基于Multisim的單管放大電路的設計和仿真分析

沈歡+王云秀+肖俊+沈鉆楊

摘 要：文中使用Multisim仿真軟件這種虛擬實驗環(huán)境對模擬電路中常用的單管放大電路進行了仿真分析。在理論分析的基礎上，利用Multisim提供的基本仿真分析方法，如直流工作點分析、交流分析等，使學生通過仿真掌握放大電路的主要性能指標，學會調(diào)整、檢查電路的工作狀態(tài)，學會測量放大電路的輸入電阻、輸出電阻和電壓放大倍數(shù)，了解不同負載情況對放大倍數(shù)的影響。

關鍵詞：Multisim；單管放大電路；仿真分析；放大電路

中圖分類號：TN7；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模擬電子技術是電子、通信類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。通過這門課的學習，使學生掌握電子電路的基本理論與基本實驗技能，并初步具有電子電路的設計和創(chuàng)新能力。隨著科技的發(fā)展，電子電路分析和設計方法實現(xiàn)了現(xiàn)代化和自動化，在教學中適當引用計算機輔助工具實現(xiàn)硬件設計軟件化，讓實驗變得簡單、方便，同時可幫助學生快速理解理論知識。使用Multisim軟件不僅可以快速設計電路，還可與理論設計進行比較，為電路的進一步調(diào)試提供便利，極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

本文以典型的單管放大電路為例，具體介紹了利用Multisim設計單管放大電路，并對其進行靜態(tài)和動態(tài)分析，得到放大電路的靜態(tài)工作點，分析靜態(tài)工作點的影響因素；在動態(tài)分析的基礎上得到了電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及帶寬。

1 Multisim仿真軟件功能及特點

學習電子技術，不僅要熟練掌握電子器件以及電路的基本原理、參數(shù)計算方法，更重要的是對電路的分析、應用以及開發(fā)。Multisim是一款在業(yè)內(nèi)廣泛采用的電子電路仿真與設計軟件，其功能強大，能最大化滿足使用者的需求，其擁有的專業(yè)功能可以輕松處理較為復雜的電路設計。它包含電路原理圖的輸入、電路硬件描述語言輸入，具有豐富的仿真分析能力，元件庫中提供了大量仿真模型，確保了仿真結果的準確性、真實性和實用性，并集成了多種虛擬儀表，包含大量設計實例、課程設計和研究項目，使得實驗更加簡便快捷。

2 單管共射放大電路設計

根據(jù)NPN型晶體管的特性，設計一個輸入電阻為Ri、輸出電阻為Ro、電壓放大倍數(shù)為Au的共射放大電路，電路設計具體過程如下：

（1）晶體管是放大的核心元件，輸入信號為正弦波電壓Ui。在輸入回路中，加入基極電源VBB使晶體管基極與集電極之間的電壓UBE大于開啟電壓UON，并與基極電阻Rb同時決定基極電流IB；在輸出回路中，應該讓集電結反向偏置，使晶體管處在放大狀態(tài)，所以集電極電源VCC應該足夠高，這里取12 V，基本共射放大電路如圖1所示。

（2）在實際電路中，通常用一個直流電源代替基極電源和集電極電源，為了設置合適的靜態(tài)工作點，在輸入回路中增加一個電阻Rb1，得到如圖2所示的直接耦合共射放大電路。

（3）加入輸入信號時，圖1的Rb和圖2的Rb1上均有電壓損失，減小了基極與發(fā)射極之間的電壓差值，影響了電路的放大能力。由于電容有“隔直通交”的作用，在輸入端加入大電容C1，使輸入信號可以無損失地加在基極與發(fā)射極之間，在輸出端加入電容C2，連接放大電路與負載。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，并增大放大電路的交流電壓增益，在發(fā)射極端增加一個電阻Re和一個電容Ce并聯(lián)電路，具體電路如圖3所示。

3 靜態(tài)工作點分析

為保證放大電路不失真地對已知小信號進行放大，設置合適的靜態(tài)工作點非常必要。將輸入信號置零，使直流電源單獨作用時，將基極電流、集電極電流、晶體管b-e間電壓和管壓降稱為靜態(tài)工作點Q，通常記為IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在圖3所示的阻容耦合共射放大電路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶體管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分別取C1、C3、Ce為30 μF、10 μF、50 μF。根據(jù)晶體管特性以及回路方程，估算靜態(tài)工作點。因為（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：

（1）

（2）

（3）

（4）

然后通過Multisim的仿真功能與菜單欄Simulate選項中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接測出b、c、e的節(jié)點電壓和Rc的支路電流。靜態(tài)工作點分析如圖4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真結果與理論估計值接近。

通過公式（1）～（4）可知，靜態(tài)工作點與Rb2的取值有關，Rb2越小，靜態(tài)工作點越高。將Rb2換成最大阻值為100 kΩ的滑動變阻器。改變Rb2，采用直流仿真方法測出四組不同阻值下的靜態(tài)工作點，數(shù)據(jù)結果見表1所列，可以看出隨著Q點的增高，IEQ越大。

4 動態(tài)參數(shù)分析

在電路的交流通路中，用h參數(shù)等效模型代替晶體管得到交流等效電路，這樣的分析方式稱為h參數(shù)等效模型分析。電容對交流信號短路，晶體管用h參數(shù)模型代替，畫出圖3的交流等效電路圖如圖5所示。電路的放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro稱之為動態(tài)參數(shù)，根據(jù)電路的回路方程，可以得到動態(tài)參數(shù)的表達式：

（5）

（6）

（7）

在輸入輸出端接入萬用表，設置為交流電壓檔，測得輸入端電壓為14 .142 mV記作Ui，輸出端電壓為1.173 V記作Uo，根據(jù)公式（5）計算得到放大增益Au為83.57，輸入輸出電壓如圖6所示。也可以放入雙蹤示波器，A通道連接輸入端，B通道連接輸出端，打開仿真開關，得到圖7所示的輸入、輸出波形，可以看出輸入輸出波形有180°的相位差，并且輸入波形被放大了81.5倍，與理論值相差甚微。

在輸入端并聯(lián)一個電壓表，串聯(lián)一個電流表，測得輸入端電壓和電流，通過計算得出輸入端電阻Ri為1 kΩ；在輸出端采用同樣的方式得到輸出電阻Ro為5 kΩ，電表均設置為交流檔（即AC檔）。由以上分析可知理論計算數(shù)值與仿真結果基本一致。

用波特圖示儀測試電路的幅頻特性曲線，共射放大電路幅頻如圖8所示。由圖可知中頻電壓增益為39.834 dB，根據(jù)頻帶寬度的測量原理，移動測試指針，使幅度值下降3dB，找到半功率點，低端頻率fL約為134.4 Hz，高端頻率fH約為1.425 MHz，同時計算出放大器的頻帶寬度fW=fH-fL≈1.4MHz。

5 結 語

利用Multisim仿真軟件對單管共射放大電路進行設計和仿真，對電路的靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)進行詳細分析，理論與仿真結果基本相同。在仿真過程中充分利用Multisim的多種仿真方式，快速得到仿真結果，先仿真后制作增加了設計成功率，提高了實驗效率。作為教學輔助工具，該設計方法對其他電子電路的設計有一定的參考價值與不可估量的作用。

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