Multisim在共射极放大电路分析中的应用

钱 香，佘 艳

（无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028）

0 引 言

模拟电子技术是电子技术专业的一门专业基础课程，实用性较强，但是理论知识比较抽象，讲解起来枯燥，学生不容易理解。为了让学生能直观的理解模拟电子技术的理论知识，在课程中加入实验教学环节，传统方式是用真实的元器件搭建电路，辅以信号发生器、示波器、直流稳压电源、万用表等电子设备[1]。由于学习模拟电子技术的学生人数众多，而实验设备有限，学生实际操作经常导致元器件及设备损坏，最终不能达到预期的实验效果。Multisim软件只需在电脑端安装软件，就可以对电路进行仿真。同时，Multisim软件界面简洁易学、元器件种类多、测试仪器多、仿真功能丰富[1]。

引入Multisim软件进行仿真实验，通常要求学生在进行仿真实验前，先进行理论计算，这样在仿真结果出来后可以根据理论计算结果来验算自己的电路是否正确。

1 实验电路设计

模拟电路中的核心元件是半导体三极管，它是电流控制型器件，具有电流放大作用，可以将较小的输入信号转变为较大的输出信号。在实际电路应用中通常有3种接法：共射极放大电路、共基极放大电路及共集电极放大电路，如图1所示[2]。共射极放大电路应用最为广泛，也是学生学习模拟电子技术的基础。掌握共射极放大电路的分析方法对后续学习其他电路有着至关重要的作用。

分压式共射极放大电路可以解决温度变化带来的静态工作点偏移的问题，成为放大电路中最常用的一种电路，因此实验中设计了一个分压式共射极放大电路，如图2所示[3]。图2中V1为输入信号，三极管选用BF420，基极电阻R1设置为10 kΩ，R2设置为30 kΩ，射极偏置电阻R3、集电极电阻R4和负载电阻R5均设置为1 kΩ，输入耦合电容C1、输出耦合电容C2均设置为10 μF，旁路电容C3均设置为47 μF，直流电源V2为12 V。

图1 放大电路中三极管的接法

图2 分压式共射极放大电路

2 放大电路的分析

放大电路分析包含静态和动态分析两个方面[4]。通过静态分析得到电路的静态工作点，从而判断三极管所处的工作状态。只有三极管工作于放大状态时，在输入端输入交流小信号，输出端才会得到放大的波形。如果电路的静态工作点设置的不合适，输出波形就会出现失真。动态分析主要是得到放大电路对输入信号放大的倍数。本章节先对放大电路的静态和动态分析进行仿真，然后对输出波形的失真进行仿真验证。

2.1 静态分析

静态是指输入信号为零，放大电路中没有交流信号，因电容隔直流通交流的特点，此时电容可以认为是开路[2]。静态工作点通常用Q表示，一般用IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ四个参数来描述电路的静态工作点[3]。

（1）估算法计算静态工作点

用估算法对放大电路的静态工作点进行理论计算，实验中三极管选用BF420，估算时放大倍数取122，计算结果如下：

由以上分析结果可以得知，三极管工作于放大状态。

（2）Multisim软件仿真静态工作点

用Multisim软件对电路进行静态工作点仿真，仿真结果如表1所示。

表1 静态工作点仿真结果

由图2分压式共射极放大电路可知，表1静态工作点仿真结果中I（Q1[IB]）、I（Q1[IC]）、I（Q1[IE]）对应三极管的三端电流IBQ、ICQ、IEQ，V（1）、V（2）、V（4）对应三极管的三端电压值VEQ、VBQ、VCQ。静态工作点计算结果如下：

由Multisim软件仿真结果算出放大电路的静态工作点，与估算法作对比，如表2所示。从对比结果可以看出，估算法得到的结果与仿真结果基本相符。

表2 用Multisim软件仿真和估算法得到的静态工作点对比

2.2 动态分析

动态是输入信号为交流信号，此时电路中既有直流信号，也有交流信号，电路中的电压和电流都是变化的[3]。在理论课教学中，一般用微变等效电路法对放大电路进行动态分析。动态分析的参数包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。

（1）微变等效电路法近似计算放大电路的动态参数

输入小信号时，可以用微变等效电路法对放大电路进行动态分析，近似计算放大电路的动态参数如下：

（2）Multisim软件仿真分析放大电路的动态参数

用软件对动态参数进行仿真，电压放大倍数及输入电阻可采用相同的电路，输出电阻则要采用不同的电路。

电压放大倍数及输入电阻仿真电路如图3所示，输入端增加万用表XMM1和XMM3分别测输入端的电压和电流，输出端增加万用表XMM2测输出端的电压。输入端和输出端电压分别接到示波器A通道和B通道，A通道为输入信号设置为红色，B通道为输出信号设置为蓝色[4]。

设置输入信号V1为幅度10 mV、频率1 kHz的正弦波信号，对电路进行仿真，得到示波器的界面如图4所示，万用表读数如图5所示。从图4可以看出，输出波形和输入波形的相位差是180°，即共射极放大电路的电压放大倍数为负值。

图3 电压放大倍数及输入电阻仿真电路图

图4 放大电路输入和输出波形

图5 电压放大倍数及输入电阻仿真时万用表读数

根据仿真得到的万用表读数计算放大电路的电压放大倍数及输入电阻如下：

根据输出电阻的定义，设计输出电阻仿真电路，如图6所示，放大电路的输入端V1设为零，去掉负载电阻R5，在输出端加上电压源V3，电路中万用表XMM1和XMM2分别测输出端的电压和电流。

图6 输出电阻仿真电路图

设置电压源V3为幅度10 mV、频率1 kHz的正弦波信号，对电路进行仿真，得到万用表读数如图7所示。

图7 输出电阻仿真时万用表读数

根据仿真得到的万用表读数计算放大电路的输出电阻如下：

将Multisim软件仿真和微变等效电路法分析的动态参数进行对比，如表3所示。从对比结果可以看出，微变等效电路法得到的结果与仿真结果基本相符。

表3 Multisim软件仿真和微变等效电路法分析的动态参数对比

2.3 输出波形失真分析

对于放大电路的基本要求就是输出波形失真要尽可能小。如果电路的静态工作点设置的不合适，输出波形就会出现失真。实验中调整基极电阻R2的大小，使三极管的工作状态发生改变。

（1）底部失真

将电路中的R2设置为5 kΩ，得到放大电路的静态工作点如表4所示，此时三极管处于饱和状态。经仿真，得到输出端的波形如图8所示，输出波形的负半轴出现了失真，即底部失真[2]。

表4 R2设置为5 kΩ时，仿真得到的静态工作点

图8 三极管处于饱和状态时，电路的输入输出波形

图9 三极管处于截止状态时，电路的输入输出波形

（2）顶部失真

将电路中的R2设置为60 kΩ，得到放大电路的静态工作点如表5所示，此时三极管处于截止状态。经仿真，得到输出端的波形如图9所示，输出波形的正半轴出现了失真，即顶部失真[2]。

表5 R2设置为60 kΩ时，仿真得到的静态工作点

3 结 论

本文用Multisim软件设计了一种分压式共射极放大电路，并对其进行了静态分析、动态分析及输出波形失真分析。根据对仿真数据的分析，得到仿真结果与理论计算相符，电路达到预期目标。

随着信息化的发展和普及，学生计算机的操作水平不断提升，用软件对电路进行仿真，可以提高学生的学习兴趣。在实验过程中，还可以设置一些问题激发学生的学习兴趣，如分析静态工作点对输出波形的影响时，先让学生自己调整参数，通过仿真得到的静态工作点参数判断三极管的工作状态。Multisim软件代替传统教学方式完成共射极放大电路的实验，操作简单，容易得到预期实验结果，可以提升学生的自信心，促进学生学习后续内容的兴趣。