基于Multisim 10的共射极放大器设计与仿真

摘要：利用Multisim 10仿真软件对共射投放大电路进行了计算机辅助设计和仿真。运用直流工作点对静态工作点进行了分析和设定；利用波特图示仪分析了电路的频率特性；对电压增益、输入电阻和输出电阻进行了仿真测试，测试结果和理论计算值基本一致。研究表明，Mult isim 10仿真软件具有强大的设计和仿真分析功能，可以缩短设计周期，保障操作安全，方便调试、节省成本和提高设计质量等。
关键词：静态工作点；放大器；仿真；频率特性；Multisim 10

    在电子技术发展历程中，电子产品向集成化、数字化、微型化和低功耗方向进行发展，EDA(Electronic DesignAutomation)技术逐渐日趋完善。电类专业的学生可以运用EDA技术进行电子电路设计和测试。EDA技术具有效率高，周期短，应用范围广等优点，已成为当今电子设计的主流方法和趋势。在众多电子电路仿真软件中，Multisim以其界面友好、功能强大、直观、简单等优点面倍受高校电类专业师生和工程技术人员的青睐。
    文中以模拟电子技术中的共射极放大电路为例，介绍了采用Multisim仿真软件分析静态工作点的设置与波形失真的原因，如何利用仿真软件测试电路的交流参数，分析电路参数对电路频率特性的影响，使摸拟电子技术学习更加形象、灵活，更贴近工程实际，达到帮助理解电路原理，提高分析能力的目的。对培养创新能力，提高电子设计专业素质具有重要的意义。

1 结果与分析
    在Multisim 10软件中，元件库栏中选择元件拖曳刭工作区适当位置，修改元件参数。其中，信号源采用(f=1 kHz，V=10 mV)正弦波、直流电源(+12 V)、三极管(2N2222A)、电解电容、电阻、电位器按照电路原理进行布局设计，用导线连接各元器件。根据测试需要设置不同颜色导线区别测试结果，接入输入、输出、管压降电压表进行测量放大倍数和VCE，示波器测量输入输出波形，电路如图1所示。

1．1 静态工作点分析
    在半导体三极管放大器中，为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应选择输出特性曲线上交流负载线的中点。若工作点选得过高，易引起饱和失真，而选得过低，又易引起截止失真。在测试中如果VCEQ<0．4 V，此时三极管进入饱和；如果VCEQ≈12 V，此时三极管进入截止状态。调节RP可改变三投管的工作状态，本设计中调节RP使VCEQ=5．88 V，可见三极管工作在放大状态，利用软件对电路进行直流工作点分析(包括三极管各电极电压和电流)，得到如图2所示的仿真结果。

1．2 交流分析
1．2．1 输出波形及增益
    在设定的工作点情况下，输入(f=1 kHz，V=10 mV)正弦波，通过虚拟示波器观测输入输出波形如图3所示。图中可看出输出信号已得到放大，通过输入输出交流电压表得Vi=10 mV、Vo=296．627 mV，电压增益为：Av=Vo／Vi≈-29．66。利用
   
    经计算可得电压增益为-30．45，与仿真结果基本接近。

1．2．2 非线性失真
    通过改变偏置电阻RP的阻值改变放大电路的偏置电压，获得不同的Q点。改变RP来设置偏高和偏低的静态工作点，观察饱和失真和截止失真的波形。
    1)当RP=21 kΩ时，从图4可以看出输出特性曲线底端出现了失真，这种失真为饱和失真，输入输出波形及管压降VCEQ值如图4所示。

    2)当RP=100 kΩ时，从图5可以看出输出特性曲线顶端出现了失真，这种失真为截止失真，输入输出波形及管压降VCEQ值如图5所示。

1．2．3 频率特性分析
    通过对电路的交流分析，可以得出电路的频率特性曲线(包括幅频特性和相频特性)如图6所示。测量出中频段的增益为29．522 dB，高低端-3 dB处上限截止频率fH=17．92 MHz，下限截止频率fL=45．86 Hz，可得通频带B=fH-fL≈17．92MHz。

    旁路电容、耦合电容对上下限频率的影响，可以通过仿真的手段验证其影响程度。将C1由10μF减小到1μF，其他参数不变，可测得下限频率为63．3 Hz，上限频率为18．43MHz；同理将C2由10μF减小到1μF，其他参数不变，可测得下限频率为52．35 Hz、上限频率为17．56 MHz；将旁路电容C3由47μF减小到1μF，其他参数不变，可测得下限频率为2．12 kHz，上限频率为18．43 MHz。以上结果显示，低频特性主要受到旁路电容的影响，这跟教材中的结论是一致的。
1．2．4 输入电阻分析
    利用Multisim 10软件根据图1更改为输入电阻测量电路，在放大器的输入回路接虚拟电压表和电流表，根据测量值可求出输入电阻。测量图和测量结果如图7所示。
    根据测量结果计算输入电阻为：Ri=Vi／Ii=9．154／1．693=5．406 969 9kΩ。
1．2．5 输出电阻分析
    输出电阻RO的大小表征电路带负载能力的大小。输出电阻越小，带负载能力越强。用传统方法测量放大器的开路电压VO=512．871 mV和负载电阻上的电压VOL=271．613 mV，再利用RO=(VO-VOL)RL／VOL计算输出电阻RO=4．530 032 8 kΩ。而采用外加激励法测量输出电阻仿真电路图8所示。

    根据测量结果计算输出电阻为：RO=VO／IO=999．996／220．756=4．529 767 5kΩ，计算结果跟传统测量方法基本一样。

2 结束语
    文中利用Multisim 10仿真软件完成共射极放大器的设计及仿真，整个过程简单、灵活、直观、贴近工程实际，容易理解电路的原理以及提高了工程设计和分析的能力。利用直流工作点分析共射放大器的静态工作点；利用参数扫描分析电路参数对输出波形的影响，观察不同的非线性失真；利用波特图示仪观察幅频和相频特性；最后对电路的输入输出电阻等指标进行了仿真测试，对比测试结果得知，理论计算值与测量值基本吻合。采用Multisim仿真软件分析和设计电子电路，提供了一个全新的解析方法和手段。