基于Multisim的三極管放大電路仿真分析

0 引言

放大電路是構(gòu)成各種功能模擬電路的基本電路，能實現(xiàn)對模擬信號最基本的處理--放大，因此掌握基本的放大電路的分析對電子電路的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用。三極管放大電路是含有半導(dǎo)體器件三極管的放大電路，是構(gòu)成各種實用放大電路的基礎(chǔ)電路，是《模擬電子技術(shù)》課程中的重點內(nèi)容。在課程學(xué)習(xí)中，一再向?qū)W生強調(diào)，放大電路放大的對象是動態(tài)信號，但放大電路能進行放大的前提是必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，如果靜態(tài)工作點不合適，輸出的波形將會出現(xiàn)失真，這樣的“放大”就毫無意義。什么樣的靜態(tài)工作點是合適的靜態(tài)工作點;電路中的參數(shù)對靜態(tài)工作點及動態(tài)輸出會產(chǎn)生怎樣的影響;正常放大的輸出波形與失真的輸出波形有什么區(qū)別;這些問題單靠課堂上的推理及語言描述往往很難讓學(xué)生有一個直觀的認識。在課堂教學(xué)中引入Multisim仿真技術(shù)，即時地以圖形、數(shù)字或曲線的形式來顯示那些難以通過語言、文字表達令人理解的現(xiàn)象及復(fù)雜的變化過程，有助于學(xué)生對電子電路中的各種現(xiàn)象形成直觀的認識，加深學(xué)生對于電子電路本質(zhì)的理解，提高課堂教學(xué)的效果。實現(xiàn)在有限的課堂教學(xué)中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性。

1 Multisim 10 簡介

Multisim 10 是美國國家儀器公司(NI公司)推出的功能強大的電子電路仿真設(shè)計軟件，其集電路設(shè)計和功能測試于一體，為設(shè)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(shè)計者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進行模擬電路、數(shù)字電路、單片機和射頻電子線路的仿真和調(diào)試。

Multisim 10 的主窗口如同一個實際的電子實驗臺。屏幕中央?yún)^(qū)域最大的窗口就是電路工作區(qū)，電路工作窗口兩邊是設(shè)計工具欄和儀器儀表欄。設(shè)計工具欄存放著各種電子元器件，儀器儀表欄存放著各種測試儀器儀表，可從中方便地選擇所需的各種電子元器件和測試儀器儀表在電路工作區(qū)連接成實驗電路，并通過“仿真”菜單選擇相應(yīng)的仿真項目得到需要的仿真數(shù)據(jù)。

2 三極管放大電路的仿真分析

本文以圖1所示的阻容耦合三極管單級放大電路作為分析對象，分別進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析。靜態(tài)分析將分析電路的直流工作情況，動態(tài)分析將分析電路對交流信號的放大情況。

根據(jù)實驗電路圖，在Multisim 界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數(shù)，使用Multisim 虛擬儀器進行在線測量。與理論分析一樣，仿真分析時應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則。首先獲取電路的靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)，再輸出電路的動態(tài)輸出情況。這里將利用“直流工作點分析”功能讀取靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)，利用虛擬儀器“示波器”觀察三極管的輸入/輸出波形。

2.1 仿真分析的理論依據(jù)

分析圖1所示電路，可求得其靜態(tài)工作點估算表達式：

由理論分析可知，當(dāng)利用三極管單級放大電路對交流小信號進行放大時，如果為電路設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點Q,就能保證三極管在整個信號周期內(nèi)均工作在放大區(qū)，放大輸出的信號就不會失真。若Q點偏高，三極管會在輸入信號的正半周因集電極電位UC 低于基極電位UB 而飽和，集電極電流IC 因此會出現(xiàn)頂部失真，而放大電路輸出的信號則會出現(xiàn)底部失真。若Q點偏低，三極管會在輸入信號的負半周因發(fā)射結(jié)電壓UBE 低于導(dǎo)通電壓UON 而截止，基極電流IB 及集電極電流IC 因此會出現(xiàn)底部失真，而放大電路輸出的信號則會出現(xiàn)頂部失真。三極管在直流電源及外電路的共同作用下靜態(tài)工作點是否合適，可由UBEQ ,UCEQ 的取值進行判斷。

(1)若UBEQ 的取值為三極管2N222A 的導(dǎo)通電壓UON ,約在0.6~0.7 V之間，且UCEQ 的取值接近于VCC 的1 2 時，能保證三極管在整個信號周期均能工作在放大區(qū)，輸入信號被放大一定倍數(shù)后在輸出端不失真的輸出，且輸出與輸入反向。

(2)若UBEQ 的取值為三極管2N222A 的導(dǎo)通電壓UON ,但UCEQ 的取值小于UBEQ 時，三極管此時已經(jīng)飽和，在輸入信號的正半周會一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號因此出現(xiàn)底部失真現(xiàn)象。

(3)若UBEQ 的取值小于三極管2N222A的導(dǎo)通電壓UON ,但UCEQ 的取值接近于VCC 時，三極管此時基本處于截止?fàn)顟B(tài)，在輸入信號的負半周會一直處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號因此出現(xiàn)頂部失真現(xiàn)象。

2.2 仿真分析

在圖1所示電路中選擇節(jié)點電壓U1(UB) ,U6(UC) ,U5(UE) 作為“直流工作點分析”的三個電路變量，據(jù)此計算UBEQ ,UCEQ 的值，并判斷晶體管此時的工作狀態(tài)。

獲得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)后，通過電阻R1 ,R2 為電路輸入頻率為1 kHz、幅值為500 mV的正弦信號ui ,此時三極管上真正的輸入信號應(yīng)為電阻R2 兩端獲得的動態(tài)小信號uR2 ,其幅值低于10 mV,符合實驗電路交流小信號的要求。三極管的動態(tài)輸出信號為負載RL 兩端的輸出電壓uRL ,用雙蹤示波器顯示實時的輸入信號uR2 及輸出信號uRL 的波形，驗證上述分析的結(jié)果。

由式(1)~式(3)可知，可調(diào)電位器Rp 的取值將影響各靜態(tài)工作點的取值，仿真過程中通過修改電路元件Rp 的參數(shù)改變基極電阻，觀察各項靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)及輸出波形因此產(chǎn)生的變化。

2.2.1 合適的靜態(tài)工作點

當(dāng)Rp = 91 kΩ 時得到如圖2(a)所示的直流工作點數(shù)據(jù)，可得三極管三個極此時的電位：

UB≈ 2.47 V, UC≈ 7.81 V, UE≈ 1.86 V由此計算得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)：

UBEQ≈ 0.61 V, UCEQ≈ 5.95 V可見，UBEQ > UON ,UCEQ > UBEQ ,且UCEQ 接近于VCC的1 2,三極管在直流電源的作用下理論上取得合適的靜態(tài)工作點，能保證在整個小信號周期均能工作在放大區(qū)。

圖2(b)所示即為此時的輸入輸出波形，從波形圖看出，輸入與輸出反相，uRL 正負半周對稱，uR2 的信號峰值約為9.75 mV,uRL 的信號峰值約為101.78 mV,uRL 實現(xiàn)了對輸入信號uR2 不失真的放大，符合理論分析的結(jié)果。

2.2.2 靜態(tài)工作點偏高

由式(1)~式(3)可知，當(dāng)Rp 減小時，三極管基極電位UBQ 會升高，發(fā)射極電流和集電極電流會增大，則集電極電阻Rc 上的壓降及發(fā)射極電阻(Re1 + Re2) 上的壓降會增大，使得UCEQ 減小，電路的靜態(tài)工作點上移，接近三極管的飽和區(qū)。

現(xiàn)調(diào)節(jié)Rp 使之取值為0,得到如圖3(a)所示的直流工作點數(shù)據(jù)，可得三極管三個極此時的電位：

UBQ≈ 4.35 V,UCQ≈ 3.81 V,UEQ≈ 3.70 V .

由此計算得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)：

UBEQ≈ 0.65 V, UCEQ≈ 0.11 V可見，UBEQ > UON ,但UCEQ < UBEQ ,三極管在直流電源的作用下已經(jīng)進入到飽和區(qū)，在輸入信號的正半周會一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號的負半周會出現(xiàn)失真。

圖3(b)所示的波形圖為此時測得的輸入輸出波形，從波形圖可知，uRL 的正向信號峰值約為28.82 mV,反向信號峰值約為-18.26 mV,出現(xiàn)了明顯的底部失真，此失真顯然是因為靜態(tài)工作點過高導(dǎo)致的。

2.2.3 靜態(tài)工作點偏低

反之，當(dāng)基極電阻Rp 增大時，三極管基極電位UBQ會降低，同時發(fā)射極電流和集電極電流會減小，則集電極電阻Rc 上的壓降及發(fā)射極電阻(Re1 + Re2) 上的壓降會減小，使得UCEQ 增大，電路的靜態(tài)工作點下移，接近三極管的截止區(qū)。

調(diào)節(jié)Rp 取值為700 kΩ ,得到如圖4(a)所示的直流工作點數(shù)據(jù)，可得三極管三個極此時的電位：

UBQ≈ 0.596 V,UCQ≈ 11.82 V,UEQ≈ 0.079 V .

由此計算得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)：

UBEQ≈ 0.517 V, UCEQ≈ 11.741 V可見，UBEQ < UON,UCEQ 接近于VCC ,三極管在直流電源的作用下已經(jīng)接近截止，在輸入信號的負半周UBE 會更小，三極管基本處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號的正半周會出現(xiàn)失真。圖4(b)所示的波形圖為此時測得的輸入/輸出波形，從波形圖可知，uRL 的正向信號峰值約為22.94 mV,反向信號峰值約為-25.55 mV,出現(xiàn)了明顯的頂部失真，該失真顯然是因為三極管的靜態(tài)工作點過低所致。若繼續(xù)增大Rp 的取值，會發(fā)現(xiàn)UB 和UE 的值會繼續(xù)減小，UC 的值會繼續(xù)增大，波形的失真會越來越嚴(yán)重。

3 結(jié)語

由上述仿真結(jié)果可知，電路元件Rp 的取值將直接影響電路的靜態(tài)工作點，電路靜態(tài)工作點的取值直接影響電路的動態(tài)輸出，體現(xiàn)了靜態(tài)工作的重要性，與理論分析的結(jié)果一致。

利用仿真軟件對電路進行仿真，可以一邊修改電路參數(shù)一邊觀察仿真結(jié)果，能實時看到電路參數(shù)改變帶來的結(jié)果，省去了復(fù)雜的計算推理，結(jié)果卻更加形象直觀。同時還能得到一些單靠理論分析所看不到的結(jié)果，如三極管出現(xiàn)底部失真及頂部失真對應(yīng)的電路元件參數(shù)臨界值?？傊诮虒W(xué)中引入仿真軟件，一方面可以通過實際的數(shù)據(jù)幫助學(xué)生更好地理解放大電路的本質(zhì)，同時還會引導(dǎo)學(xué)生思考一些新的問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，為學(xué)生以后的自主學(xué)習(xí)鋪就了另一條道路。