許少娟，肖傳棟，刁立強
(大連理工大學 城市學院，遼寧 大連 116600)
模擬電子電路課程設計是電氣類專業學生學完模擬電子電路、大學物理理論及實驗課程后的綜合設計，本文研究的三極管多級音頻放大器是該課程設計的一個題目。筆者在指導歷屆課程設計的過程中，發現該電路總是存在輸出信號被干擾信號淹沒的問題，本文在理論分析的基礎上結合實際電路調試，借助Multisim軟件仿真，對多級放大電路公共電源內阻引起自激振蕩進行驗證，并給出了解決措施。
反饋放大電路自激振蕩由于產生機理比較復雜抽象，向來是模擬電路課程教學的難點，而大多教材中對寄生反饋引起自激振蕩這部分內容僅簡單提及，不作詳細深入的介紹[1,2]。本文電路調試過程直觀地呈現了寄生反饋引起自激振蕩的產生和消除過程，可作為反饋、自激振蕩教學內容的實際案例，對于存在寄生反饋并可能引起自激振蕩的電路調試具有一定的參考意義。
1.1 題目設計任務與要求
設計三極管多級音頻放大器，信號源為20 KΩ高內阻，要求電壓放大倍數達到450倍，輸出阻抗低于100 Ω，集電極最大電流不超過20 mA，電源電壓15 V，輸出信號峰峰值不小于8 V，非線性失真度小于5%。設計電路，計算所需電路參數，進行Multisim軟件仿真，并在面包板上搭建調試。
1.2 設計方案
根據任務要求，信號源內阻很高為20 KΩ，輸入級可采用輸入阻抗高的共集電極放大電路；
要求輸出阻抗小于100 Ω，輸出級可采用輸出阻抗低的共集電極放大電路；
要求電壓增益大于450倍，單級共射極放大電路電壓增益無法達到，可由兩級共射極放大電路實現。考慮靜態工作點穩定性，采用實用的分壓偏置共射放大電路，且射極電阻采用兩個電阻串聯，大電阻并聯旁路電容以降低射極電阻對電壓增益的影響；
要求輸出信號峰峰值不小于8V，可通過設置靜態工作點來保證足夠的動態范圍。由此可得系統整體設計方案。
1.3 調試現象
Multisim是國內目前教學中使用較多的仿真軟件，提供的虛擬設備和分析工具可以方便地開展電路仿真、測試和分析[3,4]。采用Multisim軟件對電路進行仿真研究，易于獲得各種分析結果，可達到事半功倍的效果[5]。先對電路作Multisim仿真，根據前述設計方案繪制仿真電路，分別調試靜態工作點和交流波形。對每級放大電路，設置靜態工作點為交流負載線中點附近，以保證動態范圍不小于8 V，調試得到系統電路及元件參數如圖1。之后輸入端加正弦信號，逐級調試交流信號，每一級電路的交流波形正常，最后將四級電路級聯，仿真結果顯示能實現預定參數要求。
圖1 系統電路及參數
再將電路在面包板上搭建，按照仿真同樣的步驟進行調試，之前分級調試結果與仿真結果吻合，但是當四級放大電路完整級聯時，示波器測得輸出波形出現嚴重的高頻自激振蕩，有用信號被振蕩信號淹沒。
自激振蕩是一種特殊的電路現象，此時放大器不加輸入信號也存在輸出信號。產生自激振蕩的必要條件是正反饋，當正反饋足夠強時，閉環電壓增益趨近無窮大，電路處于自激狀態，無法正常放大[6]。本文電路并未人為引入反饋，故推測電路中存在寄生耦合，且構成正反饋從而導致自激振蕩。
2.1 電路中可能存在的寄生反饋分析
放大電路中電源內阻、地線內阻、寄生電感、分布電容、示波器探頭高阻抗、電容等諸多因素都可能引起寄生反饋[7]，具體如下：
(1)直流電源內阻引起寄生反饋。由于放大器的前后各級共用同一個直流電源，在一定條件下可為輸出信號提供路徑反饋回輸入端，引起寄生反饋。
(2)地線引起寄生反饋，包括以下幾種情況：① 地線內阻引起寄生反饋。當放大電路增益很高或信號頻率很高時，地線內阻上的信號電壓不能忽略。② 接地點不合理，由地線阻抗引起寄生反饋。③ 地線電感引起寄生反饋。頻率大于幾兆赫時，地線電感的阻抗不可忽略。
(3)分布電容引起寄生反饋。電路中各種看不見的分布電容可能由寄生耦合形成正反饋，產生自激振蕩，在低頻時可忽略[8]。
(4)示波器探頭高阻抗引起寄生反饋，可通過在示波器探頭接電阻排查消除。
本電路工作于音頻，工作頻率較低，故地線電感和分布電容的影響可忽略；
電路增益達到幾百倍，故地線內阻的影響不可忽視。綜上，該電路中可能引起正反饋的原因有三個：直流電源內阻、地線(地線內阻、接地點不合理)、示波器探頭高阻抗。后兩種情況排查和消除比較簡便，可通過實際電路調試進行排查：調整地線，采用一點接地，并將接地點接到靠近輸出級，檢查地線接地電阻正常無虛接，可排查是否由地線引入正反饋；
在示波器探頭接不同阻值電阻，可排查是否為示波器探頭引起正反饋。而電源內阻引起自激振蕩的相關研究較少，因此本文對此作重點分析。
2.2 電源內阻寄生反饋分析
以下對本電路直流電源內阻導致寄生反饋的原理進行分析。如圖2所示，為便于分析，將實用分壓偏置共射電路簡化為基本共射電路，不影響電路工作原理分析。
圖2 直流電源內阻造成的寄生反饋
此交流電源通過各級放大電路的基極偏置電阻反饋回輸入，引起放大電路各級之間的寄生耦合。反饋電流if1、if2、if3、if4的方向如圖中虛線所示，它們都構成并聯反饋，分別為負反饋、負反饋、正反饋、負反饋。由于正反饋的存在，可能會在某些頻率滿足自激振蕩條件，產生寄生振蕩，破壞正常放大。
為了驗證電源內阻Rs能否引起自激振蕩，用Multisim軟件建立電路模型，分別在電源內阻為0和顯著值時作仿真，根據仿真結果作進一步分析。
3.1 直流電源內阻Rs=0時輸出波形仿真
如圖1設置電源內阻Rs=0，適當調節各級放大電路靜態工作點，施加幅度2 mV、頻率1 kHz的正弦信號，示波器A通道接26號節點測量輸入信號，B通道接25號節點測量輸出信號，由示波器波形可見直流電源內阻為0時，輸出波形穩定無自激振蕩，根據示波器示數得電壓增益AV≈480。
3.2 直流電源內阻Rs=500Ω時輸出波形仿真
重新設置圖1直流電源內阻Rs，取顯著值500Ω，調節偏置電阻，設置節點1、30、21、23作直流工作點分析，分析四級放大電路的靜態工作點，結果如圖3所示，滿足輸出信號峰峰值不小于8 V的要求。
圖3 各級靜態工作點分析
設置交流源信號幅度2 mV，用示波器測量輸入輸出信號。仿真過程中發現，隨著仿真時間增加，信號波形在不斷變化，如圖4所示，在三個不同時間點分別截取信號波形，并對輸出信號作19次諧波傅里葉分析以了解振蕩頻率成分，示波器A、B通道垂直靈敏度統一取2 mV/Div、200 mV/Div。
(a) t=40 ms輸入、輸出波形(Δ-輸出)
由圖4，仿真剛開始時，t=40 ms，可見輸出波形已經產生了180°相移，但并未出現高頻振蕩，傅里葉分析顯示沒有諧波，只有和輸入同頻的放大信號。隨著時間增加，逐漸出現了高頻的自激振蕩，t=150 ms，波形及傅里葉分析結果均顯示存在眾多頻率的諧波信號，幅度比較小，隨著時間繼續增加，t=180 ms，傅里葉分析結果顯示，在正反饋的加強作用下，振蕩信號各頻率的諧波進一步增大。由于電路中沒有穩幅環節，最終振蕩波形趨于極端。
利用Multisim虛擬示波器將時間細化到ms，能夠直觀、形象地觀察到自激振蕩從無到有的完整產生過程，對理解正反饋的本質和自激振蕩的產生機理非常有幫助。由仿真結果可見，直流電源內阻Rs=0時電路能夠正常放大，而Rs=500Ω時卻出現自激振蕩，由此可以確定，各級公共的直流電源內阻確實能引起自激振蕩。
4.1 消除措施
要減小電源內阻引起的寄生反饋，除采用低內阻電源外，可利用RC或LC構成去耦電路，在供電回路逐級退耦，這是實際應用中非常有效的方法[9]。本文采取供電電路中接入RC去耦電路的方法，對圖1電路在第一級放大電路實施RC退耦，即圖5中R17和C9，這樣反饋信號經R17和C9組成的去耦電路分壓之后，C9分得電壓加在R2和地之間，從而降低了寄生反饋。
圖5 RC退耦電路
則電容分得的反饋電壓微乎其微，第一級放大電路的寄生反饋被大大削弱。但另一方面，退耦電阻越大，電源利用率越低。綜合考慮退耦效果和直流電源利用率，取
本電路處理音頻信號，頻率范圍較低，取下限截止頻率fl=50 Hz，電容C=100 μF，計算得R17=320 Ω。
4.2 RC退耦仿真
為檢驗增加退耦電路后電路是否仍然符合設計要求，重新對四級放大電路作直流工作點分析。由于增加退耦電路后節點名稱發生了變化，設置節點2、11、12、6，分析結果如圖6所示，與不加退耦電路時對比變化微小，可見增加退耦電阻對靜態工作點影響不大，因而不會壓縮輸出信號動態范圍。
圖6 增加RC退耦電路的靜態工作點
為了保證結果穩定性，仿真足夠長時間(t=450 ms)，波形如圖7所示，示波器A、B通道垂直靈敏度分別為2 mV/Div、2 V/Div，可見自激振蕩完全被消除，電壓增益AV=565，符合題目要求。
圖7 RC退耦后輸入、輸出波形(Δ-輸出)
4.3 實際電路調試
實際電路增加RC退耦電路后自激振蕩消失，信號正常放大，證明RC退耦電路能夠有效地消除電源內阻導致的寄生反饋，從而消除自激振蕩。本文僅對第一級放大電路實施退耦即消除了寄生耦合，若退耦效果不夠，可將退耦電阻向后級移動實施逐級退耦。
寄生反饋嚴重干擾有用信號，甚至導致電路自激振蕩無法正常工作，如何消除或削弱其影響是放大器設計中的一個重要問題[10]。引起寄生反饋的原因非常多，現象也不盡相同，因而寄生反饋的原因排查和消除是非常復雜的，需要針對具體電路具體分析，反復試驗。本文四級放大電路由于前后各級共用同一個直流電源，為輸出信號提供了反饋到前面各級放大電路輸入端的路徑，該寄生反饋構成正反饋，引起自激振蕩。文中給出了在實際電路調試基礎上借助Multisim仿真排查寄生反饋的方法，通過仿真分析驗證了直流電源能夠引起寄生反饋，并采取退耦電路對其進行消除，可作為反饋、自激振蕩教學內容的實際案例。
通過仿真軟件的深度開發，可以實現對于題目實驗實施的輔助，彌補實驗實施過程中測試手段和實驗儀器的不足，擴展題目的測試分析范圍[11]。本文是教學實踐中發掘出的問題，源于實踐，又反過來促進教學，形成了良性的循環。調試和分析過程充分發揮了仿真軟件的優越性，配合實際電路調試，利用虛擬電源內阻置零的方法來診斷自激振蕩的產生根源，克服了實際電源內阻無法置零的限制，為分析電路、排查故障提供了一種有效的方法。
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