基于Multisim的三極管放大電路仿真分析

摘 要： 為了幫助學(xué)生對(duì)電子電路的本質(zhì)有更直觀的認(rèn)識(shí)，在模擬電子電路的教學(xué)中引入了Multisim 10仿真軟件。實(shí)驗(yàn)利用該軟件對(duì)三極管單級(jí)放大電路進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，電路元件參數(shù)的改變直接影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，動(dòng)態(tài)輸出也因此產(chǎn)生變化。該實(shí)驗(yàn)揭示了靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性，與理論分析的結(jié)果一致。利用仿真軟件分析電子電路，結(jié)果形象直觀，既起到輔助課堂教學(xué)的作用，也激發(fā)了學(xué)生對(duì)電子電路的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞： Multisim； 三極管； 放大電路； 模擬電子電路

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）04?0123?04

0 引 言

放大電路是構(gòu)成各種功能模擬電路的基本電路，能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)最基本的處理——放大[1]，因此掌握基本的放大電路的分析對(duì)電子電路的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用。三極管放大電路是含有半導(dǎo)體器件三極管的放大電路，是構(gòu)成各種實(shí)用放大電路的基礎(chǔ)電路，是《模擬電子技術(shù)》課程中的重點(diǎn)內(nèi)容。在課程學(xué)習(xí)中，一再向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，放大電路放大的對(duì)象是動(dòng)態(tài)信號(hào)，但放大電路能進(jìn)行放大的前提是必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，如果靜態(tài)工作點(diǎn)不合適，輸出的波形將會(huì)出現(xiàn)失真，這樣的“放大”就毫無意義[1]。什么樣的靜態(tài)工作點(diǎn)是合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；電路中的參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)及動(dòng)態(tài)輸出會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響；正常放大的輸出波形與失真的輸出波形有什么區(qū)別；這些問題單靠課堂上的推理及語言描述往往很難讓學(xué)生有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。在課堂教學(xué)中引入Multisim仿真技術(shù)，即時(shí)地以圖形、數(shù)字或曲線的形式來顯示那些難以通過語言、文字表達(dá)令人理解的現(xiàn)象及復(fù)雜的變化過程，有助于學(xué)生對(duì)電子電路中的各種現(xiàn)象形成直觀的認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)于電子電路本質(zhì)的理解，提高課堂教學(xué)的效果[2]。實(shí)現(xiàn)在有限的課堂教學(xué)中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性 [3?4]。

1 Multisim 10簡介

Multisim 10 是美國國家儀器公司（NI公司）推出的功能強(qiáng)大的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，其集電路設(shè)計(jì)和功能測試于一體，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試[5?6]。

Multisim 10 的主窗口如同一個(gè)實(shí)際的電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)。屏幕中央?yún)^(qū)域最大的窗口就是電路工作區(qū)，電路工作窗口兩邊是設(shè)計(jì)工具欄和儀器儀表欄。設(shè)計(jì)工具欄存放著各種電子元器件，儀器儀表欄存放著各種測試儀器儀表，可從中方便地選擇所需的各種電子元器件和測試儀器儀表在電路工作區(qū)連接成實(shí)驗(yàn)電路，并通過“仿真”菜單選擇相應(yīng)的仿真項(xiàng)目得到需要的仿真數(shù)據(jù)[7?8]。

2 三極管放大電路的仿真分析

本文以圖1所示的阻容耦合三極管單級(jí)放大電路作為分析對(duì)象，分別進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析將分析電路的直流工作情況，動(dòng)態(tài)分析將分析電路對(duì)交流信號(hào)的放大情況。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖，在Multisim 界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數(shù)，使用Multisim 虛擬儀器進(jìn)行在線測量[9]。與理論分析一樣，仿真分析時(shí)應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則[1]。首先獲取電路的靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，再輸出電路的動(dòng)態(tài)輸出情況。這里將利用 “直流工作點(diǎn)分析”功能讀取靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用虛擬儀器“示波器”觀察三極管的輸入/輸出波形。

2.1 仿真分析的理論依據(jù)

分析圖1所示電路，可求得其靜態(tài)工作點(diǎn)估算表達(dá)式：

由理論分析可知，當(dāng)利用三極管單級(jí)放大電路對(duì)交流小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，如果為電路設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，就能保證三極管在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均工作在放大區(qū)，放大輸出的信號(hào)就不會(huì)失真。若Q點(diǎn)偏高，三極管會(huì)在輸入信號(hào)的正半周因集電極電位[UC]低于基極電位[UB]而飽和，集電極電流[IC]因此會(huì)出現(xiàn)頂部失真，而放大電路輸出的信號(hào)則會(huì)出現(xiàn)底部失真。若Q點(diǎn)偏低，三極管會(huì)在輸入信號(hào)的負(fù)半周因發(fā)射結(jié)電壓[UBE]低于導(dǎo)通電壓[UON]而截止，基極電流[IB]及集電極電流[IC]因此會(huì)出現(xiàn)底部失真，而放大電路輸出的信號(hào)則會(huì)出現(xiàn)頂部失真[10]。三極管在直流電源及外電路的共同作用下靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，可由[UBEQ]，[UCEQ]的取值進(jìn)行判斷。

（1）若[UBEQ]的取值為三極管2N222A的導(dǎo)通電壓[UON]，約在0.6～0.7 V之間，且[UCEQ]的取值接近于[VCC]的[12]時(shí)，能保證三極管在整個(gè)信號(hào)周期均能工作在放大區(qū)，輸入信號(hào)被放大一定倍數(shù)后在輸出端不失真的輸出，且輸出與輸入反向。

（2）若[UBEQ]的取值為三極管2N222A的導(dǎo)通電壓[UON]，但[UCEQ]的取值小于[UBEQ]時(shí)，三極管此時(shí)已經(jīng)飽和，在輸入信號(hào)的正半周會(huì)一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號(hào)因此出現(xiàn)底部失真現(xiàn)象。

（3）若[UBEQ]的取值小于三極管2N222A的導(dǎo)通電壓[UON]，但[UCEQ]的取值接近于[VCC]時(shí)，三極管此時(shí)基本處于截止?fàn)顟B(tài)，在輸入信號(hào)的負(fù)半周會(huì)一直處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)因此出現(xiàn)頂部失真現(xiàn)象。

2.2 仿真分析

在圖1所示電路中選擇節(jié)點(diǎn)電壓[U1（UB）]，[U6（UC）]，[U5（UE）]作為“直流工作點(diǎn)分析”的三個(gè)電路變量，據(jù)此計(jì)算[UBEQ]，[UCEQ]的值，并判斷晶體管此時(shí)的工作狀態(tài)。

獲得靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過電阻[R1]，[R2]為電路輸入頻率為1 kHz、幅值為500 mV的正弦信號(hào)[ui]，此時(shí)三極管上真正的輸入信號(hào)應(yīng)為電阻[R2]兩端獲得的動(dòng)態(tài)小信號(hào)[uR2]，其幅值低于10 mV，符合實(shí)驗(yàn)電路交流小信號(hào)的要求。三極管的動(dòng)態(tài)輸出信號(hào)為負(fù)載[RL]兩端的輸出電壓[uRL]，用雙蹤示波器顯示實(shí)時(shí)的輸入信號(hào)[uR2]及輸出信號(hào)[uRL]的波形，驗(yàn)證上述分析的結(jié)果。

由式（1）～式（3）可知，可調(diào)電位器[Rp]的取值將影響各靜態(tài)工作點(diǎn)的取值，仿真過程中通過修改電路元件[Rp]的參數(shù)改變基極電阻，觀察各項(xiàng)靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)及輸出波形因此產(chǎn)生的變化。

2.2.1 合適的靜態(tài)工作點(diǎn)

當(dāng)[Rp=91 kΩ]時(shí)得到如圖2（a）所示的直流工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，可得三極管三個(gè)極此時(shí)的電位：

圖2（b）所示即為此時(shí)的輸入輸出波形，從波形圖看出，輸入與輸出反相，[uRL]正負(fù)半周對(duì)稱，[uR2]的信號(hào)峰值約為9.75 mV，[uRL]的信號(hào)峰值約為101.78 mV，[uRL]實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)[uR2]不失真的放大，符合理論分析的結(jié)果。

2.2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)偏高

由式（1）～式（3）可知，當(dāng)[Rp]減小時(shí)，三極管基極電位[UBQ]會(huì)升高，發(fā)射極電流和集電極電流會(huì)增大，則集電極電阻[Rc]上的壓降及發(fā)射極電阻[（Re1+Re2）]上的壓降會(huì)增大，使得[UCEQ]減小，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)上移，接近三極管的飽和區(qū)。

現(xiàn)調(diào)節(jié)[Rp]使之取值為0，得到如圖3（a）所示的直流工作點(diǎn)數(shù)據(jù)， 可得三極管三個(gè)極此時(shí)的電位： [UBQ≈4.35 V，UCQ≈3.81 V，UEQ≈3.70 V]。