基于Multisim的單管共射放大電路的分析和設計

宋璐，衛(wèi)亞博，馮艷平

1.陜西中醫(yī)藥大學 醫(yī)學技術學院，陜西 咸陽 712046 2.平頂山學院 電氣工程學院，河南 平頂山 467000 3.鄭州職業(yè)技術學院 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電子電路的學習起著至關重要的作用[1-2]。然而，在長期教學中發(fā)現，由于晶體三極管的知識過于抽象，學生對于由其所構成的放大電路的理解不夠深刻，所以在傳統(tǒng)的電子技術的教學里，也加入了很多實驗，讓學生可以對電路的掌握更加形象深刻。而在理論教學中，由于無法經常將實驗設備搬到課堂上，所以演示能力有限。為此，基于Multism設計了一種典型單管放大電路的虛擬仿真實驗，對其靜態(tài)工作點和動態(tài)參數進行研究，并分析了靜態(tài)工作點對電路工作狀態(tài)的影響，討論電壓放大倍數、輸入輸出電路和頻率特性的計算機輔助分析方法，能將抽象的電路具體化、形象化，有助于學生對基本放大電路的理解。

1 單管基本放大電路的靜態(tài)分析

設計了一個基于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為基級電阻，R6為可調電阻，用來調節(jié)靜態(tài)工作點，R3為集電極電阻，R4射級電阻，R5為負載電阻；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)工作點的計算

使輸入信號為0，當直流電源VCC單獨作用時，計算出來的基極電流IB、集電極電流IC、基射級之間的電壓UBE和集射級之間的電壓UCE統(tǒng)稱為靜態(tài)工作點Q。對于分壓偏置式基本共射放大電路來說，靜態(tài)工作點Q的計算方法為

(1)

(2)

(3)

UCE=VCC-(R3+R4)IC

(4)

靜態(tài)工作點的設置在放大電路中非常重要，設置正確的靜態(tài)工作點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)工作點在合適的范圍內，才能使輸入信號在整個變化范圍內，始終工作在放大區(qū)，從而獲得一個不失真的輸出[5-7]。

1.2 基于Multisim的靜態(tài)工作點的仿真

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

在Multisim中設計的單管共射放大電路的仿真原理圖如圖2所示，通過改變可調電阻R6的阻值，可以調節(jié)靜態(tài)工作點的高低。靜態(tài)工作點過高或者過低都會使得輸出波形出現失真，只有三極管工作在放大區(qū)，才能獲得一個放大的不失真的輸出。靜態(tài)工作點過低，三極管會進入到截止區(qū)，輸出波形會出現截止失真，現象是縮頂；靜態(tài)工作點過高，三極管會進入到飽和區(qū)，輸出波形會出現飽和失真，現象是削底。靜態(tài)工作點高低的判斷，可以參考文獻[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對該電路進行仿真過程中，通過調節(jié)可調電阻R6，可以獲得不同阻值下的靜態(tài)工作點。使用萬用表分別測出靜態(tài)工作點的各個參數，列出的3種情況下的各個值如表1所示?？梢钥闯?，隨著靜態(tài)工作點的升高，IC也不斷增大。同時，在表中還列出了采用公式計算出的可調電阻R6的理論值和使用Multisim仿真所測得的實際值。通過比較，可以看出仿真效果良好，理論和實際基本相符。

表1 靜態(tài)工作點仿真結果

在Multisim中使用雙通道示波器同時觀察輸入輸出波形，表1中3種工作狀態(tài)所對應的波形如圖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態(tài)分析

動態(tài)參數的測試參照圖2，調節(jié)可調電阻R6，獲得合適的靜態(tài)工作點，使得三極管工作在放大區(qū)。

2.1 放大倍數的分析

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

采用開關S1切換電路空載和有載時的狀態(tài)，用交流毫伏表分別測量出2種情況下的輸入輸出電壓，結果如表2所示。可以看出，帶負載時的電壓放大倍數比空載時減小，但輸入輸出波形的相位關系沒有改變。

表2 動態(tài)分析仿真結果

2.2 通頻帶的分析

使用Multisim中的交流分析(AC analysis)可以對電路進行交流頻率響應的分析，具體分析方法可以參考文獻[14-15]。在有載的情況下，使用交流分析仿真出來的頻率響應曲線如圖4所示，使用光標分析窗口可以看出放大倍數最大值為Aumax=84.141，如圖4(c)所示。通過計算上限和下限頻率所對應的放大倍數應為0.707倍的Aumax，應為59.488，使用光標功能找到與之相對應的2個頻率，分別是上限頻率和下限頻率。同樣的方法，可以測出空載時的數據，具體值如表2所示。

(a) 幅頻特性曲線

(b) 頻率響應曲線

(c) 仿真結果圖4 頻率響應的仿真結果

3 結論

本文設計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，針對放大電路的靜態(tài)工作點和動態(tài)參數進行分析，并得到了以下結論：

1)在對靜態(tài)工作點理論分析的基礎上，通過仿真軟件，得到了不同靜態(tài)工作點時所對應的輸入輸出波形，可以看出在放大電路中設置合適靜態(tài)工作點是非常重要的；

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

此外，該系統(tǒng)不受儀器和場地的限制，通過改變一些電路參數即可獲得不同條件下的輸出結果，使得模擬電子學的課堂教學變得生動形象，對促進學生對放大電路的學習有積極的意義，實現了模擬電子教學的現代化。