小信號單調諧放大器虛擬仿真實驗設計

嚴小黑，張秀香

（廣西民族師范學院，廣西崇左， 532200）

0 引言

通信電子電路是通信工程專業的一門重要專業基礎課，其主要介紹在通信系統的發送設備和接收設備中所使用到的功能電路，該課程是模擬電路課程的延續，課程內容較為抽象，難以理解。小信號單調諧放大器是接收設備中較常用的功能電路，也是學生學習這門課接觸到的第一個電路，學生對此電路理解的好壞程度將直接影響學生學習這門課程的信心。為課程設置實驗環節能有效幫助學生理解電路，但傳統的基于硬件平臺的實驗存在以下問題：一是學習時間和地點固定，不符合學生隨時隨地想開展實驗的需求和愿望；二是基于集成電路的實驗，實驗電路呈現不明顯，且可調器件和現象觀察受到硬件電路的限制。若能在基于硬件平臺的實驗基礎上，再輔以虛擬仿真實驗，則可在一定程度解決上述問題。本文利用Multisim和LabVIEW兩款軟件的聯合仿真設計了小信號單調諧放大器虛擬仿真實驗。

1 小信號單調諧放大器的工作原理及性能指標

■1.1 工作原理

小信號單調諧放大器在接收設備中的功能是對輸入給它的小信號進行放大并選出所需頻率的信號，其原理電路如圖1所示[1～2]。

圖1 小信號單調諧放大器原理電路

其工作原理是：R1、R2、R3為分壓式偏置電阻，它們為晶體管的各個電極分配合適的直流電壓，使得晶體管工作于放大狀態；C1為耦合電容、C2為旁路電容，均起著隔直通交的作用；晶體管為核心放大器件，能將輸入的小信號進行放大；L和C組成并聯諧振回路，其能夠從信號中選出所需頻率的信號并用過耦合變壓器輸出給RL。LC并聯諧振回路能選頻的原因是對不同頻率的信號表現不同的阻抗，進而輸出信號電壓不同，輸出信號電壓最大時所對應的頻率稱為諧振頻率，諧振頻率的計算式為：

輸出信號電壓隨信號頻率變化而變化的曲線稱為電路的諧振曲線或幅頻特性曲線，一般表現為圖2所示[3]。LC并聯諧振回路就是將諧振頻率附近一定頻率范圍的信號選出。

圖2 小信號單調諧放大器諧振曲線

■1.2 性能指標

小信號單調諧放大器的性能包括放大性能和選頻性能。電路的放大性能主要由諧振電壓放大倍數衡量，即電路諧振時輸出信號電壓與輸入信號電壓之比，可表示為：

電路的選頻性能主要包括品質因數Q、通頻帶B、矩形系數K0.1。品質因數為：

其反映諧振曲線的尖銳程度，Q值越大則曲線越尖銳，電路選擇性越好，但通頻帶越窄。通頻帶定義為隨著信號頻率變化，當放大器的輸出電壓下降到諧振輸出電壓的0.707時所確定的頻帶寬度，可表示為：通頻帶不是越寬越好，也不是越窄越好，而是剛好等于

所需要選出信號頻率的帶寬為最佳，LC并聯諧振回路的通頻帶B與品質因數Q之間有如下關系：

矩形系數K0.1定義為放大器的輸出電壓下降到諧振輸出電壓的0.1時，相應的頻帶寬度與放大器通頻帶之比，可表示為：

其反映實際諧振曲線的距離理想諧振曲線的差距，理想諧振曲線的矩形系數為1，若矩形系數越接近于1，則越理想，越大于1，則越不理想。

2 Multisim實驗電路設計

采用Multisim設計小信號單調諧放大器實驗電路，如圖3所示。

圖3 Multisim小信號單調諧放大器實驗電路

電路的輸入信號為壓控正弦波振蕩器，信號振幅為10mV，頻率受到控制電壓的控制。U1為壓控電阻，用于控制晶體管的靜態工作點。U2為壓控電容，用于控制LC并聯諧振回路的諧振頻率。晶體管型號為2SC945。電路共設置7個LabVIEW協同仿真端口，用于和LabVIEW程序的聯動，端口作用及對應關系詳見表1。

表1 LabVIEW協同仿真端口作用及對應關系

3 LabVIEW前面板及程序設計

LabVIEW前面板如圖4所示，其包含3個區域，分別為實驗電路區，輸入輸出波形顯示區和電路參數設置顯示區。電路可調整的參數有信號源頻率、偏置電阻U1和LC并聯諧振回路U2，可顯示的參數有晶體管的基極直流電壓Ubq和發射機直流電壓Ueq。

圖4 LabVIEW前面板

LabVIEW程序如圖5所示，主程序為控件與仿真循環，在其中調用小信號單調諧放大器Multisim Design VI。將電阻調節控件與可變電阻端口連接，電容調節控件與可變電容端口連接，頻率控件與輸入信號頻率端口連接，輸出信號波形圖表與輸出信號端口連接，輸出信號波形圖表與輸入信號端口連接，Ubq和Ueq顯示控件分別與對應的端口連接。停止布爾控件用于控制主程序停止。

圖5 LabVIEW程序

4 虛擬仿真實驗過程

■4.1 晶體管靜態工作點對放大器放大性能的影響

設置輸入信號頻率為3MHz，并調諧可變電容，使得輸出信號幅度最大，此時電路諧振，對應的電容值為88pF，與由諧振頻率公式計算出來的電容基本吻合。當通過改變可變電阻值，改變晶體管的靜態工作點時，放大器的輸出信號幅度受到明顯影響，圖6給出了可變電阻U1分別為0.5kΩ、15kΩ、100kΩ對應的輸出信號波形，當U1為0.5kΩ和100kΩ時的輸出信號幅度明顯小于為15kΩ的輸出信號幅度。這是因為當U1為0.5kΩ時，晶體管的靜態工作點在輸出特性曲線放大區的位置偏高，使得其在交流工作時，有部分時間進入飽和區，當U1為100kΩ時，晶體管的靜態工作點在輸出特性曲線放大區的位置偏低，使得其在交流工作時，有部分時間進入截止區，這兩種情況都會使得晶體管的電壓放大倍數有一定程度的降低。為使放大器有較好的放大性能，取可變電阻U1=15kΩ，此時輸出信號幅度Uom=0.513V，放大器的電壓放大倍數為：

圖6 不同可變電容值的輸出信號

■4.2 放大器幅頻特性曲線及選頻性能測量

改變輸入信號頻率，觀察輸出信號波形變化，并記錄相應的幅度值，具體見表2所示。

由表2數據可以繪制出放大器的幅頻特性曲線，如圖7所示。根據通頻帶定義可以求得放大器的通頻帶為：

表2

根據品質因數與通頻帶的關系，可計算出放大器的品質因數為：

?

5 虛擬仿真實驗的在線發布

LabVIEW Web發布工具可以在網絡上發布程序前面板圖像或HTML供計算機瀏覽和操作，如圖8所示。局域網用戶在瀏覽器地址欄中輸入圖8中的URL下的地址即可進行訪問，如果是Internet用戶則需要在地址欄中輸入格式為http://IP地址：端口/文件名.html 進行訪問，即把URL中的主機名替換為服務器的IP地址[4～5]。

6 結論

利用Multisim和LabVIEW兩款軟件的聯合仿真設計了小信號單調諧放大器虛擬仿真實驗，能觀察晶體管靜態工作點對放大器放大性能的影響，能進行放大器幅頻特性曲線及選頻性能測量，完成實驗所要求的基本任務。此實驗系統可以進行Web發布，讓學生隨時隨地開展實驗，是傳統基于硬件平臺實驗的有效補充，具備一定的推廣應用價值。