基于Multisim 13.0调谐放大器静态工作点研究

孙一萍， 叶建芳， 刘婉茹

(东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620)



基于Multisim 13.0调谐放大器静态工作点研究

孙一萍， 叶建芳， 刘婉茹

(东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620)

运用Multisim13.0仿真软件强大的电路仿真分析功能，对如何准确进行调谐放大器静态工作点设置进行探究。通过灵敏度分析定量地分析调谐放大器中影响静态工作点的元件；利用参数扫描分析对偏置电路上偏置电阻进行设置并验证合理设计静态工作点的重要性；在兼顾放大器增益以及静态工作点稳定性两个因素的条件下,借助参数扫描分析和温度扫描分析对发射极电阻值进行设置。结果直观、精确,很好地验证了理论, 借助仿真分析实现了定性分析到定量分析的跨越，表明该软件有强大的仿真和分析功能,在实现高频电路分析和设计方面不仅高效、可靠,而且具有逼近真实电路的效果。

Multisims13.0; 静态工作点; 调谐放大器

0 引 言

高频调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路,广泛应用于广播、雷达、通信等接收设备[1-3],其主要功能是从所接收的众多电信号中,选出有用的信号并加以放大,而对其他无用信号、干扰与噪声进行抑制,以提高信号质量和抗扰能力。调谐放大器的主要性能指标包括电压增益、谐振频率、通频带、选择性等[4]。随着信息技术的发展，融合现代化教学方法和先进的实践教学手段，培养学生运用计算机辅助分析和电路综合设计能力，已成为通信电路教学的必然选择。论文将以Multisim.13.0为仿真，对如何根据设计要求准确设置调谐放大器静态工作点展开深入研究。

1 交互式Multisim13.0 仿真软件

NI Multisim13.0是EDA应用软件之一，该软件平台将原理图输入、工业标准的SPICE仿真集成在同一环境中完成电路行为分析。它丰富的元件库提供了16 000多个组件,全部采用实际模型,产生的大量数据和图形,为高频电子线路整体分析与改进提供了一条捷径[5-8]。学生根据课堂所学基本理论预测电路行为，借助Multisim丰富的元件库以及强大的仿真引擎，创建交互式学习环境，如图1所示。在Multisim中可同时使用多个仪器，这意味着可以同时分析观察多种电路的运行特性，图1中用波特仪观察放大器幅频、相频特性的同时，又用示波器观察信号的时域波形。运行Multisim中提供的仿真控件，系统立即非常直观地给出如图2所示的仿真结果。在仿真环境中可方便的改变电路元件参数，并通过测试仪器观察对电路特性产生的影响，从而非常完美的解决了电子学教学中“如果……会怎么样”的问题。鼓励学生参与交互仿真过程，让学生探索“假设”情景，可加深学生对课堂所学基本理论的理解，掌握影响电路性能的关键因素，提高电路设计水平。

图1 交互式仿真环境 图2 仿真分析结果

2 调谐放大器静态工作点的仿真分析

在分析放大电路时，应遵循“先静态，后动态”原则[9]，设置合适的静态工作点是确保后续交流信号动态分析的重要基础。论文以中心频率为3 MHz的调谐放大器为例，运用Multisim13.0对调谐放大器中影响放大器静态工作点的元件，放大电路的基极上偏置电阻设置以及发射极电阻对稳定静态工作点的作用进行了深入地探讨。

2.1 电路仿真模型的创建

进入Multisim电路设计界面,选取所需元器件编辑电路图,建立高频单调谐放大电路仿真模型如图3所示。该共发射极单调谐放大器采用的是最典型的分压偏置电路，为了减少放大器增益对发射结电阻的依赖并提高放大器增益的稳定性,发射极电阻采用部分非旁路电阻的形式[10]。波特仪器XBP1用来观察放大器输出信号的幅频特性以及相频特性，XSC1示波器用来观察输入输出信号的时域波形。改变仿真平台中偏置电路元件的参数，运行Multisim中仿真控件，测试仪器立即非常直观地给出仿真分析结果，为准确高效的电路设计提供了可靠的依据。

2.2 静态工作特性仿真分析

灵敏度是指电路中节点电压或支路电流对电路中元件参数变化的敏感程度，即电路中元件参数的变化引起电路中输出电压或电流变化的程度[11-12]。通过仿真分析中的灵敏度分析可以得出电路中的各元件对电压变化的灵敏度，灵敏度越高代表元件对电压的影响越大，通过分析可准确定位图3中对静态工作点具有重要影响的元器件。

图3 单调谐放大电路仿真模型

表1给出仿真分析中需要用到晶体三极管各极对应的网络标号。

表1 三极管各极对应的网络标号

表中三极管的C;B;E极分别对应的网络标号是2、3、16，节点电压U(2)、U(3)、U(16)分别代表UC、UB、UE。

研究晶体管集射极间管压降对电路元件R5、R4、R3、R2、R1、UC变化的敏感程度，执行Simulate菜单命令中的Analyses/Sensitivity Analysis，进行灵敏度分析，在配置面板中编辑输出电压节点公式U(2)-U(16)(集射极间管压降UCE)。然后点击simulate进行分析，仿真结果见表2。

表2 灵敏度分析结果

表中的rr5;rr4;rr3;rr2;rr1及Ucc分别与R5、R4、R3、R2、R1及UC对应。仿真结果给出元件值每单位变化所造成的UCE电压的变化，灵敏度越大说明元件对集射极间管压降UCE影响越大。其中对UCE影响最大的是直流电压源UC；电阻元件中R2对直流工作点灵敏度为0代表R2对UCE无影响，同样位于发射极的两个电阻R5、R4对UCE的影响相同，电阻元件的灵敏度表现为R1>R3>R4=R5，即同为基极偏置电阻的R1、R3对UCE的影响较发射极电阻R5、R4大。仿真结果表明：基极的上下偏置电阻和发射极电阻以及直流电源UCC共同决定了静态工作点，与电路理论吻合，且实现了定性分析到定量分析的跨越。

2.3 上偏置电阻R3的设置

用参数扫描分析， 的扫描范围设为0～50 kΩ,输出选择集电极电流ICQ,得到图4的上偏置电阻R3与ICQ的关系曲线。

图4 偏置电阻R3与Ica的关系曲线

放大器是工作在小信号放大状态的，放大器的工作电流ICQ一般在0.8-2 mA内[13],由图4可以读出ICQ为2 mA时，R3为20.92 kΩ；ICQ为0.8 mA时，R3为41.22 kΩ。R3取值应该在20.92～41.22 kΩ。

通常一般硅管取基极电压UBQ约为UBE的3～5倍(UBQ/UBE=3～5)。仿真分析中用U(3)～U(16)表示，U(3)表示UBQ，用仿真分析中参数扫描分析，设置上偏置电阻R3的扫描范围为0～50 kΩ,编辑输出信号表达式U(3)/(U(3)-U(16))(UBQ/UBE),得到仿真结果见图5。

图5 UBQ/UBE与R3关系曲线

从图中可以读出，上偏置电阻取值应该在12.19～24.37 kΩ之间，结合图4中的仿真结果可知取值应该在20.92～24.37 kΩ之间，兼顾静态电压UBQ和静态电流ICQ，R3设置为22 kΩ。

利用参数扫描分析中的瞬态分析对R3分别取100 Ω,22 kΩ时放大器的输出波形进行仿真分析,分析结果见图6。

由图6可见R3为100 Ω时输出波形存在底部失真(饱和失真)，因为当R3过小时静态工作点过高，三极管进入饱和状态；R3为22 kΩ时在图中可以观察到

图6 输出波形

输出波形无明显失真，此时放大器工作在放大区。仿真结果表明合理设计静态工作点是放大器实现线性放大的重要基础[14]。

2.4 发射极电阻的设置

首先考虑到发射极电阻R4对输出波形的影响，利用参数扫描中的瞬态分析得到发射极电阻分别取0,1 kΩ，2 kΩ时的电压输出波形，仿真分析结果见图7。

图7 发射极电阻对放大器特性的影响

首先考虑当发射极电阻R4对放大器增益特性的影响。R4为0 Ω时输出波形不稳定,当R4为1 kΩ,2 kΩ时输出波形相对稳定，且当发射极电阻为1 kΩ时输出波形的幅度较2 kΩ时大即放大器增益较大，兼顾放大增益以及输出波形稳定性发射极电阻选择1 kΩ比较合适。

其次考虑到发射极电阻R4在稳定静态工作的中的作用。由于晶体管是一个温度敏感器件，温度对放大电路静态工作点稳定影响最为明显，硅管具有UBE受温度影响大的特点[15]。通过温度扫描分析得到UBE随温度变化的曲线，R4分别取1 kΩ,2 kΩ时的仿真结果见图8、9。

图8 温度扫描分析(R4=1 kΩ)

图9 温度扫描分析(R4=2 kΩ)

由图可知当发射极电阻为1 kΩ；2 kΩ时硅管UBE的温度系数分别为-1.29；-1.38,可见当发射极电阻取1 kΩ时静态工作点的温度稳定性更好。因此兼顾放大器增益以及静态工作点稳定性两个因素发射极电阻值选择1 kΩ为宜。

3 结 语

利用Multisim13.0对静态工作点的影响元件、偏置电路上偏置电阻、发射极电阻的设置三个方面进行了仿真研究，理论与仿真结果一致。将Multisim仿真软件引入到教学中，能使学生更方便、形象、直观的观察到实验结果，有助于调动学生的学习积极性，激发学习潜能，提高学生电路设计水平起到良好的教学效果。

[1] 孙红霞.基于Multisim 8单调谐放大电路仿真分析[J].电子世界,2014(1)：116.

[2] 景新幸. 高频电子电路[M].成都：电子科技大学出版社，2011.

[3] 武 林.电子电路基础实验与课程设计[M].北京：北京大学出版社，2013.

[4] 叶建威.通信电子电路原理及仿真设计[M].北京：电子工业出版社，2012.

[5] 梁 青，侯传教编著.Multisim 11电路仿真与实践[M].北京：清华大学出社,2012.

[6] 董玉晶.Multisim 9在电工电子技术中的应用[M].北京:清华大学出版社，2008.

[7] 从宏寿,程卫群.Multisim 8仿真与应用实例开发[M].北京:清华大学出版社,2007.

[8] 聂 典,丁 伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2009.

[9] 童白诗，华成英.模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[10] 罗 谭.部分接入法及单调谐放大电路的分析[J]. 思茅师范高等专科学校学报,2005(3):81-82.

[11] 张新喜，许 军.Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社,2010.

[12] 何国栋.Multisim基础与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[13] 杨福宝.通信电子线路设计[M].武汉：武汉大学出版社，2013.

[14] 康华光.电子技术基础：模拟部分[M].北京：高等教育出版,2008.

[15] 曹鸿霞,冒晓莉.Multisim 10在单管共射放大电路中的应用[J].现代电子技术,2011(14):34.

Study on Quiescent Point in Tuned Amplifier Based on Multisim 13.0

SUNYi-ping,YEJian-fang,LIUWan-ru

(College of Information Sciences and Technology，Donghua University，Shanghai 201620, China)

The analysis for tuned amplifier has been carried out through Multisim 13.0 software. The suitable components which influence quiescent point were selected by sensitivity analysis, it is a quantitative analysis. The suitable components of the biasing circuit were selected by parametric scanning analysis, and the importance of setting suitable quiescent point was proved. The suitable emitter resistances were selected by parametric scanning analysis and temperature scanning analysis. All approved the stability of amplifier. The result were visual and precise, and could prove the theory very well. It was verified that the software has powerful simulation and analysis function. With the help of the software, we can convert the traditional qualitative analysis to quantitative analysis. The analysis and design of high frequency circuit are not only more precise and credible, but also more closed to the real circuit running status.

Multisim 13.0; quiescent point; tuned amplifier

2016-01-20

孙一萍(1992-)，女，山东烟台人，硕士生，主要研究方向：射频及无线通信。Tel.:18116439116;E-mail:sypjane1@163.com

叶建芳(1964-)，女，浙江金华人，副教授，硕士生导师，研究方向：无线通信与射频微波电路。

Tel.:13501632260;E-mail:leaf6411@dhu.edu.cn

TN 722

A

1006-7167(2016)09-0151-03