Multisim在三極管放大電路分析和設計教學中的應用

陳根龍 劉浩 尚建華 鄧開連 張永芳

摘要：針對三極管放大電路分析過程比較抽象的特點，利用Multisim仿真軟件完成對三極管基本共射放大電路靜態(tài)工作點的選取、直流分析、動態(tài)分析，直觀地展現(xiàn)三極管放大電路的工作原理;應用Multisim溫度掃描功能，評估基本共射放大電路工作性能靜態(tài)工作點的溫度漂移以及溫度對輸出波形的影響，同時展示了具有負反饋作用的分壓式偏置放大電路輸出波形基本與溫度無關的特性。

關鍵詞：三極管放大電路;Multisim;溫度掃描;溫度漂移;負反饋

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0132-03

1 引言

電子技術是我校機械工程和應用物理等非電類工科專業(yè)中的一門技術基礎課，學好本課程將為學生日后學習機電控制、嵌入式系統(tǒng)、集成電路設計等專業(yè)核心課程打下堅實的基礎。電子技術強調理論與實踐的結合，不但要使學生具有電子電路分析的能力，還要具備解決復雜工程問題的能力[1-2]。

傳統(tǒng)的電子技術教學方式普遍采用理論為主、實踐為輔的形式，理論授課側重分立元件和單元電路的理論分析和公式推導，實踐教學側重相關定理的驗證、分析，理論與實踐教學割裂，無法將電子電路的功能和實驗現(xiàn)象直觀的呈現(xiàn)給學生，學生普遍反映電子技術課程內容抽象、難懂，無法將知識綜合應用，從而轉化為解決實際電子電路相關問題的工程實踐能力[3-4]。

Multisim 軟件是一個具有集成化設計環(huán)境、專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。采用Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實驗教學相脫節(jié)的問題[5-7]。為了解決前述電子技術課程教學存在弊端，本文以三極管放大電路的仿真和設計為例，展示Multisim的強大功能，讓枯燥的電子電路分析和設計過程變得直觀、形象[8]，讓學生更方便、快捷的進行電子技術相關的工程實踐，既能減輕教師和學生的負擔，又能直接的提高學生的綜合實踐能力。

2 基本共射放大電路的分析

2.1 靜態(tài)工作點的選取

三極管是三極管放大電路的核心元件，它能將微小的基極電流IB放大為較大的集電極電流Ic， 即[IC=βIB]，其中β為電流放大倍數(shù)。在三極管放大電路當中，微小的基極電位VB的變化會引起基極電流IB的變化，三極管集電極電流Ic實現(xiàn)對IB的放大，Ic的變化引起集電極電位Vc的變化，從而實現(xiàn)電壓的放大。在本文的三極管放大電路中，選取的三極管為2N6715，電源電壓Vcc=12V，為了保證三極管放大電路放大范圍最大化，一般來說，三極管靜態(tài)工作點應設置在三極管輸出特性曲線蔟的中間位置。采用如圖1所示的電路來測量三極管輸出特性曲線，圖2為該三極管的輸出特性曲線蔟。為了將三極管靜態(tài)工作點設置在特性曲線的中間位置，本文選取基極電流IB=7.333uA，Ic=1.617mA，UCE=6V，通過計算可得電流放大倍數(shù)β約為220.5。

2.2 基本共射放大電路靜態(tài)分析

如圖1所示為基本共射放大電路，其中基極電阻R1=1.6MΩ，集電極電阻R2=3.7KΩ，負載電阻R3=1KΩ，電源電壓Vcc=12V，仿真溫度設置為27°C，輸入信號為頻率1KHZ、峰值1mV正弦波。應用估算法：基極電流[IB≈7.06μA]，集電極電流[IC=βIB≈1.557mA]，集電極-發(fā)射極電壓[UCE=VCC-ICRC≈6.24V]。

在基極電流支路和集電極電流支路分別插入電流探針，在集電極發(fā)射極兩端接入萬用表，可測得電路實際的[IB=7.14μA]，[IC=1.58mA]，UCE=6.17V，β≈221.3。仿真結果與估算值以及三極管預設參數(shù)很接近，說明通過估算法設置靜態(tài)工作點是比較準確的，三極管處于放大狀態(tài)。

2.3 基本共射放大電路動態(tài)分析

當三極管處于放大區(qū)時，在三極管放大電路輸入端接入交流信號源，通過三極管電流放大作用，在輸出端產(chǎn)生放大的輸出電壓。根據(jù)放大電路微變等效模型可知：三極管輸入電阻：[rbe=200Ω+（1+β）26（mV）IE（mA）=3.858KΩ]，電壓放大倍數(shù)：[Au=-βR2||R3rbe≈-45.16]。

如圖4所示為通過示波器觀察到的放大電路的輸入波形（綠色）輸出波形（紅色），從仿真結果能直觀地看出基本共射放大電路對輸入電壓的放大作用。經(jīng)測量：輸入信號的峰值為1mV，輸出波形峰值為46.4mV，由于輸入輸出波形相位差180°，所以電壓放大倍數(shù)Au=-46.4，理論值和仿真結果相符。

3 放大電路的溫度穩(wěn)定性

3.1 基本共射放大電路溫度漂移現(xiàn)象

對于基本共射放大電路，當環(huán)境溫度上升時，電流放大倍數(shù)β和穿透電流Iceo都將上升，UBE下降，基極電流IB也將增大，這一切集中體現(xiàn)為集電極電流IC明顯增大，靜態(tài)工作點隨溫度發(fā)生漂移，向飽和區(qū)變化;同理，當溫度降低時，靜態(tài)工作點將向截止區(qū)變化。如圖5所示為IC和UCE隨溫度變化的曲線，可見IC和UCE隨溫度變化非常劇烈。從如圖6輸出電壓Uo波形隨溫度變化可以看出，放大電路動態(tài)性能也會受溫度的較大影響，嚴重的時候可能會導致波形失真。

3.2 分壓式偏置放大電路

顯然，要使靜態(tài)工作點在溫度變化時回到原來的位置（即穩(wěn)定靜態(tài)工作點），只要在溫度升高（降低）時適當?shù)亟档停ㄉ撸┗鶚O電流IB即可。為了達到此目的，如圖7所示的分壓式偏置放大電路應運而生。分壓式偏置放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程為：T↑->β↑->IC↑->VE=IERE↑，因為[VB=Rb2Rb1+Rb2UCC]保持基本不變，所以UBE=VB-VE↓->IB↓->IC↓，從而保持IC基本不變，其中RE=RE1+RE2為負反饋電阻，RE為直流負反饋電阻，穩(wěn)定放大電路靜態(tài)工作點，RE1為交流負反饋電阻，穩(wěn)定放大電路的電壓放大倍數(shù)，即[AU=-βRCrbe+（1+β）RE1≈-RCRE1]和溫度基本無關。