基于multisim的共基放大電路課程設計(1)

1、<p>　　西安建筑科技大學課程設計（論文）任務書（參考格式）</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　利用Multisim10仿真軟件對共基放大電路進行設計和仿真，運用直流工作點對靜態(tài)工作點進行分析和設定，利用交流分析分析電路的頻率特性；對電壓增益、輸入電阻和輸出電阻進行仿真測試，推導出單管共基放大電路高頻、中頻、低頻時的電壓放大倍數(shù)

2、及完整的頻率響應，測試結果和理論計算值基本一致。研究表明發(fā)現(xiàn)Multisim10仿真軟件具有強大的設計和仿真分析功能，可以縮短設計周期，保障操作安全，方便調(diào)試，提高設計質(zhì)量。</p><p>　　關鍵字：靜態(tài)工作點，放大，仿真，頻率特性</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Computer aided de

3、sign and simulation on common base amplifier circuit were prepared using Multisim10 simulation software. The use of DC operating point analysis and the static operating point analyze circuit. The frequency characteristic

4、 of the circuit using AC analysis test on the voltage gain, input resistance and output resistance, Paper calculates complete frequency response and voltage-gain while it is high frequency, centric frequency, low frequen

5、cy. The result is basically to agree with t</p><p>　　Key words: static operating point, amplifier, simulation, frequency characteristic</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 Mul

6、tisim10介紹3</p><p>　　1.1 Multisim10電路分析方法3</p><p><b>　　3 設計原理3</b></p><p><b>　　4 設計內(nèi)容3</b></p><p>　　4.1 靜態(tài)工作點分析3</p><p>　　4.1.1

7、 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法3</p><p>　　4.1.2 理論計算3</p><p>　　4.1.3測量值3</p><p>　　4.1.4 直流工作點分析3</p><p>　　4.2.1電路元件分析3</p><p>　　4.2.2 有負載情況共基放大電路3</p><p>　　

8、4.2.3 無負載共基放大電路3</p><p>　　4.3計算最大不失真輸出電壓3</p><p>　　4.4 測量電路的頻率特性3</p><p><b>　　5 學習收獲3</b></p><p><b>　　參考文獻3</b></p><h2>　　1 Mu

9、ltisim10介紹</h2><p>　　Multisim10是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司的于2007年3月發(fā)布的電路設計10.0版本。它集電路設計和功能測試于一件，為設計者提供了一個功能強大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺。設計者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，搭建虛擬實驗室，進行模擬電路、數(shù)字電路、自動控制、單片機和射頻電子線路的仿真和調(diào)試。Multis

10、im10軟件測試虛擬電子、電工元器件和儀表，實現(xiàn)了“軟件即仿真”和“軟件即儀器”。Multisim10就是一個原理電路設計和電路功能測試的虛擬仿真軟件。概括起來， Multisim10具有以下特點： </p><p>　　1）采用交互式界面，直觀方便。 </p><p>　　2）元器件庫提供數(shù)千種電路元器件庫，同時也支持用戶新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件

11、參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設計中使用。 </p><p>　　3）軟件的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗室用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源。而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀等。 </p><p>　　4）允許用戶使用電路原

12、理圖的圖形輸入和電路硬件描述語言輸入方式。 </p><p>　　5）可用來設計、測試和演示各種電路。如電工學、模擬電路、數(shù)字電路、接口電路、芯片控制電路等等?？梢詫Ρ环抡骐娐分械脑骷O置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。而且在進行仿真的同時，軟件可以存儲測試點的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單,以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。&

13、#160;</p><h3>　　1.1 Multisim10電路分析方法 </h2><p>　　Multisim10具有較強的分析功能，用鼠標點擊Simulate（仿真）菜單中的Analysis（分析）菜單（Simulate→ Analysis），可以彈出電路分析菜單。點擊設計工具欄的也可以彈出該電路分析菜單。 </p><p>　

14、　1）直流工作點分析（DC Operating Point Analysis）。 </p><p>　　在進行直流工作點分析時，電路中的交流源將被置零，電容開路，電感短路。用鼠標點擊Simulate→ Analysis→DC Operating Point Analysis，將彈出DC Operating Point</p>

15、;<p>　　Analysis對話框，進入直流工作點分析狀態(tài)。 </p><p>　　2）交流分析（AC Analysis） </p><p>　　交流分析用于分析電路的頻率特性。需先選定被分析的電路節(jié)點，在分析時，電路中的直流源將自動置零，交流信號源、電容、電感等均處在交流模式，輸入信號也設定為正弦波形式。若把函數(shù)信號發(fā)生器的其它信號作為輸入激

16、勵信號，在進行交流頻率分析時，會自動把它作為正弦信號輸入。因此輸出響應也是該電路交流頻率的函數(shù)。用鼠標點擊Simulate→Analysis→AC Analysis，將彈出AC Analysis對話框，進入交流分析狀態(tài)。</p><p>　　3）瞬態(tài)分析（Transient Analysis） </p><p>　　瞬態(tài)分析是指對所選定的電路節(jié)點的時

17、域響應。即觀察該節(jié)點在整個顯示周期中每一時刻的電壓波形。在進行瞬態(tài)分析時，直流電源保持常數(shù)，交流信號源隨著時間而改變，電容和電感都是能量儲存模式元件。用鼠標點擊Simulate→Analysis→Transient Analysis，將彈出Transient Analysis對話框，進入瞬態(tài)分析狀態(tài)。 </p><p>　　4）傅里葉分析（Fourier Analysis）

18、 </p><p>　　傅里葉分析方法用于分析一個時域信號的直流分量、基頻分量和諧波分量。即把被測節(jié)點處的時域變化信號作離散博里葉變換，求出它的頻域變化規(guī)律。在進行傅里葉分析時，必須首先選擇被分析的節(jié)點，一般將電路中的交流激勵源的頻率設定為基頻，若在電路中有幾個交流源時，可以將基頻設定在這些頻率的最小公因數(shù)上。譬如有一個10.5kHz和一個7kHz的交流激勵源信號，則基頻可取0.5kHz。用鼠標點擊Si

19、mulate→Analysis→Fourier Analysis，將彈出Fourier Analysis對話框，進入傅里葉分析狀態(tài)。 </p><p>　　5）噪聲分析（Noise Analysis） </p><p>　　噪聲分析用于檢測電子線路輸出信號的噪聲功率幅度，用于計算、分析電阻或晶體管的噪聲對電路的影響。在分析時，假定電路中各噪

20、聲源是互不相關的，因此它們的數(shù)值可以分開各自計算?？偟脑肼暿歉髟肼曉谠摴?jié)點的和（用有效值表示）。用鼠標點擊Simulate→Analysis→Noise Analysis，將彈出Noise Analysis對話框，進入噪聲分析狀態(tài)。 </p><p>　　6）噪聲系數(shù)分析（Noise Figure Analysis） </p><p&

21、gt;　　噪聲系數(shù)分析主要用于研究元件模型中的噪聲參數(shù)對電路的影響。在Multisim10中噪聲系數(shù)定義中：No是輸出噪聲功率，Ns是信號源電阻的熱噪聲，G是電路的AC增益（即二端口網(wǎng)絡的輸出信號與輸入信號的比）。噪聲系數(shù)的單位是dB，即10log10（F）。用鼠標點擊Simulate→Analysis→Noise Figure Analysis，將彈出Noise Figure Analysis對

22、話框，進入噪聲系數(shù)分析狀態(tài)。 </p><p>　　7）失真分析（Distortion Analysis） </p><p>　　失真分析用于分析電子電路中的諧波失真和內(nèi)部調(diào)制失真（互調(diào)失真），通常非線性失真會導致諧波失真，而相位偏移會導致互調(diào)失真。若電路中有一個交流信號源，該分析能確定電路中每一個節(jié)點的二次諧波和三次諧波的復值，若電路有兩個交流信號源，該分析

23、能確定電路變量在三個不同頻率處的復值：兩個頻率之和的值、兩個頻率之差的值以及二倍頻與另一個頻率的差值。該分析方法是對電路進行小信號的失真分析，采用多維的“Volterra”分析法和多維“泰勒”（Taylor）級數(shù)來描述工作點處的非線性，級數(shù)要用到三次方項。這種分析方法尤其適合觀察在瞬態(tài)分析中無法看到的、比較小的失真。 </p><p>　　8）直流掃描分析（DC Sweep Anal

24、ysis） </p><p>　　直流掃描分析（DC Sweep Analysis）是利用一個或兩個直流電源分析電路中某一節(jié)點上的直流工作點的數(shù)值變化的情況。注意：如果電路中有數(shù)字器件，可將其當作一個大的接地電阻處理。用鼠標點擊Simulate→Analysis→DC Sweep Analysis，將彈出DC Sweep Analysis對話框

25、，進入直流掃描分析狀態(tài)。 </p><p>　　9）靈敏度分析（Sensitivity Analysis） </p><p>　　靈敏度分析（Sensitivity Analysis）是分析電路特性對電路中元器件參數(shù)的敏感程度。靈敏度分析包括直流靈敏度分析和交流靈敏度分析功能。直流靈敏度分析的仿真結果以數(shù)值的形式顯示，交流靈敏度分析仿真的結果以曲線的

26、形式顯示。用鼠標點擊Simulate→Analysis→Sensitivity Analysis，將彈出Sensitivity Analyses對話框，進入靈敏度掃描分析狀態(tài)。 </p><p>　　10）參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep Analysis） </p><p>　　采用參數(shù)掃描方法分析電路，可以較快地獲

27、得某個元件的參數(shù)，在一定范圍內(nèi)變化時對電路的影響。相當于該元件每次取不同的值，進行多次仿真。對于數(shù)字器件，在進行參數(shù)掃描分析時將被視為高阻接地。用鼠標點擊Simulate→Analysis→Parameter Sweep Analysis，將彈出Parameter Sweep Analysis</p><p>　　對話框，進入?yún)?shù)掃描分析狀態(tài)。 </p><p&g

28、t;　　11）溫度掃描分析（Temperature Sweep Analysis） </p><p>　　采用溫度掃描分析，可以同時觀察到在不同溫度條件下的電路特性，相當于該元件每次取不同的溫度值進行多次仿真?？梢酝ㄟ^“溫度掃描分析”對話框，選擇被分析元件溫度的起始值、終值和增量值。在進行其它分析的時候，電路的仿真溫度默認值設定在27℃。用鼠標點擊Simulate→Analysis→

29、Temperature Sweep Analysis,將彈出 Temperature Sweep Analysis對話框，進入溫度掃描分析狀態(tài)。</p><p><b>　　2 緒論</b></p><p>　　在電子技術的發(fā)展歷程中，隨著計算機輔助技術的應用和普及，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(Electroni

30、c Design Automation)技術逐漸產(chǎn)生并日趨完善。電子、電氣、信息類專業(yè)的學生可以應用EDA技術進行電子電路的設計和測試。EDA具有效率高，周期短，應用范圍廣的優(yōu)點，已成為當今電子設計的主流手段和技術潮流。在眾多的電路仿真軟件中，Multisim10以其界面友好，功能強大和容易使用而倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術人員的青睞。</p><p>　　模擬電子技術是高校電類專業(yè)的基礎課程。共基放

31、大電路是模擬電子技術的基礎部分，也是這門課程的教學重點和難點，而共基放大電路則是放大電路的基本形式。要在放大電路中實現(xiàn)輸出信號的不失真放大，必須設置合適的靜態(tài)工作點。放大電路的適用范圍是低頻小信號，電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動態(tài)指標。利用仿真軟件對典型電子電路進行計算機仿真，實現(xiàn)在有限的課題教學中，化簡單抽象為具體形象，化枯燥乏味為生動有趣，能充分調(diào)動學生的學習興趣和自主性，幫助學生更好地理解和掌握教學內(nèi)容。本文以共基

32、放大電路為例，應用Multisim10仿真軟件進行了模擬電路的計算機輔助教學。</p><p><b>　　3 設計原理</b></p><p>　　從原理上看，共基極放大電路輸入信號最大不允許超過20mV的峰值，與電源電壓向比可以忽略不計。而集電極電壓的動態(tài)變化范圍與共發(fā)射極固定偏置電路完全一樣。所以，共基極固定偏置電路靜態(tài)工作點的設計與共發(fā)射極固定偏置電路。<

33、;/p><p>　　利用晶體三極管構成的放大電路常用的形式如圖3.1所示，該電路是采用阻容耦合方式的共基放大電路。電路中為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點。采用了常用的分壓式靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路。放大電路的靜態(tài)工作點Q主要由Rb1、Rb2、Re、Rf、Rc及直流電源Vcc共同決定，測量靜態(tài)工作點時，電容斷開。該電路利用RB1、RB2分壓固定三極管的基極電位UBQ，使其基本不受溫度變化的影響，比較穩(wěn)定。</p><p

34、>　　圖3.1 共基放大電路</p><p><b>　　4 設計內(nèi)容</b></p><h3>　　4.1 靜態(tài)工作點分析</h2><h4>　　4.1.1 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法</h2><p>　　圖4.1 共基放大電路的直流通路</p><p><b>　　1）引入直

35、流負反饋</b></p><p>　　如4.1圖， ， ，起到直流負反饋作用，溫度升高時， 升高， 升高， 升高，又因為 不變，導致 下降， 下降， 下降。</p><p>　　起到直流負反饋的作用</p><p><b>　　2）溫度補償</b></p><p>　　利用對溫度敏感的原件，在溫度變化時直接影

36、響輸入回路，例如：如圖4.1， 或 采用熱敏電阻，當溫度升高時， 下降，導致 下降， 下降，從而 下降， 也下降，起到反饋作用。</p><h4>　　4.1.2 理論計算</h2><p><b>　　圖4.2 直流通路</b></p><p>　　為了穩(wěn)定Q點，通常 ，即 ，因此</p><p><b>　

37、　，基本不隨溫度變化</b></p><p><b>　　4.1.3測量值</b></p><p>　　圖4.3靜態(tài)工作點 圖4.4靜態(tài)工作點 </p><p>　　圖4.5靜態(tài)工作點 </p><p>　　表4.1靜態(tài)工作點的測量值</p><p>　

38、　由于近似計算，實驗值與理論值稍有誤差，但結論基本一致。</p><h4>　　4.1.4 直流工作點分析</h2><p>　　圖4.6 直流工作點結點圖</p><p>　　圖4.7 直流工作點掃描圖</p><p><b>　　如圖4.7， </b></p><p><b>　　

39、4.2動態(tài)分析</b></p><h4>　　4.2.1電路元件分析</h2><p>　?、倩鶚O去耦電容Cb的作用</p><p>　　圖4.8無基極去耦電容 圖4.9 有基極去耦電容</p><p>　　如A圖所示，當沒有基極去耦電容的時候，輸入電壓信號使 發(fā)生波動， 也隨之發(fā)生波動； 也會相同的波動，

40、的波動會在基極電阻 上產(chǎn)生與輸入信號相位相同的電壓波動，從而減小了UBE之間受輸入信號影響而變化的電壓差，因此而不能獲得設定的電壓放大倍數(shù)。</p><p>　　如B圖所示，當加上基極去耦電容的時候，輸入電壓信號使 發(fā)生波動， 也隨之發(fā)生波動； 也會相同的波動，容量很大的基極去耦電容能夠使基極動態(tài)電壓保持基本不變， 因此而能夠受輸入信號的影響波動正常的電壓幅度；從而獲得設定的電壓放大倍數(shù)。</p>

41、<p><b>　　②的作用</b></p><p>　　起到直流負反饋作用，通過Re、Rf兩端電壓的改變反饋調(diào)節(jié)</p><h4>　　4.2.2 有負載情況共基放大電路</h2><p>　　圖4.10 有負載共基放大電路</p><p><b>　　1)波形圖</b></p&g

42、t;<p>　　圖4.11 有負載輸入輸出波形</p><p>　　如圖4.9，綠色輸入，紅色輸出，輸出比輸入電壓大很多，實現(xiàn)了電壓的放大。</p><p><b>　　2)電壓放大倍數(shù)</b></p><p><b>　　計算值如圖4.10</b></p><p>　　圖4.12

43、 有負載交流通路等效圖</p><p><b>　　實驗值：</b></p><p>　　圖4.13有負載輸入有效值 圖4.14有負載輸出有效值</p><p>　　3)輸入輸出電阻測量</p><p><b>　　實驗值:</b></p><p>

44、　　測量輸入電阻：在信號源和放大器之間串聯(lián)接入一個1KΩ電阻,用示波器讀出接入1KΩ電阻前后,電路的輸入信號,由測量值計算出輸入電阻值為</p><p>　　圖4.15 信號源串聯(lián)1KΩ電阻電路</p><p>　　? 圖4.16? 有效值???? 圖4.17 有效值</p><p>　　R=1KΩ電阻接入前的輸入電壓 </p&g

45、t;<p>　　R=1KΩ電阻接入后的輸入電壓 </p><p><b>　　計算輸入電阻值 </b></p><p>　　輸出電阻計算值： </p><p><b>　　實驗值</b></p><p>　　圖4.18 有效值 圖4.19

46、 有效值</p><p>　　負載電阻RL開路時的輸出電壓 </p><p>　　負載電阻RL接通時的輸出電壓 </p><p><b>　　計算輸出電阻值 </b></p><h4>　　4.2.3 無負載共基放大電路</h2><p>　　圖4.20 無負載共基放大電路</p>

47、<p><b>　　1)波形圖</b></p><p>　　圖4.21 無負載輸入輸出波形圖</p><p>　　如圖4.19，綠色輸入，紅色輸出，輸出比輸入電壓大，實現(xiàn)了電壓的放大。</p><p><b>　　2)電壓放大倍數(shù)</b></p><p><b>　　計算值:

48、 </b></p><p>　　圖4.22 無負載交流電路等效圖</p><p><b>　　實驗值：</b></p><p>　　圖4.23 無負載輸入有效值 圖4.24 無負載輸出有效值</p><p>　　3)輸入輸出電阻測量</p><p><

49、;b>　　輸入電阻計算值：</b></p><p><b>　　輸入電阻實驗值：</b></p><p>　　測量輸入電阻：在信號源和放大器之間串聯(lián)接入一個1KΩ電阻,用示波器讀出接入1KΩ電阻前后,電路的輸入信號,由測量值計算出輸入電阻值為:</p><p>　　圖4.25 信號源串聯(lián)1KΩ電阻電路</p>

50、<p>　　圖4.26 R=1KΩ電阻接入前電壓 圖4.27 R=1KΩ電阻接入后電壓</p><p>　　計算輸入電阻值 ≈ 30.5Ω</p><p><b>　　輸出電阻計算值： </b></p><p><b>　　輸出電阻實驗值：</b></p><p>　　

51、圖4.28 輸出電壓</p><p>　　5KΩ負載電阻RL開路時的輸出電壓 </p><p>　　5KΩ負載電阻RL接通時的輸出電壓 </p><p><b>　　計算輸出電阻值 </b></p><h3>　　4.3計算最大不失真輸出電壓</h2><p>　　為了得到最大動態(tài)范圍，應將靜

52、態(tài)工作點調(diào)在交流負載線的中心。為此在放大器正常工作情況下，逐步增大輸入信號的幅度，用示波器觀察 ，當輸出波形同時出現(xiàn)削底和縮頂現(xiàn)象時，說明靜態(tài)工作點已調(diào)在交流負載線的中心。然后反復調(diào)整輸入信號，使波形輸出幅度最大，且無明顯失真時，用交流毫伏表測出 。</p><p>　　圖4.29 調(diào)節(jié)Rb2，以及輸入信號，得到削底和縮頂圖</p><p>　　圖4.30 調(diào)節(jié)輸入信號，使波形基本不失真&

53、lt;/p><p>　　圖4.31 最大不失真電壓有效值</p><p>　　所以最大不失真輸出電壓 </p><h3>　　4.4 測量電路的頻率特性</h2><p>　　1) 中頻段：通頻帶BW以內(nèi)的區(qū)域 </p><p>　　由于耦合電容及旁路電容的容量較大，在中頻區(qū)呈現(xiàn)的容抗（1/ωC）較小，故可視為

54、短路；而三極管的極間電容的容量較小，在中頻區(qū)呈現(xiàn)的容抗較大，故可視為開路。因此，在中頻段范圍內(nèi)，電路中電抗的影響均可忽略不計。 </p><p>　　在中頻段，放大器的增益、相角均為常數(shù)，不隨頻率而變化。 </p><p>　　2) 低頻段：f＜ 的區(qū)域 </p><p>　　在低頻段，隨著頻率的減小，耦合電容及旁路電容的容抗增大，分壓

55、作用明顯，不可再視為短路；而三極管的極間電容呈現(xiàn)的容抗比中頻時更大，仍可視為開路。因此，影響低頻響應的主要因素是耦合電容及旁路電容。 </p><p>　　在低頻段，放大器的增益比中頻時減小并產(chǎn)生附加相移。 </p><p>　　3) 高頻段：f＞ 的區(qū)域 </p><p>　　在高頻段，隨著頻率的增大，耦合電容及旁路電容的容抗比中頻時

56、更小，仍可視為短路；而三極管的極間電容呈現(xiàn)的容抗比中頻時減小，分流作用加大，不可再視為開路。因此，影響高頻響應的主要因素是晶體管的極間電容。 </p><p>　　在高頻段，放大器的增益比中頻時減小并產(chǎn)生附加相移。</p><p>　　圖4.32 頻率特性測量</p><p><b>　　圖4.33 示數(shù)圖</b></p>

57、;<p>　　結論：如圖4.31，仿真結果表明有一個下限頻率為49.2Hz，通頻帶上限頻率很寬。共基放大電路的通頻帶寬。</p><p><b>　　5 學習收獲</b></p><p>　　本文首先介紹了現(xiàn)代電子技術的發(fā)展及研發(fā)流程，說明了現(xiàn)代電子仿真技術在現(xiàn)有的電子線路模擬及應用中的重要作用，簡單的介紹Multisim10的功能。其次詳細的介紹了Mu

58、ltisim10詳細功能，包括主窗口、元器件庫以及儀器儀表庫等，同時也介紹了Multisim10的電路分析方法。接著本文根據(jù)低頻電子線路中的知識，設計了共基放大電路，闡述了它的設計原理以及具體的電路參數(shù)分析。最后，用Multisim10對本次設計的共基放大電路進行了仿真，主要包括：靜態(tài)工作點的測量，電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響分析以及靜態(tài)工作點對放大器的影響分析；電壓放大倍數(shù)和輸入輸出電阻的測量，以及三極管參數(shù)對它們的影響；同時還繪制了參

59、考點頻率響應曲線。</p><p>　　共基放大電路可以放大電壓，不能放大電流，輸入電阻小，輸出電阻大，通頻帶寬。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]于衛(wèi).模擬電子技術實驗及綜合實訓教程.湖北：華中科技大學出版社，2008.78~90</p><p>　　[2]路而紅.虛擬電子實驗室

60、.北京：人民郵電出版社，2005.38~45</p><p>　　[3]童詩白.模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版，2013.76~115</p><p>　　[4]蔣卓勤.multisim2001及其在電子設計中的應用.西安電子科技大學出版社，2003.46~78</p><p>　　[5]朱定華.電子電路實驗與課程設計.北京：清華大學出版社,2008.32~3