基于Multisim的单管放大电路的设计和仿真分析

检查电路的工作状态，学会测量放大电路的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数，了解不同负载情况对放大倍数的影响。

关键词：Multisim；单管放大电路；仿真分析；放大电路

中图分类号：TN7；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习，使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能，并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展，电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化，在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化，让实验变得简单、方便，同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路，还可与理论设计进行比较，为电路的进一步调试提供便利，极大地缩短了产品的研发周期。

本文以典型的单管放大电路为例，具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路，并对其进行静态和动态分析，得到放大电路的静态工作点，分析静态工作点的影响因素；在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。

1 Multisim仿真软件功能及特点

学习电子技术，不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法，更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件，其功能强大，能最大化满足使用者的需求，其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入，具有丰富的仿真分析能力，元件库中提供了大量仿真模型，确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性，并集成了多种虚拟仪表，包含大量设计实例、课程设计和研究项目，使得实验更加简便快捷。

2 单管共射放大电路设计

根据NPN型晶体管的特性，设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路，电路设计具体过程如下：

（1）晶体管是放大的核心元件，输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中，加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON，并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB；在输出回路中，应该让集电结反向偏置，使晶体管处在放大状态，所以集电极电源VCC应该足够高，这里取12 V，基本共射放大电路如图1所示。

（2）在实际电路中，通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源，为了设置合适的静态工作点，在输入回路中增加一个电阻Rb1，得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。

（3）加入输入信号时，图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失，减小了基极与发射极之间的电压差值，影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用，在输入端加入大电容C1，使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间，在输出端加入电容C2，连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点，并增大放大电路的交流电压增益，在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路，具体电路如图3所示。

3 静态工作点分析

为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大，设置合適的静态工作点非常必要。将输入信号置零，使直流电源单独作用时，将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q，通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分别取C1、C3、Ce为30 μF、10 μF、50 μF。根据晶体管特性以及回路方程，估算静态工作点。因为（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：

（1）

（2）

（3）

（4）

然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。

通过公式（1）～（4）可知，静态工作点与Rb2的取值有关，Rb2越小，静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100 kΩ的滑动变阻器。改变Rb2，采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点，数据结果见表1所列，可以看出随着Q点的增高，IEQ越大。

4 动态参数分析

在电路的交流通路中，用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路，这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路，晶体管用h参数模型代替，画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数，根据电路的回路方程，可以得到动态参数的表达式：

（5）

（6）

（7）

在输入输出端接入万用表，设置为交流电压档，测得输入端电压为14 .142 mV记作Ui，输出端电压为1.173 V记作Uo，根据公式（5）计算得到放大增益Au为83.57，输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器，A通道连接输入端，B通道连接输出端，打开仿真开关，得到图7所示的输入、输出波形，可以看出输入输出波形有180°的相位差，并且输入波形被放大了81.5倍，与理论值相差甚微。

在输入端并联一个电压表，串联一个电流表，测得输入端电压和电流，通过计算得出输入端电阻Ri为1 kΩ；在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5 kΩ，电表均设置为交流档（即AC档）。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。

用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线，共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834 dB，根据频带宽度的测量原理，移动测试指针，使幅度值下降3dB，找到半功率点，低端频率fL约为134.4 Hz，高端頻率fH约为1.425 MHz，同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。

5 结 语

利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真，对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析，理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式，快速得到仿真结果，先仿真后制作增加了设计成功率，提高了实验效率。作为教学辅助工具，该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。

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