基于Multisim 10的共射極放大器設(shè)計與仿真

摘要：利用Multisim 10仿真軟件對共射投放大電路進行了計算機輔助設(shè)計和仿真。運用直流工作點對靜態(tài)工作點進行了分析和設(shè)定；利用波特圖示儀分析了電路的頻率特性；對電壓增益、輸入電阻和輸出電阻進行了仿真測試，測試結(jié)果和理論計算值基本一致。研究表明，Mult isim 10仿真軟件具有強大的設(shè)計和仿真分析功能，可以縮短設(shè)計周期，保障操作安全，方便調(diào)試、節(jié)省成本和提高設(shè)計質(zhì)量等。
關(guān)鍵詞：靜態(tài)工作點；放大器；仿真；頻率特性；Multisim 10

    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 DesignAutomation)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)點面倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。
    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，使摸擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)更加形象、靈活，更貼近工程實際，達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。

1 結(jié)果與分析
    在Multisim 10軟件中，元件庫欄中選擇元件拖曳剄工作區(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)。調(diào)節(jié)RP可改變?nèi)豆艿墓ぷ鳡顟B(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
    在設(shè)定的工作點情況下，輸入(f=1 kHz，V=10 mV)正弦波，通過虛擬示波器觀測輸入輸出波形如圖3所示。圖中可看出輸出信號已得到放大，通過輸入輸出交流電壓表得Vi=10 mV、Vo=296．627 mV，電壓增益為：Av=Vo／Vi≈-29．66。利用
   
    經(jīng)計算可得電壓增益為-30．45，與仿真結(jié)果基本接近。

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。

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≈17．92MHz。

    旁路電容、耦合電容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10μF減小到1μF，其他參數(shù)不變，可測得下限頻率為63．3 Hz，上限頻率為18．43MHz；同理將C2由10μF減小到1μF，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47μF減小到1μF，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 9kΩ。
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。

    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 5kΩ，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。