基于Multisim的三极管放大电路仿真分析

        为了帮助学生对电子电路的本质有更直观的认识，在模拟电子电路的教学中引入了Multisim 10仿真软件。实验利用该软件对三极管单级放大电路进行仿真分析，结果表明，电路元件参数的改变直接影响电路的静态工作点，动态输出也因此产生变化。该实验揭示了静态工作点的重要性，与理论分析的结果一致。利用仿真软件分析电子电路，结果形象直观，既起到辅助课堂教学的作用，也激发了学生对电子电路的学习兴趣。
0 引言
放大电路是构成各种功能模拟电路的基本电路，能实现对模拟信号最基本的处理--放大，因此掌握基本的放大电路的分析对电子电路的学习起着至关重要的作用。三极管放大电路是含有半导体器件三极管的放大电路，是构成各种实用放大电路的基础电路，是《模拟电子技术》课程中的重点内容。在课程学习中，一再向学生强调，放大电路放大的对象是动态信号，但放大电路能进行放大的前提是必须设置合适的静态工作点，如果静态工作点不合适，输出的波形将会出现失真，这样的“放大”就毫无意义。什么样的静态工作点是合适的静态工作点；电路中的参数对静态工作点及动态输出会产生怎样的影响；正常放大的输出波形与失真的输出波形有什么区别；这些问题单靠课堂上的推理及语言描述往往很难让学生有一个直观的认识。在课堂教学中引入Multisim仿真技术，即时地以图形、数字或曲线的形式来显示那些难以通过语言、文字表达令人理解的现象及复杂的变化过程，有助于学生对电子电路中的各种现象形成直观的认识，加深学生对于电子电路本质的理解，提高课堂教学的效果。实现在有限的课堂教学中，化简单抽象为具体形象，化枯燥乏味为生动有趣，充分调动学生的学习兴趣和自主性。
1 Multisim 10简介
Multisim 10是美国国家仪器公司（NI公司）推出的功能强大的电子电路仿真设计软件，其集电路设计和功能测试于一体，为设计者提供了一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子工作平台，设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表，进行模拟电路、数字电路、单片机和射频电子线路的仿真和调试。
Multisim 10的主窗口如同一个实际的电子实验台。屏幕中央区域最大的窗口就是电路工作区，电路工作窗口两边是设计工具栏和仪器仪表栏。设计工具栏存放着各种电子元器件，仪器仪表栏存放着各种测试仪器仪表，可从中方便地选择所需的各种电子元器件和测试仪器仪表在电路工作区连接成实验电路，并通过“仿真”菜单选择相应的仿真项目得到需要的仿真数据。
2 三极管放大电路的仿真分析
本文以图1所示的阻容耦合三极管单级放大电路作为分析对象，分别进行静态分析和动态分析。静态分析将分析电路的直流工作情况，动态分析将分析电路对交流信号的放大情况。



根据实验电路图，在Multisim界面下模拟连接电路，确定电路中的各元器件参数，使用Multisim虚拟仪器进行在线测量。与理论分析一样，仿真分析时应遵循“先静态，后动态”的原则。首先获取电路的静态工作点数据，再输出电路的动态输出情况。这里将利用“直流工作点分析”功能读取静态工作点数据，利用虚拟仪器“示波器”观察三极管的输入/输出波形。
2.1 仿真分析的理论依据
分析图1所示电路，可求得其静态工作点估算表达式：



由理论分析可知，当利用三极管单级放大电路对交流小信号进行放大时，如果为电路设置了合适的静态工作点Q,就能保证三极管在整个信号周期内均工作在放大区，放大输出的信号就不会失真。若Q点偏高，三极管会在输入信号的正半周因集电极电位UC低于基极电位UB而饱和，集电极电流IC因此会出现顶部失真，而放大电路输出的信号则会出现底部失真。若Q点偏低，三极管会在输入信号的负半周因发射结电压UBE低于导通电压UON而截止，基极电流IB及集电极电流IC因此会出现底部失真，而放大电路输出的信号则会出现顶部失真。三极管在直流电源及外电路的共同作用下静态工作点是否合适，可由UBEQ,UCEQ的取值进行判断。
（1）若UBEQ的取值为三极管2N222A的导通电压UON,约在0.6~0.7V之间，且UCEQ的取值接近于VCC的12时，能保证三极管在整个信号周期均能工作在放大区，输入信号被放大一定倍数后在输出端不失真的输出，且输出与输入反向。
（2）若UBEQ的取值为三极管2N222A的导通电压UON ,但UCEQ的取值小于UBEQ时，三极管此时已经饱和，在输入信号的正半周会一直处于饱和状态，输出信号因此出现底部失真现象。
（3）若UBEQ的取值小于三极管2N222A的导通电压UON ,但UCEQ的取值接近于VCC时，三极管此时基本处于截止状态，在输入信号的负半周会一直处于截止状态，输出信号因此出现顶部失真现象。

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2.2 仿真分析
在图1所示电路中选择节点电压U1（UB）,U6（UC）,U5（UE）作为“直流工作点分析”的三个电路变量，据此计算UBEQ,UCEQ的值，并判断晶体管此时的工作状态。
获得静态工作点数据后，通过电阻R1,R2为电路输入频率为1kHz、幅值为500mV的正弦信号ui,此时三极管上真正的输入信号应为电阻R2两端获得的动态小信号uR2,其幅值低于10mV,符合实验电路交流小信号的要求。三极管的动态输出信号为负载RL两端的输出电压uRL,用双踪示波器显示实时的输入信号uR2及输出信号uRL的波形，验证上述分析的结果。
由式（1）~式（3）可知，可调电位器Rp的取值将影响各静态工作点的取值，仿真过程中通过修改电路元件Rp的参数改变基极电阻，观察各项静态工作点数据及输出波形因此产生的变化。
2.2.1 合适的静态工作点
当Rp=91kΩ时得到如图2（a）所示的直流工作点数据，可得三极管三个极此时的电位：
UB≈2.47V,UC≈7.81V,UE≈1.86V由此计算得静态工作点数据：
UBEQ≈0.61V,UCEQ≈5.95V可见，UBEQ>UON,UCEQ>UBEQ,且UCEQ接近于VCC的12,三极管在直流电源的作用下理论上取得合适的静态工作点，能保证在整个小信号周期均能工作在放大区。



图2（b）所示即为此时的输入输出波形，从波形图看出，输入与输出反相，uRL正负半周对称，uR2的信号峰值约为9.75mV,uRL的信号峰值约为101.78mV,uRL实现了对输入信号uR2不失真的放大，符合理论分析的结果。
2.2.2 静态工作点偏高
由式（1）~式（3）可知，当Rp减小时，三极管基极电位UBQ会升高，发射极电流和集电极电流会增大，则集电极电阻Rc上的压降及发射极电阻（Re1+Re2）上的压降会增大，使得UCEQ减小，电路的静态工作点上移，接近三极管的饱和区。
现调节Rp使之取值为0,得到如图3（a）所示的直流工作点数据，可得三极管三个极此时的电位：
UBQ≈4.35V,UCQ≈3.81V,UEQ≈3.70V.
由此计算得静态工作点数据：
UBEQ≈0.65V,UCEQ≈0.11V可见，UBEQ>UON,但UCEQ[U]


       
2.2.3 静态工作点偏低
反之，当基极电阻Rp增大时，三极管基极电位UBQ会降低，同时发射极电流和集电极电流会减小，则集电极电阻Rc上的压降及发射极电阻（Re1+Re2）上的压降会减小，使得UCEQ增大，电路的静态工作点下移，接近三极管的截止区。
调节Rp取值为700kΩ,得到如图4（a）所示的直流工作点数据，可得三极管三个极此时的电位：
UBQ≈0.596V,UCQ≈11.82V,UEQ≈0.079V.
由此计算得静态工作点数据：
UBEQ≈0.517V,UCEQ≈11.741V可见，UBEQ[U]