摘要：利用Multisim 10仿真軟件對(duì)單管共射放大電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué),。采用直流工作點(diǎn)分析了電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。利用溫度掃描和參數(shù)掃描分析了溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)以及電路參數(shù)對(duì)輸出波形的影響,。對(duì)電壓增益,、輸入電阻和輸出電阻的仿真測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算基本吻合。研究表明,，利用Multisim 10強(qiáng)大的分析功能對(duì)電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,，可以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：Multisim 10,；電路仿真,；靜態(tài)工作點(diǎn),；動(dòng)態(tài)參數(shù)

0 引言
    在電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用和普及,，以及電子產(chǎn)品向數(shù)字化,、集成化、微型化和低功耗方向的發(fā)展,，EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)逐漸產(chǎn)生并日趨完善,。電子、電氣,、信息類專業(yè)的學(xué)生可以應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試,。EDA具有效率高，周期短,，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),，已成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的主流手段和技術(shù)潮流。在眾多的電路仿真軟件中,，Multisim以其界面友好,，功能強(qiáng)大和容易使用而倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。Multisim 10是美國(guó)國(guó)家儀器公司NI(National Instruments)最新推出的Multisim版本,，集電路設(shè)計(jì)和功能測(cè)試于一件,，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大，儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái),。設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表,，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行模擬電路,、數(shù)字電路,、自動(dòng)控制、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試,。
    模擬電子技術(shù)是高校電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程,。單管共射放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)部分，也是這門課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),，而單管共射放大電路則是放大電路的基本形式,。要在放大電路中實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的不失真放大，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),。放大電路的適用范圍是低頻小信號(hào),，電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo),。利用仿真軟件對(duì)典型電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,，實(shí)現(xiàn)在有限的課題教學(xué)中，化簡(jiǎn)單抽象為具體形象,，化枯燥乏味為生動(dòng)有趣,，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性,，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。本文以單管共射放大電路為例,，應(yīng)用Multisim 10仿真軟件進(jìn)行了模擬電路的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué),。

1 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)
1．1 靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的設(shè)置
    在Multisim 10中創(chuàng)建如圖1所示的單管共射放大電路。選用NPN型硅晶體管2N1711作為BJT,，雙蹤示波器用于觀測(cè)輸入／輸出信號(hào)波形,，交流信號(hào)源為5 mVpk，頻率為2 kHz,。為了獲得放大的不失真輸出信號(hào),，電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn)),，Q點(diǎn)過高(或過低)會(huì)引起輸出信號(hào)的飽和(或截止)失真,。對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，得到如圖2所示的仿真數(shù)據(jù),，包括晶體管的結(jié)點(diǎn)電位和基極,、集電極電流。

    從圖2的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓：
   
    與電源電壓Vcc=12 V相比,，該放大電路的Q點(diǎn)設(shè)置合理,。在設(shè)置了合適的Q點(diǎn)之后，在輸入端加上低頻小信號(hào)電壓,，觀察到如圖3所示的輸入／輸出信號(hào)波形圖,。由圖3可見，輸入／輸出信號(hào)反相,，輸出波形完整無失真,，與輸入信號(hào)相比，輸出信號(hào)的幅值有很大增加,?？梢姡撾娐坊緦?shí)現(xiàn)了對(duì)低頻小信號(hào)的放大功能,。

    在Q點(diǎn)的教學(xué)實(shí)踐中,，學(xué)生對(duì)于Q點(diǎn)的理解往往很模糊，存在為何要設(shè)置Q點(diǎn),，如何設(shè)置Q點(diǎn),，Q點(diǎn)設(shè)置不合理會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果等疑問。通過改變偏置電阻的阻值改變放大電路的偏置電壓來獲得合適的Q點(diǎn),。通過改變RB1的阻值來觀察Q點(diǎn)設(shè)置偏高和偏低所帶來的失真,。取交流信號(hào)源為20 mVpk，頻率為2 kHz,。當(dāng)RB1=17．6kΩ,，對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析,，得到VCE=0．442 2V，Q點(diǎn)設(shè)置過高,，出現(xiàn)飽和失真(底部失真),，輸入／輸出波形如圖4(a)所示。當(dāng)RB1=85 kΩ,，得到VCE=11．609 8 V,，Q點(diǎn)設(shè)置過低，出現(xiàn)截止失真(頂部失真),。輸入／輸出波形如圖4(b)所示,。通過演示，讓學(xué)生看到設(shè)置Q點(diǎn)不同會(huì)造成什么樣的結(jié)果,，對(duì)Q點(diǎn)合理設(shè)置的理解就深入透徹了,。

1．2 溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的影響
    溫度掃描分析用來研究溫度變化對(duì)電路性能的影響。通常仿真溫度是27℃,，溫度掃描分析相當(dāng)于在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次仿真,。影響靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))穩(wěn)定性的因素很多，例如電路參數(shù)變化,，管子老化等,，其中最主要的因素是BJT的特性參數(shù)隨溫度發(fā)生變化。硅管的VBE和β受溫度的影響較大,，這是硅管的特點(diǎn),。為了研究Q點(diǎn)隨溫度的變化，對(duì)Q點(diǎn)進(jìn)行了溫度掃描分析,，得到不同溫度下晶體管的結(jié)點(diǎn)電位,。繪制出VCE和VBE隨溫度變化的曲線如圖5所示。

    由圖可見,，隨著溫度的升高,，VCE和VBE呈線性下降。VBE的線性擬合方程為：
   
    式中：溫度系數(shù)為-1．25 mV／℃,。硅管VBE的溫度系數(shù)一般為-2．2 mV／℃,。比較發(fā)現(xiàn)，這里VBE的溫度系數(shù)較小,，這是因?yàn)樵谠撋錁O偏置電路(也稱自偏置電路)中,，發(fā)射極電阻的直流負(fù)反饋穩(wěn)定了Q點(diǎn)，從而大大減小了溫度變化對(duì)Q點(diǎn)的影響,。

2 單管共射放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)
2．1 電壓增益
    根據(jù)圖3的輸入／輸出信號(hào)波形圖,，可以計(jì)算出該放大電路的電壓增益：
   
    利用H參數(shù)小信號(hào)模型，繪制如圖6所示的放大電路小信號(hào)等效電路。由此模型得到電壓增益的表達(dá)式：
   
    式中：交流電流放大系數(shù)采用直流系數(shù)β=IC／IB,；β由靜態(tài)工作點(diǎn)的基極和集電極電流進(jìn)行計(jì)算,。利用下列公式估算rBE：
   
    將數(shù)值帶入式(4)，得到電壓增益為-20．86,，與仿真結(jié)果比較接近,。從式(4)發(fā)現(xiàn)，電壓增益隨RE1阻值的增加而減小,。為了觀察RE1對(duì)電壓增益的影響,，對(duì)RE1進(jìn)行了參數(shù)掃描分析。選擇RE1為參數(shù)掃描分析元件,，RE1的阻值設(shè)置為100 Ω,，200 Ω，300 Ω和500 Ω,，且觀察其阻值變化對(duì)輸出波形的影響,，分析結(jié)果如圖7所示。中間幅值最小的曲線是輸入信號(hào),，其他是不同阻值下的輸出信號(hào),。

    由圖7可見,，隨著RE1阻值的增加,，輸出信號(hào)的幅值逐漸下降。參數(shù)掃描分析結(jié)果與式(4)的結(jié)論是一致的,。那么能否把RE1的阻值設(shè)置為零,，以獲得高電壓增益呢：圖8是RE1為零時(shí)的輸入／輸出波形圖。由圖發(fā)現(xiàn),，雖然輸出幅值有所增加,，但是輸入／輸出波形出現(xiàn)了明顯的相移。因此將RE1的阻值設(shè)置為100 Ω,。
2．2 輸入電阻
    在Multisim 10中創(chuàng)建如圖9所示的輸入電阻測(cè)量電路,。在放大電路的輸入回路接虛擬儀器電流表和電壓表，運(yùn)行電路,，得到電流和電壓的測(cè)量值,。依據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算輸入電阻：
   
    將數(shù)值帶入上式，得到輸入電阻為3．58 kΩ,。比較可見,，仿真分析與理論計(jì)算的結(jié)果比較吻合。

2．3 輸出電阻
    測(cè)量輸出電阻采用的是外加激勵(lì)源法,，創(chuàng)建如圖10所示的測(cè)量電路,，由仿真結(jié)果計(jì)算輸出電阻：


    因?yàn)镽’o≥Rc，所以Ro≈Rc=5．4 kΩ?？梢?，仿真測(cè)量與理論計(jì)算的結(jié)果基本符合。也可以測(cè)量放大電路有負(fù)載時(shí)的輸出電壓VL和負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓VO,，其利用公式為：
   
    計(jì)算輸出電阻,。測(cè)得VO=119．474 mV，VL=62．149 mV,，RL=R1=5．4 kΩ,，算得輸出電阻為5．0 kΩ。計(jì)算結(jié)果與外加激勵(lì)源法測(cè)出的電阻值是一致的,。

3 結(jié)語
    本文以單管共射放大電路為例,，在模擬電子技術(shù)中引入了Multisim 10輔助教學(xué)，即利用直流工作點(diǎn)分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn),，利用溫度掃描分析溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,，利用參數(shù)掃描分析電路參數(shù)對(duì)輸出波形的影響。最后對(duì)電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了仿真測(cè)試,，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn),，測(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。在放大電路的教學(xué)過程中,，通過創(chuàng)建簡(jiǎn)便直觀的教學(xué)情景,，應(yīng)用虛擬儀器在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上形象生動(dòng)地展示電路運(yùn)行的情況，將理論知識(shí)與電路仿真實(shí)踐相結(jié)合,，拓寬了學(xué)生的視野,，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主體作用的發(fā)揮,，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力,。教學(xué)實(shí)踐說明，引入Multisim仿真軟件輔助教學(xué),，可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果,，是未來模擬電路教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。