源-VCC形成一個(gè)直流電流,這必然會(huì)在T1和T2的基極之間(b1和b2之間)產(chǎn)生電壓,即Ub1-b2=UD1+UD2。

圖2　消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)電路

若晶體管T1、T2和二極管D1、D2均采用相同材料制作而成,如都為Si管,就可使T1和T2均處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小(幾十Ω),可認(rèn)為T(mén)1和T2的基極動(dòng)態(tài)電位近似相等,且均約為ui,即ub1≈ub2≈ui。由于篇幅原因,在此僅介紹由二極管構(gòu)成的消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路。

2　仿真測(cè)試的目的、方法和要求

為更好地研究和分析互補(bǔ)輸出級(jí)消除交越失真、達(dá)到帶負(fù)載能力強(qiáng)和最大不失真輸出電壓Uom高的要求,對(duì)測(cè)試的仿真電路提出了一定的要求。

2.1消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真電路測(cè)試仿真的目的

本文對(duì)于消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真電路進(jìn)行測(cè)試仿真的主要目的:一是掌握消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的方法和工作原理；二是研究有交越失真和無(wú)交越失真兩種情況下的輸出波形的變化特征；三是分析基本互補(bǔ)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2搭建消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的測(cè)試電路

NI Multisim是一款電子電路虛擬仿真軟件,將該仿真軟件用于電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式是很好的補(bǔ)充[5-6]。本文利用NI Multisim12.0仿真軟件對(duì)互補(bǔ)輸出級(jí)的消除交越失真電路進(jìn)行了測(cè)試和分析研究。按照特定的電路參數(shù)和元器件要求搭建了測(cè)試電路,并且對(duì)消除交越失真的電路進(jìn)行虛擬仿真,觀察并對(duì)比輸入、輸出波形變化規(guī)律,比較基本互補(bǔ)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù),從而得出結(jié)論。

2.3掌握消除交越失真電路的原理與波形特點(diǎn)

為使不加任何措施的基本互補(bǔ)電路產(chǎn)生的交越失真得以消除,在不加輸入信號(hào)時(shí),應(yīng)使特性對(duì)稱(chēng)的NPN和PNP兩個(gè)晶體管提前處于微導(dǎo)通狀態(tài),后再加上輸入信號(hào),輸出電壓uo的波形將不會(huì)產(chǎn)生交越失真,輸出波形和輸入波形具有很好的跟隨特性。

2.4仿真內(nèi)容

(1) 利用直流電壓表測(cè)量基本互補(bǔ)電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)兩種電路的晶體管基極電位和發(fā)射極電位,得到電路靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓值；

(2) 用示波器觀察上述兩種電路的輸入波形和輸出波形,并測(cè)試輸出電壓的幅值,論證其電壓跟隨特性。

3　對(duì)消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的仿真分析

3.1搭建基本互補(bǔ)和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路

搭建基本互補(bǔ)電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)兩個(gè)靜態(tài)測(cè)試電路如圖3所示。在圖3中,特性對(duì)稱(chēng)的晶體管一個(gè)采用NPN型2N3904,一個(gè)采用PNP型2N3906,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,幾乎不可能得到具有理想對(duì)稱(chēng)的NPN和PNP型晶體管,但在NI Multisim虛擬測(cè)試仿真中可以做到。因此,在實(shí)驗(yàn)中可看到只受晶體管輸入特性影響(不受其他因素影響)所產(chǎn)生的交越失真現(xiàn)象和消除交越失真的方法；供電的直流電源一個(gè)是VCC=+15 V,另一個(gè)是VEE=―15 V。

圖3　兩種互補(bǔ)輸出的靜態(tài)測(cè)試電路

3.2靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試

在基本互補(bǔ)輸出電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出這兩種電路靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試中,看特性對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)晶體管b-e間的電壓|ube|是否大于等于Uon,在輸入信號(hào)ui=0 V時(shí),判別晶體管是否已經(jīng)提前處于微導(dǎo)通狀態(tài)；觀察輸出波形和輸入波形變化,輸出波形是否產(chǎn)生交越失真,輸出波形與輸入波形是否具備跟隨特征。

(1) 點(diǎn)擊NI Multisim12.0仿真軟件的仿真開(kāi)關(guān),雙擊圖3(a)基本互補(bǔ)輸出電路中的直流電壓表XMM1和XMM2分別得到讀數(shù)為0 V和―8.987 nV,說(shuō)明當(dāng)電路零輸入時(shí),基本能實(shí)現(xiàn)零輸出。

(2) 雙擊圖3(b)消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路中的直流電壓表XMM3、XMM4和XMM5,讀數(shù)分別是720.994 mV、―721.071 mV、14.794 mV。發(fā)現(xiàn)XMM3和XMM5的讀數(shù)差ubeube的讀數(shù)差大于或等于NPN的Uon值,XMM4和XMM5的讀數(shù)差ueb大于或等于PNP的Uon值,從而得知兩管均處于微導(dǎo)通的工作狀態(tài)。

(3) 分別將圖3(a)和圖3(b)兩種電路的輸入信號(hào)大小均變?yōu)? V(有效值),其他參數(shù)不變,進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。如圖4所示,讀出消除交越失真互補(bǔ)輸出電路中的兩個(gè)晶體管基極電位大小和觀察兩種電路的輸入波形和輸出波形的變化特征。

3.3仿真測(cè)試的結(jié)果

(1) 當(dāng)對(duì)基本互補(bǔ)輸出電路進(jìn)行仿真時(shí),圖3(a)中的靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)為直流電壓表XMM1讀數(shù)0 mV,XMM2讀數(shù)-8.987 nV；圖4(a)中的動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)為輸入信號(hào)峰值2.828 V,輸出信號(hào)峰值2.146 V。

(2) 當(dāng)對(duì)消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路進(jìn)行仿真時(shí),電壓表靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

Ub3=720.994/mV

Ub4=-721.071/mV

Ue3=14.794/mV

動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

圖4　兩種互補(bǔ)輸出的動(dòng)態(tài)測(cè)試電路

輸入信號(hào)峰值=2.828 V

Q3基極動(dòng)態(tài)電位=1.988 V

Q4基極動(dòng)態(tài)電位=1.988 V

輸出信號(hào)峰值電位=2.818 V

(3) 對(duì)圖4(a)和圖4(b)的電路分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí),利用示波器XSC1和XSC2觀察輸入波形和輸出波形,結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)是示波器XSC1顯示基本互補(bǔ)電路的波形結(jié)果(注:紅色曲線代表輸入波形,藍(lán)色曲線代表輸出波形)；圖5(b)是示波器XSC2顯示消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)波形結(jié)果(注:紅色曲線代表輸入波形,藍(lán)色曲線代表輸出波形)。圖5(a)中示波器XSC1通道A、通道B刻度值均為2V/Div,圖5(b)中示波器XSC2通道A刻度為1 V/Div,通道B刻度為2 V/Div。

圖5　互補(bǔ)輸出的輸入波形和輸出波形

3.4仿真測(cè)試的分析與結(jié)論

對(duì)基本互補(bǔ)輸出電路的測(cè)試仿真可得出如下結(jié)論:靜態(tài)時(shí)(即輸入電壓ui=0 V)晶體管的基極和發(fā)射極的直流電位均為零,靜態(tài)功耗非常小；由于ui小于晶體管的b-e間的開(kāi)啟電壓時(shí),兩只晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài),輸出信號(hào)波形明顯產(chǎn)生交越失真現(xiàn)象,且輸出電壓的峰值小于輸入信號(hào)電壓的峰值。

對(duì)消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)電路的測(cè)試仿真可得出如下結(jié)論:

(1) 晶體管基極直流電位Ub3≈-Ub4≈721 mV,表明兩只晶體管在靜態(tài)均處于導(dǎo)通狀態(tài),發(fā)射級(jí)的直流電位Ue3≈14.7 mV,很接近0 V,說(shuō)明具有很好的對(duì)稱(chēng)性。Ub3≠-Ub4、Ue3≠ 0的原因仍在NPN型晶體管2N3904和PNP型晶體管2N3906的不對(duì)稱(chēng)性。

(2) 輸入電壓ui的峰值為2.828 V(即有效值Ui約為2 V)。在動(dòng)態(tài)測(cè)試中,Ub3=Ub4=1.988 V≈Ui=2 V,說(shuō)明在動(dòng)態(tài)近似分析中可將晶體管T3和T4的基極與輸入端看成一個(gè)點(diǎn)。

(3) 輸出電壓的峰值和輸入電壓的峰值相差無(wú)幾,在刻度相同時(shí)波形完全重合,且輸出電壓波形沒(méi)有交越失真發(fā)生,說(shuō)明設(shè)置合理的靜態(tài)工作點(diǎn)是消除交越失真的基本方法,且使電路的跟隨特性更好。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)基本互補(bǔ)輸出電路和消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路進(jìn)行仿真測(cè)試后發(fā)現(xiàn),合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)是消除互補(bǔ)輸出級(jí)電路的交越失真的基本方法；驗(yàn)證了利用電子電路NI Multisim12.0仿真軟件對(duì)消除交越失真互補(bǔ)輸出級(jí)電路的虛擬測(cè)試結(jié)果是正確的。利用示波器觀測(cè)電路輸入和輸出波形的變化,驗(yàn)證了消除交越失真的基本方法,幫助學(xué)生理解和掌握消除交越失真的原理,領(lǐng)會(huì)軟件中不同電路的分析方法和處理方法。引入仿真軟件輔助電類(lèi)課程教學(xué),將是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)[7-9]；仿真軟件的不斷發(fā)展會(huì)不斷推進(jìn)教學(xué)方法的改進(jìn),把NI Multisim12.0仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),取長(zhǎng)補(bǔ)短[10-12],充分發(fā)揮各種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢(shì),讓學(xué)生在理論和虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中更多地受益。

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Research on simulation test by elimination method of complementary output stage crossover distortion

Jiang Junhua, Hou Weizhou

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475004, China)

The elimination method of complementary output crossover distortion was analyzed in virtual test via NI Multisim 12.0 software. By changing the input signal, making its size zero, the test quiescent voltage values were in agreement with the theoretical results, the complementary output realized zero input and zero output; if input signal size was a certain value, according to the test transistor base and emitter dynamic voltage, compared with the variation law of the input and output waveforms, the work principle of the complementary output stage was further verified, it came out the complementary output circuit which has good voltage following characteristics. When the NI Multisim12.0 software is properly introduced in the electronic circuit experiment teaching, the results of virtual simulation instance prove that it can improve the teaching effects of the circuit theory curriculum, and students can benefit a lot from the theoretical teaching and virtual experimental teaching.

complementary output; crossover distortion; virtual simulation experiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.031

2015-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21173068)

蔣俊華(1980—),女,河南西華,碩士,講師,主要研究方向?yàn)殡娮泳€路應(yīng)用與分析

E-mail：edelajiang@126.com

侯衛(wèi)周(1973—),男,山西永濟(jì),碩士,副教授,主要研究方向?yàn)殡娮泳€路設(shè)計(jì)與研究.

E-mail：hwz204@163.com

TN710.9

A

1002-4956(2016)6-0121-05