放大电路的设计与仿真精选(九篇)

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第1篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：共射放大电路；USB；Proteus；仿真

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0269-03

The Analysis and Study of Common-emmitter Amplifier Circuit Based on Proteus

ZHU Rong-tao1， XU Ai-jun2

（1.Yangtze University College of Technology & Enginerring， Jingzhou 434020，China； 2.Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract：Traditional Common-emmitter Amplifier Circuit usually adopts +12V single power supply. In the case of lack of DC Stabilied Voltage Power Supply， we can’t do the experiment. In order to solve the problem， the author propose a sort of Common-emmitter Amplifier Circuit which adopts +5V single power supply. +5V single power supply can be provided by the USB interface. On the basis of thoery analysis， we study the basic characteristic of the Common-emmitter Amplifier Circuit such as Amplification Factor， Input Resistance， Output Resistance and Bandwith. The results shows that the Proteus simulation results is consistent with the hardware experiment results. The simulation is used by Proteus， and is tranplanted into hardware circuit. The method has certain promotion value in practical application.

Key words： Common-emmitter Amlifier Circuit；USB；Proteus； simulation

在传统的模拟实验教学中，共射放大电路实验通常采用+12V单电源供电，在没有直流稳压电源的情况下，共射放大电路无法正常工作，也不能微弱信号进行有效放大。在很多实际的工程应用中，经常需要采用共射放大电路对微弱的信号进行放大，若用+12V单电源供电就要为共射放大电路单独做一个电源模块，会增加成本。随着USB技术发展和成熟，USB接口已经成为了主流接口，且USB接口能够提供稳定的+5V电压。为了把理论教学和实际工程应用更紧密联系在一起，同时在兼顾成本和低功耗的前期下，本文提出了一种+5V单电源供电的共射放大电路。

1 Proteus仿真平台

Proteus软件是英国LabCenter Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。先通过Proteus仿真，再移植到相应的硬件电路上进行实物测试，这种开发方式减少了系统开发周期和成本，具有一定的推广价值[1]。

2 +5V共射放大电路设计

实际应用中需要设计一个输入电阻大于500Ω、输出电阻小于 300Ω和电压放大倍数大于10的共射放大电路。经估算，+5V共射放大电路中各电阻元件电阻值如图1所示，耦合电容C1和C2分别取20uF和47uF，旁路电容C3取100uF。

2.1 静态工作点Q的测量

为保证放大电路能正常工作，必须让三极管工作在放大区，因此先设置好合适的静态工作点Q。静态工作点Q的理论估算如下[2-3]：

[VB≈R5R6+R5UCC=25+2×5V=1.43V IC≈IE=VB-UBER3+R4=1.43-0.767 =10.8 mAIB≈ICβ=12.4200= 62 μAUCE=UCC-IE（R3+R4）-ICR2=5-10.8*230*10-3-10.8*67*10-3=1.79V]

利用Proteus软件搭建的仿真电路如图2所示，运行仿真软件可以看到虚拟仪表测试出来的静态工作点Q值。

图2 静态工作点仿真测试图

现将理论估算值和仿真测试值具体数值汇总于表1中，由表1中的数据可知，理论估算值和仿真测试值相符。

2.2 放大倍数和输入输出测试波形

为了能在仿真条件下测出共射放大电路的电压放大倍数，必须先保证输出波形没有失真。在Proteus虚拟环境中，绘制出如图1所示电路，接着将把输入信号和输出信号分别与虚拟示波器相连接，然后运行Proteus软件，就可看到输入和输出波形的图形如图3所示，此时输入信号的频率为10KHz，幅值为100mV。在图3中[4]，我们看到输出波形良好，输入和输出波形相差180°，且没有出现任何失真。

电压放大倍数理论计算如下（放大倍数β=200）：

[rbe=300+（1+β ）26IE=783.9ΩAu=-β（R2//R1）rbe+（1+β ）R3=-11.88]

在输入信号和输出信号的两端分别放一个虚拟交流电压表，运行Proteus软件后，如图4所示可看到输入信号的有效值为69mV，输出信号的有效值为799mV，电压放大倍数为-11.58倍。由此可以看出理论计算结果与仿真结果相吻合，达到了预期的设计目标。

2.3 输入电阻测试

输入电阻测量电路图如图5所示，在输入回路中接入交流电压表和交流电流表后运行仿真开关，分别从电压表和电流表上读取数据。根据[Ri=UiIi=69/0.085≈811Ω][5]，测得当输入信号频率为10KHz时，共射放大电路的输入电阻约为[811Ω]。

输入电阻的理论计算为：[Ri=R5//R6//rbe+（1+β ）R3≈865Ω]。理论计算与仿真测量的结果相符。

2.4 输出电阻测试

输入电阻测量电路图如图 6 所示，首先在输出回路中接入幅值为2V，频率为10K的交流正弦信号源，接着再接入交流电压表和交流电流表，然后后运行仿真开关，分别从电压表和电流表上读取数据。根据[Ro=UTIT=1.42/0.0065≈220Ω]，测得当输入信号频率为10KHz时，共射放大电路的输入电阻约为[811Ω]。

输出电阻的理论计算为：[Ro=230Ω]。理论计算与仿真测量的结果相符。

3 结束语

采用Proteus虚拟仿真软件对+5V单电源共射放大电路进行了设计、分析和仿真，理论分析计算与仿真软件的结果相符，达到了预期设计目标。通过对共射放大电路的仿真可以使学生掌握如何测量放大电路的基本参数，进一步理解放大电路中的参数对放大电路的影响。

参考文献：

[1] 杨宏.基于Proteus的步进电机控制系统[J].现代电子技术，2010，33（5）：104-105

[2] 江晓安.模拟电子技术[M]. 2版.西安：西安电子科技大学出版社，2001：75-78.

[3] 肖渊.基于Multisim的放大电路设计及仿真研究[J].陕西科技大学学报，2009，27（4）：126-127.

第2篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词:PSpice; 通信电子线路; 谐振回路; 检波电路

中图分类号:TP393.01 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)11-0094-03

Realization of Experimental Simulation of Communication Electronic Circuit Based on PSpice

ZHANG Yi-Xiong1, WU Jun-hao1, HONG Zheng-bing2

(1. Deparment of Physics and Electronic Engineering, Hanshan Normal University, Chaozhou 521041, China;

2. Network and Educational Technology Center, Hanshan Normal University, Chaozhou 521041, China)

Abstract: The simulation of a communication electronic circuit was performed with PSpice in an experiment. The synthesis circuit including the circuit of collecting anode amplitude modulation and diode envelope detection was adopted to measure all the circuit parameters during the simulation experiment. The result of simulation shows that the PSpice system is efficient, and that the optimization design for communication electronic circuits can be implemented in combination with high efficiency of PSpice simulation platform.

Keywords: PSpice; communication electronic circuit; resonance circuit; detecting circuit

OrCAD/PSpice电子辅助仿真设计软件经过多年的快速发展,具备了强大的电路设计与仿真能力,提供了大量的电子元器件模型[1],能实现各电路参量的测试、分析功能及电气规则检查与器件库的构建功能。在掌握电路原理的基础上,能方便地利用电子辅助仿真设计软件PSpice完成所需电路的模拟。本文通过通信电子线路电路仿真,证明PSpice辅助设计有利于完成电路的设计、分析、优化、调试和测量。

1 通信电子线路中PSpice仿真的作用

在完成既定的非线性电路设计的基础上,逐步全面掌握电子辅助仿真软件的使用,完善非线性电路的分析方法,从而有助于熟练掌握通信电子线路电路设计要求。通过完成通信电子线路中小信号调谐放大器的设计,理解高频线路中各元器件参数的选择,同时,利用软件掌握对放大器处于谐振时各项技术指标的测试。在完成二极管开关混频器[2-3]的设计中,学会利用电子辅助仿真软件进行电路频谱分析;在高频正弦波振荡器设计测试中,通过电子辅助仿真软件可以实现实际电路中未能观察到的极短时间电路起振过程;PSpice能很好地完成变容二极管调频、集成模拟乘法器等高频电子电路的各电参量扫描和仿真。对通信电子线路中综合电路的仿真实现,更能提高对电路的全面分析、设计能力。下面通过通信电子线路中含小信号调谐放大的集电极调幅及二极管检波的电路进行仿真分析。

2 通信电子线路PSpice仿真电子原理图

图1所示为PSpice电路原理图:集电极调幅及二极管检波的电路。高频小信号Vc经谐振放大电路后作为集电极调幅电路的载波信号输入,调制低频信号则从调幅电路集电极输入,再把调幅输出信号输送到二极管检波电路解调[4-6],因Q1级作为高频小信号放大级,放大电路可工作在甲类状态,谐振回路作为输出,就具有选频作用。而集电极调幅放大级作为既要考虑功率放大作用,又要起到调制作用,所以采用丙类放大工作状态,如图1中的Q2级放大所示。检波采用的二极管检波电路能够满足大信号的解调。

在确定好电路基本功能结构后,需要设置每一电子元器件的具体参数,而优化元器件参数的具体过程最能提高学习者的电路设计能力。如图1中,Q1级甲类放大电路,要考虑好交、直流通路的合理设置,选择好放大电路的静态工作点,而且LC谐振回路的谐振频率要满足在载波信号频率上。

图1 含小信号调谐放大的集电极调幅及

二极管检波的PSpice原理图

集电极调幅级放大电路的参数需满足较大的功率输出、较高的放大器输出效率、较好的信号调制效果。要满足这些条件,要求元器件参数:

Q2级放大器处于丙类放大工作状态;在低频调制信号幅值为零时,调节好高频载波信号的大小,使Q2级放大器处于过压工作状态,此时流经Q2级放大器发射极电流Ie波形成下凹,以确保放大器处于过压工作状态,这样才能更好地实现集电极的调幅效果。

二极管检波电路首先要考虑采用的检波二极管PN结的结电容要尽量小,以减少结电容对二极管检波结果的影响;其次应注意要达到一定功率输出时,交直流负载的大小选择优化,避免检波的负峰值切割失真;再需设置好检波电路中电阻与电容,满足相应的时间常数,避免检波的惰性失真。

3 PSpice仿真分析

图1中的载波信号Vc为10.7 MHz的正弦波;VΩ为1 kHz的调制正弦信号。选用输入导纳与输出导纳都小的晶体管,以及在接入系数小的情况下,两级谐振频率须在10.7 MHz处。

fp=12πLCT=12πL(C+P21Coe1+P22Cie2)

式中:P1为本级晶体管输出端对谐振回路的接入系数[3];P2为下级晶体管输出端对谐振回路的接入系数;Coe1为晶体管的输出电容;Cie2为下级晶体管的输入电容。据此可以确定L,C并联谐振回路的电感、电容值。当图1中C11=120 pF时,变压器TX1的初级电感量约为2 μH。设置好参数后可以利用PSpice的交流分析扫描出电路的幅频特性图。图2为Q1级谐振放大电路的PSpice幅频特性。从图2中能直观地测定电路谐振点。

调整Q2级放大器工作状态时,可以利用PSpice的电压探针[7-10]测量出Q2级E极电流波形,使电流波形产生下凹,达到放大器工作在过压状态,以便调幅成功。从变压器TX输出的调幅信号如图3所示。该调幅信号经二极管检波电路后的解调输出如图4所示。

图2 调谐放大电路PSpice扫描的幅频特性图

图3 集电极调幅波形图

图4 二极管检波输出波形

二极管检波时,若把高频载波信号描述为:

Vc=Vcmcos(ωct)

(1)

低频调制信号为:

VΩ=VΩmcos(ωΩt)

(2)

则已调波表示为:

VAM=Vcm\cos(ωct)

(3)

式中:ma为调幅系数;

Ω为调制信号VΩ的角频率;Vcm为高频信号Vc的振幅;VΩm为调制信号VΩ的振幅;VAM为调幅波的振幅。

令二极管检波电路中的直流负载为RL,交流负载为Rg,为克服惰性失真,则电路的时间常数RLC大小受到限制[7]。要求:

RLC≤(1-m2a)/(maΩ)

(4)

否则会产生图5所示的PSpice仿真出的检波对角线失真波形图。

当输入低频信号比较大,形成调幅波电压的调幅系数ma较大,此时若设置二极管检波电路中的交、直流负载不适当时,造成交、直流负载较大差异,输出的检波信号就会在其负峰值附近被切平,形成如图6所示 PSpice仿真的检波负峰切割失真波形。

图5 检波对角线失真

图6 检波负峰切割失真

在PSpice仿真过程中,可以更好地掌握电路各分立元件的参量设置如何影响到电路输出效果,从而避免所设计的电路产生对角线切割失真现象和负峰切割失真现象。通过对电路中电参量波形的测量,易于理解产生各种现象的原因。

4 结 语

利用PSpice分析含小信号调谐放大的集电极调幅

及二极管检波电路,通过电路设计目标和元件参数要求及仿真结果来综合体现PSpice电子辅助仿真设计系统应用于通信电子线路仿真的高效性,进而利用电子辅助仿真设计软件提供的可自由开发、设计、检验平台,进行创新性电路设计。

参考文献

[1]赵雅兴.PSpice与电子器件模型[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[2]严国萍,卢占超.通信电子线路[M].北京:科学出版社,2007.

[3]胡宴如,耿苏燕.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2009.

[4]谢嘉奎,宣月清,冯军.电子线路非线性部分[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6]刘静波.高频电子线路实践教学的建设和探索[J].电气电子教学学报,2006,28(4):87-90.

[7]杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001.

[8]高远,姚澄,朱昌平.高频电子线路仿真实验的设计与实现[J].实验室研究与探索,2009,28(2):85-89.

第3篇：放大电路的设计与仿真范文

【关键词】 Multisim 仿真 教学应用

1 问题的提出

在以往单一的教学中，教师只是把书本上的知识总结归纳地讲给学生，从学生的角度分析，技校的学生思想比较活跃，但基础知识相对比较差，再加上电路分析本身就是一个很抽象的学科，这就使学生在学习电路分析的时候感到有一定的困难，从而对学习没有兴趣，成绩自然就不好。那么，如何尽快地培养出满足市场需要的电工电子技能型人才成为教学工作者必须研究的问题。

由于在电子电工实验和实习操作中，我们需要很多相关的实验仪器，其中有些仪表仪器价钱比较昂贵，操作起来也比较复杂，若在实验和实习中完全依赖这些昂贵的仪器进行实做训练，投入大，消耗的成本比较高。因此，电路模拟软件就是我们所需要的一种教学新方法。

运用Multisim仿真系统教学是解决这一问题的重要途径。它既能解决学生实习时不熟悉仪表操作的问题，又可以大大提高学生的学习兴趣，还能提高学生的电子电路设计的能力，使课堂的实验演示更加灵活方便。

2 电子设计软件教学模式的确定

职业技术教育的电子电工技术应用专业的职业培训是使学生获得电子电工应用专业职业技能，既能适应现有的社会传统的电工电子专业的需要，也可以参与新项目的研究和开发。为此，我们需要建立一整套适应教学和市场需要的培养体系，使技校的学生除了动手能力、实践能力很强以外，参与新技术研究的能力也得到提高。

电工电子软件的应用技术教学模式应当是将传统的教学模式与新的多媒体教学模式相结合，使学生在掌握书本上的科学知识和专业知识的同时与实践相结合，更能从学生直观地角度来阐述难懂得知识。从另一个方面来说，给一些学习较好的同学一个电子设计的平台，从而能得到更好地锻炼。

3 Multisim仿真系统在教学中的应用

3.1 Multisim仿真系统的选用。我们选用了Multisim2001，它是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件。Multisim2001与EWB相比在功能上有了较大的改进，提供了标准的实际元（器）件库、RF库、功能强大品种齐全的仿真仪器和能满足各种需求的分析方法。Multisim2001的开放式元件库和仿真结果的输出，可与多种EDA软件匹配。其本身也是一个完整的系统设计工具，结合Spice、VHDL、Verilog可对模拟、数字和RF电路进行仿真。Multisim2001也被广泛的用作“电路分析”、“模拟电子线路”、“数字电路”和“通信电子线路”等课程的仿真设计平台。使电工、电子技术理论课的教学更加生动活泼，课堂实验演示更加灵活方便。

3.2 Multisim仿真系统在电工电子教学中的应用。

3.2.1 在电路分析中的应用。在电路分析中，戴维南定理一个非常重要的内容，但是，它对于技校的学生来说又是一个十分难理解的解题方法。在理论知识掌握了一定程度以后，我们用Multisim仿真系统软件来验证，会让学生更好理解定理、方法的应用，在Multisim中用万用表分别测量电路的端口电压和端口短路电流，就可以轻松地求出线性电路的戴维南等效电路，使计算简单化。

如图1-1所示电路为例：利用戴维南定理求解戴维南等效电路，同时，熟悉在Multisim中选取元件、连接电路、表头测量的基本操作过程。

图1-1 戴维南定理应用电路

基本操作：①从元器件库中选取电压源和电阻，创建图1-1所示电路。②启动Place菜单中的Place Junction命令，再启动Place中的Place Text命令，在需要添加端点的位置上点击鼠标，输入文字A、B。从右边仪表库中选出数字万用表（Multimeter），并接至端点A、B：表头“+”与A连接，“-”与B连接，如图1-2所示。双击XMM1，在面板上选择“V”和“DC”。启动仿真开关，万用表读数为8.0V，如图1-3所示，此为A、B两端的开路电压。

图1-2 测量开路电压和短路电流

图1-3 图1-4

③仍将万用表接至A、B两端，在面板上选择“A”和“DC”，启动仿真开关，万用表读数为2mA，如图1-4所示。此为A、B两端短路电流。④根据戴维南定理，等效电阻等于电路的端口开路电压和端口短路电流的比值，故该电路的戴维南等效电阻R=8/2=4。⑤根据测量的数据，可画出戴维南等效电路，如图1-5所示。

从这个例子我们可以看出，在解决较复杂的电路问题的时候，可以应用Multisim系统软件将这一解题方法直观的展现在学生面前，使学生能有兴趣接受和掌握这一定理的应用，丰富了课堂教学。

3.2.2 Multisim在电子线路中的应用。在模拟电子线路分析与设计过程中，经常需要选择合适元器件。如果在设计过程中，每换一个元件就进行一次测量，则工作量非常大。利用Multisim提供的大量的仿真分析法，可以为电路设计提供许多有效的方法。

例如：单级共射放大电路是放大电路的基本形式，为获得不失真的放大输出，需要设置合适的静态工作点，静态工作点过高或过低，都会影起信号的失真。通过改变放大电路的偏置电压，可以获得合适的静态工作点。

单级共射放大电路是一个低频、小信号放大电路。当输入信号的幅度过大时，即便有了合适的静态工作点，同样会出现失真。改变输入信号的幅值即可测量出最大不失真输出电压。放大电路的输入、输出电阻是衡量放大器性能的重要参数。那么，我们通过Multisim仿真系统软件，为放大电路选择合适的静态工作点，以及如何利用系统软件测量放大电路的性能参数。

3.2.3 静态工作点的设置。创建如图2-1所示电路，运行仿真开关，可看到如图2-2所示的输出波形。然后我们更改一下元件的参数，看看它对放大电路有什么影响。

双击电阻R3，将其数变为R3=27kohm，可以看到输出波形如图2-3所示。很显然，由于R3增大，三极管基极偏置电压增大，致使基极电流、集电极电流增大，工作点上移，输出波形出现了饱和失真。

图2-1 单级共射放大电路

图2-2 共射放大电路输出 图2-3 共射放大电路输出

由理论分析可知，工作点偏高，易引起饱和失真，消除的方法是：增大基极电阻，以减小基极电流，使工作点下移。如果工作点偏低，会引起截止失真，消除的方法是：减小基极电阻，以增大基极电流，使工作点上移。

在电路窗口单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中点击show命令，选择show node names。启动Simulate菜单中Analysis下的DC Operating Point命令，在弹出的对话框中的Output variables页将节点2、3、4作为仿真分析点，点击Simulate按钮，可获得仿真结果如图2-4所示。

图2-4 仿真分析点

3.2.4 输入信号的变化对方法电路输出的影响。现在我们相应的改变输入信号V1，将输入信号幅值变为5mV时，测得的波形如图2-5所示。再分别改变为15mV、20mV时，都有相应的失真，输出波形上宽下窄，当输入信号幅值改为21mV时，波形严重失真，如图2-6所示。因此说明，由于三极管的非线性，图2-1所示的放大电路仅适合小信号放大，当输入信号太大时，会出现非线性失真。

图2-5改变输入时的输出波形

图2-6改变输入时的输出波形

3.2.5 测量放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻。放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的重要性参数。我们利用数字万用表对它们进行测量。

3.2.5.1 测量放大倍数。利用图2-1所示电路，双击示波器图标，就可以从示波器上观测到输入、输出电压值，计算放大倍数Av=V0/Vi。

3.2.5.2 测量输入电阻。如图2-7所示，将万用表接入电路中。运行仿真开关，可从电压表XMM2和电流表XMM1上读取数据，则Rif=Ui/Ii，测得频率为1kHz时的输入电阻。

图2-7 输入电阻测试电路

3.2.5.3 测量输出电阻。根据输出电阻计算方法，将负载开路，信号源短路，在输出回路中接入电压表和电流表，如图2-8所示。设置为交流AC，从电压表XMM2和电流表XMM1上读取数据，则ROf=UO/IO，测得频率为1kHz时的输入电阻。

图2-8 输出电阻测试电路

4 Multisim仿真系统的应用效果、存在的问题及解决的方法

通过以上举例分析，Multisim仿真系统软件无论在教师教学中还是在学生的学习过程中都很方便，在引入仿真教学之前，教师只是仅限于书本上的知识，而学生对这些枯燥的知识没有学习兴趣，既影响了教师的教学效果，也影响学生的学习效果。引入Multisim仿真系统之后，学生可以直观的分析电路，使学生的学习主动性与积极性大为提高。另外，在技能训练中，可以激发学生的动手、动脑能力，大大节约了实习训练成本。

当然，软件的应用也会存在一些问题，比如仿真出来的一些曲线可能和以往见到的不太一样，学生存在对比，以至于混淆；软件对学生英文水平也是一个大的挑战，等等。这就要求教师要正确的引导和指导学生，弥补软件教学的不足。

总之，Multisim加工仿真软件在教学中的应用尚在起步与研究探索阶段，只要积极思考在应用中产生的问题，主动采取应对措施，正确发挥其在教学中的作用，就一定能收到事半功倍的效果。

参考文献

1 蒋卓勤等.Multisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社

第4篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词： 共射放大电路； 共源放大电路； Proteus； 动态特性分析

中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0134?03

Design of high?performance common?source amplifying circuit based on Proteus

ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2， XU Aijun2

（1. Yangtze University College of Technology & Engineering， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： The experiment of the common?emitter amplifying circuit （CEAC） has two problems： the overlarge input resistance may affect on the quiescent operating point and causes the distortion of the output waveform， the small output resistance may decrease the voltage gain. In order to solve the two problems， a high?performance common?source amplifying circuit （CSAC） is proposed， which has the larger input resistance and smaller output resistance. On the basis of the theory analysis， the dynamic characteristics of the CEAC and CSAC are analyzed by means of the Proteus virtual experiment design environment， including the voltage gain， input resistance and output resistance. The test results show that the whole performance of CSAC is much better than that of CEAC， and the CSAC has high performance.

Keywords： common?emitter amplifying circuit； common?source amplifying circuit； Proteus； dynamic characteristic analysis

在传统的模拟实验教学中，放大电路实验更是重中之重，而衡量放大电路性能的主要指标有三个：放大倍数、输入电阻和输出电阻。对于放大电路来说，通常希望该放大电路的放大倍数越大越好、输入电阻越大越好、输出电阻越小越好。在放大电路的实验中通常以共射放大电路为主进行分析和讲解，然而共射放大电路存在两个问题： 输入电阻过大会影响静态工作点，进而会导致输出波形失真；输出电阻过小就会导致放大倍数的降低。针对这两个问题，本文提出了一个高性能的共源放大电路，较好地解决了这两个问题。

1 Proteus仿真平台

Proteus软件是英国LabCenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。先通过Proteus仿真，再移植到相应的硬件电路上进行实物测试，这种开发方式减少系统开发周期和成本，具有一定的推广价值[1?2]。

2 共源放大电路的设计

在放大电路的实验中，经要对幅值很微弱的正弦交流信号进行放大，电压放大倍数通常要求不小于10，单管共射放大电路和场效应管放大电路都可以满足实验要求，同时考虑到低功耗问题，放大电路均采用5 V单电源供电。经估算，共射放大电路中各元件主要参数如图1（a）所示，共源放大电路中各元件主要参数如图1（b）所示，然后分别对这两个电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻进行分析和比较。

2.1 放大电路空载输出波形测试

为了能在仿真条件下能测出共射放大电路在不同负载下的电压放大倍数，必须保证输出波形没有失真。保证输出波形不失真的最好办法就是保证放大电路空载时输出波形不会失真，因为空载时放大电路的放大倍数是最大的。

共射放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下（放大倍数β=200）[3]：

式中：rbe交流（动态）电阻只能用于求交流性能指标；为共射放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。

共源放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下：

式中：为低频互导，反映栅源电压对漏极电流的控制能力；为共源放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。

在Proteus虚拟仿真环境中，绘制出如图1所示实验电路原理图，接着将把输入信号和输出信号分别与虚拟示波器相连接，将开关断开，然后运行Proteus软件，就可看到空载时输入和输出波形图，如图2所示[4]。在图2中，输入信号的频率为1 kHz，幅值为100 mV，信号源内阻为10 Ω。

图2（a）为共射放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，但是出现了一个问题，那就是输出波形与输入波形的相位不对称，即输入信号与零轴的交点和输出信号与零轴的交点没有重合；图2（b）为共源放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，并且输出波形与输入波形的相位是对称的。

由图2可得，与共射放大电路相比，共源放大电路除了能保证输出波形不是失真外，还能有效保证输出波形c输入波形的相位对称。

2.2 输出电压和放大倍数测试

在图1所示的电路中，分别在输入信号和输出信号的两端各放一个虚拟交流电压表，然后调整负载电阻的阻值，闭合开关，运行Proteus软件后，记录下输入和输出电压的有效值，根据仿真测量电压结果计算出电压放大倍数，将测量的结果和计算出的电压放大倍数分别汇总于表1和表2中。

表1 共射放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）

根据表1中的数据可以看出，共射放大电路有以下4个特点：

（1） 当RL=10 Ω时，放大倍数Au=0.72

（2） 当10 Ω

（3） RL>300 Ω时，放大倍数10

（4） 放大倍数和输出电压都随着RL的增大而增大。

根据表2中的数据可以看出，共源放大电路有以下3个特点：

（1）当RL≥10 Ω时，放大倍数Au>10，就可以满足实验要求；

（2）当10 Ω

（3） RL>300 Ω时，放大倍数20

表2 共源放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）

为了更好地看到共射放大电路和共源放大电路在输出电压和放大倍数的区别，分别从表1和表2中提取电阻RL的阻值、输出电压数据和放大倍数，绘制出输出电压对比图和放大倍数对比图，如图3所示。

在图3（a）中，共源放大电路和共射放大电路的输出电压都随着RL的增大而增大，且共源放大电路的输出电压一直高于共射放大电路的输出电压；在图3（b）中，共源放大电路的电压放大倍数一直大于共射放大电路的电压放大倍数，且在RL≤300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数几乎是共源放大电路的2倍。所以不管是从输出电压的大小来看，还是从电压放大倍数来看，共源放大电路的性能要远优于共射放大电路。

2.3 输入电阻测试

在Proteus仿真环境下，绘制出如图4所示的输出电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻的理论计算公式为[5]：

共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]：

将放大电路输入电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表3中。

表3 输入电阻测试

由表3中的数据可以看出，两种放大电路的输入电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输入电阻几乎是共射放大电路输入电阻的3倍。

2.4 输出电阻测试

在Proteus仿真环境下，绘制出如图5所示的输电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻理论计算公式为 [7]：Ro=Rc。共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]： Ro=Rd。

将放大电路输出电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表4中。

表4 输出电阻测试

由表4中的数据可以看出，两种放大电路的输出电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输出电阻几乎是共射放大电路输出电阻的。

3 结 论

采用Proteus虚拟仿真软件分别对共射放大电路和共源放大电路进行了分析和比较。从分析的结果来看，共源放大电路在性能上要优于共射放大电路，主要体现在以下4个方面：在保证放大倍数的情况下，共源放大电路输出波形的相位是对称的，而共射放大电路输出波形的相位是不对称的；当10 Ω300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数基本上保持不变，可以做到恒压输出，共射放大电路的放大倍数Au>10，但做不到恒压输出；共源放大电路的输入电阻比共射放大电路输入电阻大，且输出电阻比共射放大电路的小。

注：本文通讯作者为罗明璋。

参考文献

[1] 宋杰.基于Proteus的X86中断仿真异常问题探究和对策[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：81?84.

[2] 吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus 软件在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79?83.

[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013：181?185.

[4] 杨莲红，杨奇，孙万麟.基于Multisim 10的单管共射放大电路静态分析[J].现代电子技术，2014，37（5）：128?129.

[5] 元增民.模拟电子技术简明教程[M].北京：清华大学出版社，2014：73?78.

[6] 杜树春.基于Proteus的模拟电路分析与仿真[M].北京：电子工业出版社，2013：117?118.

第5篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：蔡氏电路；混沌电路设计；多涡卷；倍周期分岔

1 概述

蔡氏电路是目前所有的混沌电路中最具代表性的电路。经典蔡氏电路是由电阻、电容、电感和运算放大器的电路，但它有时不能满足实际需要，如混沌保密通信技术的目标。多涡蔡氏电路，性能优良，是非感应Chua电路的发展，但也存在两个问题，一是静态非线性电路太复杂，二是不是对动态电路的优化。有许多Chua的电路设计方法，这里我们只研究限制Chua的电路的非线性电感。纯Chua开关电路由运算放大器、电阻和电容的设计很多，在静态非线性电路的设计，三方电路由绝对值电路和乘法器的运算放大器电路的设计，直接由纯粹的运算放大器电路。

2 单运放构成的蔡氏混沌电路

对图1电路分析包括A1、A3的反相输入端和输出端连接一个电阻之间，使用软件的电路Multisim11.0 IV分析仪的I-V特性，第一通道连接到输入电流，通道二连接从输入到输出的电压输出两平行，一路是一个限幅放大器与一个电阻串联，一路是一个单一的电阻。限幅放大器的反相放大，输出电压-输入电流的关系是平台-下坡-平台曲线，只有一个电阻的输出电压-输入电流关系是上坡曲线。从A到B的总电压输入电流输出关系是两个叠加，为上坡下坡上坡曲线，是一个分段线性曲线。

3 双运放构成的蔡氏混沌电路

三线将延伸到多线，首先给出五线电路，如图2所示，同相输入运算放大器的两并行终端12V，三型限位线电压传输电路。A3电路测试。

4 结束语

本文根据原始蔡氏电路，设计出单运放、双运放蔡氏混沌电路，用Multisim11.0软件进行仿真，运行结果与实际理论结果完全一致，可以看出纯粹由运算放大器、电阻、电容设计的蔡氏电路优点最多，仿真具有实际意义。适合Chua的电路混沌电路系统外完成方法的优化设计方法，是对一般动态混沌电路的优化设计方法。

参考文献

[1]王诗斌，谢胜曙.混沌及混沌电路的研究[D].长沙：湖南大学，2004.

第6篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：Multisim；仿真；电子电路

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 18-0000-01

Multisim Software Simulation of Electronic Circuits Using in the Experimental Teaching

Hu Xiaoying

(Hulunbeier Radio and TV University,Hulunbeir 022150,China)

Abstract:This paper introduces the basic features of simulation software and components,introduces the use of software for electronic circuit design and simulation analysis methods and a few precautions.

Keywords:Multisim;Simulation;Electronic circuit

计算机仿真技术，是现代高科技的一个组成部分，它具有增强感性认识，有利于检验设计与理论计算，充分发挥计算机的高科技技术能力，因此日益得到广大教育工作者及科技人员的关爱。以往的教学模式主要是注重公式的推导和定理的应用，课堂教学形式比较单一，教学效果一般。若在日常的教学中恰当的运用仿真软件，能更为直观的将结果展现出来，且教学形式比较灵活，并可以提高学生的学习积极性。此外，仿真软件的正确使用，可以培养学生运用软件解决分析问题的能力，建立正确的设计及分析理念。

一、分析RC桥式正弦波振荡电路

（一）振荡电路起振波形的观察

首先创建实验电路。运行Multisim 2001软件进入主窗口，将原理图中的所有元件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路图中电路符号均采用北美标准（ANSI）。打开示波器面板，将Time base设置为20 ms／DIV，显示方式设置为Y／T，Channel A和Channel B设置为5 V／DIV．启动仿真开关后，若振荡没有建立，则按键盘上的ShiR+A键增大R的阻值（每按一次增大1％，这是increment的设置值），直到出现振荡波形；如振荡已建立但波形存在失真，则按动键盘上的A键减小R2的阻值，直到波形无明显失真．振幅较大的是集成：运放输出电压U。的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压+的波形、按下仿真暂停键pause，拖动水平滚动条，可观察起振波形。

（二）起振条件研究

在正反馈支路中，若R1=R，=R，Cl=G=C，则电路的振荡频率=1／（27zRC），正反馈支路的反馈系数为1／3．根据起振的幅值条件，在电路的起振过程中，由Dl，D2，3，4构成的负反馈支路的反馈系数须小于1／3，即R4•x~／（R3+R4）=／（R3+R4）

（三）振荡周期的测量

调整示波器面板参数，将示波器水平灵敏度设置为2ms／DIV，开启仿真开关，拖动垂直坐标线1和2，可测得2T=-=12．6ms，则振荡周期T=6．3ms，在测量误差范围内与理论值T=27zRC6．28ms是一致的。

（四）稳幅环节的研究

二极管Dl和D2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度．起振时，由于集成运放的输出电压很低，Dl和D2接近于开路，3，Dl，D2并联电路的等效电阻近似等于R3，l户l>1，电路产生振荡．随着集成运放输出电压的增大，当3上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过3上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使I户I逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态．若电路进入稳幅工作状态后闭合J1，则3，Dl，D2并联电路被短路，负反馈支路的反馈系数增大为1，电路不满足振荡条件，振荡电路将会逐渐停止振荡。

二、分析差分放大电路

（一）直流分析

选择Sim-ulate菜单中的Analysis命令，然后选择Dc Operating Point子命令确定静态工作点。

（二）差模放大倍数分析

加差模信号ui1，ui2，分别接入电路的左右输入端，电阻R1作为输出负载，则电路的接法属于双入双出。将四通道示波器XSC1的3个通道分别接在信号源ui1和负载R1两端。运行并双击示波器图标XSC1，调整各通道显示比例，得差分放大电路的输入／输出波形。用示波器观察和测量输入电压和输出电压值，差模信号单边电压V1-3．597 mV（5mV／Div），单边输出交流幅值约为170．124mV（500mV／Div），所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数AuΔ-170．124／3．597=-47，与单管共射的放大倍数相同，即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。

（三）共模放大倍数分析

将信号源ui2的方向反过来，即加上共模信号，运行并双击示波器图标XSC1，调整A，B通道显示比例。由波形可知，在峰-峰14mV（有效值为5mV）的共模信号作用下，输出的峰值极小，峰-峰值为13mV，因此单边共模放大倍数小于1。且uc1和uc2大小相等，极性相同。所以，在参数对称且双端输出时，共模放大倍数等于0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。显然，仿真结果与理论分析结果一致。

（四）共模抑制比分析

第7篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：高频电子线路；小信号放大器；S参数；教学

Research of teaching method on small-signal amplifier in high-frequency circuits

Tang Jian

Yancheng Teachers University， Yancheng， 224051， China

Abstract： Through several years' teaching practice， the S-parameters of microwave engineering are introduced in the process of teaching high-frequency circuits properly， as well as the software simulation， which make the students understand and related knowledge point from multiple perspectives. The proposed teaching method has achieved good teaching effects in the classroom teaching.

Key words： high-frequency circuits； small-signal amplifier； S-parameters； teaching

高频电子线路课程主要讨论应用各种无线电技术的高频电子线路，结合无线电通信方式讨论设备和系统中高频电路的线路组成、工作原理及工程设计计算，如选频网络、高频小信号放大器、高频功率放大器、高频接收机及发射机等[1-2]。高频电子线路与低频电子线路的区别在于，前者处理的信号为高频电磁波信号，需要使用电感及电容组成的选频网络实现输入级和输出级的阻抗匹配。

高频小信号电路的教学从分析晶体管的高频小信号模型入手，把完整的放大器结构看成双端口网络，建立导纳矩阵的Y参数小信号模型，在阻抗匹配部分采用的是电感抽头式电路与电容组成的谐振网络，通过阻抗匹配的要求推导出接入系数的关系式，但在常规教学中，阻抗匹配只是用来推导接入系数，并未做深入的解释，学生对阻抗匹配概念比较模糊。笔者在教学中引入微波工程中S参数的概念，使学生更深刻地理解高频小信号放大器阻抗匹配的物理意义。结合微波电子技术中小信号低噪声放大器，为学生学习小信号放大器提供了一个新的认识角度。

1 高频电子线路中小信号放大器的组成

高频小信号放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，因此，采用导纳分析比较方便，其中输出回路中抽头系数为P1，变压器接入系数为P2，在引入晶体管Y参数模型后，假设不存在内反馈，即yre=0，并把晶体管集电极回路和负载折合到振荡回路两端（1和3）后的等效图如图1所示[1]。

图1 折合到1和3两端后的等效图

由图1可得谐振增益[1]：

（1）

为了获得最大增益，负载阻抗需和信号源内阻相同，因此，满足的匹配条件如式（2）所示。根据式（2）即可求出接入系数P1和P2，分析自激条件可得到稳定系数S，从而完成高频小信号放大器设计[1]。

（2）

（3）

虽然在常规的高频电子线路教学中，根据以上内容已完成高频小信号放大器的设计教学，但其中关于阻抗匹配的概念仅是一带而过。由于高频电子线路中处理的是高频电磁波信号，所谓阻抗匹配，即无反射波，所有高频的微波信号皆能传至负载，不会有信号反射回源点，从而提升能源效益[3，4]。因此，笔者在教学中引入微波技术中的散射参量S的概念，并使用软件完成高频小信号放大器的仿真，加深学生对高频小信号放大器的理解。

2 散射参量S的概念

设n端口网络的第j个端口接微波源，其余所有端口接匹配负载，即网络只有一个电压入波aj，按上面的公式可知，任意一个端口的电压的出波[3]：

（4）

（1）如果i≠j，按照归一化电压波的定义可知：

（5）

（6）

公式（5）和（6）表明，在网络负载端口都处于匹配的状态的条件下，Sij的物理意义是任意两个端口之间的归一化电压传输系数；当相关端口的特性阻抗相同时，其物理意义是两个物理端口的电压传输系数；其模的平方是两端口之间的功率传输系数。

（2）如果i=j，按照归一化的电压波的定义可知：

（7）

公式（7）表明，在网络的各负载端口都处于匹配状态的条件下，Sij的物理意义是任意端口的电压发射系数。因此，使用散射参量S即可表征高频小信号放大器的传输增益、反射系数以及阻抗匹配情况。

3 采用S参数分析法的高频小信号放大器的软件仿真

在课堂上使用软件仿真演示采用S参数分析法的高频小信号放大器设计和分析过程，具有步骤简单易实现且效果直观的优点。高频晶体管放大器与低频放大器的设计方法有明显的不同，它需要考虑一些特殊的因素，其中最重要的是输入信号与晶体管良好的匹配以及放大器的稳定性分析。稳定性分析以及增益、噪声系数等都是设计高频放大器电路时必须考虑的基本问题，只有综合考虑这些问题，才能设计出符合实际应用要求的高频晶体管放大器。

我们采用ADS软件仿真实现高频晶体管低噪声放大器。ADS是美国安捷伦公司开发的高频电子设计自动化软件，包括时域电路仿真（SPICE类仿真）、频域电路仿真（谐波平衡，线性分析）、通信系统仿真等。小信号放大器采用的是小信号SP模型，模型中已经带有确定的直流工作点[5]。和理论教学的过程一致，首先进行直流特性的仿真，仿真电路图如图2所示。仿真结果如图3所示，选定晶体管的直流工作点后，可以进行晶体管的S参数扫描，对应的工作点为Vce=2.7 V，Ic=5 mA。由于SP模型本身已经对应于一个确定的直流工作点，因此，在做S参数扫描时无需加入直流偏置，仿真结果如图4所示。图4给出的是S11参数，可见在工作频率2 GHz处的反射系数依然较大，为-6.5 dB，可知当前晶体管的输入端反射较大，输入匹配不好。

图2 晶体管直流工作点扫描仿真电路图

图3 直流特性仿真结果图

图4 晶体管的S11参数仿真结果图

由晶体管的S参数可得其在2 GHz的输入阻抗为（18.89+j*6.81）Ω（虚部表示含有感抗部分），为实现良好的输入及输出匹配，引入用微带线分布参量实现的等效电感电容选频网络，仿真电路结构图如图5所示，所匹配的阻抗大小均为50 Ω，亦即选频网络的阻抗变化作用，将晶体管的输入输出阻抗均变化为信号源的标准阻抗50 Ω，从而实现阻抗匹配，降低输入信号的反射，并获得最优的传输增益。放大器的工作中心频率选在2 GHz。

图5 使用分布参数微带线匹配后的小信号放大器仿真图

经过仿真后的S参数结果如图6～图8所示。其中S11反应的是输入匹配情况，S11越小，输入匹配则越大，S22反应的是输出匹配情况，S22越小，输出端反射越小，匹配越好。S21则是放大器的增益，在2 GHz下达到了10 dB。

图6 匹配后的放大器S11参数仿真结果图

图7 匹配后的放大器S22参数仿真结果图

图8 匹配后的放大器S21参数仿真结果图

该仿真为学生提供了直观形象的高频微波小信号放大器的设计过程，并引入了S参数的概念，使学生对小信号放大器设计过程中输入及输出匹配的影响有了更深刻的认识。

4 噪声系数在高频小信号放大器教学中的介绍

高频小信号放大器一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，也用于高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此，希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示[6]。理想放大器的噪声系数F=1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。一般对于低噪声放大器使用高Q值电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生额外的热噪声，放大器的输入端应避免直接连接到偏置电阻，低噪声放大器PCB应具有损耗低，易于加工和性能稳定的特点，均匀材料的物理和电气性能（特别是介电常数和厚度），虽然对材料的表面光洁度有一定要求，也可以使用通常在FR-4（介电常数4和5之间）的基片，如果电路需要高氧化铝陶瓷等材料，可以使用作为底物的微波板PCB布局，要考虑到邻近相关电路的影响，注意过滤，接地和外部电路设计，以满足电磁兼容的设计原则。

通过在电路原理图中加入噪声系数计算控制器和稳定系数计算控制器，为学生演示噪声系数和稳定性系数的仿真结果，并设置优化控件。为提高稳定性，在晶体管源级增加电感，最终得到以上高频小信号放大器的噪声系数及稳定系数（如图9和10所示）。可见在2 GHz下的噪声系数仅为1.925，稳定系数大于1。

图9 优化后的放大器噪声系数仿真结果图

图10 优化后的放大器稳定系数仿真结果图

5 结束语

针对高频电子线路中的重要知识点，拓展了高频小信号放大器的教学内容。引用了微波技术中的散射参数S的概念，采用ADS仿真的方法展现了高频小信号放大器的设计过程，通过软件仿真和新的物理概念的引入，在课堂上学生从多个角度深刻认识了阻抗匹配的基本原理和物理含义，低噪声系数的介绍使学习不再局限于教材上的稳定系数的内容，让学生从目前无线电通信接收机的实际要求中深刻领会产业前沿，进一步激发学习本课程的兴趣。

参考文献

[1] 张肃文.高频电子线路[M].第五版.北京：高等教育出版社，2009.

[2] 谈文心，邓建国，张相臣.高频电子线路[M].西安：西安交通大学出版社，1996.

[3] 黄智伟.射频小信号放大器电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[4] 张玉兴.射频与微波晶体管功率放大器工程[M].北京：电子工业出版社，2013.

第8篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：晶体管 低噪声放大器 传输性能 噪声系数

中图分类号：TN722.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0183-03

在图1中，BPF1为带通滤波器，BPF2为处理信号模块。进入接收系统的信号有两种，一种是有用信号，一种是外部带来的噪声和电路自身存在的噪声。因此，需要对这些微弱信号进行滤波后再放大；由于微波信号，很容易被噪声所掩盖干扰，这就要求放大器本身噪声性能足够好，故低噪声放大器就应需求而被广泛研究和使用。低噪放（LNA）处于接收机前端信号处理的第一级，具有放大信号和降低噪声，也能很大程度上提高通信系统的灵敏度，对整个通讯系统的性能有非常重要的作用[1]。接收系统对于低噪声放大器（LNA）基本要求[2]是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好和较大的动态范围。如果电路中的低噪声放大器噪声系数比较低，则整个接收机系统的噪声系数也会比较小，信噪比就比较优良，灵敏度得到提高[3]。因此研究低噪声放大器（LNA）就很有必要。

低噪声放大器（LNA）是广泛应用于通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收设备的关键部件，在接收机系统中处于前端，主要作用是放大接收到的微弱信号，降低噪声干扰。因此，低噪声放大器的设计成了诸多接收系统设计的关键。

1 电路设计

低噪声放大器（LNA）的电路结构包括晶体管、直流偏置、输入输出匹配三大部分，应此，LNA的设计与一般的线性放大器的设计大致一样，可以按照这几个部分依次进行。但是，与一般的线性放大器相比，低噪声放大器在需要实现目的和设计方法都有所不同。实现目的不同表现在，一般的线性放大器主要为了实现高增益的性能，每级均采用功率匹配，而低噪声放大器为了实现低噪的性能，输入端一般采用最佳噪声匹配，输出端采用功率匹配，最后找出一个平衡点实现较小的噪声系数和较大的功率增益。LNA的一般设计步骤如下：

（1）选择满足设计要求的晶体管的型号（NPN或PHEMT）。LNA要求管子的噪声系数越低越好，而增益越高越好，但是二者是相互矛盾的，需要对它们作一平衡。

（2）确定所选择晶体管的稳定性。对绝对稳定的晶体管器件，可以直接M行后续电路的设计。对于不是绝对稳定的晶体管器件，可以用两种方法来解决放大器电路的稳定性问题，一是可以先在反射平面作出不稳定区域，在频率范围允许的条件下，选择避开潜在不稳定频率区域来设计所需要的放大器。另一种方法是，若设计的放大器频率范围不能避开潜在不稳定频率区域，则利用其他方法（如添加负反馈）来提高放大器电路的稳定性，使放大器在整个工作频率范围内保持绝对稳定。

（3）利用射频放大器设计软件，对放大器晶体管设置偏置电路以实现放大电路的直流供电，在此基础上，进行放大器输入输出匹配网络设计的设计以实现低噪声高增益的放大器性能指标，最后用ADS射频仿真软件模拟并仿真低噪声放大器的各项性能指标，仿真结束后需要检验LNA的稳定性，若不稳定需要重复步骤（2），若稳定，则检查放大器其他各项重要性能指标，并经行下一步优化仿真设计。

2 电路原理图及仿真优化结果

AT-41511是Agilent公司一款NPN型三极管，主要工作频段800MHz到2.6GHz.AT-41511 LNA原理图如图2所示。

由图3可知工作频率为2.4GHz下电路优化前各项指标：增益S（2，1）=8.446，反向隔离度S（1，2）=-17.564，输入反射系数S（1，1）=-32.551，输出反射系数S（2，2）=-4.556.

由图4可知工作频率为2.4GHz下电路优化后的各项指标：增益S（2，1）=10.039，反向隔离度S（1，2）=-15.970，输入反射系数S（1，1）=-16.225，输出反射系数S（2，2）=-12.750.

由图5可知电路在2.4GHz频率下是绝对稳定的，满足设计要求。

由图6可知电路噪声系数还有待提高，结合LNA可以工作在液氮温区、噪声系数指标要求高的特点，由于BJT管（双极性晶体三极管）和FET管（场效应管）很难达到这样的要求，所以最好选用HEMT（高电子迁移率晶体管）器件来设计。HEMT管相比于FET，具有高增益、低噪声和高功率容量等优点。

常规HEMT器件的微波及高速性能都很优越，但域值电压会随着温度的变化改变，尤其是在低于77K温度时，沟道电流会突然消失。新型的PHEMT器件弥补了常规HEMT器件的这种不足，使得器件相比于常规的HEMT器件，具有更大的电流密度、更高的增益和更高的工作频率上限。

结合上述原因，本文选用Avago公司的PHEMT晶体管ATF54143来设计低温LNA。ATF54143具有噪声系数小、增益较高、动态范围大、温漂小等优点，该晶体管在低温下仍能保持一些常温下的特性，例如S参数基本不会变化并且在低温下晶体管也不会出现自激的情况。由于ATF54143的这些优点，本文采用常温设计法设计该低温LNA。先对ATF54143晶体管直流分析确定直流工作点，接着根据直流工作点位晶体管设计偏置电路，然后对电路的稳定性经行分析并采用源级负反馈实现LNA在整个工作频段上绝对稳定，然后进行输入输出匹配电路的设计和实现，得到的LNA的整体电路结构，最后对整体电路优化仿真。优化仿真结果。整体结构原理图如图7所示。

由图8可知LNA电路噪声系数为0.738，相比于AT-41511 LNA电路，ATF54143 LNA电路在2.4GHz频率下可以得到相对比较理想的噪声性能。

3 结语

本文使用Agilent公司ADS软件设计的AT-41511 LNA，在工作频率为2.4GHz下实现噪声系数2.011，稳定系数大于1，输入输出反射系数小于-10，S12

参考文献

[1]陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解―射频电路设计与仿真[M].北京：人民邮电出版社.2008：321-341.

第9篇：放大电路的设计与仿真范文

关键词：DCDC开关电源；模拟加法器；恒流源；误差放大器

中国分类号：TN433文献标识码：A文章编号：10053824（2013）03000503

0引言

电源管理IC因具有体积小、转换速率高等优点，已被广泛应用于电子、通信、电气、能源、航空航天及家电等领域。电源管理IC主要分为线性稳压电源转换器和DCDC开关电源转换器。相对于线性稳压电源转换器， DCDC开关电源转换器具有电压转换效率高和输出电压范围较宽的特点，因而DCDC开关电源转换器已成为主要的电源产品之一[1]。

降压型脉冲宽度调制型（pulse width modulation， PWM） DCDC开关电源是目前被广泛应用的1种DCDC开关电源结构[24]，其电路结构如图1所示。由图1可知，模拟加法器是PWM型DCDC开关电源转换器的核心模块，其性能特性直接影响PWM型DCDC开关源的性能特性，因而要求模拟加法器在电源电压、温度等变化或漂移条件下，均能获得稳定的性能。针对这些要求，本文设计了1种适用于DCDC开关电源的模拟加法器。

1模拟加法器原理及构成

本文所设计的模拟加法器的原理图如图2所示。该模拟加法器主要由误差放大器A1，误差放大器A2，MOS晶体管M1―M4，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成。其中，误差放大器A1与误差放大器A2完全相同，Vref为带隙基准参考提供的1.2 V带隙参考电压，其具有与温度、电源电压波动以及工艺无关的参考电压源。VA1为图1所示的DCDC开关电源转换器的放大器的输出信号。电容C1与电容C2在图2所示电路中起滤波以及电荷存储作用。

图1DCDC开关电源转换器电路结构图图2模拟加法器原理图误差放大器A1，MOS管M1与电阻R2构成负反馈系统。误差放大器A1强制放大器的两输入端电压相等，即V1=Vref，因而流过电阻R1的电流I1为I1=VrefR1（1）图2中，MOS晶体管M1与M2构成基本电流镜，因而流过M2的漏电流I2为I2=WL2WL1I1（2）（2）式中：WL1与WL2分别为晶体管M1与M2的宽长比，因而电阻R1的压差VR1为VR1=I2R2=WL2WL1×R2R1×Vref（3）同理，误差放大器A2与MOS管M4也构成负反馈系统。误差放大器A2强制其两输入端电压相等，即V2=VA1（4）由（3）式与（4）式可得模拟加法器的输出电压VA，其可表示为VA=VA1+WL2WL1×R2R1×Vref（5）在电路设计时，若M1与M2为完全相同的PMOS管，即WL1=WL2，同时R2与R1为同一类型电阻且具有相同的阻值，则（5）式可表示为VA=VA1+Vref（6）（6）式说明图2所示的电路能有效地实现两模拟电压求和的功能。

2误差放大器的分析与设计

在图2所示的电路中，误差放大器A1以及误差放大器A2为模拟加法器的重要单元模块，其性能特性直接影响模拟加法器的性能特性，其中误差放大器A1与误差放大器A2完全相同。针对此问题，本文所设计的误差放大器A1与误差放大器A2采用折叠式共源共栅结构[5]，如图3所示。误差放大器主要由晶体管Ma0―Ma10、电阻R构成。其中Vp和Vn分别为误差放大器的差分输入端，Vb1―Vb3为偏置电压，Ma0与Ma1为PMOS输入对管，Ma3，Ma4与Ma5，Ma6形成电流镜对负载，实现双端输入和单端输出。图4为放大器的交流仿真曲线。仿真结果显示，在一定负载电容条件下，本文所设计的误差放大器获得65.5 dB的低频增益以及80°相位裕度，能够满足模拟加法器的要求。

图3误差放大器电路图图4误差放大器交流仿真波形图3仿真结果与分析

为验证所设计的模拟加法器的性能特性，在电源电压VDD=3 V的条件下，采用CSMC的0.5 μm标准CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对电路进行了仿真验证。

当Vref=1.2 V以及VA1=1 V时，模拟加法器的瞬态仿真结果如图5所示。仿真结果显示模拟加法器的输出VA≈2.2 V，有效地实现了加法器功能。图6给出了VA与输入信号VA1的直流扫描关系曲线。仿真结果显示，模拟加法器的输出电压VA与输入电压VA1成线性关系，其差值恒为一常数。

图7为模拟加法器输出电压VA与温度的关系仿真曲线。仿真结果显示，当温度在0～110 ℃范围变化时，输出电压VA变化量仅为1.18 mV。

图5模拟加法器瞬态仿真

图6模拟加法器输出VA与输入VA1的关系曲线

图7模拟加法器输出电压与温度关系仿真曲线

4结语

本文设计了一种适用于DCDC开关电源的模拟加法器，其具有简单的电路结构。采用CSMC 0.5 μm CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对所设计的电路进行了仿真验证。仿真结果显示模拟加法器具有非常好的性能，能够满足DCDC开关电源的要求。参考文献：

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