分壓器模型在模擬電路中的應(yīng)用

摘要：分壓器是一種基本的電路模型，廣泛應(yīng)用于電子電路中。為了簡(jiǎn)化模擬電路的分析與計(jì)算，將分壓器模型應(yīng)用其中。采用理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)三個(gè)典型模擬電路進(jìn)行理論計(jì)算，并在同樣的參數(shù)條件下，用Multisim軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果吻和較好，表明分壓器模型引入到模擬電路的分析中是有效可行的。
關(guān)鍵詞：分壓器；模擬電路；應(yīng)用；仿真

    模擬電路是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課，其中電路的分析與計(jì)算是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在繁雜多變的電路中，分壓器是一種基本的電路模型，廣泛應(yīng)用于電子電路中。很多模擬電路的分析與計(jì)算的關(guān)鍵就在于在一個(gè)具體的電路中找到分壓器模型，并將分壓公式應(yīng)用其中。本文主要介紹了分壓器模型在模擬電路中的三個(gè)典型分析與計(jì)算，并利用Multisim軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。

1 分壓電路與分壓器模型
    電阻的串聯(lián)連接常用于分壓，如圖1(a)所示為分壓電路的基本形式。

2 分壓器模型應(yīng)用
    分壓器模型在模擬電路中的應(yīng)用最典型的是三個(gè)例子，一是靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))穩(wěn)定的放大電路工作原理與Q點(diǎn)計(jì)算；二是深度負(fù)反饋條件下的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)估算；三是源電壓放大倍數(shù)的計(jì)算。其中，第一、二兩個(gè)電路中較容易直接找到分壓器模型，可稱(chēng)為分壓器模型的直接應(yīng)用；第三個(gè)電路中無(wú)法直接找到分壓器模型，但可通過(guò)等效的方法找到，可稱(chēng)為分壓器模型的間接應(yīng)用。
2．1 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路
    基本的晶體管共射放大電路簡(jiǎn)單實(shí)用。但由于三極管是一種對(duì)溫度十分敏感的元件，所以當(dāng)溫度變化時(shí)，三極管的Q點(diǎn)隨之變化。這種變化將使得放大電路的動(dòng)態(tài)范圍減小，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生飽和失真或截止失真。調(diào)整電路結(jié)構(gòu)可以減小溫度對(duì)放大電路Q(chēng)點(diǎn)的影響，以保持放大電路技術(shù)性能的穩(wěn)定。基極分壓式單管共射放大電路就是一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并能有效地保持Q點(diǎn)穩(wěn)定的電路，如圖2所示。

2．1．1 工作原理
    三極管T的靜態(tài)基極電位UBQ由Vcc經(jīng)電阻Rb1，Rb2分壓得到，可以認(rèn)為基本不受溫度變化的影響，比較穩(wěn)定。該電路的Q點(diǎn)穩(wěn)定原理如下：當(dāng)溫度升高時(shí)，集電極電流ICQ增大，發(fā)射極電流IEQ也隨之增大，致使發(fā)射極電位UEQ升高，則三極管發(fā)射結(jié)電壓UBEQ=UBQ-UEQ將降低，由三極管的輸入特性，基極電流IBQ減小，于是ICQ也隨之減小，最終使Q點(diǎn)基本保持穩(wěn)定。
    為保證UBQ基本穩(wěn)定，要求流過(guò)分壓電阻的電流IRb>>IBQ，通常取IRb=(5～10)IBQ，且使UBQ=(3～5)UBEQ。
2．1．2 靜態(tài)分析計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真
    基極分壓式放大電路的Q點(diǎn)(一般理論計(jì)算NPN管的UBEQ=0．7 V)計(jì)算通常按以下步驟進(jìn)行：
   
   
    圖2中取Vcc=12 V，Rb1=8 kΩ，Rb2=2 kΩ，Rc=2 kΩ，Re=800 Ω，RL=3 kΩ，C1=C2=50 μF，Ce=100 μF，三極管T的β=50，rbb'=300 Ω。用上述Q點(diǎn)計(jì)算公式(4)～(9)進(jìn)行理論數(shù)值計(jì)算，并在Multisim軟件中搭建仿真電路如圖3所示，其中萬(wàn)用表XMM1～XMM6分別測(cè)量UBQ，UEQ，IEQ，ICQ，IBQ，UCEQ。理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真采用相同的參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

    表1顯示，Q點(diǎn)各參數(shù)的理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真值均有較好的一致性。
2．2 深度負(fù)反饋條件下的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)估算
    在放大電路中引入負(fù)反饋可以改善電路的性能，深度負(fù)反饋是指反饋深度|1+AF|>>1的情況。在此條件下，常利用近似相等關(guān)系式，即Xi≈Xf估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。
    在晶體管多級(jí)負(fù)反饋放大電路中，由于器件繁多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得電路分析計(jì)算難度加大。圖4所示為晶體管兩級(jí)放大電路，反饋類(lèi)型為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，該電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的求解關(guān)鍵有兩點(diǎn)。一是近似相等關(guān)系式的確定，二是分壓器模型的應(yīng)用。

              
    因此，求出Uo與Uf之間的關(guān)系就可以得到閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖4中一條重要的支路Uo，Rf，Re1正是典型的分壓器模型，所以有：
   
    用式(13)進(jìn)行理論計(jì)算，并在Multisim軟件中搭建仿真電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真均用圖4中所標(biāo)注的參數(shù)。得到Auuf理論=21，Auuf仿真=17．5。因此，應(yīng)用分壓器模型進(jìn)行近似計(jì)算是可行的。
2．3 源電壓放大倍數(shù)的計(jì)算
    圖2電路中，若考慮信號(hào)源內(nèi)阻Rs，即輸入端接成圖5(a)所示情況，直接求解源電壓放大倍數(shù)Aus難度較大?？紤]放大電路存在輸入電阻Ri，畫(huà)出圖2電路的等效電路如圖5(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)Ui是由信號(hào)源Us經(jīng)電阻Rs，Ri分壓得到。找到了這個(gè)分壓器模型，源電壓放大倍數(shù)Aus就迎刃而解了。具體過(guò)程如下：
   
   
   

    圖5中取Rs=250 Ω，其他參數(shù)用上節(jié)取值。用式(15)，式(16)，式(18)進(jìn)行理論數(shù)值計(jì)算，并在Multisim軟件中搭建電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真采用相同的參數(shù)，得到Au理論=62．305，Au仿真=58．003；Ri理論=601 Ω，Ri仿真=629 Ω；Aus理論=44．002，Aus仿真=41. 515。結(jié)果表明，放大電路各參數(shù)的理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真值均吻和較好，在源電壓放大倍數(shù)的計(jì)算中引入分壓器模型是有效可行的。

3 結(jié)語(yǔ)
    分壓器是一種基本的電路模型，在模擬電路中應(yīng)用廣泛。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定放大電路的工作原理和Q點(diǎn)計(jì)算、深度負(fù)反饋條件下的閉環(huán)放大倍數(shù)估算屬于分壓器模型的直接應(yīng)用；源電壓放大倍數(shù)的計(jì)算屬于分壓器模型間接應(yīng)用。本文對(duì)這三個(gè)典型應(yīng)用作了分析與計(jì)算，并用Multisim軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路各參數(shù)的理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真值均有較好的一致性。