基于Multisim 10的共射極放大器設(shè)計與仿真

許建明，彭 森，王小沅，陳 鵬

（邵陽學(xué)院 信息工程系，湖南 邵陽 422000）

在電子技術(shù)發(fā)展歷程中，電子產(chǎn)品向集成化、數(shù)字化、微型化和低功耗方向進行發(fā)展，EDA （Electronic Design Automation）技術(shù)逐漸日趨完善。電類專業(yè)的學(xué)生可以運用EDA技術(shù)進行電子電路設(shè)計和測試。EDA技術(shù)具有效率高，周期短，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，已成為當(dāng)今電子設(shè)計的主流方法和趨勢。在眾多電子電路仿真軟件中，Multisim以其界面友好、功能強大、直觀、簡單等優(yōu)點而倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞[1-2]。

文中以模擬電子技術(shù)中的共射極放大電路為例，介紹了采用Multisim仿真軟件分析靜態(tài)工作點的設(shè)置與波形失真的原因，如何利用仿真軟件測試電路的交流參數(shù)，分析電路參數(shù)對電路頻率特性的影響，使模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)更加形象、靈活，更貼近工程實際，達(dá)到幫助理解電路原理，提高分析能力的目的。對培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高電子設(shè)計專業(yè)素質(zhì)具有重要的意義[3-4]。

1 結(jié)果與分析

在Multisim 10軟件中，元件庫欄中選擇元件拖曳到工作區(qū)適當(dāng)位置，修改元件參數(shù)。其中，信號源采用（f=1 kHz，V=10 mV）正弦波、直流電源（+12 V）、三極管（2N2222A）、電解電容、電阻、電位器按照電路原理進行布局設(shè)計，用導(dǎo)線連接各元器件。根據(jù)測試需要設(shè)置不同顏色導(dǎo)線區(qū)別測試結(jié)果，接入輸入、輸出、管壓降電壓表進行測量放大倍數(shù)和VCE，示波器測量輸入輸出波形，電路如圖1所示。

1.1 靜態(tài)工作點分析

在半導(dǎo)體三極管放大器中，為了獲得最大不失真的輸出電壓，靜態(tài)工作點應(yīng)選擇輸出特性曲線上交流負(fù)載線的中點。若工作點選得過高，易引起飽和失真，而選得過低，又易引起截止失真。在測試中如果VCEQ＜0.4 V，此時三極管進入飽和；如果VCEQ≈12 V，此時三極管進入截止?fàn)顟B(tài)[5-6]。調(diào)節(jié)RP可改變?nèi)龢O管的工作狀態(tài)，本設(shè)計中調(diào)節(jié)RP使VCEQ=5.88 V，可見三極管工作在放大狀態(tài)，利用軟件對電路進行直流工作點分析（包括三極管各電極電壓和電流），得到如圖2所示的仿真結(jié)果。

1.2 交流分析

1.2.1 輸出波形及增益

圖1 電路原理圖Fig.1 Diagram of the circuit principle

圖2 直流靜態(tài)工作點Fig.2 DC static working point

1.2.2 非線性失真

通過改變偏置電阻RP的阻值改變放大電路的偏置電壓，獲得不同的Q點。改變RP來設(shè)置偏高和偏低的靜態(tài)工作點，觀察飽和失真和截止失真的波形。

1）當(dāng)Rp=21 kΩ時，從圖4可以看出輸出特性曲線底端出現(xiàn)了失真，這種失真為飽和失真，輸入輸出波形及管壓降VCEQ值如圖4所示。

2）當(dāng)Rp=100 kΩ時，從圖5可以看出輸出特性曲線頂端出現(xiàn)了失真，這種失真為截止失真，輸入輸出波形及管壓降VCEQ值如圖5所示。

圖3 輸入輸出波形Fig.3 Input/output waveform

圖4 飽和失真輸入輸出波形及管壓降Fig.4 Input and output waveform of the saturated distortion and transistor voltage drop

圖5 截止失真輸入輸出波形及管壓降Fig.5 Input and output waveform of the cutoff distortion and transistor voltage drop

1.2.3 頻率特性分析

通過對電路的交流分析，可以得出電路的頻率特性曲線（包括幅頻特性和相頻特性）如圖6所示。測量出中頻段的增益為29.522 dB，高低端-3 dB處上限截止頻率fH=17.92 MHz，下限截止頻率fL=45.86 Hz，可得通頻帶B=fH-fL≈17.92 MHz。

旁路電容、耦合電容[7]對上下限頻率的影響，可以通過仿真的手段驗證其影響程度。將C1由10 μF減小到1 μF，其他參數(shù)不變，可測得下限頻率為63.3 Hz，上限頻率為18.43 MHz；同理將C2由10 μF減小到1 μF，其他參數(shù)不變，可測得下限頻率為 52.35 Hz、上限頻率為17.56 MHz；將旁路電容C3由47 μF減小到1 μF，其他參數(shù)不變，可測得下限頻率為2.12 kHz，上限頻率為18.43 MHz。以上結(jié)果顯示，低頻特性主要受到旁路電容的影響，這跟教材中的結(jié)論是一致的。

1.2.4 輸入電阻分析

利用Multisim 10軟件根據(jù)圖1更改為輸入電阻測量電路，在放大器的輸入回路接虛擬電壓表和電流表，根據(jù)測量值可求出輸入電阻。測量圖和測量結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)測量結(jié)果計算輸入電阻為：Ri=Vi/Ii=9.154/1.693=5.406 969 9 kΩ。

圖6 頻率特性Fig.6 Frequency characteristics

圖7 測量輸入電阻及仿真結(jié)果Fig.7 Input resistance measurement and the simulation results

1.2.5 輸出電阻分析

輸出電阻RO的大小表征電路帶負(fù)載能力的大小。輸出電阻越小，帶負(fù)載能力越強。用傳統(tǒng)方法測量放大器的開路電壓VO=512.871 mV和負(fù)載電阻上的電壓VOL=271.613 mV，再利用 RO=（VO-VOL）RL/VOL可計算輸出電阻 RO=4.530 032 8 kΩ。而采用外加激勵法測量輸出電阻仿真電路圖8所示。

圖8 測量輸出電阻電路及仿真結(jié)果Fig.8 Output resistance measurements and the simulation results

根據(jù)測量結(jié)果計算輸出電阻為：RO=VO/IO=999.996/220.756=4.529 767 5 kΩ，計算結(jié)果跟傳統(tǒng)測量方法基本一樣。

2 結(jié)束語

文中利用Multisim 10仿真軟件完成共射極放大器的設(shè)計及仿真，整個過程簡單、靈活、直觀、貼近工程實際，容易理解電路的原理以及提高了工程設(shè)計和分析的能力。利用直流工作點分析共射放大器的靜態(tài)工作點；利用參數(shù)掃描分析電路參數(shù)對輸出波形的影響，觀察不同的非線性失真；利用波特圖示儀觀察幅頻和相頻特性；最后對電路的輸入輸出電阻等指標(biāo)進行了仿真測試，對比測試結(jié)果得知，理論計算值與測量值基本吻合。采用Multisim仿真軟件分析和設(shè)計電子電路，提供了一個全新的解析方法和手段。

[1]聶典，丁偉.Multisim 10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]趙春華，張學(xué)軍.Multisim9電子技術(shù)基礎(chǔ)仿真實驗[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

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