Multisim在三极管放大电路分析和设计教学中的应用

陈根龙 刘浩 尚建华 邓开连 张永芳

摘要：针对三极管放大电路分析过程比较抽象的特点，利用Multisim仿真软件完成对三极管基本共射放大电路静态工作点的选取、直流分析、动态分析，直观地展现三极管放大电路的工作原理;应用Multisim温度扫描功能，评估基本共射放大电路工作性能静态工作点的温度漂移以及温度对输出波形的影响，同时展示了具有负反馈作用的分压式偏置放大电路输出波形基本与温度无关的特性。

关键词：三极管放大电路;Multisim;温度扫描;温度漂移;负反馈

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）25-0132-03

1 引言

电子技术是我校机械工程和应用物理等非电类工科专业中的一门技术基础课，学好本课程将为学生日后学习机电控制、嵌入式系统、集成电路设计等专业核心课程打下坚实的基础。电子技术强调理论与实践的结合，不但要使学生具有电子电路分析的能力，还要具备解决复杂工程问题的能力[1-2]。

传统的电子技术教学方式普遍采用理论为主、实践为辅的形式，理论授课侧重分立元件和单元电路的理论分析和公式推导，实践教学侧重相关定理的验证、分析，理论与实践教学割裂，无法将电子电路的功能和实验现象直观的呈现给学生，学生普遍反映电子技术课程内容抽象、难懂，无法将知识综合应用，从而转化为解决实际电子电路相关问题的工程实践能力[3-4]。

Multisim 软件是一个具有集成化设计环境、专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。采用Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实验教学相脱节的问题[5-7]。为了解决前述电子技术课程教学存在弊端，本文以三极管放大电路的仿真和设计为例，展示Multisim的强大功能，让枯燥的电子电路分析和设计过程变得直观、形象[8]，让学生更方便、快捷的进行电子技术相关的工程实践，既能减轻教师和学生的负担，又能直接的提高学生的综合实践能力。

2 基本共射放大电路的分析

2.1 静态工作点的选取

三极管是三极管放大电路的核心元件，它能将微小的基极电流IB放大为较大的集电极电流Ic， 即[IC=βIB]，其中β为电流放大倍数。在三极管放大电路当中，微小的基极电位VB的变化会引起基极电流IB的变化，三极管集电极电流Ic实现对IB的放大，Ic的变化引起集电极电位Vc的变化，从而实现电压的放大。在本文的三极管放大电路中，选取的三极管为2N6715，电源电压Vcc=12V，为了保证三极管放大电路放大范围最大化，一般来说，三极管静态工作点应设置在三极管输出特性曲线蔟的中间位置。采用如图1所示的电路来测量三极管输出特性曲线，图2为该三极管的输出特性曲线蔟。为了将三极管静态工作点设置在特性曲线的中间位置，本文选取基极电流IB=7.333uA，Ic=1.617mA，UCE=6V，通过计算可得电流放大倍数β约为220.5。

2.2 基本共射放大电路静态分析

如图1所示为基本共射放大电路，其中基极电阻R1=1.6MΩ，集电极电阻R2=3.7KΩ，负载电阻R3=1KΩ，电源电压Vcc=12V，仿真温度设置为27°C，输入信號为频率1KHZ、峰值1mV正弦波。应用估算法：基极电流[IB≈7.06μA]，集电极电流[IC=βIB≈1.557mA]，集电极-发射极电压[UCE=VCC-ICRC≈6.24V]。

在基极电流支路和集电极电流支路分别插入电流探针，在集电极发射极两端接入万用表，可测得电路实际的[IB=7.14μA]，[IC=1.58mA]，UCE=6.17V，β≈221.3。仿真结果与估算值以及三极管预设参数很接近，说明通过估算法设置静态工作点是比较准确的，三极管处于放大状态。

2.3 基本共射放大电路动态分析

当三极管处于放大区时，在三极管放大电路输入端接入交流信号源，通过三极管电流放大作用，在输出端产生放大的输出电压。根据放大电路微变等效模型可知：三极管输入电阻：[rbe=200Ω+（1+β）26（mV）IE（mA）=3.858KΩ]，电压放大倍数：[Au=-βR2||R3rbe≈-45.16]。

如图4所示为通过示波器观察到的放大电路的输入波形（绿色）输出波形（红色），从仿真结果能直观地看出基本共射放大电路对输入电压的放大作用。经测量：输入信号的峰值为1mV，输出波形峰值为46.4mV，由于输入输出波形相位差180°，所以电压放大倍数Au=-46.4，理论值和仿真结果相符。

3 放大电路的温度稳定性

3.1 基本共射放大电路温度漂移现象

对于基本共射放大电路，当环境温度上升时，电流放大倍数β和穿透电流Iceo都将上升，UBE下降，基极电流IB也将增大，这一切集中体现为集电极电流IC明显增大，静态工作点随温度发生漂移，向饱和区变化;同理，当温度降低时，静态工作点将向截止区变化。如图5所示为IC和UCE随温度变化的曲线，可见IC和UCE随温度变化非常剧烈。从如图6输出电压Uo波形随温度变化可以看出，放大电路动态性能也会受温度的较大影响，严重的时候可能会导致波形失真。

3.2 分压式偏置放大电路

显然，要使静态工作点在温度变化时回到原来的位置（即稳定静态工作点），只要在温度升高（降低）时适当地降低（升高）基极电流IB即可。为了达到此目的，如图7所示的分压式偏置放大电路应运而生。分压式偏置放大电路稳定静态工作点的过程为：T↑->β↑->IC↑->VE=IERE↑，因为[VB=Rb2Rb1+Rb2UCC]保持基本不变，所以UBE=VB-VE↓->IB↓->IC↓，从而保持IC基本不变，其中RE=RE1+RE2为负反馈电阻，RE为直流负反馈电阻，稳定放大电路静态工作点，RE1为交流负反馈电阻，稳定放大电路的电压放大倍数，即[AU=-βRCrbe+（1+β）RE1≈-RCRE1]和温度基本无关。