基于Multisim 10晶體管放大器的參數(shù)仿真

馬愛霞 張盼盼

（河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院信息科學(xué)與工程系，河南 鄭州451400）

0 引言

高等院校工科類電子專業(yè)基礎(chǔ)課程通常包括《電路分析基礎(chǔ)》、《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》，作為這些專業(yè)學(xué)生的必修課程，這些課程教學(xué)方法的選擇，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，這又直接影響到學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，甚至影響到學(xué)生的整個(gè)大學(xué)的學(xué)習(xí)成績及以后的就業(yè)問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)軟件的仿真技術(shù)對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試己成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的引入，一方面拓寬了課堂教學(xué)模式，又使理論和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合在一起。讓枯燥無味、抽象的事物形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，能在很大程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又有助于提高學(xué)生對其基本理論及應(yīng)用電路的理解。

《模擬電子技術(shù)》是一門大家公認(rèn)的比較抽象的一門課，整個(gè)課程圍繞放大的基本概念展開。晶體管放大電路作為放大電路的基礎(chǔ)，也是模擬電子技術(shù)課程的最基礎(chǔ)、最經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)涉及方面廣，具體包括放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置、交流電壓放大倍數(shù)和頻率特性參數(shù)、溫度參數(shù)等。對于剛剛接觸本課程的學(xué)生來說，除了一邊要掌握相關(guān)儀器儀表的使用外，還要全部做完以上各個(gè)參數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無疑具有很大的挑戰(zhàn)性。另一方面，Multisiml0作為著名的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，具有仿真速度快，精度高，形象，準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。利用Multisiml0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，可以直觀地觀察不同參數(shù)對放大電路性能指標(biāo)的影響，對學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)過程具有很大的幫助。

1 Multisim 10軟件簡介

Muhisim 10是National Instruments公司于2007年3月推出的Ni Circuit Design Suit 10中的一個(gè)重要組成部分。該軟件界面友好，操作方便，繪制電路圖需要的元件、電路仿真需要的儀器都可以直接從Muhisiml0的工作平臺(tái)上選取，運(yùn)行環(huán)境逼真，并提供較為詳細(xì)的電路分析手段，具有較強(qiáng)的仿真分析能力。設(shè)計(jì)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(yàn)室，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試。

2 晶體管共射放大器仿真分析

運(yùn)行Muhisim10對晶體管共射放大器進(jìn)行分析，第一步是繪制電路。在繪圖編輯器中選取交流信號(hào)源、直流電壓源、電阻、電容、晶體管等器件創(chuàng)建晶體管共射放大電路，見下圖。

圖1 晶體管放大電路

在放大電路工作時(shí)，無論是大信號(hào)還是小信號(hào)，都必須給晶體管以正確的偏置，以便使其工作在所需的狀態(tài)下，這就是直流分析要解決的問題。了解電路的直流工作點(diǎn)，才能進(jìn)一步分析電路在交流信號(hào)作用下電路能否正常工作，因此求解電路的直流工作點(diǎn)在電路分析過程中是至關(guān)重要。

故繪制完電路之后，該電路分析的第一步是直流分析。對于直流分析主要是測三極管基極、發(fā)射極、集電極這幾點(diǎn)的電壓，從而判斷三極管的工作狀態(tài)。對于本仿真繪制的如圖1所示的晶體管共射放大電路，主要是測2點(diǎn)、4點(diǎn)和5點(diǎn)的電壓。在Muhisim10仿真軟件環(huán)境中，點(diǎn)“仿真”-“分析”-“直流工作點(diǎn)分析”，只需在輸出選項(xiàng)“分析所選變量”中添加V(2)、V（4）、V（5）三個(gè)變量，點(diǎn)擊“仿真”按鈕，得到V(2)=2.13V、V（4）=2.86V、V（5）=6.76V，由這幾個(gè)參數(shù)結(jié)合三極管的放大條件，經(jīng)判斷知晶體管處于放大狀態(tài)。

直流條件滿足后，接下來我們即可以進(jìn)行交流分析，交流分析主要是放大倍數(shù)測量。對于放大倍數(shù)的計(jì)算，常用的方法是需要測量出輸出和輸入波形，從而計(jì)算其數(shù)值。在此仿真環(huán)境中可采用虛擬示波器的雙通道來觀察。在示波器上讀出輸入和輸出的讀數(shù)，由此來計(jì)算放大倍數(shù)。該圖形的仿真是在通道A接輸入，通道B接輸出。該仿真設(shè)計(jì)筆者設(shè)置A通道1mV/每格，B通道50mV/每格。經(jīng)仿真得到波形如下。從圖形上可以讀出輸入電壓為1.3mv，輸出電壓105mv，經(jīng)計(jì)算該電路的電壓放大倍數(shù)81，實(shí)現(xiàn)了放大功能。

圖2 放大電路的輸入和輸出波形

由以上的分析可知，該軟件計(jì)算參數(shù)非?？旖?、方便。除此之外，該軟件還可以非常方便的調(diào)整電路的參數(shù)，觀察電路的失真情況，此方便筆者沒有涉及。在失真的研究上，大家可以通過調(diào)低基極電壓，降低Q點(diǎn)觀察截止失真的波形?；蛘?，增大基極電壓升高Q點(diǎn)，觀察飽和失真的波形。

此外，由于半導(dǎo)體材料的熱敏性，晶體管的電流放大系數(shù)、發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓、穿透電流等參數(shù)都會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化。所以溫度變化對由半導(dǎo)體器件組成的電子電路性能的影響是不可忽視的，該文也對溫度對晶體管放大帶來的影響作了分析。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行溫度變化對電路性能的測試時(shí)，需要把電子電路實(shí)物放入烘箱內(nèi)，進(jìn)行實(shí)際溫度條件測試，這種方法不僅費(fèi)時(shí)、而且成本較高。本文利用Multisim軟件的溫度掃描分析可方便的觀察溫度對放大器輸出波形的影響。本仿真將溫度設(shè)置為0℃-150℃之間，步長為50℃的3個(gè)不同溫度值，在輸出選項(xiàng)卡中將輸出電路變量設(shè)置為V(7)，得到3組輸出波形圖，如圖3所示。

圖3 放大電路的溫度掃描曲線

3 總結(jié)

利用Multisim10對晶體管放大電路主要性能指標(biāo)的分析是一種簡單、易行、方便、快捷的獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，省去了在電子電路教學(xué)中用實(shí)際元器件安裝調(diào)試電路的過程，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的硬件設(shè)由分析知隨著溫度的升高Q點(diǎn)會(huì)向飽和區(qū)相應(yīng)移動(dòng)，縮小輸出波形的波動(dòng)范圍。由上面的仿真波形可明顯的觀察到，隨著溫度的升高輸出電壓的范圍在減小。由此可見采用此軟件，可很方便、直觀的觀察溫度對晶體管放大器的影響。備條件的限制，大大提高了實(shí)驗(yàn)的深度以及廣度。利用Muhisiml0把軟件仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，為學(xué)生提供一個(gè)極好的展示自己才華的平臺(tái)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，并且可以完成較復(fù)雜的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有非常重要的作用。還可利用Multisim軟件自身提供的失真度分析、溫度掃描分析、噪聲分析等來優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

［1］于京生.Muhisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào),2011(11).

［2］張恒,吳翠娟.模擬電子技術(shù)[M].蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校本教材,2009.

［3］蘇士美.模擬電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.

［4］張新喜.Multisim 10仿真與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.