Multisim 10在單管共射放大電路教學中的應用

Multisim 10在單管共射放大電路教學中的應用

曹鴻霞,冒曉莉,張 發表於 2011-08-18 11:56:14

　　摘要：利用Multisim 10仿真軟體對單管共射放大電路進行了計算機輔助教學。採用直流工作點分析了電路靜態工作點的設置。利用溫度掃描和參數掃描分析了溫度對靜態工作點以及電路參數對輸出波形的影響。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;靜態工作點;動態參數

　　引言

　　在眾多的電路仿真軟體中，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於一件，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輸出信號的不失真放大，必須設置合適的靜態工作點。放大電路的適用範圍是低頻小信號，電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動態指標。利用仿真軟體對典型電子電路進行計算機仿真，實現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仿真軟體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工作點

　　1.1 靜態工作點(Q點)的設置

　　在Multisim 10中創建如圖1所示的單管共射放大電路。選用NPN型矽電晶體2N1711作為BJT，雙蹤示波器用於觀測輸入/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所示的仿真數據，包括電晶體的結點電位和基極、集電極電流。

　　

 

　　

 

　　從圖2的結點數據可以計算放大電路的靜態工作點電壓：

　　

 

　　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點之後，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。可見，該電路基本實現了對低頻小信號的放大功能。

　　

 

　　在Q點的教學實踐中，學生對於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什麼結果等疑問。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點不同會造成什麼樣的結果，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℃，溫度掃描分析相當於在不同的環境溫度下進行多次仿真。影響靜態工作點(Q點)穩定性的因素很多，例如電路參數變化，管子老化等，其中最主要的因素是BJT的特性參數隨溫度發生變化。矽管的VBE和β受溫度的影響較大，這是矽管的特點。為了研究Q點隨溫度的變化，對Q點進行了溫度掃描分析，得到不同溫度下電晶體的結點電位。繪製出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：溫度係數為-1.25 mV/℃。矽管VBE的溫度係數一般為-2.2 mV/℃。比較發現，這裡VBE的溫度係數較小，這是因為在該射極偏置電路(也稱自偏置電路)中，發射極電阻的直流負反饋穩定了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指標

　　2.1 電壓增益

　　根據圖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參數小信號模型，繪製如圖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：交流電流放大係數採用直流係數β=IC/IB;β由靜態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)發現，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進行了參數掃描分析。選擇RE1為參數掃描分析元件，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。參數掃描分析結果與式(4)的結論是一致的。那麼能否把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。由圖發現，雖然輸出幅值有所增加，但是輸入/輸出波形出現了明顯的相移。因此將RE1的阻值設置為100 Ω。

　　2.2 輸入電阻

　　在Multisim 10中創建如圖9所示的輸入電阻測量電路。在放大電路的輸入迴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。依據測量結果計算輸入電阻：

　　

 

　　將數值帶入上式，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

　　測量輸出電阻採用的是外加激勵源法，創建如圖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。可見，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

　　在放大電路的教學過程中，通過創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揮，培養了學生綜合分析能力和開發創新能力。教學實踐說明，引入Multisim仿真軟體輔助教學，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展的必然趨勢。

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