三极管多级音频放大器自激振荡研究与仿真_许少娟.pdf

第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-09-05文章编号:1007-2934(2022)06-0112-05三极管多级音频放大器自激振荡研究与仿真许少娟，肖传栋，刁立强(大连理工大学 城市学院，辽宁 大连116600)摘要:从一个三极管多级音频放大器调试出现的问题出发，针对输出信号存在严重的自激振荡现象，分析电路中可能引起寄生反馈的原因，结合实际电路调试，通过 Multisim 软件仿真确定是由公共电源内阻引起，并给出了解决措施。充实了反馈、自激振荡内容的教学案例，为分析电路、排查故障提供了一种有效的方法。关键词:音频放大器;寄生反馈;自激振荡;仿真软件中图分类号:TN-722文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202206023模拟电子电路课程设计是电气类专业学生学完模拟电子电路、大学物理理论及实验课程后的综合设计，本文研究的三极管多级音频放大器是该课程设计的一个题目。笔者在指导历届课程设计的过程中，发现该电路总是存在输出信号被干扰信号淹没的问题，本文在理论分析的基础上结合实际电路调试，借助 Multisim 软件仿真，对多级放大电路公共电源内阻引起自激振荡进行验证，并给出了解决措施。反馈放大电路自激振荡由于产生机理比较复杂抽象，向来是模拟电路课程教学的难点，而大多教材中对寄生反馈引起自激振荡这部分内容仅简单提及，不作详细深入的介绍1，2。本文电路调试过程直观地呈现了寄生反馈引起自激振荡的产生和消除过程，可作为反馈、自激振荡教学内容的实际案例，对于存在寄生反馈并可能引起自激振荡的电路调试具有一定的参考意义。1三极管多级音频放大器中的高频自激振荡11题目设计任务与要求设计三极管多级音频放大器，信号源为 20K 高内阻，要求电压放大倍数达到 450 倍，输出阻抗低于 100，集电极最大电流不超过 20 mA，电源电压 15 V，输出信号峰峰值不小于 8 V，非线性失真度小于 5%。设计电路，计算所需电路参数，进行 Multisim 软件仿真，并在面包板上搭建调试。12设计方案根据任务要求，信号源内阻很高为 20 K，输入级可采用输入阻抗高的共集电极放大电路;要求输出阻抗小于 100，输出级可采用输出阻抗低的共集电极放大电路;要求电压增益大于 450倍，单级共射极放大电路电压增益无法达到，可由两级共射极放大电路实现。考虑静态工作点稳定性，采用实用的分压偏置共射放大电路，且射极电阻采用两个电阻串联，大电阻并联旁路电容以降低射极电阻对电压增益的影响;要求输出信号峰峰值不小于 8V，可通过设置静态工作点来保证足够的动态范围。由此可得系统整体设计方案。13调试现象Multisim 是国内目前教学中使用较多的仿真软件，提供的虚拟设备和分析工具可以方便地开展电路仿真、测试和分析3，4。采用 Multisim 软件对电路进行仿真研究，易于获得各种分析结果，可达到事半功倍的效果5。先对电路作 Multisim 仿真，根据前述设计方案绘制仿真电路，分别调试静态工作点和交流波形。对每级放大电路，设置静态工作点为交流负载线中点附近，以保证动态范围不小于 8 V，调试得到系统电路及元件参数如图 1。之后输入端加正弦信号，逐级调试交流信号，每一级电路的交流波形正常，最后将四级电路级联，仿真结果显示能实现预定参数要求。再将电路在面包板上搭建，按照仿真同样的步骤进行调试，之前分级调试结果与仿真结果吻合，但是当四级放大电路完整级联时，示波器测得输出波形出现严重的高频自激振荡，有用信号被振荡信号淹没。图 1系统电路及参数2引起自激振荡的原因分析自激振荡是一种特殊的电路现象，此时放大器不加输入信号也存在输出信号。产生自激振荡的必要条件是正反馈，当正反馈足够强时，闭环电压增益趋近无穷大，电路处于自激状态，无法正常放大6。本文电路并未人为引入反馈，故推测电路中存在寄生耦合，且构成正反馈从而导致自激振荡。21电路中可能存在的寄生反馈分析放大电路中电源内阻、地线内阻、寄生电感、分布电容、示波器探头高阻抗、电容等诸多因素都可能引起寄生反馈7，具体如下:(1)直流电源内阻引起寄生反馈。由于放大器的前后各级共用同一个直流电源，在一定条件下可为输出信号提供路径反馈回输入端，引起寄生反馈。(2)地线引起寄生反馈，包括以下几种情况:地线内阻引起寄生反馈。当放大电路增益很高或信号频率很高时，地线内阻上的信号电压不能忽略。接地点不合理，由地线阻抗引起寄生反馈。地线电感引起寄生反馈。频率大于几兆赫时，地线电感的阻抗不可忽略。(3)分布电容引起寄生反馈。电路中各种看不见的分布电容可能由寄生耦合形成正反馈，产生自激振荡，在低频时可忽略8。(4)示波器探头高阻抗引起寄生反馈，可通过在示波器探头接电阻排查消除。本电路工作于音频，工作频率较低，故地线电感和分布电容的影响可忽略;电路增益达到几百倍，故地线内阻的影响不可忽视。综上，该电路中可能引起正反馈的原因有三个:直流电源内阻、地线(地线内阻、接地点不合理)、示波器探头高阻抗。后两种情况排查和消除比较简便，可通过实际电路调试进行排查:调整地线，采用一点接地，并将接地点接到靠近输出级，检查地线接地电阻正常无虚接，可排查是否由地线引入正反馈;在示波器探头接不同阻值电阻，可排查是否为示波器探头引起正反馈。而电源内阻引起自激振荡的相关研究较少，因此本文对此作重点分析。22电源内阻寄生反馈分析以下对本电路直流电源内阻导致寄生反馈的原理进行分析。如图 2 所示，为便于分析，将实用分压偏置共射电路简化为基本共射电路，不影响电路工作原理分析。311第 6 期许少娟，等:三极管多级音频放大器自激振荡研究与仿真图 2直流电源内阻造成的寄生反馈由于三极管的电流放大作用，各级放大电路的基极电流相比集电极电流可以忽略不计，又由于电流逐级放大，各三极管集电极电流的关系为:ic1ic2ic3ic4，ic4远大于其它级的集电极电流，故可将其它电流的作用忽略，ic4起主要作用。ic4的一部分 ic4通过电源 VCC构成回路，ic4在电源内阻 s两端产生一个交流电压 ic4s，这就相当于在直流电源 VCC上串联了一个交流电源，其极性如图 2 标注。此交流电源通过各级放大电路的基极偏置电阻反馈回输入，引起放大电路各级之间的寄生耦合。反馈电流 if1、if2、if3、if4的方向如图中虚线所示，它们都构成并联反馈，分别为负反馈、负反馈、正反馈、负反馈。由于正反馈的存在，可能会在某些频率满足自激振荡条件，产生寄生振荡，破坏正常放大。3电源内阻引起的自激振荡仿真为了验证电源内阻 s能否引起自激振荡，用Multisim 软件建立电路模型，分别在电源内阻为 0和显著值时作仿真，根据仿真结果作进一步分析。31直流电源内阻 s=0 时输出波形仿真如图 1 设置电源内阻 s=0，适当调节各级放大电路静态工作点，施加幅度2 mV、频率1 kHz 的正弦信号，示波器 A 通道接 26 号节点测量输入信号，B 通道接 25 号节点测量输出信号，由示波器波形可见直流电源内阻为 0 时，输出波形稳定无自 激 振 荡，根 据 示 波 器 示 数 得 电 压 增 益AV480。32直流电源内阻 s=500 时输出波形仿真重新设置图 1 直流电源内阻 s，取显著值500，调节偏置电阻，设置节点 1、30、21、23 作直流工作点分析，分析四级放大电路的静态工作点，结果如图3 所示，满足输出信号峰峰值不小于8 V的要求。图 3各级静态工作点分析设置交流源信号幅度 2 mV，用示波器测量输入输出信号。仿真过程中发现，随着仿真时间增加，信号波形在不断变化，如图 4 所示，在三个不同时间点分别截取信号波形，并对输出信号作 19 次谐波傅里叶分析以了解振荡频率成分，示波器 A、B通道垂直灵敏度统一取 2 mV/Div、200 mV/Div。(a)t=40 ms 输入、输出波形(-输出)Frequency/Hz(b)图(a)输出信号傅里叶分析(c)t=150 ms 输入、输出波形(-输出)411大学物理实验2022 年Frequency/Hz(d)图(c)输出信号傅里叶分析(e)t=180 ms 输入、输出波形(-输出)Frequency/Hz(f)图(e)输出信号傅里叶分析图 4s=500，不同时间点信号波形及傅里叶分析由图 4，仿真刚开始时，t=40 ms，可见输出波形已经产生了 180相移，但并未出现高频振荡，傅里叶分析显示没有谐波，只有和输入同频的放大信号。随着时间增加，逐渐出现了高频的自激振荡，t=150 ms，波形及傅里叶分析结果均显示存在众多频率的谐波信号，幅度比较小，随着时间继续增加，t=180 ms，傅里叶分析结果显示，在正反馈的加强作用下，振荡信号各频率的谐波进一步增大。由于电路中没有稳幅环节，最终振荡波形趋于极端。利用 Multisim 虚拟示波器将时间细化到 ms，能够直观、形象地观察到自激振荡从无到有的完整产生过程，对理解正反馈的本质和自激振荡的产生机理非常有帮助。由仿真结果可见，直流电源内阻 s=0 时电路能够正常放大，而 s=500时却出现自激振荡，由此可以确定，各级公共的直流电源内阻确实能引起自激振荡。4电源内阻寄生反馈消除41消除措施要减小电源内阻引起的寄生反馈，除采用低内阻电源外，可利用 C 或 LC 构成去耦电路，在供电回路逐级退耦，这是实际应用中非常有效的方法9。本文采取供电电路中接入 C 去耦电路的方法，对图 1 电路在第一级放大电路实施 C退耦，即图 5 中 17和 C9，这样反馈信号经 17和C9组成的去耦电路分压之后，C9分得电压加在2和地之间，从而降低了寄生反馈。图 5C 退耦电路记反馈电压为?Uf，则电容两端分得电压为?UC=1j2fC17+1j2fC9?Uf可见 17和 C9越大，?UC越小，退耦效果越好。记 fl为放大器的下限截止频率，若取1712flC9则电容分得的反馈电压微乎其微，第一级放大电路的寄生反馈被大大削弱。但另一方面，退耦电阻越大，电源利用率越低。综合考虑退耦效果和直流电源利用率，取17=1012flC9本电路处理音频信号，频率范围较低，取下限截止频率 fl=50 Hz，电容 C=100 F，计算得17=320。42C 退耦仿真为检验增加退耦电路后电路是否仍然符合设计要求，重新对四级放大电路作直流工作点分析。由于增加退耦电路后节点名称发生了变化，设置节点 2、11、12、6，分析结果如图 6 所示，与不加退511第 6 期许少娟，等:三极管多级音频放大器自激振荡研究与仿真耦电路时对比变化微小，可见增加退耦电阻对静态工作点影响不大，因而不会压缩输出信号动态范围。图 6增加 C 退耦电路的静态工作点为了保证结果稳定性，仿真足够长时间(t=450 ms)，波形如图 7 所示，示波器 A、B 通道垂直灵敏度分别为 2 mV/Div、2 V/Div，可见自激振荡完全被消除，电压增益AV=565，符合题目要求。图 7C 退耦后输入、输出波形(-输出)43实际电路调试实际电路增加 C 退耦电路后自激振荡消失，信号正常放大，证明 C 退耦电路能够有效地消除电源内阻导致的寄生反馈，从而消除自激振荡。本文仅对第一级放大电路实施退耦即消除了寄生耦合，若退耦效果不够，可将退耦电阻向后级移动实施逐级退耦。5结语寄生反馈严重干扰有用信号，甚至导致电路自激振荡无法正常工作，如何消除或削弱其影响是放大器设计中的一个重要问题10。引起寄生反馈的原因非常多，现象也不尽相同，因而寄生反馈的原因排查和消除是非常复杂的，需要针对具体电路具体分析，反复试验。本文四级放大电路由于前后各级共用同一个直流电源，为输出信号提供了反馈到前面各级放大电路输入端的路径，该寄生反馈构成正反馈，引起自激振荡。文中给出了在实际电路调试基础上借助 Multisim 仿真排查寄生反馈的方法，通过仿真分析验证了直流电源能够引起寄生反馈，并采取退耦电路对其进行消