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為了幫助學生對電子電路的本質有更直觀的認識，在模擬電子電路的教學中引入了Multisim 10仿真軟件。實驗利用該軟件對三極管單級放大電路進行仿真分析，結果表明，電路元件參數的改變直接影響電路的靜態工作點，動態輸出也因此產生變化。該實驗揭示了靜態工作點的重要性，與理論分析的結果一致。利用仿真軟件分析電子電路，結果形象直觀，既起到輔助課堂教學的作用，也激發了學生對電子電路的學習興趣。 0 引言 放大電路是構成各種功能模擬電路的基本電路，能實現對模擬信號最基本的處理--放大，因此掌握基本的放大電路的分析對電子電路的學習起著至關重要的作用。三極管放大電路是含有半導體器件三極管的放大電路，是構成各種實用放大電路的基礎電路，是《模擬電子技術》課程中的重點內容。在課程學習中，一再向學生強調，放大電路放大的對象是動態信號，但放大電路能進行放大的前提是必須設置合適的靜態工作點，如果靜態工作點不合適，輸出的波形將會出現失真，這樣的“放大”就毫無意義。什么樣的靜態工作點是合適的靜態工作點；電路中的參數對靜態工作點及動態輸出會產生怎樣的影響；正常放大的輸出波形與失真的輸出波形有什么區別；這些問題單靠課堂上的推理及語言描述往往很難讓學生有一個直觀的認識。在課堂教學中引入Multisim仿真技術，即時地以圖形、數字或曲線的形式來顯示那些難以通過語言、文字表達令人理解的現象及復雜的變化過程，有助于學生對電子電路中的各種現象形成直觀的認識，加深學生對于電子電路本質的理解，提高課堂教學的效果。實現在有限的課堂教學中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，充分調動學生的學習興趣和自主性。 1 Multisim 10簡介 Multisim 10是美國國家儀器公司（NI公司）推出的功能強大的電子電路仿真設計軟件，其集電路設計和功能測試于一體，為設計者提供了一個功能強大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺，設計者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進行模擬電路、數字電路、單片機和射頻電子線路的仿真和調試。 Multisim 10的主窗口如同一個實際的電子實驗臺。屏幕中央區域最大的窗口就是電路工作區，電路工作窗口兩邊是設計工具欄和儀器儀表欄。設計工具欄存放著各種電子元器件，儀器儀表欄存放著各種測試儀器儀表，可從中方便地選擇所需的各種電子元器件和測試儀器儀表在電路工作區連接成實驗電路，并通過“仿真”菜單選擇相應的仿真項目得到需要的仿真數據。 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放大電路作為分析對象，分別進行靜態分析和動態分析。靜態分析將分析電路的直流工作情況，動態分析將分析電路對交流信號的放大情況。 根據實驗電路圖，在Multisim界面下模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數，使用Multisim虛擬儀器進行在線測量。與理論分析一樣，仿真分析時應遵循“先靜態，后動態”的原則。首先獲取電路的靜態工作點數據，再輸出電路的動態輸出情況。這里將利用“直流工作點分析”功能讀取靜態工作點數據，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 分析圖1所示電路，可求得其靜態工作點估算表達式： 由理論分析可知，當利用三極管單級放大電路對交流小信號進行放大時，如果為電路設置了合適的靜態工作點Q,就能保證三極管在整個信號周期內均工作在放大區，放大輸出的信號就不會失真。若Q點偏高，三極管會在輸入信號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因此會出現頂部失真，而放大電路輸出的信號則會出現底部失真。若Q點偏低，三極管會在輸入信號的負半周因發射結電壓UBE低于導通電壓UON而截止，基極電流IB及集電極電流IC因此會出現底部失真，而放大電路輸出的信號則會出現頂部失真。三極管在直流電源及外電路的共同作用下靜態工作點是否合適，可由UBEQ,UCEQ的取值進行判斷。 （1）若UBEQ的取值為三極管2N222A的導通電壓UON,約在0.6~0.7V之間，且UCEQ的取值接近于VCC的12時，能保證三極管在整個信號周期均能工作在放大區，輸入信號被放大一定倍數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的導通電壓UON ,但UCEQ的取值小于UBEQ時，三極管此時已經飽和，在輸入信號的正半周會一直處于飽和狀態，輸出信號因此出現底部失真現象。 （3）若UBEQ的取值小于三極管2N222A的導通電壓UON ,但UCEQ的取值接近于VCC時，三極管此時基本處于截止狀態，在輸入信號的負半周會一直處于截止狀態，輸出信號因此出現頂部失真現象。 《電子設計技術》網站版權所有，謝絕轉載 2.2 仿真分析 在圖1所示電路中選擇節點電壓U1（UB）,U6（UC）,U5（UE）作為“直流工作點分析”的三個電路變量，據此計算UBEQ,UCEQ的值，并判斷晶體管此時的工作狀態。 獲得靜態工作點數據后，通過電阻R1,R2為電路輸入頻率為1kHz、幅值為500mV的正弦信號ui,此時三極管上真正的輸入信號應為電阻R2兩端獲得的動態小信號uR2,其幅值低于10mV,符合實驗電路交流小信號的要求。三極管的動態輸出信號為負載RL兩端的輸出電壓uRL,用雙蹤示波器顯示實時的輸入信號uR2及輸出信號uRL的波形，驗證上述分析的結果。 由式（1）~式（3）可知，可調電位器Rp的取值將影響各靜態工作點的取值，仿真過程中通過修改電路元件Rp的參數改變基極電阻，觀察各項靜態工作點數據及輸出波形因此產生的變化。 2.2.1 合適的靜態工作點 當Rp=91kΩ時得到如圖2（a）所示的直流工作點數據，可得三極管三個極此時的電位： UB≈2.47V,UC≈7.81V,UE≈1.86V由此計算得靜態工作點數據： UBEQ≈0.61V,UCEQ≈5.95V可見，UBEQ>UON,UCEQ>UBEQ,且UCEQ接近于VCC的12,三極管在直流電源的作用下理論上取得合適的靜態工作點，能保證在整個小信號周期均能工作在放大區。 圖2（b）所示即為此時的輸入輸出波形，從波形圖看出，輸入與輸出反相，uRL正負半周對稱，uR2的信號峰值約為9.75mV,uRL的信號峰值約為101.78mV,uRL實現了對輸入信號uR2不失真的放大，符合理論分析的結果。 2.2.2 靜態工作點偏高 由式（1）~式（3）可知，當Rp減小時，三極管基極電位UBQ會升高，發射極電流和集電極電流會增大，則集電極電阻Rc上的壓降及發射極電阻（Re1+Re2）上的壓降會增大，使得UCEQ減小，電路的靜態工作點上移，接近三極管的飽和區。 現調節Rp使之取值為0,得到如圖3（a）所示的直流工作點數據，可得三極管三個極此時的電位： UBQ≈4.35V,UCQ≈3.81V,UEQ≈3.70V. 由此計算得靜態工作點數據： UBEQ≈0.65V,UCEQ≈0.11V可見，UBEQ>UON,但UCEQ[U] 2.2.3 靜態工作點偏低 反之，當基極電阻Rp增大時，三極管基極電位UBQ會降低，同時發射極電流和集電極電流會減小，則集電極電阻Rc上的壓降及發射極電阻（Re1+Re2）上的壓降會減小，使得UCEQ增大，電路的靜態工作點下移，接近三極管的截止區。 調節Rp取值為700kΩ,得到如圖4（a）所示的直流工作點數據，可得三極管三個極此時的電位： UBQ≈0.596V,UCQ≈11.82V,UEQ≈0.079V. 由此計算得靜態工作點數據： UBEQ≈0.517V,UCEQ≈11.741V可見，UBEQ[U] |
