陳根龍 劉浩 尚建華 鄧開連 張永芳

摘要：針對三極管放大電路分析過程比較抽象的特點(diǎn)，利用Multisim仿真軟件完成對三極管基本共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的選取、直流分析、動態(tài)分析，直觀地展現(xiàn)三極管放大電路的工作原理;應(yīng)用Multisim溫度掃描功能，評估基本共射放大電路工作性能靜態(tài)工作點(diǎn)的溫度漂移以及溫度對輸出波形的影響，同時展示了具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫姆謮菏狡梅糯箅娐份敵霾ㄐ位九c溫度無關(guān)的特性。

關(guān)鍵詞：三極管放大電路;Multisim;溫度掃描;溫度漂移;負(fù)反饋

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0132-03

1 引言

電子技術(shù)是我校機(jī)械工程和應(yīng)用物理等非電類工科專業(yè)中的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)好本課程將為學(xué)生日后學(xué)習(xí)機(jī)電控制、嵌入式系統(tǒng)、集成電路設(shè)計等專業(yè)核心課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電子技術(shù)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，不但要使學(xué)生具有電子電路分析的能力，還要具備解決復(fù)雜工程問題的能力[1-2]。

傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)方式普遍采用理論為主、實(shí)踐為輔的形式，理論授課側(cè)重分立元件和單元電路的理論分析和公式推導(dǎo)，實(shí)踐教學(xué)側(cè)重相關(guān)定理的驗(yàn)證、分析，理論與實(shí)踐教學(xué)割裂，無法將電子電路的功能和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀的呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生普遍反映電子技術(shù)課程內(nèi)容抽象、難懂，無法將知識綜合應(yīng)用，從而轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際電子電路相關(guān)問題的工程實(shí)踐能力[3-4]。

Multisim 軟件是一個具有集成化設(shè)計環(huán)境、專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。采用Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相脫節(jié)的問題[5-7]。為了解決前述電子技術(shù)課程教學(xué)存在弊端，本文以三極管放大電路的仿真和設(shè)計為例，展示Multisim的強(qiáng)大功能，讓枯燥的電子電路分析和設(shè)計過程變得直觀、形象[8]，讓學(xué)生更方便、快捷的進(jìn)行電子技術(shù)相關(guān)的工程實(shí)踐，既能減輕教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，又能直接的提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

2 基本共射放大電路的分析

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的選取

三極管是三極管放大電路的核心元件，它能將微小的基極電流IB放大為較大的集電極電流Ic， 即[IC=βIB]，其中β為電流放大倍數(shù)。在三極管放大電路當(dāng)中，微小的基極電位VB的變化會引起基極電流IB的變化，三極管集電極電流Ic實(shí)現(xiàn)對IB的放大，Ic的變化引起集電極電位Vc的變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓的放大。在本文的三極管放大電路中，選取的三極管為2N6715，電源電壓Vcc=12V，為了保證三極管放大電路放大范圍最大化，一般來說，三極管靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在三極管輸出特性曲線蔟的中間位置。采用如圖1所示的電路來測量三極管輸出特性曲線，圖2為該三極管的輸出特性曲線蔟。為了將三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在特性曲線的中間位置，本文選取基極電流IB=7.333uA，Ic=1.617mA，UCE=6V，通過計算可得電流放大倍數(shù)β約為220.5。

2.2 基本共射放大電路靜態(tài)分析

如圖1所示為基本共射放大電路，其中基極電阻R1=1.6MΩ，集電極電阻R2=3.7KΩ，負(fù)載電阻R3=1KΩ，電源電壓Vcc=12V，仿真溫度設(shè)置為27°C，輸入信號為頻率1KHZ、峰值1mV正弦波。應(yīng)用估算法：基極電流[IB≈7.06μA]，集電極電流[IC=βIB≈1.557mA]，集電極-發(fā)射極電壓[UCE=VCC-ICRC≈6.24V]。

在基極電流支路和集電極電流支路分別插入電流探針，在集電極發(fā)射極兩端接入萬用表，可測得電路實(shí)際的[IB=7.14μA]，[IC=1.58mA]，UCE=6.17V，β≈221.3。仿真結(jié)果與估算值以及三極管預(yù)設(shè)參數(shù)很接近，說明通過估算法設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)是比較準(zhǔn)確的，三極管處于放大狀態(tài)。

2.3 基本共射放大電路動態(tài)分析

當(dāng)三極管處于放大區(qū)時，在三極管放大電路輸入端接入交流信號源，通過三極管電流放大作用，在輸出端產(chǎn)生放大的輸出電壓。根據(jù)放大電路微變等效模型可知：三極管輸入電阻：[rbe=200Ω+（1+β）26（mV）IE（mA）=3.858KΩ]，電壓放大倍數(shù)：[Au=-βR2||R3rbe≈-45.16]。

如圖4所示為通過示波器觀察到的放大電路的輸入波形（綠色）輸出波形（紅色），從仿真結(jié)果能直觀地看出基本共射放大電路對輸入電壓的放大作用。經(jīng)測量：輸入信號的峰值為1mV，輸出波形峰值為46.4mV，由于輸入輸出波形相位差180°，所以電壓放大倍數(shù)Au=-46.4，理論值和仿真結(jié)果相符。

3 放大電路的溫度穩(wěn)定性

3.1 基本共射放大電路溫度漂移現(xiàn)象

對于基本共射放大電路，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，電流放大倍數(shù)β和穿透電流Iceo都將上升，UBE下降，基極電流IB也將增大，這一切集中體現(xiàn)為集電極電流IC明顯增大，靜態(tài)工作點(diǎn)隨溫度發(fā)生漂移，向飽和區(qū)變化;同理，當(dāng)溫度降低時，靜態(tài)工作點(diǎn)將向截止區(qū)變化。如圖5所示為IC和UCE隨溫度變化的曲線，可見IC和UCE隨溫度變化非常劇烈。從如圖6輸出電壓Uo波形隨溫度變化可以看出，放大電路動態(tài)性能也會受溫度的較大影響，嚴(yán)重的時候可能會導(dǎo)致波形失真。

3.2 分壓式偏置放大電路

顯然，要使靜態(tài)工作點(diǎn)在溫度變化時回到原來的位置（即穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)），只要在溫度升高（降低）時適當(dāng)?shù)亟档停ㄉ撸┗鶚O電流IB即可。為了達(dá)到此目的，如圖7所示的分壓式偏置放大電路應(yīng)運(yùn)而生。分壓式偏置放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程為：T↑->β↑->IC↑->VE=IERE↑，因?yàn)閇VB=Rb2Rb1+Rb2UCC]保持基本不變，所以UBE=VB-VE↓->IB↓->IC↓，從而保持IC基本不變，其中RE=RE1+RE2為負(fù)反饋電阻，RE為直流負(fù)反饋電阻，穩(wěn)定放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)，RE1為交流負(fù)反饋電阻，穩(wěn)定放大電路的電壓放大倍數(shù)，即[AU=-βRCrbe+（1+β）RE1≈-RCRE1]和溫度基本無關(guān)。