EWB仿真在晶体管放大电路分析中的应用

李静雅

（长治学院计算机系 山西省长治市 046000）

在课堂教学中引入EWB仿真技术，可以用图形、数字、虚拟仪表等直观的方式显示模拟电路工作过程和电路元件参数变化等对于电路的影响，有助于学生对模拟电路中的各种现象形成直观的认识，深入的理解，提高课程理论教学的效果[2]。本文以晶体管特性及放大电路理论分析授课过程中结合仿真分析进行授课的过程为例，阐述EWB如何助力电路与模拟电子技术课程教学。

课程中晶体管放大电路的分析应用是模拟电路学习入门的基础，是模拟电路近似等效分析方法应用的基础，晶体管放大电路的理论分析对于初学课程的学生来说内容较抽象，分析理解有一定困难，如何更好理解掌握晶体管放大电路的分析方法，清楚放大电路的工作原理，将抽象的理论分析和实际应用更好的结合，让学生直观看到放大电路工作的过程，为深入学习模拟电路奠定基础，是课程教学需要思考的问题。

1 EWB简介

EWB是加拿大交互图像有限公司Ltd推出的功能强大的EDA软件，主要实现模拟电路和数字电路的仿真分析，为电路分析、设计提供了一个功能强大、元件仪表等齐全的虚拟电子工作平台[2,3]。EWB软件的主窗口如同一个实际的电子实验箱，只是待分析的电路需要分析者使用存放在电子元件库中的虚拟元件绘制而成，电路物理量的测量使用仪器仪表库中的虚拟器件实现，电路搭建好仿真分析可以得到需要的仿真数据[4,5]。使用EWB进行电路仿真分析时，可以方便修改元件参数、更换元件型号等，分析不同元件参数情况下，电路工作的过程[7]。EWB的使用，在理论分析与实际电路应用之间搭建了桥梁，可以实现在有限的课堂教学中，化理论抽象为实际仿真，化公式推导为图形显示，化单一分析为多角度思考，化枯燥乏味为生动有趣，充分调动学生的学习兴趣和自主性。

2 晶体管特性及放大电路分析

晶体管是模拟电路的核心器件，晶体管的特殊结构是晶体管具有电流放大作用和开关作用的关键。教学中会重点分析晶体管的结构以及由于特定结构在晶体管构成的放大电路中，晶体管所表现出来的特性，在特性曲线理论分析讲解过程中，学生理解上会遇到一些困难，课程教学理论强，实际应用欠缺，课程教学内容使学生难以理解。

具体困难一学生在学习了晶体管的结构后，去分析晶体管的特性曲线时，由于输入端是一个PN结，学生可以理解它的伏安特性曲线应该和二极管的伏安特性曲线类似，但进一步讲解晶体管输入端的特性曲线因为受输出端的影响，应该是一束特性曲线时，学生就会疑惑，不能很好的理解输入特性在输出端两极电压影响下应该如何变化?

困难二如果研究晶体管的输出端的特性，研究集电极电流与管压降的关系时，部分同学在学习管压降由初始的零增加时，集电极电流逐渐增大，增大到一定值（0.7V左右），无论管压降如何加大，集电极电流几乎不变就觉得不能理解，如果再进一步讲解，当基极电流不同时，输出特性曲线也应该是一束曲线，学生更是不容易分清楚了。

难点三学习绘制晶体管特性曲线后讲解晶体管的放大区、截止区和饱和区以及晶体管放大电路的信号放大、信号失真状态，学生就觉得更困难，不感兴趣，放弃学习了。对于晶体管以及晶体管构成的放大电路如何更好的讲解分析，直观的观察放大和失真等情况，在教学中引入了EWB软件对电路进行仿真分析，设置仿真问题，让学生自己依据仿真问题，进行分析研究，得出晶体管特性曲线，并设置晶体管工作在不同状态下，分析加入微弱小信号后，电路的输出状态，让学生清楚理论分析和实际工作的一致，让仿真分析辅助学生学习理论分析。

3 晶体管特性及放大电路仿真分析

3.1 仿真分析解决难点

固定偏置晶体管放大电路讲解，按照传统的教师讲授，学生学习的方法，教师会先讲解直流通路下的静态分析，计算发射结电压、基极电流，集电极电流，以及管压降，通过理论推导说明发射结电压和基极电流之间、集电极电流与管压降之间的关系，教师认真的讲，学生被动接收，学生已经被电流电压弄得不耐烦，失去了继续学习的兴趣。

本文引入EWB仿真，以图1所示的阻容耦合固定偏置晶体管放大电路作为分析对象，进行仿真分析，研究晶体管的特性曲线，研究由晶体管构成的单极放大电路的静态和动态特性。放大电路的静态分析是电路在只有直流电源下的工作情况，动态分析是电路在静态分析的基础上，接入待放大的微弱交流信号后，分析电路对交流信号的放大情况。

图1：固定偏置晶体管放大电路

改变传统教学方法，采用教师提出仿真分析的问题的方法开展教学，引导学生主动思考学习解决问题，培养学生的自主学习能力和学习兴趣，学生体会到解决问题后的收获，学习效率不断提高。

3.2 问题引导仿真分析

3.2.1 晶体管特性曲线

研究晶体管输入输出特性曲线，晶体管特性曲线测试电路如图2所示，以问题引导的方式仿真分析研究发射结电压UBE与基极电流IB之间的关系；研究管压降UCE和集电极电流IC之间的关系。问题引导晶体管特性仿真分析如表1。

表1：问题引导晶体管特性仿真分析

图2：晶体管特性曲线测试电路

3.2.2 晶体管放大电路仿真分析

晶体管特性曲线分析测试电路的仿真分析，研究清楚了晶体管管压降UCE一定时，基极电流与发射结电压之间满足PN结的伏安特性关系；基极电流一定时，集电极电流依据管压降的变化而变化，晶体管可以工作在饱和区、放大区和截止区，集电极电流与基极电流之间的关系。

通过电容耦合，接入待放大的微弱的交流信号，仿真分析晶体管放大电路工作情况。仍然以问题为引导，以仿真分析为依据，分析放大电路的工作情况，深入理解放大电路的放大和失真。对比仿真分析和理论分析，深入理解放大电路的设置合适的静态工作点的重要性；深入理解放大电路的反向放大、饱和失真和截止失真等。问题引导晶体管放大电路仿真分析

如表2。

表2：问题引导晶体管放大电路仿真分析

3.2.3 研究耦合电容的作用

在放大电路中电容近似等效成导线进行放大电路的动态分析，而实际中，电容去掉用导线代替如何？利用仿真软件进行分析，选取好合适的静态工作点后，通过电容耦合，接入待放大正弦交流信号，可以再输出端得到放大信号，将仿真电路中的电容去掉，直接用导线连接待放大正弦交流信号和晶体管基极，仿真分析后，发现在输出端得不到放大信号。仔细观察，发现发射结的电压表的读数为0，发射结截止。依据仿真实验结果，教师即时提出问题：为什么实用放大电路中输入端电容不能按理论分析时当成导线？学生依据问题引导，进行分析讨论，理解实际电路中电容的作用，理解理论上电容当作导线近似分析的合理性。

3.3 仿真的应用

以问题为引导，利用EWB仿真软件对电路进行仿真分析，在电路的理论分析和实际应用间搭建了桥梁。应用仿真软件分析电路可以随时修改电路元件的参数，观察元件参数的变化对电路的影响；可以将元件参数变化引起的元件特性变化的趋势直观描绘出来；可以加深对理论分析的理解，使抽象的理论形象直观化；可以展示实际应用与理论分析的差异，培养学生的实践应用能力。

4 结语

在电路分析的教学过程中利用仿真软件，以问题为引导，一方面可以通过仿真测量到的电路工作时的实际数据，辅助学生更好地理解电路的理论分析，还可以解决单靠课堂上理论推理及语言描述无法让学生有直观的认识的电路问题。同时问题引导会促使学生学习过程中主动的思考，引到学生思考一些新的问题，激发学生的学习兴趣，有助于培养学生的创新意识，为学生的自主学习铺就了新的道路。