基于Multisim的單管共射放大電路的分析和設(shè)計(jì)

宋璐，衛(wèi)亞博，馮艷平

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712046 2.平頂山學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 平頂山 467000 3.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 鄭州 450121

基本放大電路是電子電路的重要組成部分，而單管共射放大電路是最典型的基本放大電路，因此掌握單管共射放大電路的分析方法對(duì)電子電路的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。然而，在長(zhǎng)期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于晶體三極管的知識(shí)過于抽象，學(xué)生對(duì)于由其所構(gòu)成的放大電路的理解不夠深刻，所以在傳統(tǒng)的電子技術(shù)的教學(xué)里，也加入了很多實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生可以對(duì)電路的掌握更加形象深刻。而在理論教學(xué)中，由于無法經(jīng)常將實(shí)驗(yàn)設(shè)備搬到課堂上，所以演示能力有限。為此，基于Multism設(shè)計(jì)了一種典型單管放大電路的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)其靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行研究，并分析了靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電路工作狀態(tài)的影響，討論電壓放大倍數(shù)、輸入輸出電路和頻率特性的計(jì)算機(jī)輔助分析方法，能將抽象的電路具體化、形象化，有助于學(xué)生對(duì)基本放大電路的理解。

1 單管基本放大電路的靜態(tài)分析

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NPN型三極管的分壓偏置式基本共射放大電路，原理圖如圖1所示。其中Q1為電流控制原件，R1和R2為基級(jí)電阻，R6為可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，R3為集電極電阻，R4射級(jí)電阻，R5為負(fù)載電阻；C1和C2分別為輸入輸出回路的耦合電容，C3為旁路電容，V1為直流電源，為整個(gè)電路提供合適的電位，使三極管正常工作在放大區(qū)[3-4]。

圖1 分壓偏置式基本共射放大電路

1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算

使輸入信號(hào)為0，當(dāng)直流電源VCC單獨(dú)作用時(shí)，計(jì)算出來的基極電流IB、集電極電流IC、基射級(jí)之間的電壓UBE和集射級(jí)之間的電壓UCE統(tǒng)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。對(duì)于分壓偏置式基本共射放大電路來說，靜態(tài)工作點(diǎn)Q的計(jì)算方法為

(1)

(2)

(3)

UCE=VCC-(R3+R4)IC

(4)

靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置在放大電路中非常重要，設(shè)置正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是保證放大電路正常工作的必要條件，放大的前提必須是不失真，要保證電路的靜態(tài)工作點(diǎn)在合適的范圍內(nèi)，才能使輸入信號(hào)在整個(gè)變化范圍內(nèi)，始終工作在放大區(qū)，從而獲得一個(gè)不失真的輸出[5-7]。

1.2 基于Multisim的靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真

Multisim是美國國家儀器有限公司推出的原理圖設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，具有強(qiáng)大的電路分析功能，可用于模擬電子、數(shù)字電子等各類電路的仿真測(cè)試。它提供了眾多虛擬元器件，提供了齊全的虛擬電子儀器設(shè)備，以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復(fù)雜性，幫助用戶使用先進(jìn)的電路分析技術(shù)[8-11]。

在Multisim中設(shè)計(jì)的單管共射放大電路的仿真原理圖如圖2所示，通過改變可調(diào)電阻R6的阻值，可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的高低。靜態(tài)工作點(diǎn)過高或者過低都會(huì)使得輸出波形出現(xiàn)失真，只有三極管工作在放大區(qū)，才能獲得一個(gè)放大的不失真的輸出。靜態(tài)工作點(diǎn)過低，三極管會(huì)進(jìn)入到截止區(qū)，輸出波形會(huì)出現(xiàn)截止失真，現(xiàn)象是縮頂；靜態(tài)工作點(diǎn)過高，三極管會(huì)進(jìn)入到飽和區(qū)，輸出波形會(huì)出現(xiàn)飽和失真，現(xiàn)象是削底。靜態(tài)工作點(diǎn)高低的判斷，可以參考文獻(xiàn)[12-13]，這里不再贅述。

圖2 單管共射放大電路的仿真原理

在使用Multisim對(duì)該電路進(jìn)行仿真過程中，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R6，可以獲得不同阻值下的靜態(tài)工作點(diǎn)。使用萬用表分別測(cè)出靜態(tài)工作點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)，列出的3種情況下的各個(gè)值如表1所示?？梢钥闯?，隨著靜態(tài)工作點(diǎn)的升高，IC也不斷增大。同時(shí)，在表中還列出了采用公式計(jì)算出的可調(diào)電阻R6的理論值和使用Multisim仿真所測(cè)得的實(shí)際值。通過比較，可以看出仿真效果良好，理論和實(shí)際基本相符。

表1 靜態(tài)工作點(diǎn)仿真結(jié)果

在Multisim中使用雙通道示波器同時(shí)觀察輸入輸出波形，表1中3種工作狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的波形如圖3所示。其中，圖3(a)和圖3(c)分別是三極管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)的波形圖，可以看出，這2種情況下均出現(xiàn)了明顯的失真，分別為縮頂和削底，只有圖3(b)靜態(tài)工作點(diǎn)合適，獲得了放大并且反向的輸出波形。

(a) 截止區(qū)輸入輸出波形

(b) 放大區(qū)輸入輸出波形

2 單管基本放大電路的動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試參照?qǐng)D2，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R6，獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得三極管工作在放大區(qū)。

2.1 放大倍數(shù)的分析

在圖2中，調(diào)節(jié)信號(hào)源，使得輸入為幅度10 mV，頻率為1 kHz的正弦波信號(hào)，輸入輸出波形參考圖3(b)，可以看出此時(shí)輸入和輸出反向。

采用開關(guān)S1切換電路空載和有載時(shí)的狀態(tài)，用交流毫伏表分別測(cè)量出2種情況下的輸入輸出電壓，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，帶負(fù)載時(shí)的電壓放大倍數(shù)比空載時(shí)減小，但輸入輸出波形的相位關(guān)系沒有改變。

表2 動(dòng)態(tài)分析仿真結(jié)果

2.2 通頻帶的分析

使用Multisim中的交流分析(AC analysis)可以對(duì)電路進(jìn)行交流頻率響應(yīng)的分析，具體分析方法可以參考文獻(xiàn)[14-15]。在有載的情況下，使用交流分析仿真出來的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，使用光標(biāo)分析窗口可以看出放大倍數(shù)最大值為Aumax=84.141，如圖4(c)所示。通過計(jì)算上限和下限頻率所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)應(yīng)為0.707倍的Aumax，應(yīng)為59.488，使用光標(biāo)功能找到與之相對(duì)應(yīng)的2個(gè)頻率，分別是上限頻率和下限頻率。同樣的方法，可以測(cè)出空載時(shí)的數(shù)據(jù)，具體值如表2所示。

(a) 幅頻特性曲線

(b) 頻率響應(yīng)曲線

(c) 仿真結(jié)果圖4 頻率響應(yīng)的仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種分壓偏置式基本共射放大電路的仿真系統(tǒng)，采用Multisim作為仿真平臺(tái)，針對(duì)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，并得到了以下結(jié)論：

1)在對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)理論分析的基礎(chǔ)上，通過仿真軟件，得到了不同靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入輸出波形，可以看出在放大電路中設(shè)置合適靜態(tài)工作點(diǎn)是非常重要的；

2)在設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的前提下，通過對(duì)交流參數(shù)的分析，得到了放大電路正常工作下的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，仿真效果良好。

此外，該系統(tǒng)不受儀器和場(chǎng)地的限制，通過改變一些電路參數(shù)即可獲得不同條件下的輸出結(jié)果，使得模擬電子學(xué)的課堂教學(xué)變得生動(dòng)形象，對(duì)促進(jìn)學(xué)生對(duì)放大電路的學(xué)習(xí)有積極的意義，實(shí)現(xiàn)了模擬電子教學(xué)的現(xiàn)代化。