基于Multisim的三極管放大電路仿真分析

0 引言

放大電路是構成各種功能模擬電路的基本電路，能實(shí)現對模擬信號最基本的處理--放大，因此掌握基本的放大電路的分析對電子電路的學(xué)習起著(zhù)至關(guān)重要的作用。三極管放大電路是含有半導體器件三極管的放大電路，是構成各種實(shí)用放大電路的基礎電路，是《模擬電子技術(shù)》課程中的重點(diǎn)內容。在課程學(xué)習中，一再向學(xué)生強調，放大電路放大的對象是動(dòng)態(tài)信號，但放大電路能進(jìn)行放大的前提是必須設置合適的靜態(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 )出現失真，這樣的“放大”就毫無(wú)意義。什么樣的靜態(tài)工作點(diǎn)是合適的靜態(tài)工作點(diǎn);電路中的參數對靜態(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別;這些問(wèn)題單靠課堂上的推理及語(yǔ)言描述往往很難讓學(xué)生有一個(gè)直觀(guān)的認識。在課堂教學(xué)中引入Multisim仿真技術(shù)，即時(shí)地以圖形、數字或曲線(xiàn)的形式來(lái)顯示那些難以通過(guò)語(yǔ)言、文字表達令人理解的現象及復雜的變化過(guò)程，有助于學(xué)生對電子電路中的各種現象形成直觀(guān)的認識，加深學(xué)生對于電子電路本質(zhì)的理解，提高課堂教學(xué)的效果。實(shí)現在有限的課堂教學(xué)中，化簡(jiǎn)單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣，充分調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣和自主性。

1 Multisim 10 簡(jiǎn)介

Multisim 10 是美國國家儀器公司(NI公司)推出的功能強大的電子電路仿真設計軟件，其集電路設計和功能測試于一體，為設計者提供了一個(gè)功能強大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺，設計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、數字電路、單片機和射頻電子線(xiàn)路的仿真和調試。

Multisim 10 的主窗口如同一個(gè)實(shí)際的電子實(shí)驗臺。屏幕中央區域最大的窗口就是電路工作區，電路工作窗口兩邊是設計工具欄和儀器儀表欄。設計工具欄存放著(zhù)各種電子元器件，儀器儀表欄存放著(zhù)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連接成實(shí)驗電路，并通過(guò)“仿真”菜單選擇相應的仿真項目得到需要的仿真數據。

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放大電路作為分析對象，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)分析將分析電路對交流信號的放大情況。

根據實(shí)驗電路圖，在Multisim 界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數，使用Multisim 虛擬儀器進(jìn)行在線(xiàn)測量。與理論分析一樣，仿真分析時(shí)應遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則。首先獲取電路的靜態(tài)工作點(diǎn)數據，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)數據，利用虛擬儀器“示波器”觀(guān)察三極管的輸入/輸出波形。

2.1 仿真分析的理論依據

分析圖1所示電路，可求得其靜態(tài)工作點(diǎn)估算表達式：

由理論分析可知，當利用三極管單級放大電路對交流小信號進(jìn)行放大時(shí)，如果為電路設置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q,就能保證三極管在整個(gè)信號周期內均工作在放大區，放大輸出的信號就不會(huì )失真。若Q點(diǎn)偏高，三極管會(huì )在輸入信號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 )出現頂部失真，而放大電路輸出的信號則會(huì )出現底部失真。若Q點(diǎn)偏低，三極管會(huì )在輸入信號的負半周因發(fā)射結電壓UBE 低于導通電壓UON 而截止，基極電流IB 及集電極電流IC 因此會(huì )出現底部失真，而放大電路輸出的信號則會(huì )出現頂部失真。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 的導通電壓UON ,約在0.6~0.7 V之間，且UCEQ 的取值接近于VCC 的1 2 時(shí)，能保證三極管在整個(gè)信號周期均能工作在放大區，輸入信號被放大一定倍數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，在輸入信號的正半周會(huì )一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號因此出現底部失真現象。

(3)若UBEQ 的取值小于三極管2N222A的導通電壓UON ,但UCEQ 的取值接近于VCC 時(shí)，三極管此時(shí)基本處于截止狀態(tài)，在輸入信號的負半周會(huì )一直處于截止狀態(tài)，輸出信號因此出現頂部失真現象。

2.2 仿真分析

在圖1所示電路中選擇節點(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，據此計算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)數據后，通過(guò)電阻R1 ,R2 為電路輸入頻率為1 kHz、幅值為500 mV的正弦信號ui ,此時(shí)三極管上真正的輸入信號應為電阻R2 兩端獲得的動(dòng)態(tài)小信號uR2 ,其幅值低于10 mV,符合實(shí)驗電路交流小信號的要求。三極管的動(dòng)態(tài)輸出信號為負載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uR2 及輸出信號uRL 的波形，驗證上述分析的結果。

由式(1)~式(3)可知，可調電位器Rp 的取值將影響各靜態(tài)工作點(diǎn)的取值，仿真過(guò)程中通過(guò)修改電路元件Rp 的參數改變基極電阻，觀(guān)察各項靜態(tài)工作點(diǎn)數據及輸出波形因此產(chǎn)生的變化。

2.2.1 合適的靜態(tài)工作點(diǎn)

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

UB≈ 2.47 V, UC≈ 7.81 V, UE≈ 1.86 V由此計算得靜態(tài)工作點(diǎn)數據：

UBEQ≈ 0.61 V, UCEQ≈ 5.95 V可見(jiàn)，UBEQ > UON ,UCEQ > UBEQ ,且UCEQ 接近于VCC的1 2,三極管在直流電源的作用下理論上取得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，能保證在整個(gè)小信號周期均能工作在放大區。

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