基于Multisim的单管共射放大电路的分析和设计

第４６卷第１期应㊀㊀㊀用㊀㊀㊀科㊀㊀㊀技Ｖｏｌ．４６ɴ．１２０１９年１月
ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｊａｎ．２０１９
ＤＯＩ：１０．１１９９１／ｙｙｋｊ．２０１８０４０１５
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１１９１．Ｕ．２０１８０５２２．０８４１．００８．ｈｔｍｌ
基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的单管共射放大电路的分析和设计
宋璐１，卫亚博２，冯艳平３
１．陕西中医药大学医学技术学院，陕西咸阳７１２０４６２．平顶山学院电气工程学院，河南平顶山４６７０００
３．郑州职业技术学院电子工程系，河南郑州４５０１２１
摘㊀要：为了让学生更加形象地理解放大电路的工作原理，在对共射放大电路理论研究的基础上，采用Ｍｕｌｔｉｓｍ作为开发平台，设计了一种基于分压偏置式基本共射放大电路的仿真系统㊂学生只需要调整可调电阻和输入信号，即可获得不同情况下共射放大电路的输入输出波形以及动态参数，在改变实验参数的过程中，能够直观地分析不同静态工作点对电路输出的影响㊂经过测试，该系统仿真效果良好，各种不同情况下的仿真结果与理论保持一致，具有操作简单㊁显示直观和修改方便等特点，能够加深学生对基本放大电路的理解，并激发其学习兴趣㊂关键词：Ｍｕｌｔｉｓｍ；放大电路；静态工作点；仿真；幅频特性；基本共射；动态参数；通频带
中图分类号：ＴＮ９１９㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：１００９－６７１Ｘ（２０１９）０１－０１０１－０３
Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｓｉｎｇｌｅ⁃ｓｈｏｔｃｏｍｍｏｎ⁃ｅｍｉｔｔｅｒａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔ
ｂａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉｓｉｍ
ＳＯＮＧＬｕ１，ＷＥＩＹａｂｏ２，ＦＥＮＧＹａｎｐｉｎｇ３
１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｄｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０４６，Ｃｈｉｎａ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ４６７０００，Ｃｈｉｎａ３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０１２１，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｌｅｔｓｔｕｄｅｎｔｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔｍｏｒｅｖｉｖｉｄｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｃｏｍｍｏｎ⁃ｅｍｉｔｔｅｒａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｕｓｉｎｇＭｕｌｔｉｓｍａｓａｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｐａｒｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｆｓｅｔｂａｓｉｃｃｏｍｍｏｎ⁃ｅｍｉｔｔｅｒａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｔｕｄｅｎｔｓｏｎｌｙｎｅｅｄｔｏａｄ⁃ｊｕｓｔｔｈｅａｄｊｕｓｔａｂｌｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｏｍｍｏｎ⁃ｅｍｉｔｔｅｒａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｔｉｃｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃａｎｂｅｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｇｏｏｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｔｅｓｔ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏ⁃ｒｙ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｙａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｄｅｅｐｅｎｓｔｕｄｅｎｔｓ＇ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｂａｓｉｃａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｔｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｒｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｌｅａｒｎｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉｓｍ；ａｍｐｌｉｆｙｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｔａｔｉｃｗｏｒｋｉｎｇｐｏｉｎｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｂａｓｉｃｃｏｍｍｏｎｆｉｒｅ；ｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｐａｓｓｂａｎｄ
收稿日期：２０１８－０４－２３．㊀㊀网络出版日期：２０１８－０５－２２．作者简介：宋璐，女，讲师，硕士．
通信作者：卫亚博，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔｕｚｉ２１３１４＠１６３．ｃｏｍ．
㊀㊀基本放大电路是电子电路的重要组成部分，而单管共射放大电路是最典型的基本放大电路，因此掌握单管共射放大电路的分析方法对电子电路的学习起着至关重要的作用［１－２］㊂然而，在长期教学中发现，由于晶体三极管的知识过于抽象，学生对于由
其所构成的放大电路的理解不够深刻，所以在传统
的电子技术的教学里，也加入了很多实验，让学生可以对电路的掌握更加形象深刻㊂而在理论教学中，由于无法经常将实验设备搬到课堂上，所以演示能力有限㊂为此，基于Ｍｕｌｔｉｓｍ设计了一种典型单管放大电路的虚拟仿真实验，对其静态工作点和动态参数进行研究，并分析了静态工作点对电路工作状态的影响，讨论电压放大倍数㊁输入输出电路和频率特性的计算机辅助分析方法，能将抽象的电路具体化㊁形象化，有助于学生对基本放大电路的理解㊂
１㊀单管基本放大电路的静态分析
㊀㊀设计了一个基于ＮＰＮ型三极管的分压偏置式基本共射放大电路，原理图如图１所示㊂其中Ｑ１为电流控制原件，Ｒ１和Ｒ２为基级电阻，Ｒ６为可调电阻，
用来调节静态工作点，Ｒ３为集电极电阻，Ｒ４射级电阻，Ｒ５为负载电阻；Ｃ１和Ｃ２分别为输入输出回路的耦合电容，Ｃ３为旁路电容，Ｖ１为直流电源，为整个电路提供合适的电位，使三极管正常工作在放大区［３－４］㊂
图１㊀分压偏置式基本共射放大电路
１．１㊀静态工作点的计算
㊀㊀使输入信号为０，当直流电源ＶＣＣ单独作用时，计算出来的基极电流ＩＢ㊁集电极电流ＩＣ㊁基射级之间的电压ＵＢＥ和集射级之间的电压ＵＣＥ统称为静态工作点Ｑ㊂对于分压偏置式基本共射放大电路来说，静态工作点Ｑ的计算方法为
ＶＢ＝
Ｒ２
Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ６Ｖ
ＣＣ
（１）ＩＣʈＩＥ＝
ＶＢ－ＵＢＥ
Ｒ４
（２）ＩＢ＝
ＩＣβ
－
（３）ＵＣＥ＝ＶＣＣ－（Ｒ３＋Ｒ４）ＩＣ
（４）
式中β－
为直流放大倍数㊂除了ＵＢＥ＝０．７Ｖ为已知的，由晶体三极管的性质所决定，其他均可由
式（１） （４）计算出来㊂
静态工作点的设置在放大电路中非常重要，设
置正确的静态工作点是保证放大电路正常工作的必要条件，放大的前提必须是不失真，要保证电路的静态工作点在合适的范围内，才能使输入信号在整个变化范围内，始终工作在放大区，从而获得一个不失真的输出
［５－７］
㊂
１．２㊀基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的静态工作点的仿真㊀㊀Ｍｕｌｔｉｓｉｍ是美国国家仪器有限公司推出的原理
图设计㊁电路功能测试的虚拟仿真软件，具有强大的电路分析功能，可用于模拟电子㊁数字电子等各类电
路的仿真测试㊂它提供了众多虚拟元器件，提供了齐全的虚拟电子仪器设备，以图形化的方式消除了传统电路仿真的复杂性，帮助用户使用先进的电路分析技术［８－１１］㊂
在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中设计的单管共射放大电路的仿真
原理图如图２所示，通过改变可调电阻Ｒ６的阻值，可以调节静态工作点的高低㊂静态工作点过高或者
过低都会使得输出波形出现失真，只有三极管工作在放大区，才能获得一个放大的不失真的输出㊂静
态工作点过低，三极管会进入到截止区，输出波形会出现截止失真，现象是缩顶；静态工作点过高，三极管会进入到饱和区，输出波形会出现饱和失真，现象是削底㊂静态工作点高低的判断，可以参考文献［１２－１３］，这里不再赘述㊂
图２㊀单管共射放大电路的仿真原理
㊀㊀在使用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ对该电路进行仿真过程中，通过调节可调电阻Ｒ６，可以获得不同阻值下的静态工作点㊂使用万用表分别测出静态工作点的各个参数，列出的３种情况下的各个值如表１所示㊂可以看出，随着静态工作点的升高，ＩＣ也不断增大㊂同时，在表中还列出了采用公式计算出的可调电阻Ｒ６的理论值和使用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真所测得的实际值㊂通过比较，可以看出仿真效果良好，理论和实际基本相符㊂
表１㊀
静态工作点仿真结果组别
Ｒ６／ｋΩ实际值Ｒ６／ｋΩ理论值
ＵＢＱ／
Ｖ
ＵＣＱ／Ｖ
ＵＥＱ／Ｖ
ＩＣＱ／ｍＡ
工作状态
第１组３２．３００３１．１５０２．６００１０．０２９１．９８３０．９８５截止区第２组１７．９１０１７．５２９３．６８９８．９６３３．０５６１．５１８放大区第３组２．１３０
２．４０３
６．８９５６．２８８６．２２４２．８５６饱和区
㊀㊀在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中使用双通道示波器同时观察输入输出波形，表１中３种工作状态所对应的波形如图
３所示㊂其中，图３（ａ）和图３（ｃ）分别是三极管工作㊃２０１㊃应㊀㊀㊀用㊀㊀㊀科㊀㊀㊀技㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４６卷
在截止区和饱和区的波形图，可以看出，这２种情况下均出现了明显的失真，分别为缩顶和削底，只有图３（ｂ）静态工作点合适，获得了放大并且反向的输出波形
㊂
（ａ）
截止区输入输出波形
（ｂ）
放大区输入输出波形
（ｃ）饱和区输入输出波形
图３㊀静态工作点的仿真结果
２㊀单管基本放大电路的动态分析
㊀㊀动态参数的测试参照图２，调节可调电阻Ｒ６，获得合适的静态工作点，使得三极管工作在放大区㊂
２．１㊀放大倍数的分析
在图２中，调节信号源，使得输入为幅度
１０ｍＶ，频率为１ｋＨｚ的正弦波信号，输入输出波形参考图３（ｂ），可以看出此时输入和输出反向㊂
采用开关Ｓ１切换电路空载和有载时的状态，用
交流毫伏表分别测量出２种情况下的输入输出电压，结果如表２所示㊂可以看出，带负载时的电压放大倍数比空载时减小，但输入输出波形的相位关系没有改变㊂
表２㊀
动态分析仿真结果
状态ｕｉ／ｍＶｕｏ／ｍＶ
Ａｕ
ｆＬ／ＨｚｆＨ／ＭＨｚ有载７．０５６５６６．１８９８０．２４２２４４．１１９．７９空载
７．０４６
７３３．９６８１０８．９４６
２６５．５
１５．１２
２．２㊀通频带的分析
使用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中的交流分析（ＡＣａｎａｌｙｓｉｓ）可以
对电路进行交流频率响应的分析，具体分析方法可以参考文献［１４－１５］㊂在有载的情况下，使用交流分析仿真出来的频率响应曲线如图４所示，使用光标分析窗口可以看出放大倍数最大值为Ａｕｍａｘ＝８４．１４１，如图４（ｃ）所示㊂通过计算上限和下限频率
所对应的放大倍数应为０．７０７倍的Ａｕｍａｘ，应为５９．４８８，使用光标功能找到与之相对应的２个频率，分别是上限频率和下限频率㊂同样的方法，可以测出空载时的数据，具体值如表２所示
㊂
（ａ）
幅频特性曲线
（ｂ）
频率响应曲线
（ｃ）仿真结果
图４㊀
频率响应的仿真结果
３㊀结论
㊀㊀本文设计了一种分压偏置式基本共射放大电路的仿真系统，采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ作为仿真平台，针对放大电路的静态工作点和动态参数进行分析，并得到了以下结论：
１）在对静态工作点理论分析的基础上，通过仿
真软件，得到了不同静态工作点时所对应的输入输出波形，可以看出在放大电路中设置合适静态工作点是非常重要的；
２）在设置了合适的静态工作点的前提下，通过
（下转第１１０页）
㊃
３０１㊃第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀宋璐，等：基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的单管共射放大电路的分析和设计㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
２０１４，２６（４）：１０１－１０４．
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ＦＵＷｅｉ，ＣＵＩＹｕｎｓｈａｎ，ＷＵＱｉｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｍｍｕｎｉｔｉｏｎ⁃ｓｗｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｃｏｎｓｉｄ⁃ｅｒｉｎｇｃｌｅａｒａｎｃｅ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，４６（１）：１０４－１１０．
（上接第１０３页）
对交流参数的分析，得到了放大电路正常工作下的各种动态参数，仿真效果良好㊂
此外，该系统不受仪器和场地的限制，通过改变一些电路参数即可获得不同条件下的输出结果，使得模拟电子学的课堂教学变得生动形象，对促进学生对放大电路的学习有积极的意义，实现了模拟电子教学的现代化㊂
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宋璐，卫亚博，冯艳平．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的单管共射放大电路的分析和设计［Ｊ］．应用科技，２０１９，４６（１）：１０１－１０３，１１０．
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㊃０１１㊃应㊀㊀㊀用㊀㊀㊀科㊀㊀㊀技㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４６卷。