摘要：利用Multisim 10仿真軟件對單管共射放大電路進行了計算機輔助教學。采用直流工作點分析了電路靜態(tài)工作點的設置。利用溫度掃描和參數(shù)掃描分析了溫度對靜態(tài)工作點以及電路參數(shù)對輸出波形的影響。對電壓增益、輸入電阻和輸出電阻的仿真測試結果和理論計算基本吻合。研究表明，利用Multisim 10強大的分析功能對電子電路進行計算機仿真，可以提高教學質量和教學效果。
關鍵詞：Multisim 10；電路仿真；靜態(tài)工作點；動態(tài)參數(shù)
0 引言
在電子技術的發(fā)展歷程中，隨著計算機輔助技術的應用和普及，以及電子產品向數(shù)字化、集成化、微型化和低功耗方向的發(fā)展，EDA(Electronic Design Automation)技術逐漸產生并日趨完善。電子、電氣、信息類專業(yè)的學生可以應用EDA技術進行電子電路的設計和測試。EDA具有效率高，周期短，應用范圍廣的優(yōu)點，已成為當今電子設計的主流手段和技術潮流。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專業(yè)師生和工程技術人員的青睞。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，搭建虛擬實驗室，進行模擬電路、數(shù)字電路、自動控制、單片機和射頻電子線路的仿真和調試。
模擬電子技術是高校電類專業(yè)的基礎課程。單管共射放大電路是模擬電子技術的基礎部分，也是這門課程的教學重點和難點，而單管共射放大電路則是放大電路的基本形式。要在放大電路中實現(xiàn)輸出信號的不失真放大，必須設置合適的靜態(tài)工作點。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態(tài)指標。利用仿真軟件對典型電子電路進行計算機仿真，實現(xiàn)在有限的課題教學中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，能充分調動學生的學習興趣和自主性，幫助學生更好地理解和掌握教學內容。本文以單管共射放大電路為例，應用Multisim 10仿真軟件進行了模擬電路的計算機輔助教學。
1 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點
1．1 靜態(tài)工作點(Q點)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(Q點)，Q點過高(或過低)會引起輸出信號的飽和(或截止)失真。對電路進行直流工作點分析，得到如圖2所示的仿真數(shù)據(jù)，包括晶體管的結點電位和基極、集電極電流。
從圖2的結點數(shù)據(jù)可以計算放大電路的靜態(tài)工作點電壓：
與電源電壓Vcc=12 V相比，該放大電路的Q點設置合理。在設置了合適的Q點之后，在輸入端加上低頻小信號電壓，觀察到如圖3所示的輸入／輸出信號波形圖。由圖3可見，輸入／輸出信號反相，輸出波形完整無失真，與輸入信號相比，輸出信號的幅值有很大增加?？梢?，該電路基本實現(xiàn)了對低頻小信號的放大功能。
在Q點的教學實踐中，學生對于Q點的理解往往很模糊，存在為何要設置Q點，如何設置Q點，Q點設置不合理會出現(xiàn)什么結果等疑問。通過改變偏置電阻的阻值改變放大電路的偏置電壓來獲得合適的Q點。通過改變RB1的阻值來觀察Q點設置偏高和偏低所帶來的失真。取交流信號源為20 mVpk，頻率為2 kHz。當RB1=17．6kΩ，對電路進行直流工作點分析，得到VCE=0．442 2V，Q點設置過高，出現(xiàn)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點設置過低，出現(xiàn)截止失真(頂部失真)。輸入／輸出波形如圖4(b)所示。通過演示，讓學生看到設置Q點不同會造成什么樣的結果，對Q點合理設置的理解就深入透徹了。
1．2 溫度對靜態(tài)工作點(Q點)的影響
溫度掃描分析用來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)境溫度下進行多次仿真。影響靜態(tài)工作點(Q點)穩(wěn)定性的因素很多，例如電路參數(shù)變化，管子老化等，其中最主要的因素是BJT的特性參數(shù)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。為了研究Q點隨溫度的變化，對Q點進行了溫度掃描分析，得到不同溫度下晶體管的結點電位。繪制出VCE和VBE隨溫度變化的曲線如圖5所示。
由圖可見，隨著溫度的升高，VCE和VBE呈線性下降。VBE的線性擬合方程為：
式中：溫度系數(shù)為-1．25 mV／℃。硅管VBE的溫度系數(shù)一般為-2．2 mV／℃。比較發(fā)現(xiàn)，這里VBE的溫度系數(shù)較小，這是因為在該射極偏置電路(也稱自偏置電路)中，發(fā)射極電阻的直流負反饋穩(wěn)定了Q點，從而大大減小了溫度變化對Q點的影響。
2 單管共射放大電路的動態(tài)指標
2．1 電壓增益
根據(jù)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(shù)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(shù)采用直流系數(shù)β=IC／IB；β由靜態(tài)工作點的基極和集電極電流進行計算。利用下列公式估算rBE：
將數(shù)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(xiàn)，電壓增益隨RE1阻值的增加而減小。為了觀察RE1對電壓增益的影響，對RE1進行了參數(shù)掃描分析。選擇RE1為參數(shù)掃描分析元件，RE1的阻值設置為100 Ω，200 Ω，300 Ω和500 Ω，且觀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是輸入信號，其他是不同阻值下的輸出信號。
由圖7可見，隨著RE1阻值的增加，輸出信號的幅值逐漸下降。參數(shù)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為零時的輸入／輸出波形圖。由圖發(fā)現(xiàn)，雖然輸出幅值有所增加，但是輸入／輸出波形出現(xiàn)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(jù)測量結果計算輸入電阻：
將數(shù)值帶入上式，得到輸入電阻為3．58 kΩ。比較可見，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?，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的輸出電壓VL和負載開路時的輸出電壓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致的。
3 結語
本文以單管共射放大電路為例，在模擬電子技術中引入了Multisim 10輔助教學，即利用直流工作點分析放大電路的靜態(tài)工作點，利用溫度掃描分析溫度變化對靜態(tài)工作點的影響，利用參數(shù)掃描分析電路參數(shù)對輸出波形的影響。最后對電路的動態(tài)指標進行了仿真測試，對比結果發(fā)現(xiàn)，測量值與理論計算值基本吻合。在放大電路的教學過程中，通過創(chuàng)建簡便直觀的教學情景，應用虛擬儀器在虛擬實驗平臺上形象生動地展示電路運行的情況，將理論知識與電路仿真實踐相結合，拓寬了學生的視野，提高了學生的學習興趣，促進學生主體作用的發(fā)揮，培養(yǎng)了學生綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。教學實踐說明，引入Multisim仿真軟件輔助教學，可以顯著提高教學質量和教學效果，是未來模擬電路教學發(fā)展的必然趨勢。
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