互补输出级交越失真消除方法的仿真测试研究

蒋俊华, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封　475004)



互补输出级交越失真消除方法的仿真测试研究

蒋俊华, 侯卫周

(河南大学 物理与电子学院, 河南 开封475004)

利用NI Multisim12.0仿真软件分别对基本互补电路和消除交越失真互补输出级进行了虚拟测试分析。当输入信号为0时,测试出的静态电压值与理论计算结果相吻合,互补输出电路实现了零输入零输出；当输入电压取一定值时,根据晶体管基极和发射极的动态电位,以及输入和输出波形,进一步验证了消除交越失真互补输出级的工作原理,得出互补输出电路有很好的电压跟随特性,提升了理论课的教学效果。

互补输出级； 交越失真； 虚拟仿真实验

对于直接耦合放大电路的输出级,一般有两个基本的要求:一是输出电阻Ro要低,二是最大不失真输出电压Uom尽可能高[1]。根据基本放大电路中晶体管不同接法的特点,共集电极能满足前一个要求,但带上负载后静态工作点会发生变化,且输出不失真电压将会减小。为了能满足上述两个的要求,且做到输入电压为零时输出电压也为零,便产生了双向跟随的互补输出级电路[2-3]。

1　互补输出级电路消除交越失真的工作原理

不加任何保护措施的直接耦合互补输出将产生交越失真现象,导致输出电压波形畸变。

1.1基本互补输出电路

基本互补输出电路(见图1(a))中T1为NPN型晶体管,T2为PNP型晶体管,要求2个晶体管的参数相同、特性对称。

图1　互补输出级基本电路及其交越失真

假设晶体管有理想的输入特性。设输入电压ui为正弦波,当ui>0,T1导通,T2截止,T1以射极输出形式将ui的正半周信号传递到负载RL上,输出电压uo=ui,此时正电源+VCC供电,电流iC1导通如图1(a)中带箭头的实线所示。与此相反,当ui<0,T2导通,T1截止,T2以射极输出形式将ui的负半周信号传递到负载RL上,uo=ui。此时负电源-VCC供电,电流iC2导通如图1(a)中带箭头的虚线所示。这样T1和T2以互补形式交替工作、正负电源交替供电,电路实现双向跟随。当输入ui的幅值足够大,输出电压最大幅值可达到±(VCC-Uces),其中Uces为晶体管的饱和管压降。若考虑晶体管实际输入特性则不难发现,当输入电压ui小于b-e间的开启电压Uon时,T1和T2均处于截止状态。也就是说当|ui|>Uon时,输出电压uo才跟随ui变化。因此当输入电压为正弦波时,在ui过零附近时输出电压uo将产生失真(见图1(b)),即交越失真。与一般放大电路相同,消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点[4]。可以设想:若在静态时T1和T2均处于临界导通或微导通状态,则当输入信号作用时,即能保证至少有一个晶体管导通,从而实现双向跟随。

1.2消除交越失真的互补输出级

消除交越失真现象的电路形式比较多,比较实用和经济的方法是采用二极管或Ube倍增等电路来避免交越失真的产生。在图2所示的电路原理中,静态时从正电源+VCC经R1、D1、D2、R2到负电源-VCC形成一个直流电流,这必然会在T1和T2的基极之间(b1和b2之间)产生电压,即Ub1-b2=UD1+UD2。

图2　消除交越失真的互补输出级电路

若晶体管T1、T2和二极管D1、D2均采用相同材料制作而成,如都为Si管,就可使T1和T2均处于微导通状态。由于二极管的动态电阻很小(几十Ω),可认为T1和T2的基极动态电位近似相等,且均约为ui,即ub1≈ub2≈ui。由于篇幅原因,在此仅介绍由二极管构成的消除交越失真互补输出级电路。

2　仿真测试的目的、方法和要求

为更好地研究和分析互补输出级消除交越失真、达到带负载能力强和最大不失真输出电压Uom高的要求,对测试的仿真电路提出了一定的要求。

2.1消除互补输出级交越失真电路测试仿真的目的

本文对于消除互补输出级交越失真电路进行测试仿真的主要目的:一是掌握消除互补输出级交越失真的方法和工作原理；二是研究有交越失真和无交越失真两种情况下的输出波形的变化特征；三是分析基本互补电路的测试数据和消除交越失真的互补输出级测试数据。

2.2搭建消除互补输出级交越失真的测试电路

NI Multisim是一款电子电路虚拟仿真软件,将该仿真软件用于电子线路实验教学中,对传统教学模式是很好的补充[5-6]。本文利用NI Multisim12.0仿真软件对互补输出级的消除交越失真电路进行了测试和分析研究。按照特定的电路参数和元器件要求搭建了测试电路,并且对消除交越失真的电路进行虚拟仿真,观察并对比输入、输出波形变化规律,比较基本互补电路的测试数据和消除交越失真的互补输出级的测试数据,从而得出结论。

2.3掌握消除交越失真电路的原理与波形特点

为使不加任何措施的基本互补电路产生的交越失真得以消除,在不加输入信号时,应使特性对称的NPN和PNP两个晶体管提前处于微导通状态,后再加上输入信号,输出电压uo的波形将不会产生交越失真,输出波形和输入波形具有很好的跟随特性。

2.4仿真内容

(1) 利用直流电压表测量基本互补电路和消除交越失真互补输出级两种电路的晶体管基极电位和发射极电位,得到电路静态工作点的电压值；

(2) 用示波器观察上述两种电路的输入波形和输出波形,并测试输出电压的幅值,论证其电压跟随特性。

3　对消除互补输出级交越失真的仿真分析

3.1搭建基本互补和消除交越失真互补输出级电路

搭建基本互补电路和消除交越失真互补输出级两个静态测试电路如图3所示。在图3中,特性对称的晶体管一个采用NPN型2N3904,一个采用PNP型2N3906,在实际实验中,几乎不可能得到具有理想对称的NPN和PNP型晶体管,但在NI Multisim虚拟测试仿真中可以做到。因此,在实验中可看到只受晶体管输入特性影响(不受其他因素影响)所产生的交越失真现象和消除交越失真的方法；供电的直流电源一个是VCC=+15 V,另一个是VEE=―15 V。

图3　两种互补输出的静态测试电路

3.2静态测试和动态测试

在基本互补输出电路和消除交越失真互补输出这两种电路静态工作点的测试中,看特性对称的两个晶体管b-e间的电压|ube|是否大于等于Uon,在输入信号ui=0 V时,判别晶体管是否已经提前处于微导通状态；观察输出波形和输入波形变化,输出波形是否产生交越失真,输出波形与输入波形是否具备跟随特征。

(1) 点击NI Multisim12.0仿真软件的仿真开关,双击图3(a)基本互补输出电路中的直流电压表XMM1和XMM2分别得到读数为0 V和―8.987 nV,说明当电路零输入时,基本能实现零输出。

(2) 双击图3(b)消除交越失真互补输出级电路中的直流电压表XMM3、XMM4和XMM5,读数分别是720.994 mV、―721.071 mV、14.794 mV。发现XMM3和XMM5的读数差ubeube的读数差大于或等于NPN的Uon值,XMM4和XMM5的读数差ueb大于或等于PNP的Uon值,从而得知两管均处于微导通的工作状态。

(3) 分别将图3(a)和图3(b)两种电路的输入信号大小均变为2 V(有效值),其他参数不变,进行动态测试。如图4所示,读出消除交越失真互补输出电路中的两个晶体管基极电位大小和观察两种电路的输入波形和输出波形的变化特征。

3.3仿真测试的结果

(1) 当对基本互补输出电路进行仿真时,图3(a)中的静态测试数据为直流电压表XMM1读数0 mV,XMM2读数-8.987 nV；图4(a)中的动态测试数据为输入信号峰值2.828 V,输出信号峰值2.146 V。

(2) 当对消除交越失真互补输出级电路进行仿真时,电压表静态测试数据如下:

Ub3=720.994/mV

Ub4=-721.071/mV

Ue3=14.794/mV

动态测试数据如下:

图4　两种互补输出的动态测试电路

输入信号峰值=2.828 V

Q3基极动态电位=1.988 V

Q4基极动态电位=1.988 V

输出信号峰值电位=2.818 V

(3) 对图4(a)和图4(b)的电路分别进行动态测试时,利用示波器XSC1和XSC2观察输入波形和输出波形,结果如图5所示。其中图5(a)是示波器XSC1显示基本互补电路的波形结果(注:红色曲线代表输入波形,蓝色曲线代表输出波形)；图5(b)是示波器XSC2显示消除交越失真互补输出级波形结果(注:红色曲线代表输入波形,蓝色曲线代表输出波形)。图5(a)中示波器XSC1通道A、通道B刻度值均为2V/Div,图5(b)中示波器XSC2通道A刻度为1 V/Div,通道B刻度为2 V/Div。

图5　互补输出的输入波形和输出波形

3.4仿真测试的分析与结论

对基本互补输出电路的测试仿真可得出如下结论:静态时(即输入电压ui=0 V)晶体管的基极和发射极的直流电位均为零,静态功耗非常小；由于ui小于晶体管的b-e间的开启电压时,两只晶体管均处于截止状态,输出信号波形明显产生交越失真现象,且输出电压的峰值小于输入信号电压的峰值。

对消除交越失真的互补输出级电路的测试仿真可得出如下结论:

(1) 晶体管基极直流电位Ub3≈-Ub4≈721 mV,表明两只晶体管在静态均处于导通状态,发射级的直流电位Ue3≈14.7 mV,很接近0 V,说明具有很好的对称性。Ub3≠-Ub4、Ue3≠ 0的原因仍在NPN型晶体管2N3904和PNP型晶体管2N3906的不对称性。

(2) 输入电压ui的峰值为2.828 V(即有效值Ui约为2 V)。在动态测试中,Ub3=Ub4=1.988 V≈Ui=2 V,说明在动态近似分析中可将晶体管T3和T4的基极与输入端看成一个点。

(3) 输出电压的峰值和输入电压的峰值相差无几,在刻度相同时波形完全重合,且输出电压波形没有交越失真发生,说明设置合理的静态工作点是消除交越失真的基本方法,且使电路的跟随特性更好。

4　结语

对基本互补输出电路和消除交越失真互补输出级电路进行仿真测试后发现,合理设置静态工作点是消除互补输出级电路的交越失真的基本方法；验证了利用电子电路NI Multisim12.0仿真软件对消除交越失真互补输出级电路的虚拟测试结果是正确的。利用示波器观测电路输入和输出波形的变化,验证了消除交越失真的基本方法,帮助学生理解和掌握消除交越失真的原理,领会软件中不同电路的分析方法和处理方法。引入仿真软件辅助电类课程教学,将是教学发展的必然趋势[7-9]；仿真软件的不断发展会不断推进教学方法的改进,把NI Multisim12.0仿真实验和传统的实验教学有机地结合起来,取长补短[10-12],充分发挥各种实验方式的优势,让学生在理论和虚拟实验的教学中更多地受益。

References)

[1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] 谢嘉奎.电子线路:线性部分[M]. 4版.北京:高等教育出版社,2004.

[3] 曾兴雯,刘乃安.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4] 康华光.电子技术基础:模拟部分[M].4版.北京:高等教育出版社,1999.

[5] 侯卫周,蒋俊华.通信接收机变频电路的虚拟仿真分析[J].实验技术与管理,2014,31(3):84-86,90.

[6] 吴天强.甲乙类功率放大电路交越失真问题研究[J].课程教育研究,2013(10):68-70.

[7] 张文婷,王紫婷.电路分析实验课程教学改革的研究与探索[J].实验室研究与探索,2010,29(5):146-147,190.

[8] 陈朝.MATLAB实验仿真在通信原理课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2007,24(5):92-93,141.

[9] 王铭.电类课程“数字仿真”教学方式探究[J].中国电力教育,2014(23);17-18.

[10] 侯卫周,向兵.基于Multisim10.1频率自动跟踪锁相环电路的仿真分析[J].实验室研究与探索,2014,33(6):86-89.

[11] 李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):544-546.

[12] 万志平.仿真软件在电类课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2009,26(4):76-79.

Research on simulation test by elimination method of complementary output stage crossover distortion

Jiang Junhua, Hou Weizhou

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475004, China)

The elimination method of complementary output crossover distortion was analyzed in virtual test via NI Multisim 12.0 software. By changing the input signal, making its size zero, the test quiescent voltage values were in agreement with the theoretical results, the complementary output realized zero input and zero output; if input signal size was a certain value, according to the test transistor base and emitter dynamic voltage, compared with the variation law of the input and output waveforms, the work principle of the complementary output stage was further verified, it came out the complementary output circuit which has good voltage following characteristics. When the NI Multisim12.0 software is properly introduced in the electronic circuit experiment teaching, the results of virtual simulation instance prove that it can improve the teaching effects of the circuit theory curriculum, and students can benefit a lot from the theoretical teaching and virtual experimental teaching.

complementary output; crossover distortion; virtual simulation experiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.031

2015-12-23

国家自然科学基金项目(21173068)

蒋俊华(1980—),女,河南西华,硕士,讲师,主要研究方向为电子线路应用与分析

E-mail：edelajiang@126.com

侯卫周(1973—),男,山西永济,硕士,副教授,主要研究方向为电子线路设计与研究.

E-mail：hwz204@163.com

TN710.9

A

1002-4956(2016)6-0121-05