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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)最基本的處理--放大，因此掌握基本的放大電路的分析對(duì)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(shí)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(diǎn)內(nèi)容。在課程學(xué)習(xí)中，一再向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，放大電路放大的對(duì)象是動(dòng)態(tài)信號(hào)，但放大電路能進(jìn)行放大的前提是必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，如果靜態(tài)工作點(diǎn)不合適，輸出的波形將會(huì)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(diǎn)是合適的靜態(tài)工作點(diǎn);電路中的參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)及動(dòng)態(tài)輸出會(huì)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(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。在課堂教學(xué)中引入Multisim仿真技術(shù)，即時(shí)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(dá)令人理解的現(xiàn)象及復(fù)雜的變化過程，有助于學(xué)生對(duì)電子電路中的各種現(xiàn)象形成直觀的認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)于電子電路本質(zhì)的理解，提高課堂教學(xué)的效果。實(shí)現(xiàn)在有限的課堂教學(xué)中，化簡(jiǎn)單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性。

1 Multisim 10 簡(jiǎn)介

Multisim 10 是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)推出的功能強(qiáng)大的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，其集電路設(shè)計(jì)和功能測(cè)試于一體，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試。

Multisim 10 的主窗口如同一個(gè)實(shí)際的電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)。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(jì)工具欄和儀器儀表欄。設(shè)計(jì)工具欄存放著各種電子元器件，儀器儀表欄存放著各種測(cè)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(cè)試儀器儀表在電路工作區(qū)連接成實(shí)驗(yàn)電路，并通過“仿真”菜單選擇相應(yīng)的仿真項(xiàng)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(jí)放大電路作為分析對(duì)象，分別進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析將分析電路的直流工作情況，動(dòng)態(tài)分析將分析電路對(duì)交流信號(hào)的放大情況。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行在線測(cè)量。與理論分析一樣，仿真分析時(shí)應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則。首先獲取電路的靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，再輸出電路的動(dòng)態(tài)輸出情況。這里將利用“直流工作點(diǎn)分析”功能讀取靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)估算表達(dá)式：

由理論分析可知，當(dāng)利用三極管單級(jí)放大電路對(duì)交流小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，如果為電路設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q,就能保證三極管在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均工作在放大區(qū)，放大輸出的信號(hào)就不會(huì)失真。若Q點(diǎn)偏高，三極管會(huì)在輸入信號(hào)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(huì)出現(xiàn)頂部失真，而放大電路輸出的信號(hào)則會(huì)出現(xiàn)底部失真。若Q點(diǎn)偏低，三極管會(huì)在輸入信號(hào)的負(fù)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(huì)出現(xiàn)底部失真，而放大電路輸出的信號(hào)則會(huì)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(diǎn)是否合適，可由UBEQ ,UCEQ 的取值進(jìn)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(shí)，能保證三極管在整個(gè)信號(hào)周期均能工作在放大區(qū)，輸入信號(hào)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(shí)，三極管此時(shí)已經(jīng)飽和，在輸入信號(hào)的正半周會(huì)一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號(hào)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(shí)，三極管此時(shí)基本處于截止?fàn)顟B(tài)，在輸入信號(hào)的負(fù)半周會(huì)一直處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)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(diǎn)電壓U1(UB) ,U6(UC) ,U5(UE) 作為“直流工作點(diǎn)分析”的三個(gè)電路變量，據(jù)此計(jì)算UBEQ ,UCEQ 的值，并判斷晶體管此時(shí)的工作狀態(tài)。

獲得靜態(tài)工作點(diǎn)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(hào)ui ,此時(shí)三極管上真正的輸入信號(hào)應(yīng)為電阻R2 兩端獲得的動(dòng)態(tài)小信號(hào)uR2 ,其幅值低于10 mV,符合實(shí)驗(yàn)電路交流小信號(hào)的要求。三極管的動(dòng)態(tài)輸出信號(hào)為負(fù)載RL 兩端的輸出電壓uRL ,用雙蹤示波器顯示實(shí)時(shí)的輸入信號(hào)uR2 及輸出信號(hào)uRL 的波形，驗(yàn)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(diǎn)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(xiàng)靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)

當(dāng)Rp = 91 kΩ 時(shí)得到如圖2(a)所示的直流工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，可得三極管三個(gè)極此時(shí)的電位：

UB≈ 2.47 V, UC≈ 7.81 V, UE≈ 1.86 V由此計(jì)算得靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)，能保證在整個(gè)小信號(hào)周期均能工作在放大區(qū)。

圖2(b)所示即為此時(shí)的輸入輸出波形，從波形圖看出，輸入與輸出反相，uRL 正負(fù)半周對(duì)稱，uR2 的信號(hào)峰值約為9.75 mV,uRL 的信號(hào)峰值約為101.78 mV,uRL 實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)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(diǎn)偏高

由式(1)~式(3)可知，當(dāng)Rp 減小時(shí)，三極管基極電位UBQ 會(huì)升高，發(fā)射極電流和集電極電流會(huì)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(huì)增大，使得UCEQ 減小，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)，可得三極管三個(gè)極此時(shí)的電位：

UBQ≈ 4.35 V,UCQ≈ 3.81 V,UEQ≈ 3.70 V .

由此計(jì)算得靜態(tài)工作點(diǎn)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(jìn)入到飽和區(qū)，在輸入信號(hào)的正半周會(huì)一直處于飽和狀態(tài)，輸出信號(hào)的負(fù)半周會(huì)出現(xiàn)失真。

圖3(b)所示的波形圖為此時(shí)測(cè)得的輸入輸出波形，從波形圖可知，uRL 的正向信號(hào)峰值約為28.82 mV,反向信號(hào)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?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)過高導(dǎo)致的。

2.2.3 靜態(tài)工作點(diǎn)偏低

反之，當(dāng)基極電阻Rp 增大時(shí)，三極管基極電位UBQ會(huì)降低，同時(shí)發(fā)射極電流和集電極電流會(huì)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(huì)減小，使得UCEQ 增大，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)，可得三極管三個(gè)極此時(shí)的電位：

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

由此計(jì)算得靜態(tài)工作點(diǎn)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(hào)的負(fù)半周UBE 會(huì)更小，三極管基本處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)的正半周會(huì)出現(xiàn)失真。圖4(b)所示的波形圖為此時(shí)測(cè)得的輸入/輸出波形，從波形圖可知，uRL 的正向信號(hào)峰值約為22.94 mV,反向信號(hào)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?yàn)槿龢O管的靜態(tài)工作點(diǎn)過低所致。若繼續(xù)增大Rp 的取值，會(huì)發(fā)現(xiàn)UB 和UE 的值會(huì)繼續(xù)減小，UC 的值會(huì)繼續(xù)增大，波形的失真會(huì)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(diǎn)，電路靜態(tài)工作點(diǎn)的取值直接影響電路的動(dòng)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(duì)電路進(jìn)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(shí)時(shí)看到電路參數(shù)改變帶來的結(jié)果，省去了復(fù)雜的計(jì)算推理，結(jié)果卻更加形象直觀。同時(shí)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(duì)應(yīng)的電路元件參數(shù)臨界值?？傊?，在教學(xué)中引入仿真軟件，一方面可以通過實(shí)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(shí)還會(huì)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(shí)，為學(xué)生以后的自主學(xué)習(xí)鋪就了另一條道路。