Multisim 10在单管共射放大电路中的应用

摘要：利用Multisim 10仿真软件对单管共射放大电路进行了计算机辅助教学。采用直流工作点分析了电路静态工作点的设置。利用温度扫描和参数扫描分析了温度对静态工作点以及电路参数对输出波形的影响。对电压增益、输入电阻和输出电阻的仿真测试结果和理论计算基本吻合。研究表明，利用Multisim 10强大的分析功能对电子电路进行计算机仿真，可以提高教学质量和教学效果。
关键词：Multisim 10；电路仿真；静态工作点；动态参数

0 引言
    在电子技术的发展历程中，随着计算机辅助技术的应用和普及，以及电子产品向数字化、集成化、微型化和低功耗方向的发展，EDA(Electronic Design Automation)技术逐渐产生并日趋完善。电子、电气、信息类专业的学生可以应用EDA技术进行电子电路的设计和测试。EDA具有效率高，周期短，应用范围广的优点，已成为当今电子设计的主流手段和技术潮流。在众多的电路仿真软件中，Multisim以其界面友好，功能强大和容易使用而倍受高校电类专业师生和工程技术人员的青睐。Multisim 10是美国国家仪器公司NI(National Instruments)最新推出的Multisim版本，集电路设计和功能测试于一件，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，搭建虚拟实验室，进行模拟电路、数字电路、自动控制、单片机和射频电子线路的仿真和调试。
    模拟电子技术是高校电类专业的基础课程。单管共射放大电路是模拟电子技术的基础部分，也是这门课程的教学重点和难点，而单管共射放大电路则是放大电路的基本形式。要在放大电路中实现输出信号的不失真放大，必须设置合适的静态工作点。放大电路的适用范围是低频小信号，电压增益、输入电阻和输出电阻是分析放大电路的动态指标。利用仿真软件对典型电子电路进行计算机仿真，实现在有限的课题教学中，化简单抽象为具体形象，化枯燥乏味为生动有趣，能充分调动学生的学习兴趣和自主性，帮助学生更好地理解和掌握教学内容。本文以单管共射放大电路为例，应用Multisim 10仿真软件进行了模拟电路的计算机辅助教学。

1 单管共射放大电路的静态工作点
1．1 静态工作点(Q点)的设置
    在Multisim 10中创建如图1所示的单管共射放大电路。选用NPN型硅晶体管2N1711作为BJT，双踪示波器用于观测输入／输出信号波形，交流信号源为5 mVpk，频率为2 kHz。为了获得放大的不失真输出信号，电路需要设置合适的静态工作点(Q点)，Q点过高(或过低)会引起输出信号的饱和(或截止)失真。对电路进行直流工作点分析，得到如图2所示的仿真数据，包括晶体管的结点电位和基极、集电极电流。

    从图2的结点数据可以计算放大电路的静态工作点电压：
   
    与电源电压Vcc=12 V相比，该放大电路的Q点设置合理。在设置了合适的Q点之后，在输入端加上低频小信号电压，观察到如图3所示的输入／输出信号波形图。由图3可见，输入／输出信号反相，输出波形完整无失真，与输入信号相比，输出信号的幅值有很大增加。可见，该电路基本实现了对低频小信号的放大功能。

    在Q点的教学实践中，学生对于Q点的理解往往很模糊，存在为何要设置Q点，如何设置Q点，Q点设置不合理会出现什么结果等疑问。通过改变偏置电阻的阻值改变放大电路的偏置电压来获得合适的Q点。通过改变RB1的阻值来观察Q点设置偏高和偏低所带来的失真。取交流信号源为20 mVpk，频率为2 kHz。当RB1=17．6kΩ，对电路进行直流工作点分析，得到VCE=0．442 2V，Q点设置过高，出现饱和失真(底部失真)，输入／输出波形如图4(a)所示。当RB1=85 kΩ，得到VCE=11．609 8 V，Q点设置过低，出现截止失真(顶部失真)。输入／输出波形如图4(b)所示。通过演示，让学生看到设置Q点不同会造成什么样的结果，对Q点合理设置的理解就深入透彻了。

1．2 温度对静态工作点(Q点)的影响
    温度扫描分析用来研究温度变化对电路性能的影响。通常仿真温度是27℃，温度扫描分析相当于在不同的环境温度下进行多次仿真。影响静态工作点(Q点)稳定性的因素很多，例如电路参数变化，管子老化等，其中最主要的因素是BJT的特性参数随温度发生变化。硅管的VBE和β受温度的影响较大，这是硅管的特点。为了研究Q点随温度的变化，对Q点进行了温度扫描分析，得到不同温度下晶体管的结点电位。绘制出VCE和VBE随温度变化的曲线如图5所示。

    由图可见，随着温度的升高，VCE和VBE呈线性下降。VBE的线性拟合方程为：
   
    式中：温度系数为-1．25 mV／℃。硅管VBE的温度系数一般为-2．2 mV／℃。比较发现，这里VBE的温度系数较小，这是因为在该射极偏置电路(也称自偏置电路)中，发射极电阻的直流负反馈稳定了Q点，从而大大减小了温度变化对Q点的影响。

2 单管共射放大电路的动态指标
2．1 电压增益
    根据图3的输入／输出信号波形图，可以计算出该放大电路的电压增益：
   
    利用H参数小信号模型，绘制如图6所示的放大电路小信号等效电路。由此模型得到电压增益的表达式：
   
    式中：交流电流放大系数采用直流系数β=IC／IB；β由静态工作点的基极和集电极电流进行计算。利用下列公式估算rBE：
   
    将数值带入式(4)，得到电压增益为-20．86，与仿真结果比较接近。从式(4)发现，电压增益随RE1阻值的增加而减小。为了观察RE1对电压增益的影响，对RE1进行了参数扫描分析。选择RE1为参数扫描分析元件，RE1的阻值设置为100 Ω，200 Ω，300 Ω和500 Ω，且观察其阻值变化对输出波形的影响，分析结果如图7所示。中间幅值最小的曲线是输入信号，其他是不同阻值下的输出信号。

    由图7可见，随着RE1阻值的增加，输出信号的幅值逐渐下降。参数扫描分析结果与式(4)的结论是一致的。那么能否把RE1的阻值设置为零，以获得高电压增益呢：图8是RE1为零时的输入／输出波形图。由图发现，虽然输出幅值有所增加，但是输入／输出波形出现了明显的相移。因此将RE1的阻值设置为100 Ω。
2．2 输入电阻
    在Multisim 10中创建如图9所示的输入电阻测量电路。在放大电路的输入回路接虚拟仪器电流表和电压表，运行电路，得到电流和电压的测量值。依据测量结果计算输入电阻：
   
    将数值带入上式，得到输入电阻为3．58 kΩ。比较可见，仿真分析与理论计算的结果比较吻合。

2．3 输出电阻
    测量输出电阻采用的是外加激励源法，创建如图10所示的测量电路，由仿真结果计算输出电阻：


    因为R’o≥Rc，所以Ro≈Rc=5．4 kΩ。可见，仿真测量与理论计算的结果基本符合。也可以测量放大电路有负载时的输出电压VL和负载开路时的输出电压VO，其利用公式为：
   
    计算输出电阻。测得VO=119．474 mV，VL=62．149 mV，RL=R1=5．4 kΩ，算得输出电阻为5．0 kΩ。计算结果与外加激励源法测出的电阻值是一致的。

3 结语
    本文以单管共射放大电路为例，在模拟电子技术中引入了Multisim 10辅助教学，即利用直流工作点分析放大电路的静态工作点，利用温度扫描分析温度变化对静态工作点的影响，利用参数扫描分析电路参数对输出波形的影响。最后对电路的动态指标进行了仿真测试，对比结果发现，测量值与理论计算值基本吻合。在放大电路的教学过程中，通过创建简便直观的教学情景，应用虚拟仪器在虚拟实验平台上形象生动地展示电路运行的情况，将理论知识与电路仿真实践相结合，拓宽了学生的视野，提高了学生的学习兴趣，促进学生主体作用的发挥，培养了学生综合分析能力和开发创新能力。教学实践说明，引入Multisim仿真软件辅助教学，可以显著提高教学质量和教学效果，是未来模拟电路教学发展的必然趋势。