Multisim在共射極放大電路分析中的應用

錢 香，佘 艷

（無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028）

0 引 言

模擬電子技術是電子技術專業的一門專業基礎課程，實用性較強，但是理論知識比較抽象，講解起來枯燥，學生不容易理解。為了讓學生能直觀的理解模擬電子技術的理論知識，在課程中加入實驗教學環節，傳統方式是用真實的元器件搭建電路，輔以信號發生器、示波器、直流穩壓電源、萬用表等電子設備[1]。由于學習模擬電子技術的學生人數眾多，而實驗設備有限，學生實際操作經常導致元器件及設備損壞，最終不能達到預期的實驗效果。Multisim軟件只需在電腦端安裝軟件，就可以對電路進行仿真。同時，Multisim軟件界面簡潔易學、元器件種類多、測試儀器多、仿真功能豐富[1]。

引入Multisim軟件進行仿真實驗，通常要求學生在進行仿真實驗前，先進行理論計算，這樣在仿真結果出來后可以根據理論計算結果來驗算自己的電路是否正確。

1 實驗電路設計

模擬電路中的核心元件是半導體三極管，它是電流控制型器件，具有電流放大作用，可以將較小的輸入信號轉變為較大的輸出信號。在實際電路應用中通常有3種接法：共射極放大電路、共基極放大電路及共集電極放大電路，如圖1所示[2]。共射極放大電路應用最為廣泛，也是學生學習模擬電子技術的基礎。掌握共射極放大電路的分析方法對后續學習其他電路有著至關重要的作用。

分壓式共射極放大電路可以解決溫度變化帶來的靜態工作點偏移的問題，成為放大電路中最常用的一種電路，因此實驗中設計了一個分壓式共射極放大電路，如圖2所示[3]。圖2中V1為輸入信號，三極管選用BF420，基極電阻R1設置為10 kΩ，R2設置為30 kΩ，射極偏置電阻R3、集電極電阻R4和負載電阻R5均設置為1 kΩ，輸入耦合電容C1、輸出耦合電容C2均設置為10 μF，旁路電容C3均設置為47 μF，直流電源V2為12 V。

圖1 放大電路中三極管的接法

圖2 分壓式共射極放大電路

2 放大電路的分析

放大電路分析包含靜態和動態分析兩個方面[4]。通過靜態分析得到電路的靜態工作點，從而判斷三極管所處的工作狀態。只有三極管工作于放大狀態時，在輸入端輸入交流小信號，輸出端才會得到放大的波形。如果電路的靜態工作點設置的不合適，輸出波形就會出現失真。動態分析主要是得到放大電路對輸入信號放大的倍數。本章節先對放大電路的靜態和動態分析進行仿真，然后對輸出波形的失真進行仿真驗證。

2.1 靜態分析

靜態是指輸入信號為零，放大電路中沒有交流信號，因電容隔直流通交流的特點，此時電容可以認為是開路[2]。靜態工作點通常用Q表示，一般用IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ四個參數來描述電路的靜態工作點[3]。

（1）估算法計算靜態工作點

用估算法對放大電路的靜態工作點進行理論計算，實驗中三極管選用BF420，估算時放大倍數取122，計算結果如下：

由以上分析結果可以得知，三極管工作于放大狀態。

（2）Multisim軟件仿真靜態工作點

用Multisim軟件對電路進行靜態工作點仿真，仿真結果如表1所示。

表1 靜態工作點仿真結果

由圖2分壓式共射極放大電路可知，表1靜態工作點仿真結果中I（Q1[IB]）、I（Q1[IC]）、I（Q1[IE]）對應三極管的三端電流IBQ、ICQ、IEQ，V（1）、V（2）、V（4）對應三極管的三端電壓值VEQ、VBQ、VCQ。靜態工作點計算結果如下：

由Multisim軟件仿真結果算出放大電路的靜態工作點，與估算法作對比，如表2所示。從對比結果可以看出，估算法得到的結果與仿真結果基本相符。

表2 用Multisim軟件仿真和估算法得到的靜態工作點對比

2.2 動態分析

動態是輸入信號為交流信號，此時電路中既有直流信號，也有交流信號，電路中的電壓和電流都是變化的[3]。在理論課教學中，一般用微變等效電路法對放大電路進行動態分析。動態分析的參數包括電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等。

（1）微變等效電路法近似計算放大電路的動態參數

輸入小信號時，可以用微變等效電路法對放大電路進行動態分析，近似計算放大電路的動態參數如下：

（2）Multisim軟件仿真分析放大電路的動態參數

用軟件對動態參數進行仿真，電壓放大倍數及輸入電阻可采用相同的電路，輸出電阻則要采用不同的電路。

電壓放大倍數及輸入電阻仿真電路如圖3所示，輸入端增加萬用表XMM1和XMM3分別測輸入端的電壓和電流，輸出端增加萬用表XMM2測輸出端的電壓。輸入端和輸出端電壓分別接到示波器A通道和B通道，A通道為輸入信號設置為紅色，B通道為輸出信號設置為藍色[4]。

設置輸入信號V1為幅度10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，對電路進行仿真，得到示波器的界面如圖4所示，萬用表讀數如圖5所示。從圖4可以看出，輸出波形和輸入波形的相位差是180°，即共射極放大電路的電壓放大倍數為負值。

圖3 電壓放大倍數及輸入電阻仿真電路圖

圖4 放大電路輸入和輸出波形

圖5 電壓放大倍數及輸入電阻仿真時萬用表讀數

根據仿真得到的萬用表讀數計算放大電路的電壓放大倍數及輸入電阻如下：

根據輸出電阻的定義，設計輸出電阻仿真電路，如圖6所示，放大電路的輸入端V1設為零，去掉負載電阻R5，在輸出端加上電壓源V3，電路中萬用表XMM1和XMM2分別測輸出端的電壓和電流。

圖6 輸出電阻仿真電路圖

設置電壓源V3為幅度10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，對電路進行仿真，得到萬用表讀數如圖7所示。

圖7 輸出電阻仿真時萬用表讀數

根據仿真得到的萬用表讀數計算放大電路的輸出電阻如下：

將Multisim軟件仿真和微變等效電路法分析的動態參數進行對比，如表3所示。從對比結果可以看出，微變等效電路法得到的結果與仿真結果基本相符。

表3 Multisim軟件仿真和微變等效電路法分析的動態參數對比

2.3 輸出波形失真分析

對于放大電路的基本要求就是輸出波形失真要盡可能小。如果電路的靜態工作點設置的不合適，輸出波形就會出現失真。實驗中調整基極電阻R2的大小，使三極管的工作狀態發生改變。

（1）底部失真

將電路中的R2設置為5 kΩ，得到放大電路的靜態工作點如表4所示，此時三極管處于飽和狀態。經仿真，得到輸出端的波形如圖8所示，輸出波形的負半軸出現了失真，即底部失真[2]。

表4 R2設置為5 kΩ時，仿真得到的靜態工作點

圖8 三極管處于飽和狀態時，電路的輸入輸出波形

圖9 三極管處于截止狀態時，電路的輸入輸出波形

（2）頂部失真

將電路中的R2設置為60 kΩ，得到放大電路的靜態工作點如表5所示，此時三極管處于截止狀態。經仿真，得到輸出端的波形如圖9所示，輸出波形的正半軸出現了失真，即頂部失真[2]。

表5 R2設置為60 kΩ時，仿真得到的靜態工作點

3 結 論

本文用Multisim軟件設計了一種分壓式共射極放大電路，并對其進行了靜態分析、動態分析及輸出波形失真分析。根據對仿真數據的分析，得到仿真結果與理論計算相符，電路達到預期目標。

隨著信息化的發展和普及，學生計算機的操作水平不斷提升，用軟件對電路進行仿真，可以提高學生的學習興趣。在實驗過程中，還可以設置一些問題激發學生的學習興趣，如分析靜態工作點對輸出波形的影響時，先讓學生自己調整參數，通過仿真得到的靜態工作點參數判斷三極管的工作狀態。Multisim軟件代替傳統教學方式完成共射極放大電路的實驗，操作簡單，容易得到預期實驗結果，可以提升學生的自信心，促進學生學習后續內容的興趣。