基於Multisim的三極體放大電路仿真分析

2020-11-25 電子產品世界

0 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175239.htm

放大電路是構成各種功能模擬電路的基本電路，能實現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習起著至關重要的作用。三極體放大電路是含有半導體器件三極體的放大電路，是構成各種實用放大電路的基礎電路，是《模擬電子技術》課程中的重點內容。在課程學習中，一再向學生強調，放大電路放大的對象是動態信號，但放大電路能進行放大的前提是必須設置合適的靜態工作點，如果靜態工作點不合適，輸出的波形將會出現失真，這樣的「放大」就毫無意義。什麼樣的靜態工作點是合適的靜態工作點;電路中的參數對靜態工作點及動態輸出會產生怎樣的影響;正常放大的輸出波形與失真的輸出波形有什麼區別;這些問題單靠課堂上的推理及語言描述往往很難讓學生有一個直觀的認識。在課堂教學中引入Multisim仿真技術，即時地以圖形、數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象及複雜的變化過程，有助於學生對電子電路中的各種現象形成直觀的認識，加深學生對於電子電路本質的理解，提高課堂教學的效果。實現在有限的課堂教學中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，充分調動學生的學習興趣和自主性。

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計軟體，其集電路設計和功能測試於一體，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，進行模擬電路、數字電路、單片機和射頻電子線路的仿真和調試。

Multisim 10 的主窗口如同一個實際的電子實驗臺。屏幕中央區域最大的窗口就是電路工作區，電路工作窗口兩邊是設計工具欄和儀器儀表欄。設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連接成實驗電路，並通過「仿真」菜單選擇相應的仿真項目得到需要的仿真數據。

2 三極體放大電路的仿真分析

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

根據實驗電路圖，在Multisim 界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數，使用Multisim 虛擬儀器進行在線測量。與理論分析一樣，仿真分析時應遵循「先靜態，後動態」的原則。首先獲取電路的靜態工作點數據，再輸出電路的動態輸出情況。這裡將利用「直流工作點分析」功能讀取靜態工作點數據，利用虛擬儀器「示波器」觀察三極體的輸入/輸出波形。

2.1 仿真分析的理論依據

分析圖1所示電路，可求得其靜態工作點估算表達式：

由理論分析可知，當利用三極體單級放大電路對交流小信號進行放大時，如果為電路設置了合適的靜態工作點Q,就能保證三極體在整個信號周期內均工作在放大區，放大輸出的信號就不會失真。若Q點偏高，三極體會在輸入信號的正半周因集電極電位UC 低於基極電位UB 而飽和，集電極電流IC 因此會出現頂部失真，而放大電路輸出的信號則會出現底部失真。若Q點偏低，三極體會在輸入信號的負半周因發射結電壓UBE 低於導通電壓UON 而截止，基極電流IB 及集電極電流IC 因此會出現底部失真，而放大電路輸出的信號則會出現頂部失真。三極體在直流電源及外電路的共同作用下靜態工作點是否合適，可由UBEQ ,UCEQ 的取值進行判斷。

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

(2)若UBEQ 的取值為三極體2N222A 的導通電壓UON ,但UCEQ 的取值小於UBEQ 時，三極體此時已經飽和，在輸入信號的正半周會一直處於飽和狀態，輸出信號因此出現底部失真現象。

(3)若UBEQ 的取值小於三極體2N222A的導通電壓UON ,但UCEQ 的取值接近於VCC 時，三極體此時基本處於截止狀態，在輸入信號的負半周會一直處於截止狀態，輸出信號因此出現頂部失真現象。

2.2 仿真分析

在圖1所示電路中選擇節點電壓U1(UB) ,U6(UC) ,U5(UE) 作為「直流工作點分析」的三個電路變量，據此計算UBEQ ,UCEQ 的值，並判斷電晶體此時的工作狀態。

獲得靜態工作點數據後，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 ,此時三極體上真正的輸入信號應為電阻R2 兩端獲得的動態小信號uR2 ,其幅值低於10 mV,符合實驗電路交流小信號的要求。三極體的動態輸出信號為負載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，驗證上述分析的結果。

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

2.2.1 合適的靜態工作點

當Rp = 91 kΩ 時得到如圖2(a)所示的直流工作點數據，可得三極體三個極此時的電位：

UB≈ 2.47 V, UC≈ 7.81 V, UE≈ 1.86 V由此計算得靜態工作點數據：

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

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