Multisim 10在單管共射放大電路教學(xué)中的應用

　　關(guān)鍵詞：Multisim 10;電路仿真;靜態(tài)工作點(diǎn);動(dòng)態(tài)參數

　　引言

　　在眾多的電路仿真軟件中，Multisim以其界面友好，功能強大和容易使用而倍受高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。Multisim 10是美國國家儀器公司NI(National Instruments)最新推出的Multisim版本，集電路設計和功能測試于一件，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，搭建虛擬實(shí)驗室，進(jìn)行模擬電路、數字電路、自動(dòng)控制、單片機和射頻電子線(xiàn)路的仿真和調試。

　　模擬電子技術(shù)是高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎課程。單管共射放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎部分，也是這門(mén)課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，而單管共射放大電路則是放大電路的基本形式。要在放大電路中實(shí)現輸出信號的不失真放大，必須設置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路的適用范圍是低頻小信號，電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動(dòng)態(tài)指標。利用仿真軟件對典型電子電路進(jìn)行計算機仿真，實(shí)現在有限的課題教學(xué)中，化簡(jiǎn)單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣，能充分調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣和自主性，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內容。本文以單管共射放大電路為例，應用Multisim 10仿真軟件進(jìn)行了模擬電路的計算機輔助教學(xué)。

　　1 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

　　1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的設置

　　在Multisim 10中創(chuàng )建如圖1所示的單管共射放大電路。選用NPN型硅晶體管2N1711作為BJT，雙蹤示波器用于觀(guān)測輸入/輸出信號波形，交流信號源為5 mVpk，頻率為2 kHz。為了獲得放大的不失真輸出信號，電路需要設置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))，Q點(diǎn)過(guò)高(或過(guò)低)會(huì )引起輸出信號的飽和(或截止)失真。對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，得到如圖2所示的仿真數據，包括晶體管的結點(diǎn)電位和基極、集電極電流。

　　從圖2的結點(diǎn)數據可以計算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓：

　　與電源電壓Vcc=12 V相比，該放大電路的Q點(diǎn)設置合理。在設置了合適的Q點(diǎn)之后，在輸入端加上低頻小信號電壓，觀(guān)察到如圖3所示的輸入/輸出信號波形圖。由圖3可見(jiàn)，輸入/輸出信號反相，輸出波形完整無(wú)失真，與輸入信號相比，輸出信號的幅值有很大增加?？梢?jiàn)，該電路基本實(shí)現了對低頻小信號的放大功能。

　　在Q點(diǎn)的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對于Q點(diǎn)的理解往往很模糊，存在為何要設置Q點(diǎn)，如何設置Q點(diǎn)，Q點(diǎn)設置不合理會(huì )出現什么結果等疑問(wèn)。通過(guò)改變偏置電阻的阻值改變放大電路的偏置電壓來(lái)獲得合適的Q點(diǎn)。通過(guò)改變RB1的阻值來(lái)觀(guān)察Q點(diǎn)設置偏高和偏低所帶來(lái)的失真。取交流信號源為20 mVpk，頻率為2 kHz。當RB1=17.6kΩ，對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，得到VCE=0.442 2V，Q點(diǎn)設置過(guò)高，出現飽和失真(底部失真)，輸入/輸出波形如圖4(a)所示。當RB1=85 kΩ，得到VCE=11.609 8 V，Q點(diǎn)設置過(guò)低，出現截止失真(頂部失真)。輸入/輸出波形如圖4(b)所示。通過(guò)演示，讓學(xué)生看到設置Q點(diǎn)不同會(huì )造成什么樣的結果，對Q點(diǎn)合理設置的理解就深入透徹了。

1.2 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的影響

　　溫度掃描分析用來(lái)研究溫度變化對電路性能的影響。通常仿真溫度是27℃，溫度掃描分析相當于在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次仿真。影響靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))穩定性的因素很多，例如電路參數變化，管子老化等，其中最主要的因素是BJT的特性參數隨溫度發(fā)生變化。硅管的VBE和β受溫度的影響較大，這是硅管的特點(diǎn)。為了研究Q點(diǎn)隨溫度的變化，對Q點(diǎn)進(jìn)行了溫度掃描分析，得到不同溫度下晶體管的結點(diǎn)電位。繪制出VCE和VBE隨溫度變化的曲線(xiàn)如圖5所示。

　　由圖可見(jiàn)，隨著(zhù)溫度的升高，VCE和VBE呈線(xiàn)性下降。VBE的線(xiàn)性擬合方程為：

　　式中：溫度系數為-1.25 mV/℃。硅管VBE的溫度系數一般為-2.2 mV/℃。比較發(fā)現，這里VBE的溫度系數較小，這是因為在該射極偏置電路(也稱(chēng)自偏置電路)中，發(fā)射極電阻的直流負反饋穩定了Q點(diǎn)，從而大大減小了溫度變化對Q點(diǎn)的影響。

　　2 單管共射放大電路的動(dòng)態(tài)指標

　　2.1 電壓增益

　　根據圖3的輸入/輸出信號波形圖，可以計算出該放大電路的電壓增益：

　　利用H參數小信號模型，繪制如圖6所示的放大電路小信號等效電路。由此模型得到電壓增益的表達式：

　　式中：交流電流放大系數采用直流系數β=IC/IB;β由靜態(tài)工作點(diǎn)的基極和集電極電流進(jìn)行計算。利用下列公式估算rBE：

　　將數值帶入式(4)，得到電壓增益為-20.86，與仿真結果比較接近。從式(4)發(fā)現，電壓增益隨RE1阻值的增加而減小。為了觀(guān)察RE1對電壓增益的影響，對RE1進(jìn)行了參數掃描分析。選擇RE1為參數掃描分析元件，RE1的阻值設置為100 Ω，200 Ω，300 Ω和500 Ω，且觀(guān)察其阻值變化對輸出波形的影響，分析結果如圖7所示。中間幅值最小的曲線(xiàn)是輸入信號，其他是不同阻值下的輸出信號。

　　由圖7可見(jiàn)，隨著(zhù)RE1阻值的增加，輸出信號的幅值逐漸下降。參數掃描分析結果與式(4)的結論是一致的。那么能否把RE1的阻值設置為零，以獲得高電壓增益呢：圖8是RE1為零時(shí)的輸入/輸出波形圖。由圖發(fā)現，雖然輸出幅值有所增加，但是輸入/輸出波形出現了明顯的相移。因此將RE1的阻值設置為100 Ω。

2.2 輸入電阻

　　在Multisim 10中創(chuàng )建如圖9所示的輸入電阻測量電路。在放大電路的輸入回路接虛擬儀器電流表和電壓表，運行電路，得到電流和電壓的測量值。依據測量結果計算輸入電阻：

　　將數值帶入上式，得到輸入電阻為3.58 kΩ。比較可見(jiàn)，仿真分析與理論計算的結果比較吻合。

　　2.3 輸出電阻

　　測量輸出電阻采用的是外加激勵源法，創(chuàng )建如圖10所示的測量電路，由仿真結果計算輸出電阻：

　　因為R’o≥Rc，所以Ro≈Rc=5.4 kΩ?？梢?jiàn)，仿真測量與理論計算的結果基本符合。也可以測量放大電路有負載時(shí)的輸出電壓VL和負載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓VO，其利用公式為：

　　計算輸出電阻。測得VO=119.474 mV，VL=62.149 mV，RL=R1=5.4 kΩ，算得輸出電阻為5.0 kΩ。計算結果與外加激勵源法測出的電阻值是一