基于Multisim10晶体管共射放大器仿真分析

科技信息

1.引言

晶体管共射放大电路是放大电路的基础[1]，也是模拟电子技术、电工电子技术等课程的经典实验项目，实验内容涉及方面广，具体包括放大电路静态工作点的设置、静态工作点对电压放大倍数和输出波形的影响以及最大不失真输出电压和幅频特性曲线的测量等。对于刚刚走进实验室的学生来说，除了一边要掌握相关仪器仪表的使用外，还要全部做完实验项目，无疑具有很大的挑战性。另一方面，Multisim10作为著名的电路设计与仿真软件，它不需要真实电路环境的介入，具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点[2]。利用M ultisim10软件进行实验仿真，可以动态直观地观察不同参数对放大电路性能指标的影响，对学生理解实验原理、熟悉实验过程具有很大的帮助。

软件简介

Multisim10是National Instruments公司于2007年3月推出的Ni Circuit Design Suit10中的一个重要组成部分，它可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试、射频分析、单片机等高级应用[3]。软件界面友好，操作方便，绘制电路图需要的元件、电路仿真需要的仪器都可以直接从Multisim10的工作平台上选取，运行环境逼真，并提供较为详细的电路分析手段，具有较强的仿真分析能力。软件支持模拟电路、数字电路以及模拟/数字混合电路的设计仿真。

3.晶体管共射放大器仿真分析

运行Multisim10，在绘图编辑器中选取信号源、直流电压源、电阻、电容、晶体管等器件创建晶体管共射放大电路，如图1所示。输入信号通过信号发生器产生，初始为一幅度为200mV、频率为1KHz正弦信号，用示波器同时观察输入输出波形。设置虚拟晶体管模型参数BF=100，RB=200Ω。

图1晶体管共射放大电路

3.1直流分析及其放大倍数

图2输入输出信号波形图3放大电路静态工作点首先调整电位器R6为50KΩ，负载开路，然后点击运行按键，通过示波器观察输入输出波形，未发现失真，同时可以观测电路增益大小，如图2所示。然后选择菜单命令Simmlate/Analysis/DC Operating Point，选择V1、V4、V5作为仿真分析结点，单击Simulate按钮，即可得到相应分析结果，如图3所示。可算出V B E=V1-V5=0.79V，V C E=V4-V5=6.79V。根据增益求解公式A V=-βR C/[r be+(1+β)R e]，代入已知参数计算结果约为18.92(V/V)，通过示波器测量输出信号峰峰值为7.26V，对应输入信号峰峰值为0.4V，故测量放大倍数为18.23(V/V)，与理论计算结果基本接近。

3.2静态工作点对放大倍数的影响

已知RC=2.4KΩ，输入信号幅度为200mV、频率为1KHz正弦信号，在负载开路状态下，调节电位器R6，保证波形不失真的情况下，调节范围为:32-54KΩ，同时用万用表测量U输出电压，实验结果如图4所示。

图4静态工作点对放大倍数的影响

结果显示，随着R6阻值变大，对应输出电压U近似呈线性逐渐减小。下面做一简单分析，根据放大电路放大倍数求解公式:A V=-βR C/[r be+ (1+β)R e]，其中r be=200+(1+β)V T/I E，对于共射放大电路，调整电阻R6可以改变电路静态工作点位置，相应关系公式为:I E≈V CC R1/[(R1+R2+R6)/ (R4+R5)]，代入相应电阻参数，即为:I E=20V C C/(44+1.1R6)，通过理论公式来看，有如下过程:R6增加→I E减小→r be增加→A V减小→U减小，与实验结果完全一致。

3.3静态工作点对波形失真的影响

静态工作点的设置能够影响输出信号波形，如果静态工作点太高，靠近饱和区，则引起饱和失真，相反如果太低，靠近截止区，则使得输出波形产生截止失真。学生学习过程中，对此都感觉比较抽象，有点难以理解，通过Multisim10进行仿真演示，能够形象直观的呈现静态工作点对波形失真的影响，如图5所示。按动开关J1，接通负载电阻R7，示波器输出波形幅度减小一半，调节R6为50KΩ，保证输出波形不失真。保持输入信号不变，逐渐减小R6，发射极电流增加，Q点上移，当减小到14KΩ时，输出波形发生饱和失真。然后逐渐增加R6，发射极电流减小，Q点下移，当增加到82KΩ时，发生截止失真。同样可以根据理论计算公式，算出波形失真时的静态工作点参数大小。还有一种波形失真，称为双向失真，调整R6为39KΩ，保持输入信号频率不变，逐渐增加信号幅度，当信号幅度达到836mV时，输出波形产生双向失真。

(a)饱和失真(b)截止失真(c)双向失真

图5输出信号波形失真现象

4.结语

除了上述仿真内容以外，还可以仿真发射极电阻对放大倍数的影响、输入输出电阻的测量、测量相应幅频特性曲线等。应用Multisim10软件对晶体管共射放大电路进行仿真分析，结果表明仿真与理论分析和计算结果一致，应用Multisim10进行虚拟电子技术实验可以十分方便快捷地获取实验数据，突破了传统实验中硬件设备条件的限制，大大提高了实验的深度和广度。利用把Multisim10软件仿真实验和传统硬件实验相结合的教学方式，为学生提供了一个极好的展示自己才华的平台，可充分发挥学生的想象力和创造力，并且可以完成较复杂的综合性设计实验，培养学生的创造性思维，锻炼学生的创新能力。

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