摘要：利用Multisim 10仿真軟件對(duì)單管共射放大電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。采用直流工作點(diǎn)分析了電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。利用溫度掃描和參數(shù)掃描分析了溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)以及電路參數(shù)對(duì)輸出波形的影響。對(duì)電壓增益、輸入電阻和輸出電阻的仿真測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算基本吻合。研究表明，利用Multisim 10強(qiáng)大的分析功能對(duì)電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；電路仿真；靜態(tài)工作點(diǎn)；動(dòng)態(tài)參數(shù)
0 引言
在電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用和普及，以及電子產(chǎn)品向數(shù)字化、集成化、微型化和低功耗方向的發(fā)展，EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)逐漸產(chǎn)生并日趨完善。電子、電氣、信息類專業(yè)的學(xué)生可以應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試。EDA具有效率高，周期短，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的主流手段和技術(shù)潮流。在眾多的電路仿真軟件中，Multisim以其界面友好，功能強(qiáng)大和容易使用而倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。Multisim 10是美國(guó)國(guó)家儀器公司NI(National Instruments)最新推出的Multisim版本，集電路設(shè)計(jì)和功能測(cè)試于一件，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大，儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái)。設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試。
模擬電子技術(shù)是高校電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。單管共射放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)部分，也是這門(mén)課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，而單管共射放大電路則是放大電路的基本形式。要在放大電路中實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的不失真放大，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路的適用范圍是低頻小信號(hào)，電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。利用仿真軟件對(duì)典型電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)現(xiàn)在有限的課題教學(xué)中，化簡(jiǎn)單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。本文以單管共射放大電路為例，應(yīng)用Multisim 10仿真軟件進(jìn)行了模擬電路的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。
1 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)
1．1 靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的設(shè)置
在Multisim 10中創(chuàng)建如圖1所示的單管共射放大電路。選用NPN型硅晶體管2N1711作為BJT，雙蹤示波器用于觀測(cè)輸入／輸出信號(hào)波形，交流信號(hào)源為5 mVpk，頻率為2 kHz。為了獲得放大的不失真輸出信號(hào)，電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))，Q點(diǎn)過(guò)高(或過(guò)低)會(huì)引起輸出信號(hào)的飽和(或截止)失真。對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，得到如圖2所示的仿真數(shù)據(jù)，包括晶體管的結(jié)點(diǎn)電位和基極、集電極電流。
從圖2的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓：
與電源電壓Vcc=12 V相比，該放大電路的Q點(diǎn)設(shè)置合理。在設(shè)置了合適的Q點(diǎn)之后，在輸入端加上低頻小信號(hào)電壓，觀察到如圖3所示的輸入／輸出信號(hào)波形圖。由圖3可見(jiàn)，輸入／輸出信號(hào)反相，輸出波形完整無(wú)失真，與輸入信號(hào)相比，輸出信號(hào)的幅值有很大增加。可見(jiàn)，該電路基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻小信號(hào)的放大功能。
在Q點(diǎn)的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)于Q點(diǎn)的理解往往很模糊，存在為何要設(shè)置Q點(diǎn)，如何設(shè)置Q點(diǎn)，Q點(diǎn)設(shè)置不合理會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果等疑問(wèn)。通過(guò)改變偏置電阻的阻值改變放大電路的偏置電壓來(lái)獲得合適的Q點(diǎn)。通過(guò)改變RB1的阻值來(lái)觀察Q點(diǎn)設(shè)置偏高和偏低所帶來(lái)的失真。取交流信號(hào)源為20 mVpk，頻率為2 kHz。當(dāng)RB1=17．6kΩ，對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，得到VCE=0．442 2V，Q點(diǎn)設(shè)置過(guò)高，出現(xiàn)飽和失真(底部失真)，輸入／輸出波形如圖4(a)所示。當(dāng)RB1=85 kΩ，得到VCE=11．609 8 V，Q點(diǎn)設(shè)置過(guò)低，出現(xiàn)截止失真(頂部失真)。輸入／輸出波形如圖4(b)所示。通過(guò)演示，讓學(xué)生看到設(shè)置Q點(diǎn)不同會(huì)造成什么樣的結(jié)果，對(duì)Q點(diǎn)合理設(shè)置的理解就深入透徹了。
1．2 溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的影響
溫度掃描分析用來(lái)研究溫度變化對(duì)電路性能的影響。通常仿真溫度是27℃，溫度掃描分析相當(dāng)于在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次仿真。影響靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))穩(wěn)定性的因素很多，例如電路參數(shù)變化，管子老化等，其中最主要的因素是BJT的特性參數(shù)隨溫度發(fā)生變化。硅管的VBE和β受溫度的影響較大，這是硅管的特點(diǎn)。為了研究Q點(diǎn)隨溫度的變化，對(duì)Q點(diǎn)進(jìn)行了溫度掃描分析，得到不同溫度下晶體管的結(jié)點(diǎn)電位。繪制出VCE和VBE隨溫度變化的曲線如圖5所示。
由圖可見(jiàn)，隨著溫度的升高，VCE和VBE呈線性下降。VBE的線性擬合方程為：
式中：溫度系數(shù)為-1．25 mV／℃。硅管VBE的溫度系數(shù)一般為-2．2 mV／℃。比較發(fā)現(xiàn)，這里VBE的溫度系數(shù)較小，這是因?yàn)樵谠撋錁O偏置電路(也稱自偏置電路)中，發(fā)射極電阻的直流負(fù)反饋穩(wěn)定了Q點(diǎn)，從而大大減小了溫度變化對(duì)Q點(diǎn)的影響。
2 單管共射放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)
2．1 電壓增益
根據(jù)圖3的輸入／輸出信號(hào)波形圖，可以計(jì)算出該放大電路的電壓增益：
利用H參數(shù)小信號(hào)模型，繪制如圖6所示的放大電路小信號(hào)等效電路。由此模型得到電壓增益的表達(dá)式：
式中：交流電流放大系數(shù)采用直流系數(shù)β=IC／IB；β由靜態(tài)工作點(diǎn)的基極和集電極電流進(jìn)行計(jì)算。利用下列公式估算rBE：
將數(shù)值帶入式(4)，得到電壓增益為-20．86，與仿真結(jié)果比較接近。從式(4)發(fā)現(xiàn)，電壓增益隨RE1阻值的增加而減小。為了觀察RE1對(duì)電壓增益的影響，對(duì)RE1進(jìn)行了參數(shù)掃描分析。選擇RE1為參數(shù)掃描分析元件，RE1的阻值設(shè)置為100 Ω，200 Ω，300 Ω和500 Ω，且觀察其阻值變化對(duì)輸出波形的影響，分析結(jié)果如圖7所示。中間幅值最小的曲線是輸入信號(hào)，其他是不同阻值下的輸出信號(hào)。
由圖7可見(jiàn)，隨著RE1阻值的增加，輸出信號(hào)的幅值逐漸下降。參數(shù)掃描分析結(jié)果與式(4)的結(jié)論是一致的。那么能否把RE1的阻值設(shè)置為零，以獲得高電壓增益呢：圖8是RE1為零時(shí)的輸入／輸出波形圖。由圖發(fā)現(xiàn)，雖然輸出幅值有所增加，但是輸入／輸出波形出現(xiàn)了明顯的相移。因此將RE1的阻值設(shè)置為100 Ω。
2．2 輸入電阻
在Multisim 10中創(chuàng)建如圖9所示的輸入電阻測(cè)量電路。在放大電路的輸入回路接虛擬儀器電流表和電壓表，運(yùn)行電路，得到電流和電壓的測(cè)量值。依據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算輸入電阻：
將數(shù)值帶入上式，得到輸入電阻為3．58 kΩ。比較可見(jiàn)，仿真分析與理論計(jì)算的結(jié)果比較吻合。
2．3 輸出電阻
測(cè)量輸出電阻采用的是外加激勵(lì)源法，創(chuàng)建如圖10所示的測(cè)量電路，由仿真結(jié)果計(jì)算輸出電阻：
因?yàn)镽’o≥Rc，所以Ro≈Rc=5．4 kΩ。可見(jiàn)，仿真測(cè)量與理論計(jì)算的結(jié)果基本符合。也可以測(cè)量放大電路有負(fù)載時(shí)的輸出電壓VL和負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓VO，其利用公式為：
計(jì)算輸出電阻。測(cè)得VO=119．474 mV，VL=62．149 mV，RL=R1=5．4 kΩ，算得輸出電阻為5．0 kΩ。計(jì)算結(jié)果與外加激勵(lì)源法測(cè)出的電阻值是一致的。
3 結(jié)語(yǔ)
本文以單管共射放大電路為例，在模擬電子技術(shù)中引入了Multisim 10輔助教學(xué)，即利用直流工作點(diǎn)分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，利用溫度掃描分析溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，利用參數(shù)掃描分析電路參數(shù)對(duì)輸出波形的影響。最后對(duì)電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了仿真測(cè)試，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。在放大電路的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)創(chuàng)建簡(jiǎn)便直觀的教學(xué)情景，應(yīng)用虛擬儀器在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上形象生動(dòng)地展示電路運(yùn)行的情況，將理論知識(shí)與電路仿真實(shí)踐相結(jié)合，拓寬了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主體作用的發(fā)揮，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析能力和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)踐說(shuō)明，引入Multisim仿真軟件輔助教學(xué)，可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，是未來(lái)模擬電路教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。