周 波， 趙冬梅， 孔軍輝

(大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部， 遼寧 大連 116018)

Multisim在靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路分析中的應(yīng)用

周 波， 趙冬梅， 孔軍輝

(大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部， 遼寧 大連 116018)

本文從固定偏置電路出發(fā)，首先通過Multisim溫度掃描分析其溫度穩(wěn)定性較差的原因，然后通過引入電流串聯(lián)負(fù)反饋，分析射極偏置電路工作點(diǎn)的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能的變化。為了在穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的同時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)性能，基于Multisim，對(duì)完全旁路電路和部分旁路電路進(jìn)行比較分析。同時(shí)，利用交流分析功能，對(duì)引入反饋前后的通頻帶變化進(jìn)行比較，最終使學(xué)生對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的過程有了深入的理解。

Multisim；靜態(tài)工作點(diǎn)；動(dòng)態(tài)分析; 射級(jí)偏置電路

0 引言

放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定問題是“模擬電子技術(shù)”課程的經(jīng)典內(nèi)容。它不但決定放大電路是否會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且還影響電路的動(dòng)態(tài)性能[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境溫度的變化會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，影響放大電路的正常工作[2]。

在BJT放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定分析的教學(xué)中，我們以共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定為主線，通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而分析原因，然后通過對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)解決問題，并通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而將實(shí)用電路如何獲得的過程呈現(xiàn)出來。

1 溫度對(duì)固定偏置電路的影響

晶體管放大電路長(zhǎng)時(shí)間工作，會(huì)發(fā)熱甚至發(fā)燙。溫度變化時(shí)，固定偏置電路的工作點(diǎn)如何變化呢？用Multisim搭建共射放大器電路如圖1所示。

圖1 固定偏置電路

調(diào)整電阻使靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線的中點(diǎn)，此時(shí)，三極管的VCC=9 V, VCE=4.5 V。點(diǎn)擊示波器，觀察其輸入輸出波形，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)波形符合共射電路特征，輸入輸出反相，輸出波形無失真[3]。當(dāng)輸入正弦波峰值為10 mV時(shí)，輸出正弦波幅值約為1 V,電壓增益約為100倍。

圖2 固定偏置電路的輸入輸出波形

利用Multisim的溫度掃描功能，對(duì)電路在溫度分別為27 ℃、150 ℃和180 ℃時(shí)進(jìn)行掃描，分析不同溫度下的輸出波形的區(qū)別，如圖3所示[4]。

圖3 固定偏置電路溫度掃描

通過Multisim仿真，學(xué)生很形象地認(rèn)識(shí)到溫度對(duì)固定偏置電路的影響，接著教師因勢(shì)利導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生分析原因，并改進(jìn)電路，克服溫度變化對(duì)放大電路的影響。

2 分壓式射極偏置電路

根據(jù)三極管的溫度特性，溫度升高，集電極電流必然增大，需要引入電流負(fù)反饋才能穩(wěn)定輸出電流[2]。在Multisim中，引入射極偏置電阻Re以及基極分壓電阻Rb1和Rb2，組成如圖4所示的基極分壓式射極偏置電路，并分析該電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的原理。

圖4 基極分壓式射極偏置電路

對(duì)圖4電路進(jìn)行溫度掃描，分析不同溫度下的輸出波形的區(qū)別，如圖5所示?？梢钥闯觯煌瑴囟认螺敵霾ㄐ瓮耆睾显谝黄?，均沒有失真[4]。

圖5 分壓式射極偏置電路的溫度掃描

接下來引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合Multisim仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析：為什么引入Re后，溫度穩(wěn)定性會(huì)大大提高呢？

圖4電路的小信號(hào)等效電路如圖6所示，可得

(1)

(2)

圖6 分壓式射極偏置電路的小信號(hào)等效電路

可見，由于Re的引入， 與溫度敏感參數(shù)無關(guān)，溫度穩(wěn)定性必然大大提高。理論知識(shí)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

點(diǎn)擊示波器，觀察圖4電路的輸入輸出波形，如圖7所示。輸出波形峰值降為10 mV左右，電壓增益明顯降低[5]。

圖7 分壓式射極偏置電路的輸入輸出波形

可見，分壓式射極偏置電路是以犧牲電壓增益為代價(jià)換取了溫度的穩(wěn)定性。

The overall completion rate for the second FIT test was 11.4% (Figure 1). Only 24 of the 40 employees who received the second test kit returned it for evaluation;5% with family history of colonic polyps and 34% without (P = 0.06).

接下來可對(duì)電阻Re進(jìn)行參數(shù)掃描，如圖8所示?？梢奟e越大，輸出電壓幅值越小。此時(shí)啟發(fā)學(xué)生討論，為什么增大Re會(huì)對(duì)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)、提高增益的溫度穩(wěn)定性有利，而對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)不利？

圖8 對(duì)電阻Re進(jìn)行參數(shù)掃描

接下來進(jìn)一步對(duì)固定偏置電路和分壓式射極偏置電路與進(jìn)行交流對(duì)比分析，如圖9所示。由于引入電流負(fù)反饋，電壓增益降低，但通頻帶變寬。

(a)固定偏置電路

(b)分壓式射極偏置圖9 兩種偏置電路的交流分析

通過以上討論，學(xué)生對(duì)該放大電路各種因素相互制約，“有一利必有一弊”的特點(diǎn)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

3 射極偏置電路改進(jìn)電路

接下來引導(dǎo)學(xué)生思考如何既保證靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，又保證電壓增益不下降呢？在Multisim中，電阻Re并聯(lián)一個(gè)旁路電容Ce，如圖10所示。

圖10 Re完全旁路電路

電容Ce有隔離直流、傳送交流的作用，既不影響直流，又對(duì)電阻Re上的交流信號(hào)有旁路作用，使放大電路的交流放大能力不致因Re的存在而降低[6]。此時(shí)：

(3)

可見，電壓增益是升高了，但是電壓增益表達(dá)式中的參數(shù)因和溫度有關(guān)，溫度穩(wěn)定性降低了。

用Multisim對(duì)完全旁路電路進(jìn)行溫度掃描，如圖11所示。發(fā)現(xiàn)溫度變化，電壓增益穩(wěn)定性降低，理論分析與仿真現(xiàn)象相互印證。再次說明該放大電路中電路的性能指標(biāo)互相影響、彼此牽制。

圖11 Re完全旁路電路溫度掃描

接下來啟發(fā)學(xué)生思考，如果實(shí)際工作中要求電路一定要穩(wěn)定，電壓增益又不能降低太多，該如何改進(jìn)電路呢？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)電路，將電阻Re一分為二，分成Re和Re1兩部分，電阻Re1并聯(lián)旁路電容Ce,如圖12所示。這樣，Re保留在交流通路中，保證電壓增益的穩(wěn)定性，Re1電阻被旁路，保證交流增益下降不多。

圖12 Re部分旁路電路

用Multisim對(duì)部分旁路電路進(jìn)行溫度掃描，如圖13所示。發(fā)現(xiàn)溫度變化，但輸出波形基本上重合在一起，說明該電路的溫度穩(wěn)定性提高。

圖13 Re部分旁路電路溫度掃描

4 結(jié)語

本文所述的這種基于問題的研討式、仿真實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的教學(xué)模式，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的思維能力得到有效訓(xùn)練。在對(duì)電路不斷改進(jìn)的過程中，使學(xué)生在獲取知識(shí)的同時(shí)體驗(yàn)科學(xué)理論不斷探索、發(fā)現(xiàn)的真實(shí)過程，培養(yǎng)其辯證思維能力和科學(xué)精神。

[1] 康華光主編,電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2013年12月

[2] 陳洪斌.穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性及方法[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)．2006，22( 6) :72-73

[3] 任秀芳,陳世夏,王翠珍.對(duì)“模擬電子技術(shù)”中靜態(tài)工作點(diǎn)的教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(2):69-73

[4] 郝寧眉,李芳.雙極型晶體管溫度特性的Multisim仿真研究[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2010 (4):81-83

[5] 曹鴻霞,冒曉莉,張加宏.Multisim10在單管共射放大電路中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 34(14):169-172

[6] 雷躍.NI Multisim11電路仿真應(yīng)用[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2011．

Application on Multisim in Analysis of Quiescent Point Stabilization Circuit

ZHOU Bo, ZHAO Dong-mei, KONG Jun-hui

(Dept.ofBasicSciences，DalianNavalAcademy，Dalian116018，China)

Based on the temperature sweep of Multisim, it is founded that the temperature stability of common-emitter fixed-bias amplifier is very poor, the negative feedback is introduced, then the change of static stability and dynamic parameters of emitter bias circuit are discussed. In order to get a balance between static stability and dynamic performance, Multisim is used in the comparison of total sideway and partly sideway circuit. At the same time, the function of AC analysis is used to analyze the change of bandwidth, which makes the students understand the process of quiescent point stabilization thoroughly.

Multisim; quiescent point; dynamic analysis; emitter bias circuit

2015-09-08;

2016-10-15

2015年大連艦艇學(xué)院教育科研重點(diǎn)課題(2015-08)

周 波(1974-)，女，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)理論教學(xué)工作，E-mail：judyever@sina.com

TP 391．9

A

1008-0686(2016)03-0143-04