雙極型晶體管共基極放大電路的Multisim仿真與測試

黃瑋，戈益堅，董燁，張蘅

(江蘇信息職業技術學院，江蘇無錫，214062)

0 引言

在微電子技術專業人才培養中，結合集成電路開發與測試1+X證書標準，在《半導體器件物理》課程中，利用Multisim仿真更好地去理解器件的性能與應用，提高專業課程間的關聯度，使學生在后續學習中能夠更好的運用相關知識分析和解決問題[2]。

1 雙極型晶體管的放大原理

雙極型晶體管也就是三極管，有發射極，基極和集電極三個電極，分為NPN和PNP兩種類型。三極管在工作時，電子和空穴共同參與導電，影響器件工作性能，所以也稱為是雙極型晶體管。

放大電路是晶體管的典型應用，在放大電路中，晶體管工作在放大狀態，此時發射結正偏，集電結反偏，以NPN管為例，在正偏的發射結作用下，發射區中的多數載流子電子傳輸到基區，由于基區濃度較低，且基區寬度較小，所以絕大多數電子都能通過基區到達集電區，并在反向集電結電壓的作用下接入集電區，由集電區收集。也就是說，NPN管在放大工作時，主要是以電子傳輸為主，電子由發射區發射，經過基區輸運，最后由集電區收集，在這個過程中，有兩次電子損失，一次是在發射區中，電子與基區注入的空穴復合，損失了一部分，另一次是在基區中，電子在基區輸運過程中，與基區中的空穴復合，損失了一部分。在整個載流子傳輸的過程中，損失的越少，最后集電區收集到的就越多，晶體管的放大能力就越強。

晶體管放大電流的能力可以用電流放大系數來描述。放大電路的接法不同，其電流放大能力不同，電流放大系數也不同。

如圖1所示的是雙極型晶體管的共基極連法，這種連法是以發射極為輸入端，集電極為輸出端。其直流電流放大系數0α定義為集電極輸出電流與發射極輸入電流之比，即：

圖1 雙極型晶體管的共基極連法

α0反映出發射極輸入電流IE中有多大比例傳輸到集電極成為輸出電流IC，或者說由發射極發射的電子有多大比例傳輸到集電極[3]。

理解晶體管的放大原理有助于更好地理解和分析三極管的應用電路。

2 共基極放大電路的Multisim仿真與測試

Multisim是一款基于Windows的仿真工具，使用簡便，仿真功能強大，有豐富的元器件庫。可以直接在元件庫中選擇三極管構建共基極放大電路，并利用軟件中相應工具對電路性能進行判斷和分析。

在《半導體器件物理》課程教學過程中，通過分析器件結構和性能，使學生理解晶體管的放大原理及放大性能。在此基礎上，借助Multisim搭建應用電路是一種簡單有效的方法，與同期開設的《模擬電子技術》課程間建立有效的聯系，可以有助于學生在理解器件性能的基礎上進一步掌握器件的應用方法。

如圖2所示，這是一個由晶體管2N3904構成的雙電源共基極放大電路，在Mutisim中完成對該電路的仿真，并分析電路的工作性能。

圖2 共基極放大電路及仿真

首先利用示波器觀察輸出，可以看到此時能夠正常輸出一個周期為1ms的正弦波。為了更好判斷這個晶體管應用電路的性能，還需要進一步的分析。

將電路輸入小信號以及經過電容C1后的信號接入同一示波器的A、B通道，觀察對比波形，如圖3所示，會發現輸入信號經過電容C1后產生嚴重的衰減，兩個信號之間存在相位差，這說明耦合電容的大小不合理。

圖3 輸入信號對比圖（白線為輸入信號，紅線為經過電容之后的信號）

根據電容容抗計算公式：

將輸入信號頻率及電容值代入公式2中，可以計算出電容C1的容抗XC1≈159，電容容抗過大，從而導致輸入信號經過電容C1后產生較大的衰減，且出現了相位偏移。可以通過增大電容來進行調整。

將該耦合電容C1的容值增大至100μF，繼續仿真，此時經過電容的輸入信號的衰減顯著減小，同時相位偏差顯著減小，如圖4所示。

圖4 調整電容后輸入信號對比圖（白線為輸入信號，紅線為經過電容之后的信號）

增大耦合電容將輸入信號和輸出信號同時接入同一示波器，觀察波形發現輸出波形的后半周期出現了明顯的失真，說明該電路的靜態工作點設置不合理。

使用萬用表測量三極管CE間的電壓，如圖6所示，發現當前的VCE為2.34V，IE=1.061mA，IC=1.033mA，結合三極管的輸出特性曲線會發現，這個靜態工作點的位置太低了，所以才會導致輸出波形出現底部失真。

圖5 調整電容后輸入輸出信號對比圖（黑線為輸入信號，紅線為輸出信號）

圖6 靜態工作點的測量結果圖

現對該電路的靜態工作點進行分析，分析電路如圖7所示，該電路的靜態工作點計算過程如公式3-公式7所示。

圖7 電路靜態工作點分析電路

由晶體管的放大性能可知，α是共基極電流放大系數，根據電路仿真測量結果可知:

經計算，該電路的靜態工作點VCEQ≈2.29 V，與測量結果接近，根據理論分析可以看到，VCEQ的大小與負載電阻的大小有關。

而一般來說，如果希望輸出不失真，理想的靜態工作點的VCEQ應該在電源電壓的1/2左右，也就是VCEQideal=0.5（V1+V2）=7.5V，因此可以通過調整負載電阻RC的阻值，來提升靜態工作點，從而使電路工作在穩定狀態，RC的阻值計算過程如式8所示。

根據計算出的結果取近似值，將負載電阻RC的阻值調整為5kΩ后進行輸入輸出信號的仿真，仿真結果如圖8所示，此時輸出電壓與輸入電壓同相，電壓放大倍數高，符合共基極放大電路輸入信號與輸出信號同相，電壓增益高，電流增益低的特性。

圖8 調整RC后輸入輸出信號對比圖（黑線為輸入信號，紅線為輸出信號）

3 結論

利用Multisim軟件，從研究雙極型晶體管放大性能的角度，對于所搭建的共基極放大電路進行仿真，測試了電路的放大特性，并針對電路所存在的問題，結合器件性能及電路結構，逐一進行分析和解決，最終獲得了良好的電路工作特性。通過對雙極型晶體管放大電路的仿真和分析，更好地理解了晶體管的特性和應用，拓展了對半導體器件原理的認知。將1+X證書所要求的分析和測試等能力融入《半導體器件物理》的教學過程中，提升學生的應用能力，并與專業課程體系中其它專業課程間形成有機聯系。