基于Multisim的三极管放大电路仿真分析.doc

1、基 于 Multisim 的 三 极 管 放 大 电 路 仿 真 分 析 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网 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

2、 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

3、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

4、 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

5、 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

6、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

7、 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

8、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

9、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

10、 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 0.60.7 V之 间 ， 且 UCEQ 的 取 值 接 近 于 VCC 的 1 2 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

11、， 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 。2.2 仿 真 分 析在 图 1所 示 电 路 中 选 择 节 点 电 压 U1(UB)

12、 ,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 1 kHz、 幅值 为 500 mV 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 10 mV,符 合 实 验 电 路 交 流 小 信 号 的 要 求 。三 极 管

13、 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

14、= 91 k 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 2.47 V, UC 7.81 V, UE 1.86 V 由 此 计 算 得 静 态 工 作 点 数 据 ：UBEQ 0.61 V, UCEQ 5.95 V 可 见 ， UBEQ UON ,UCEQ UBEQ ,且UCEQ 接 近 于 VCC 的 1 2,三 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

15、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 9.75 mV,uRL 的 信 号 峰 值 约 为 101.78 mV,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

16、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 4.35 V,UCQ 3.81 V,UEQ 3.70 V .由 此 计 算 得 静 态 工 作 点 数 据 ：UBEQ 0.65 V, UCEQ 0.11 V 可 见 ， UBEQ UON ,但 UCEQ UBEQ ,

17、三 极 管 在 直 流 电 源 的 作 用 下 已 经 进 入 到 饱 和 区 ， 在 输 入 信 号 的 正 半 周 会 一 直 处 于饱 和 状 态 ， 输 出 信 号 的 负 半 周 会 出 现 失 真 。图 3(b)所 示 的 波 形 图 为 此 时 测 得 的 输 入 输 出 波 形 ， 从 波 形 图 可 知 ， uRL 的 正 向 信 号 峰 值 约 为 28.82 mV,反 向 信 号 峰 值 约 为 -18.26 mV,出 现 了 明 显 的 底部 失 真 ， 此 失 真 显 然 是 因 为 静 态 工 作 点 过 高 导 致 的 。2.2.3 静 态 工 作 点 偏 低反

18、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 700 k ,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 0.596 V,UCQ 11

19、.82 V,UEQ 0.079 V .由 此 计 算 得 静 态 工 作 点 数 据 ：UBEQ 0.517 V, UCEQ 11.741 V 可 见 ， UBEQ UON,UCEQ 接 近 于VCC ,三 极 管 在 直 流 电 源 的 作 用 下 已 经 接 近 截 止 ， 在 输 入 信 号 的 负 半 周 UBE 会 更 小 ， 三 极 管 基 本 处 于 截 止 状 态 ， 输 出 信 号 的 正 半 周 会 出 现 失 真 。 图 4(b)所示 的 波 形 图 为 此 时 测 得 的 输 入 /输 出 波 形 ， 从 波 形 图 可 知 ， uRL 的 正 向 信 号峰 值 约 为

20、 22.94 mV,反 向 信 号 峰 值 约 为 -25.55 mV,出 现 了 明 显 的 顶 部 失 真 ， 该失 真 显 然 是 因 为 三 极 管 的 静 态 工 作 点 过 低 所 致 。 若 继 续 增 大 Rp 的 取 值 ， 会发 现 UB 和 UE 的 值 会 继 续 减 小 ， UC 的 值 会 继 续 增 大 ， 波 形 的 失 真 会 越 来 越 严重 。3 结 语由 上 述 仿 真 结 果 可 知 ， 电 路 元 件 Rp 的 取 值 将 直 接 影 响 电 路 的 静 态 工 作 点 ，电 路 静 态 工 作 点 的 取 值 直 接 影 响 电 路 的 动 态 输

21、 出 ， 体 现 了 静 态 工 作 的 重 要 性 ， 与理 论 分 析 的 结 果 一 致 。利 用 仿 真 软 件 对 电 路 进 行 仿 真 ， 可 以 一 边 修 改 电 路 参 数 一 边 观 察 仿 真 结 果 ， 能实 时 看 到 电 路 参 数 改 变 带 来 的 结 果 ， 省 去 了 复 杂 的 计 算 推 理 ， 结 果 却 更 加 形 象 直观 。 同 时 还 能 得 到 一 些 单 靠 理 论 分 析 所 看 不 到 的 结 果 ， 如 三 极 管 出 现 底 部 失 真 及顶 部 失 真 对 应 的 电 路 元 件 参 数 临 界 值 。 总 之 ， 在 教 学 中 引 入 仿 真 软 件 ， 一 方 面 可以 通 过 实 际 的 数 据 帮 助 学 生 更 好 地 理 解 放 大 电 路 的 本 质 ， 同 时 还 会 引 导 学 生 思 考一 些 新 的 问 题 ， 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 ， 有 助 于 培 养 学 生 的 创 新 意 识 ， 为 学 生 以 后的 自 主 学 习 铺 就 了 另 一 条 道 路 。