Multisim在静态工作点稳定电路分析中的应用

周 波， 赵冬梅， 孔军辉

(大连舰艇学院 基础部， 辽宁 大连 116018)

Multisim在静态工作点稳定电路分析中的应用

周 波， 赵冬梅， 孔军辉

(大连舰艇学院 基础部， 辽宁 大连 116018)

本文从固定偏置电路出发，首先通过Multisim温度扫描分析其温度稳定性较差的原因，然后通过引入电流串联负反馈，分析射极偏置电路工作点的稳定性及动态性能的变化。为了在稳定静态工作点的同时兼顾动态性能，基于Multisim，对完全旁路电路和部分旁路电路进行比较分析。同时，利用交流分析功能，对引入反馈前后的通频带变化进行比较，最终使学生对静态工作点稳定的过程有了深入的理解。

Multisim；静态工作点；动态分析; 射级偏置电路

0 引言

放大电路静态工作点稳定问题是“模拟电子技术”课程的经典内容。它不但决定放大电路是否会产生非线性失真，而且还影响电路的动态性能[1]。在实际应用中，环境温度的变化会引起静态工作点不稳定，影响放大电路的正常工作[2]。

在BJT放大电路静态工作点稳定分析的教学中，我们以共射放大电路静态工作点的稳定为主线，通过Multisim仿真实验引导学生发现问题，进而分析原因，然后通过对电路进行改进解决问题，并通过Multisim仿真实验进行验证，从而将实用电路如何获得的过程呈现出来。

1 温度对固定偏置电路的影响

晶体管放大电路长时间工作，会发热甚至发烫。温度变化时，固定偏置电路的工作点如何变化呢？用Multisim搭建共射放大器电路如图1所示。

图1 固定偏置电路

调整电阻使静态工作点在负载线的中点，此时，三极管的VCC=9 V, VCE=4.5 V。点击示波器，观察其输入输出波形，如图2所示。发现波形符合共射电路特征，输入输出反相，输出波形无失真[3]。当输入正弦波峰值为10 mV时，输出正弦波幅值约为1 V,电压增益约为100倍。

图2 固定偏置电路的输入输出波形

利用Multisim的温度扫描功能，对电路在温度分别为27 ℃、150 ℃和180 ℃时进行扫描，分析不同温度下的输出波形的区别，如图3所示[4]。

图3 固定偏置电路温度扫描

通过Multisim仿真，学生很形象地认识到温度对固定偏置电路的影响，接着教师因势利导，启发学生分析原因，并改进电路，克服温度变化对放大电路的影响。

2 分压式射极偏置电路

根据三极管的温度特性，温度升高，集电极电流必然增大，需要引入电流负反馈才能稳定输出电流[2]。在Multisim中，引入射极偏置电阻Re以及基极分压电阻Rb1和Rb2，组成如图4所示的基极分压式射极偏置电路，并分析该电路稳定工作点的原理。

图4 基极分压式射极偏置电路

对图4电路进行温度扫描，分析不同温度下的输出波形的区别，如图5所示。可以看出，不同温度下输出波形完全重合在一起，均没有失真[4]。

图5 分压式射极偏置电路的温度扫描

接下来引导学生结合Multisim仿真实验对此现象进行分析：为什么引入Re后，温度稳定性会大大提高呢？

图4电路的小信号等效电路如图6所示，可得

(1)

(2)

图6 分压式射极偏置电路的小信号等效电路

可见，由于Re的引入， 与温度敏感参数无关，温度稳定性必然大大提高。理论知识结合仿真实验，可以加深学生对知识点的理解。

点击示波器，观察图4电路的输入输出波形，如图7所示。输出波形峰值降为10 mV左右，电压增益明显降低[5]。

图7 分压式射极偏置电路的输入输出波形

可见，分压式射极偏置电路是以牺牲电压增益为代价换取了温度的稳定性。

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).

接下来可对电阻Re进行参数扫描，如图8所示。可见Re越大，输出电压幅值越小。此时启发学生讨论，为什么增大Re会对稳定静态工作点、提高增益的温度稳定性有利，而对动态参数不利？

图8 对电阻Re进行参数扫描

接下来进一步对固定偏置电路和分压式射极偏置电路与进行交流对比分析，如图9所示。由于引入电流负反馈，电压增益降低，但通频带变宽。

(a)固定偏置电路

(b)分压式射极偏置图9 两种偏置电路的交流分析

通过以上讨论，学生对该放大电路各种因素相互制约，“有一利必有一弊”的特点有更深刻的认识。

3 射极偏置电路改进电路

接下来引导学生思考如何既保证静态工作点的稳定性，又保证电压增益不下降呢？在Multisim中，电阻Re并联一个旁路电容Ce，如图10所示。

图10 Re完全旁路电路

电容Ce有隔离直流、传送交流的作用，既不影响直流，又对电阻Re上的交流信号有旁路作用，使放大电路的交流放大能力不致因Re的存在而降低[6]。此时：

(3)

可见，电压增益是升高了，但是电压增益表达式中的参数因和温度有关，温度稳定性降低了。

用Multisim对完全旁路电路进行温度扫描，如图11所示。发现温度变化，电压增益稳定性降低，理论分析与仿真现象相互印证。再次说明该放大电路中电路的性能指标互相影响、彼此牵制。

图11 Re完全旁路电路温度扫描

接下来启发学生思考，如果实际工作中要求电路一定要稳定，电压增益又不能降低太多，该如何改进电路呢？引导学生进一步改进电路，将电阻Re一分为二，分成Re和Re1两部分，电阻Re1并联旁路电容Ce,如图12所示。这样，Re保留在交流通路中，保证电压增益的稳定性，Re1电阻被旁路，保证交流增益下降不多。

图12 Re部分旁路电路

用Multisim对部分旁路电路进行温度扫描，如图13所示。发现温度变化，但输出波形基本上重合在一起，说明该电路的温度稳定性提高。

图13 Re部分旁路电路温度扫描

4 结语

本文所述的这种基于问题的研讨式、仿真实验与理论分析相结合的教学模式，可以提高学生的学习兴趣，使学生的思维能力得到有效训练。在对电路不断改进的过程中，使学生在获取知识的同时体验科学理论不断探索、发现的真实过程，培养其辩证思维能力和科学精神。

[1] 康华光主编,电子技术基础(模拟部分)(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2013年12月

[2] 陈洪斌.稳定静态工作点的必要性及方法[J].吉林省教育学院学报．2006，22( 6) :72-73

[3] 任秀芳,陈世夏,王翠珍.对“模拟电子技术”中静态工作点的教学探讨[J].电气电子教学学报,2013,35(2):69-73

[4] 郝宁眉,李芳.双极型晶体管温度特性的Multisim仿真研究[J].仪表技术与传感器, 2010 (4):81-83

[5] 曹鸿霞,冒晓莉,张加宏.Multisim10在单管共射放大电路中的应用[J]. 现代电子技术, 2011, 34(14):169-172

[6] 雷跃.NI Multisim11电路仿真应用[M].北京: 电子工业出版社，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年大连舰艇学院教育科研重点课题(2015-08)

周 波(1974-)，女，博士，副教授，主要从事电子技术基础理论教学工作，E-mail：judyever@sina.com

TP 391．9

A

1008-0686(2016)03-0143-04