小信号单调谐放大器虚拟仿真实验设计
时间：2023-04-20 11:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
严小黑，张秀香
（广西民族师范学院，广西崇左， 532200）
通信电子电路是通信工程专业的一门重要专业基础课，其主要介绍在通信系统的发送设备和接收设备中所使用到的功能电路，该课程是模拟电路课程的延续，课程内容较为抽象，难以理解。小信号单调谐放大器是接收设备中较常用的功能电路，也是学生学习这门课接触到的第一个电路，学生对此电路理解的好坏程度将直接影响学生学习这门课程的信心。为课程设置实验环节能有效帮助学生理解电路，但传统的基于硬件平台的实验存在以下问题：一是学习时间和地点固定，不符合学生随时随地想开展实验的需求和愿望；
二是基于集成电路的实验，实验电路呈现不明显，且可调器件和现象观察受到硬件电路的限制。若能在基于硬件平台的实验基础上，再辅以虚拟仿真实验，则可在一定程度解决上述问题。本文利用Multisim和LabVIEW两款软件的联合仿真设计了小信号单调谐放大器虚拟仿真实验。
■1.1 工作原理
小信号单调谐放大器在接收设备中的功能是对输入给它的小信号进行放大并选出所需频率的信号，其原理电路如图1所示[1～2]。
图1 小信号单调谐放大器原理电路
其工作原理是：R1、R2、R3为分压式偏置电阻，它们为晶体管的各个电极分配合适的直流电压，使得晶体管工作于放大状态；
C1为耦合电容、C2为旁路电容，均起着隔直通交的作用；
晶体管为核心放大器件，能将输入的小信号进行放大；
L和C组成并联谐振回路，其能够从信号中选出所需频率的信号并用过耦合变压器输出给RL。LC并联谐振回路能选频的原因是对不同频率的信号表现不同的阻抗，进而输出信号电压不同，输出信号电压最大时所对应的频率称为谐振频率，谐振频率的计算式为：
输出信号电压随信号频率变化而变化的曲线称为电路的谐振曲线或幅频特性曲线，一般表现为图2所示[3]。LC并联谐振回路就是将谐振频率附近一定频率范围的信号选出。
图2 小信号单调谐放大器谐振曲线
■1.2 性能指标
小信号单调谐放大器的性能包括放大性能和选频性能。电路的放大性能主要由谐振电压放大倍数衡量，即电路谐振时输出信号电压与输入信号电压之比，可表示为：
电路的选频性能主要包括品质因数Q、通频带B、矩形系数K0.1。品质因数为：
其反映谐振曲线的尖锐程度，Q值越大则曲线越尖锐，电路选择性越好，但通频带越窄。通频带定义为随着信号频率变化，当放大器的输出电压下降到谐振输出电压的0.707时所确定的频带宽度，可表示为：通频带不是越宽越好，也不是越窄越好，而是刚好等于
所需要选出信号频率的带宽为最佳，LC并联谐振回路的通频带B与品质因数Q之间有如下关系：
矩形系数K0.1定义为放大器的输出电压下降到谐振输出电压的0.1时，相应的频带宽度与放大器通频带之比，可表示为：
其反映实际谐振曲线的距离理想谐振曲线的差距，理想谐振曲线的矩形系数为1，若矩形系数越接近于1，则越理想，越大于1，则越不理想。
采用Multisim设计小信号单调谐放大器实验电路，如图3所示。
图3 Multisim小信号单调谐放大器实验电路
电路的输入信号为压控正弦波振荡器，信号振幅为10mV，频率受到控制电压的控制。U1为压控电阻，用于控制晶体管的静态工作点。U2为压控电容，用于控制LC并联谐振回路的谐振频率。晶体管型号为2SC945。电路共设置7个LabVIEW协同仿真端口，用于和LabVIEW程序的联动，端口作用及对应关系详见表1。
表1 LabVIEW协同仿真端口作用及对应关系
LabVIEW前面板如图4所示，其包含3个区域，分别为实验电路区，输入输出波形显示区和电路参数设置显示区。电路可调整的参数有信号源频率、偏置电阻U1和LC并联谐振回路U2，可显示的参数有晶体管的基极直流电压Ubq和发射机直流电压Ueq。
图4 LabVIEW前面板
LabVIEW程序如图5所示，主程序为控件与仿真循环，在其中调用小信号单调谐放大器Multisim Design VI。将电阻调节控件与可变电阻端口连接，电容调节控件与可变电容端口连接，频率控件与输入信号频率端口连接，输出信号波形图表与输出信号端口连接，输出信号波形图表与输入信号端口连接，Ubq和Ueq显示控件分别与对应的端口连接。停止布尔控件用于控制主程序停止。
图5 LabVIEW程序
■4.1 晶体管静态工作点对放大器放大性能的影响
设置输入信号频率为3MHz，并调谐可变电容，使得输出信号幅度最大，此时电路谐振，对应的电容值为88pF，与由谐振频率公式计算出来的电容基本吻合。当通过改变可变电阻值，改变晶体管的静态工作点时，放大器的输出信号幅度受到明显影响，图6给出了可变电阻U1分别为0.5kΩ、15kΩ、100kΩ对应的输出信号波形，当U1为0.5kΩ和100kΩ时的输出信号幅度明显小于为15kΩ的输出信号幅度。这是因为当U1为0.5kΩ时，晶体管的静态工作点在输出特性曲线放大区的位置偏高，使得其在交流工作时，有部分时间进入饱和区，当U1为100kΩ时，晶体管的静态工作点在输出特性曲线放大区的位置偏低，使得其在交流工作时，有部分时间进入截止区，这两种情况都会使得晶体管的电压放大倍数有一定程度的降低。为使放大器有较好的放大性能，取可变电阻U1=15kΩ，此时输出信号幅度Uom=0.513V，放大器的电压放大倍数为：
图6 不同可变电容值的输出信号
■4.2 放大器幅频特性曲线及选频性能测量
改变输入信号频率，观察输出信号波形变化，并记录相应的幅度值，具体见表2所示。
由表2数据可以绘制出放大器的幅频特性曲线，如图7所示。根据通频带定义可以求得放大器的通频带为：
表2
根据品质因数与通频带的关系，可计算出放大器的品质因数为：
?
LabVIEW Web发布工具可以在网络上发布程序前面板图像或HTML供计算机浏览和操作，如图8所示。局域网用户在浏览器地址栏中输入图8中的URL下的地址即可进行访问，如果是Internet用户则需要在地址栏中输入格式为http://IP地址：端口/文件名.html 进行访问，即把URL中的主机名替换为服务器的IP地址[4～5]。
利用Multisim和LabVIEW两款软件的联合仿真设计了小信号单调谐放大器虚拟仿真实验，能观察晶体管静态工作点对放大器放大性能的影响，能进行放大器幅频特性曲线及选频性能测量，完成实验所要求的基本任务。此实验系统可以进行Web发布，让学生随时随地开展实验，是传统基于硬件平台实验的有效补充，具备一定的推广应用价值。
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