Multisim在共射極放大電路分析中的應(yīng)用

錢 香，佘 艷

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

0 引 言

模擬電子技術(shù)是電子技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，實用性較強，但是理論知識比較抽象，講解起來枯燥，學(xué)生不容易理解。為了讓學(xué)生能直觀的理解模擬電子技術(shù)的理論知識，在課程中加入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)方式是用真實的元器件搭建電路，輔以信號發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源、萬用表等電子設(shè)備[1]。由于學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的學(xué)生人數(shù)眾多，而實驗設(shè)備有限，學(xué)生實際操作經(jīng)常導(dǎo)致元器件及設(shè)備損壞，最終不能達到預(yù)期的實驗效果。Multisim軟件只需在電腦端安裝軟件，就可以對電路進行仿真。同時，Multisim軟件界面簡潔易學(xué)、元器件種類多、測試儀器多、仿真功能豐富[1]。

引入Multisim軟件進行仿真實驗，通常要求學(xué)生在進行仿真實驗前，先進行理論計算，這樣在仿真結(jié)果出來后可以根據(jù)理論計算結(jié)果來驗算自己的電路是否正確。

1 實驗電路設(shè)計

模擬電路中的核心元件是半導(dǎo)體三極管，它是電流控制型器件，具有電流放大作用，可以將較小的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的輸出信號。在實際電路應(yīng)用中通常有3種接法：共射極放大電路、共基極放大電路及共集電極放大電路，如圖1所示[2]。共射極放大電路應(yīng)用最為廣泛，也是學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)。掌握共射極放大電路的分析方法對后續(xù)學(xué)習(xí)其他電路有著至關(guān)重要的作用。

分壓式共射極放大電路可以解決溫度變化帶來的靜態(tài)工作點偏移的問題，成為放大電路中最常用的一種電路，因此實驗中設(shè)計了一個分壓式共射極放大電路，如圖2所示[3]。圖2中V1為輸入信號，三極管選用BF420，基極電阻R1設(shè)置為10 kΩ，R2設(shè)置為30 kΩ，射極偏置電阻R3、集電極電阻R4和負載電阻R5均設(shè)置為1 kΩ，輸入耦合電容C1、輸出耦合電容C2均設(shè)置為10 μF，旁路電容C3均設(shè)置為47 μF，直流電源V2為12 V。

圖1 放大電路中三極管的接法

圖2 分壓式共射極放大電路

2 放大電路的分析

放大電路分析包含靜態(tài)和動態(tài)分析兩個方面[4]。通過靜態(tài)分析得到電路的靜態(tài)工作點，從而判斷三極管所處的工作狀態(tài)。只有三極管工作于放大狀態(tài)時，在輸入端輸入交流小信號，輸出端才會得到放大的波形。如果電路的靜態(tài)工作點設(shè)置的不合適，輸出波形就會出現(xiàn)失真。動態(tài)分析主要是得到放大電路對輸入信號放大的倍數(shù)。本章節(jié)先對放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析進行仿真，然后對輸出波形的失真進行仿真驗證。

2.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)是指輸入信號為零，放大電路中沒有交流信號，因電容隔直流通交流的特點，此時電容可以認為是開路[2]。靜態(tài)工作點通常用Q表示，一般用IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ四個參數(shù)來描述電路的靜態(tài)工作點[3]。

（1）估算法計算靜態(tài)工作點

用估算法對放大電路的靜態(tài)工作點進行理論計算，實驗中三極管選用BF420，估算時放大倍數(shù)取122，計算結(jié)果如下：

由以上分析結(jié)果可以得知，三極管工作于放大狀態(tài)。

（2）Multisim軟件仿真靜態(tài)工作點

用Multisim軟件對電路進行靜態(tài)工作點仿真，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)工作點仿真結(jié)果

由圖2分壓式共射極放大電路可知，表1靜態(tài)工作點仿真結(jié)果中I（Q1[IB]）、I（Q1[IC]）、I（Q1[IE]）對應(yīng)三極管的三端電流IBQ、ICQ、IEQ，V（1）、V（2）、V（4）對應(yīng)三極管的三端電壓值VEQ、VBQ、VCQ。靜態(tài)工作點計算結(jié)果如下：

由Multisim軟件仿真結(jié)果算出放大電路的靜態(tài)工作點，與估算法作對比，如表2所示。從對比結(jié)果可以看出，估算法得到的結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。

表2 用Multisim軟件仿真和估算法得到的靜態(tài)工作點對比

2.2 動態(tài)分析

動態(tài)是輸入信號為交流信號，此時電路中既有直流信號，也有交流信號，電路中的電壓和電流都是變化的[3]。在理論課教學(xué)中，一般用微變等效電路法對放大電路進行動態(tài)分析。動態(tài)分析的參數(shù)包括電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。

（1）微變等效電路法近似計算放大電路的動態(tài)參數(shù)

輸入小信號時，可以用微變等效電路法對放大電路進行動態(tài)分析，近似計算放大電路的動態(tài)參數(shù)如下：

（2）Multisim軟件仿真分析放大電路的動態(tài)參數(shù)

用軟件對動態(tài)參數(shù)進行仿真，電壓放大倍數(shù)及輸入電阻可采用相同的電路，輸出電阻則要采用不同的電路。

電壓放大倍數(shù)及輸入電阻仿真電路如圖3所示，輸入端增加萬用表XMM1和XMM3分別測輸入端的電壓和電流，輸出端增加萬用表XMM2測輸出端的電壓。輸入端和輸出端電壓分別接到示波器A通道和B通道，A通道為輸入信號設(shè)置為紅色，B通道為輸出信號設(shè)置為藍色[4]。

設(shè)置輸入信號V1為幅度10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，對電路進行仿真，得到示波器的界面如圖4所示，萬用表讀數(shù)如圖5所示。從圖4可以看出，輸出波形和輸入波形的相位差是180°，即共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)為負值。

圖3 電壓放大倍數(shù)及輸入電阻仿真電路圖

圖4 放大電路輸入和輸出波形

圖5 電壓放大倍數(shù)及輸入電阻仿真時萬用表讀數(shù)

根據(jù)仿真得到的萬用表讀數(shù)計算放大電路的電壓放大倍數(shù)及輸入電阻如下：

根據(jù)輸出電阻的定義，設(shè)計輸出電阻仿真電路，如圖6所示，放大電路的輸入端V1設(shè)為零，去掉負載電阻R5，在輸出端加上電壓源V3，電路中萬用表XMM1和XMM2分別測輸出端的電壓和電流。

圖6 輸出電阻仿真電路圖

設(shè)置電壓源V3為幅度10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，對電路進行仿真，得到萬用表讀數(shù)如圖7所示。

圖7 輸出電阻仿真時萬用表讀數(shù)

根據(jù)仿真得到的萬用表讀數(shù)計算放大電路的輸出電阻如下：

將Multisim軟件仿真和微變等效電路法分析的動態(tài)參數(shù)進行對比，如表3所示。從對比結(jié)果可以看出，微變等效電路法得到的結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。

表3 Multisim軟件仿真和微變等效電路法分析的動態(tài)參數(shù)對比

2.3 輸出波形失真分析

對于放大電路的基本要求就是輸出波形失真要盡可能小。如果電路的靜態(tài)工作點設(shè)置的不合適，輸出波形就會出現(xiàn)失真。實驗中調(diào)整基極電阻R2的大小，使三極管的工作狀態(tài)發(fā)生改變。

（1）底部失真

將電路中的R2設(shè)置為5 kΩ，得到放大電路的靜態(tài)工作點如表4所示，此時三極管處于飽和狀態(tài)。經(jīng)仿真，得到輸出端的波形如圖8所示，輸出波形的負半軸出現(xiàn)了失真，即底部失真[2]。

表4 R2設(shè)置為5 kΩ時，仿真得到的靜態(tài)工作點

圖8 三極管處于飽和狀態(tài)時，電路的輸入輸出波形

圖9 三極管處于截止狀態(tài)時，電路的輸入輸出波形

（2）頂部失真

將電路中的R2設(shè)置為60 kΩ，得到放大電路的靜態(tài)工作點如表5所示，此時三極管處于截止狀態(tài)。經(jīng)仿真，得到輸出端的波形如圖9所示，輸出波形的正半軸出現(xiàn)了失真，即頂部失真[2]。

表5 R2設(shè)置為60 kΩ時，仿真得到的靜態(tài)工作點

3 結(jié) 論

本文用Multisim軟件設(shè)計了一種分壓式共射極放大電路，并對其進行了靜態(tài)分析、動態(tài)分析及輸出波形失真分析。根據(jù)對仿真數(shù)據(jù)的分析，得到仿真結(jié)果與理論計算相符，電路達到預(yù)期目標。

隨著信息化的發(fā)展和普及，學(xué)生計算機的操作水平不斷提升，用軟件對電路進行仿真，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實驗過程中，還可以設(shè)置一些問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如分析靜態(tài)工作點對輸出波形的影響時，先讓學(xué)生自己調(diào)整參數(shù)，通過仿真得到的靜態(tài)工作點參數(shù)判斷三極管的工作狀態(tài)。Multisim軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)方式完成共射極放大電路的實驗，操作簡單，容易得到預(yù)期實驗結(jié)果，可以提升學(xué)生的自信心，促進學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的興趣。