Multisim10對(duì)單管共射放大電路的仿真與研究

摘 要

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)屬于電類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，作為一門理實(shí)一體化課程，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響較大。為降低學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)課程的難度，在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入了Multisim10軟件。通過(guò)使用Multisim10可以使學(xué)生理論學(xué)習(xí)過(guò)程不再抽象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，虛實(shí)結(jié)合，相輔相成很好地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加容易，也能使學(xué)生學(xué)習(xí)輕松。本文以模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中的單管共射放大電路為例，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析研究。在仿真的同時(shí)，不僅繼續(xù)學(xué)習(xí)理解了模擬放大電路的相關(guān)知識(shí)，也熟練掌握了Multisim10的使用方法，更展現(xiàn)了軟件的強(qiáng)大功能。

【關(guān)鍵詞】Multisim10 模擬電子技術(shù) 仿真軟件

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)是高校電子、電氣、自動(dòng)化等理工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論和實(shí)際緊密結(jié)合應(yīng)用性很強(qiáng)的一門課程。通過(guò)這門課的學(xué)習(xí)希望學(xué)生能夠掌握基本放大電路的分析計(jì)算能力。在長(zhǎng)期的教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)比較吃力。理論學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)晶體管構(gòu)成的放大電路，感覺(jué)抽象不能較好的理解。而在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能熟練的選用元器件，搭建電路，常因選用電路搭建不合理，測(cè)量方法不對(duì)而使實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞不能正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)受各方面影響不夠準(zhǔn)確，不能幫助學(xué)生更好的理解放大電路的特性。使得一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，變得學(xué)生怕學(xué)，老師怕教?；诖宋覀?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中引入了Multisim仿真軟件。理論教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)Multisim演示一邊進(jìn)行修改元件參數(shù)一邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直觀的顯示出各項(xiàng)數(shù)據(jù)及波形圖與原理圖。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，可以先讓學(xué)生進(jìn)行Multisim仿真，實(shí)驗(yàn)不消耗實(shí)際元件，必需的元件種類與數(shù)量沒(méi)有限制，成本低，速度快，效率高；然后再動(dòng)手搭建實(shí)際電路，減少了不必要的錯(cuò)誤。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生可以方便快速地對(duì)比和探究仿真電路和實(shí)際電路的區(qū)別。

1 Multisim軟件介紹

Multisim是IIT公司進(jìn)行設(shè)計(jì)推廣出的設(shè)計(jì)軟件，涵蓋電路的設(shè)計(jì)、仿真及生成，是一套元器件齊全、界面簡(jiǎn)明，操作簡(jiǎn)單的使用工具。

它不僅能設(shè)計(jì)和測(cè)試電路，還能進(jìn)行演示，對(duì)給出的電路進(jìn)行分析，減少真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成本，是必不可少的實(shí)用型軟件。本文使用的版本是NI Multisim 10.0，其主要特點(diǎn)是：

（1）Multisim 10有更全面的電路分析功能，能完成多種電路的分析，如瞬態(tài)遇穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域與頻域分析、線性與非線性裝置分析等電路分析，可以在分析電路的性能上幫助設(shè)計(jì)人員。

（2）Multisim 10通過(guò)對(duì)各電路元件的仿真，測(cè)試出電路中的故障，從而在不同情況下觀察電路的狀態(tài)。

（3）Multisim 10可以用多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)；電路所使用的元件和測(cè)試儀器都有，能實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和方便的試驗(yàn)不同類型的電路并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和分析。

2 Multisim10對(duì)單管共射放大電路的仿真與分析

單管共射放大電路是模擬電子技術(shù)課程中最基本的放大電路。利用Multisim10不僅可以方便的連接仿真電路，更可以對(duì)單管共射放大電路進(jìn)行各種分析。

2.1 電路的設(shè)計(jì)與仿真

如圖1所示，是單管分壓式偏置共射極放大電路的仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖。在元件板中抓取10mv/1kHz的正弦信號(hào)作為輸入，選取電阻R4作為負(fù)載，并選取C1、C2電容與輸入/輸出進(jìn)行耦合。

2.2 確定靜態(tài)工作點(diǎn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)點(diǎn)3、7、5（即晶體管的b、c、e三極）作直流工作點(diǎn)分析（DC Operating Point），得到如圖2所示的靜態(tài)工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）分析結(jié)果，可得對(duì)應(yīng)靜態(tài)工作點(diǎn)電壓分別為：基極電壓V（3）=1.65461V，集電極電壓V（7）=7.1164V，發(fā)射極電壓V（5）=991.19510mV，通過(guò)數(shù)據(jù)比較，可知發(fā)射結(jié)正向偏置，且集電極反偏，即靜態(tài)時(shí)，該電路工作在放大區(qū)。

2.3 確定電壓放大倍數(shù)和通頻帶

對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)點(diǎn)8輸出負(fù)載部分進(jìn)行交流分析（AC Analysis）（其縱坐標(biāo)刻度設(shè)置為L(zhǎng)inear），得到圖3所示的幅頻特性和相頻特性曲線。由圖可驗(yàn)證其幅頻特性具有帶通性，中頻段的放大倍數(shù)均多于低頻段和高頻段。在軟件中按下圖形顯示窗口（Grapher View）中的“Show/Hide Cursors”按鈕，顯示兩個(gè)可移動(dòng)的游標(biāo)并打開(kāi)其說(shuō)明窗口，得到幅頻特性的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示。其中，縱軸Y軸的最大值max=89.85就是電路中的放大倍數(shù)。拉動(dòng)兩個(gè)游標(biāo)使其對(duì)應(yīng)的y1和y2約等于其最大值89.85的0.707倍（約為63.5），此時(shí)對(duì)應(yīng)的x1≈600.9Hz和x2≈25.35M分別為電路的下限截止頻率和上限截止頻率，兩者之差dx≈25.35M即為電路的通頻帶。由此可見(jiàn)，運(yùn)用Multisim10的交流分析可以非常方便、準(zhǔn)確快捷地得到放大電路的放大倍數(shù)和通頻帶等指標(biāo)。

2.4 參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep）

利用參數(shù)掃描分析進(jìn)一步研究負(fù)載電阻、發(fā)射極電阻、耦合電容和旁路電容等元件參數(shù)的變化對(duì)電路放大倍數(shù)和通頻帶等指標(biāo)的影響。圖5到圖8分別顯示了對(duì)R4、R6、C1和C3，進(jìn)行交流分析時(shí)，結(jié)點(diǎn)8輸出負(fù)載部分的參數(shù)掃描分析結(jié)果。

由圖5掃描曲線可知，負(fù)載的阻值愈大，放大的倍數(shù)愈大。

由圖6可以分析出，發(fā)射極電阻值越大，放大倍數(shù)越小，通頻帶越寬，這與發(fā)射極電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔玫慕Y(jié)果是相同的。

由圖7可見(jiàn)，耦合電容C1的變化對(duì)電路通頻帶的影響不大，而旁路電容C3的變化對(duì)電路通頻帶的影響明顯，下限截止頻率因C3的增大而減小，通頻帶也跟著展寬。這是因?yàn)镃3兩端電路的等效電阻比C1兩端電路的等效電阻小，所以相同的電容變化在C3回路引起的時(shí)間常數(shù)變化就大，相應(yīng)的下限截止頻率的變化也大。

2.5 輸入、輸出電阻的確定

對(duì)于輸入和輸出電阻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可在輸入、輸出端口用歐姆表測(cè)電阻，也可在端口加測(cè)量電阻用交流電壓表和交流電流表測(cè)電阻。當(dāng)然，更可以利用Multisim10提供的傳遞函數(shù)分析（Transfer Function）功能方便地確定輸入和輸出電阻，這樣便發(fā)揮了仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。在圖1所示的電路中，將C1用短路線替代后，按圖9所示設(shè)置其傳遞函數(shù)分析，選擇需要分析得到輸入信號(hào)源為V1，選擇輸出變量為7號(hào)結(jié)點(diǎn)的電壓，得到分析結(jié)果如圖10所示，圖中，第二行的4.28571kΩ為電路的輸入電阻，第三行的5.0kΩ為電路的輸出電阻。

在上述分析過(guò)程中，我們不僅可以方便的得出放大電路的靜態(tài)值，動(dòng)態(tài)值，輸入輸出電阻。還可以對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行掃描分析，可以使我們更好的理解電路中各元件對(duì)電路的影響。

3 結(jié)論

通過(guò)Multisim 10對(duì)單管共射放大電路的仿真可以看出，該軟件操作簡(jiǎn)便，使實(shí)驗(yàn)更加方便。利用該軟件不僅能仿真分析電路，提高了時(shí)間的利用率，降低了時(shí)間的消耗，使實(shí)驗(yàn)生動(dòng)，還能排除電路故障。本文只運(yùn)用了Multisim10仿真軟件的部分功能，在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)研究中還有很大的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]張新喜.許軍.Multisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]白玉成.基于MULTISIM仿真電路的設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[4]華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介

李瑞金（1986-），女，山西省晉中市人?，F(xiàn)為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機(jī)電工程系教師。研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

作者單位

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機(jī)電工程系 山西省太谷縣 030800