(10.1.7)--阻容耦合共射放大电路的仿真设计.pdf

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1、应用科技 Applied Science and Technology ISSN 1009-671X,CN 23-1191/U 应用科技网络首发论文应用科技网络首发论文 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创

2、新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版

3、）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。阻容耦合共射放大电路的仿真设计 摘 要：单管共射放大电路是模拟电子技术课程的一个基本电路，其对学生掌握课程关于放大的基础知识，建立工程性思维方式具有重要作用。基于软件 Multisim，对给定性能指标的单管共射放大电路进行设计和分析。通过理论分析和仿真计算，首先确定满足设计要求的电路元器件参数，在此基础上通过小信号等效模型对该电路的动态性能指标进行估算。对所设计的电路进行仿真测试，得到的结果与理论计算值基本一致。仿真设计与理论知识的紧密结合可

4、帮助学生提高其研究水平及解决问题的能力。关键词：Multisim 软件；模拟电子技术；共射放大电路；仿真；晶体管；静态工作点；小信号模型；失真 中图分类号：TN710.2 文献标志码：A Simulation design of RC coupled common-emitter amplifier circuit ZHANG Huibo，WANG Ping School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu,611756,China Abstract：As one of the

5、basic circuits in analog electronic technology course,single-transistor common-emitter amplifier is important to help students to master the knowledge about amplification,building engineering way of thinking.The circuit with given performance is designed and analyzed by using Multisim Software.The r

6、equired components parameters are firstly obtained through theoretical analysis and simulation calculating,and dynamic performance index is evaluated on the base of the small-signal model.The simulation results of the designed circuit agree well with the theoretical analysis.The integration of simul

7、ation design and theoretical knowledge could help to increase students research level and develop their ability to solve problems.Keywords:Multisim Software;analog electronic technology;common-emitter amplifier;simulation;transistor;static working point;small-signal model;distortion 1 1以晶体管为核心的阻容耦合单

8、管共射放大电路是模拟电子技术课程的入门级经典实用电路，其对学生建立放大概念，加深对动态性能指标的理解等起着重要的作用。NI 公司的仿真软件 Multisim 拥有丰富的元器件和虚拟仪器仪表库，具有强大的分析仿真功能，可以便捷地完成电路静态工作点的求解和动态指标的获取，有助于学生形象直观地理解电路的原理、研究其性能以及分析其失真等。因此，在电子电路的理论与实验教学活动中，为了帮助学生更好地掌握电路的原理与特性，Multisim 等仿真软件常被引入作为辅助教学工具1-3。目前，在放大 收稿日期：2020-05-19.基金项目：西南交通大学教学研究和改革项目（20201012-04）.作者简介：张辉

9、波,男，讲师，博士；王平,女，副教授，博士.通信作者：张辉波，男，E-mail：.电路教学与实验设计方面，多数是借助于仿真软件分析给定电路结构和参数的放大电路的静态及动态特性4-9，对电路设计、理论计算及仿真结果更深层次的分析涉及不多，这不利于培养学生设计实用单管放大电路的能力。而在实际的工程应用中，经常需要根据具体的技术指标设计电路。为了将理论课程的知识学以致用，提高学生设计能力，本文给出了一个阻容耦合单管共射放大电路的设计思路，并对所设计电路进行了理论分析、仿真测试及对比。1 设计条件及指标 采用 NPN 型晶体管 2N2222 设计一阻容耦合单管共射放大器，其具体要求10如下：1）电源电

10、压为+12V，集电极静态电流 ICQ取 2mA，负载电阻 RL取 3k，信号源内阻 Rs取 1k；照 片 尺 寸 为20mm*30mm；最好不用红色背景 2 应用科技 第*卷 2）电路动态指标：在负载为 3k 时的电压放大倍数|AV|50，输入电阻 Ri1k，输出电阻 Ro3k；空载时最大不失真输出电压的峰值 Voppmax3V。2 理论分析及仿真设计 基于给定设计指标和已知条件，首先通过理论分析确定放大电路的静态工作点（下文简称 Q 点），接着计算并确定电路中所有电阻参数。使用图解法分析电路在空载和带负载两种情况下的最大不失真输出电压的峰值 Voppmax。根据定义对小信号模型的H 参数进行

11、了仿真求解。最后，在经过合理的取舍后，通过小信号等效模型对动态性能指标进行理论估算，根据估算结果检查所设计电路是否满足所有设计指标。2.1 射极和集电极电阻的确定 实用的单管放大电路必须解决静态工作点的问题，因此射极电阻 Re是必不可少的，已有文献对在不同温度下射极电阻对Q点的影响进行了详细的分析11。这里首先需要根据指标要求确定其阻值。射极电阻通过引入直流负反馈稳定静态工作点，理论上其阻值越大，负反馈越强，静态工作点就越稳定。但是在特定的静态射极电流下，Re的增大将会导致射极电位的抬高，在集电极电阻上压降不变的情况下，静态管压降会下降，极端情况下会使晶体管进入到饱和区，因此不能选择太大的 R

12、e。考虑到设计要求中 Voppmax3V，将射极的静态电位 VE确定为 4V，可使管压降 vCE的变化范围约为08V（忽略了饱和管压降），此时可以确定射极电阻 ReVE/ICQ=2k。为了在空载时获得更大的Voppmax，需要尽量选择 Q 点在直流负载线的中点附近，如图 1 所示。由于电源电压 VCC为 12V，射极电位 VE为 4V，因此静态管压降 VCEQ选为 4V，Rc的压降近似为 4V，从而可以计算出 Rc=2k。理论上输出电阻 Ro近似等于 Rc。故 Rc的取值满足设计要求 Ro3k。通过图解法进行分析，可以得出结论：在空载时，随着输入正弦信号幅值的增大，输出波形首先出现饱和失真，其

13、 VoppmaxVCEQ-VCES，其中，VCES为饱和管压降，对于小功率晶体管，VCES通常为 0.7V 以下，因此符合设计要求 Voppmax3V。当加负载后，随着输入正弦信号幅值的增大，输出波形首先出现截止失真。图 1 中的 ICQRL即为带负载时的 Voppmax，其中 RL=RcRL，根据设计参数，可估算出此时的 Voppmax约为 2.4V。2.2 偏置电路的设计 偏置分压电路的电阻的确定需满足以下条件：1BQII (1)图1 阻容耦合单管放大电路的图解分析 其中，I1为基极偏置电阻 Rb1和 Rb2上流过的电流，IBQ为静态基极电流，Rb1为电源和基极之间的电阻，Rb2为地和基极

14、之间的电阻。在条件(1)满足时，可认为两个基极偏置电阻上流过的电流近似相等，这里取 I1=10IBQ。估算 Rb2需要确定基极电位 VB和 I1，假设静态时 VBEQ=0.7V，晶体管 2N2222 的直流放大系数取其参数模型里的前向电流放大系数 BF154。则偏置电阻可由下式计算得到：210EBEQbCQVVRIBF 110CCEBEQbCQVVVRIBF 计算结果为：Rb236.2k，Rb156.2k。为了和实际的元器件相对应，取Rb2为36k，Rb1由一个50 k的电阻和一个 10 k 的电位器串联组成。通过调节电位器，可使静态工作点满足设计要求。耦合电容和旁路电容的选取可以在已知下限截

15、止频率 fL的前提下根据相关公式估算，对于该低频小信号放大电路，两个耦合电容均取 10F，旁路电容取 50F10。在 Multisim 中，按照上述参数和给定要求完成电路原理图的搭建，如图 2 所示。通过调节电位器滑动端，可使静态工作点满足设计要求。当电位器如图2 所示位置时，由直流工作点分析得，VCEQ3.97V，ICQ2.0mA，IBQ14.65A，基本符合预期设计。第*期 张辉波，等：阻容耦合共射放大电路的仿真设计 3 2.3 动态性能指标的估算 通过 H 参数小信号等效模型，可以对该电路的动态性能指标进行估算。在理论分析中，通常会把 H 参数中的反向电压传输比 hre和输入端交流开路时

16、的输出电阻 rce忽略，进而用简化后的小信号模型进行分析12。通过 Multisim 里的 IV 分析仪对 2N2222 的输出特性曲线进行仿真，结果如图 3 所示。可以发现，IBQ 为 14.5A（接近于所设计的静态工作点 IBQ 14.65A）所对应的输出特性曲线在放大区存在较为明显的上翘，这说明此时 2N2222 的 vCE对于 iC的影响较大，因此在采用小信号等效模型进行分析时，需要考虑 rce的影响。图 2 电路原理图 图 3 2N2222 的输出特性曲线 同时，为了对动态指标进行估算，需要获得 H 参数的具体值，如电流放大系数，基极和射极之间的动态电阻 rbe。根据各个 H 参数的

17、定义，可通过 Mulitsim的直流扫描分析，对其进行仿真计算。这里以 rbe为例，给出其仿真计算过程，其定义如下：CEQBEbeBVri 根据静态分析时仿真计算出的静态工作点求解rbe，如图 4 所示。图中曲线为管压降 VCEQ为 4V 时基极和射极电压与基极电流的关系，在 IBQ=14.65A附近，通过光标的坐标可看出 rbe1.75k。图4 对基极射极间动态电阻的仿真计算 同理，可对其它 H 参数进行仿真计算，结果分别为：146，rce5.0 k，hre2.210-6。根据公式8 26()(1)()bebbEQmVrrImA (2)估算出 rbe1.9k，这里基区体电阻bbr取模型参数中

18、的 RB 约为 8.7。通过对 H 参数的仿真结果可知，rbe的理论值和仿真值存在将近10%的误差，考虑到式(2)为近似公式，因此在理论估算中以仿真结果为准。反向电压传输比 hre为 10-6数量级，因此将其忽略；而 rce因为与 RL，Rc为同一数量级而不能忽略。故图 2 的小信号等效电路如图 5 所示。图 5 共射放大电路的小信号等效电路 其中，12()bbWbRRRR，RW为电位器接入电路的电阻。动态性能指标的计算公式如下所示：()cecLVberRRAr 12()ibebWbRrRRR ocecRrR 将参数代入，计算得到|AV|80.8，Ri1.62k，4 应用科技 第*卷 Ro1.

19、43k，基于小信号模型的理论估算结果满足所有设计要求。3 Multisim 仿真 为了验证理论计算值的可靠性，在 Multisim 中对该电路的动态指标进行仿真测量和计算。虽然在Multisim 里可以直接使用虚拟仪表万用表的交流档测量交流电流和电压，进而根据定义快速求得输入电阻和输出电阻，但在实际实验中，测量交流电流是比较困难的。为了与实际实验保持一致，采用只测量电压的方法间接获取输入电阻和输出电阻。仿真时，函数发生器输出信号为 5kHz，幅值为 10mV的正弦信号。通过万用表测量了信号源电压 Vs，放大电路的输入电压 Vi，空载时的电压 V和带载时的电压 Vo，并根据 iissiVRRVV

20、 ooLoVVRRV 计算出动态指标，如表 1 所示。可以看出，通过仿真计算的结果与理论计算值基本一致，仿真结果验证了小信号等效模型的有效性。表 1 动态参数的仿真和计算结果 Vs/mV Vi/mV Vo/mV V/mV|AV|Ri/k Ro/k 7.1 4.4 350.1 517.1 80.0 1.6 1.4 对空载和带负载两种情况下的最大不失真输出电压峰值也进行了仿真测量，其结果如图 6 所示。在空载情况下，当信号源输出幅值增加到约为68mV 时，输出波形开始出现明显的底部失真，即饱和失真，通过光标可知 Voppmax约为 3.8V。在带 3 k 负载的情况下，当信号源幅值增加到约为 90

21、mV时，输出波形首先出现了明显的顶部失真，即截止失真，其 Voppmax约为 2.3V。所得到的结果与理论分析基本吻合。4 结论 本文设计了一个给定动态参数指标的阻容耦合共射放大电路。放大电路中每一个电阻的取值均根据设计要求，并通过合理分析计算获得。在设计和分析过程中，得到以下结论：1)采用 Multisim 软件，对工作在放大状态下的晶体管 2N2222 的小信号等效模型中的 H 参数进行了仿真求解，发现 rce仅约为 5k，故在小信号等效模型中不能忽略 rce。2)通过小信号等效模型对所设计的共射放大电路的动态参数进行了估算，并与仿真结果进行对比，两者基本吻合，验证了小信号等效模型的有效性

22、。3)通过图解法对所设计放大电路在信号幅值增大后的失真情况和最大不失真输出电压的峰值进行了分析。同时也采用 Multisim 对此进行了仿真研究，两种方式得到的结论基本一致。(a)空载 (b)带 3k 负载 图6 最大不失真输出电压峰值的仿真测量 整个过程将理论分析方法及相关概念与电路设计有机地结合起来，既能锻炼学生解决实际问题的能力，也可提高其研究水平。参考文献:1 侯长波，张宗昱，余文鑫等.基于晶体管的运算放大器实验项目设计J.实验科学与技术，2020，18(1):47-52.2 张继，储开斌，张小芳.基于 Multisim 的电子技术课程设计J.实验室科学，2018，21(1):60-6

23、3.3 赖颖昕，邓成良，江小敏等.基于 Multisim 的模拟电子技术教学综合改革的探索与实践J.东莞理工学院学 第*期 张辉波，等：阻容耦合共射放大电路的仿真设计 5 报，2019(10):127-130.4 张爱英 基于 Multisim 的三极管放大电路仿真分析J现代电子技术，2013，36(4):123-126 5 李瑞金Multisim10 对单管共射放大电路的仿真与研究J电子技术与软件工程，2016(19):132-134 6 刘君，杨晓苹，吕联荣，刘津丽等.Multisim 11 在模拟电子技术实验中的应用J.实验室研究与探索，2013,32(2):95-98.7 杜晓玉，孔庆

24、梅，李辉共射极放大电路失真问题分析J.实验科学与技术，2017，15(4):11-13，26 8 杨莲红，杨奇，孙万麟基于 Multisim 10 的单管共射放大电路静态分析J 现代电子技术，2014，37(5):127-130.9 宋璐，卫亚博，冯艳平.基于 Multisim 的单管共射放大电路的分析和设计J.应用科技，2019(1)：101-103，110 10 杨小雪.模拟电子技术实验教程M.成都：西南交通大学出版社，2007:49-54.11 孙正凤，井娥林.Multisim 温度扫描分析在模拟电子技术的应用J.电子设计工程，2012（20）：122124.12 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社，2006:178-181.