基于multisim的共基放大電路課程設(shè)計

1、西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書（參考格式）專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師（簽名）： 一、課程設(shè)計（論文）題目共基放大電路性能研究二、本次課程設(shè)計（論文）應(yīng)達到的目的設(shè)計一個共基放大電路，用Multism軟件研究共基放大電路的性能。三、本次課程設(shè)計（論文）任務(wù)的主要內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求等） （1）設(shè)置合適的直流電源值，計算電路的靜態(tài)工作點。（2）分別計算無負載和有負載時電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。（3）用示波器觀察輸入和輸出波形，畫出波形圖。（4）計算電路的最大不失真輸出電壓。（5）測量電路的頻率特性。四、應(yīng)收集的資料

2、及主要參考文獻 1于衛(wèi).模擬電子技術(shù)實驗及綜合實訓(xùn)教程.湖北：華中科技大學(xué)出版社，2008.78902路而紅.虛擬電子實驗室.北京：人民郵電出版社，2005.38453童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版，2013.761154蔣卓勤.multisim2001及其在電子設(shè)計中的應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2003.46785朱定華.電子電路實驗與課程設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社,2008.3238五、審核批準意見教研室主任（簽字） 摘要利用Multisim10仿真軟件對共基放大電路進行設(shè)計和仿真，運用直流工作點對靜態(tài)工作點進行分析和設(shè)定，利用交流分析分析電路的頻率特性；對電壓增益、輸入

3、電阻和輸出電阻進行仿真測試，推導(dǎo)出單管共基放大電路高頻、中頻、低頻時的電壓放大倍數(shù)及完整的頻率響應(yīng)，測試結(jié)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(shè)計和仿真分析功能，可以縮短設(shè)計周期，保障操作安全，方便調(diào)試，提高設(shè)計質(zhì)量。關(guān)鍵字：靜態(tài)工作點，放大，仿真，頻率特性AbstractComputer aided design and simulation on common base amplifier circuit were prepared using Multisim10 simulation software. The use of DC operatin

4、g point analysis and the static operating point analyze circuit. The frequency characteristic 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

5、, low frequency. The result is basically to agree with theoretical calculation. It was found that multisim10 simulation software with a strong design and simulation analysis function can shorten the design cycle. ensure the safety of operation and improve design quality.Key words: static operating p

6、oint, amplifier, simulation, frequency characteristic目錄1 Multisim10介紹11.1 Multisim10電路分析方法23 設(shè)計原理74 設(shè)計內(nèi)容84.1 靜態(tài)工作點分析84.1.1 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法84.1.2 理論計算94.1.3測量值104.1.4 直流工作點分析114.2.1電路元件分析124.2.2 有負載情況共基放大電路134.2.3 無負載共基放大電路174.3計算最大不失真輸出電壓204.4 測量電路的頻率特性225 學(xué)習(xí)收獲24參考文獻251 Multisim10介紹Multisim10是美國國家儀器（Nati

7、onal Instruments，NI）公司的于2007年3月發(fā)布的電路設(shè)計10.0版本。它集電路設(shè)計和功能測試于一件，為設(shè)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(shè)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。Multisim10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(shè)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： 1）采用交互式界面，直觀方便。 2）元器件庫提供數(shù)千

8、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(shè)計中使用。 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(luò)分析儀等。 4）允許用戶使用電路原理圖的圖形輸入和電路硬件描述語言輸入方式。 5）可用來設(shè)計、測試和演示各種電路。如電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、接口電路、芯片控制電路等等。可以對被仿真電路中的元器件設(shè)

9、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。 1.1 Multisim10電路分析方法 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(shè)計工具欄的也可以彈出該電路分析菜單。 1）直流工作點分析（DC Operating Point

10、0;Analysis）。 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 AnalysisDC Operating Point Analysis，將彈出DC Operating PointAnalysis對話框，進入直流工作點分析狀態(tài)。 2）交流分析（AC Analysis） 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(shè)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

11、輸入激勵信號，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(yīng)也是該電路交流頻率的函數(shù)。用鼠標點擊SimulateAnalysisAC Analysis，將彈出AC Analysis對話框，進入交流分析狀態(tài)。3）瞬態(tài)分析（Transient Analysis） 瞬態(tài)分析是指對所選定的電路節(jié)點的時域響應(yīng)。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SimulateAnalysisTransient Analysis，將彈出Tr

12、ansient Analysis對話框，進入瞬態(tài)分析狀態(tài)。 4）傅里葉分析（Fourier Analysis） 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(shè)定為基頻，若在電路中有幾個交流源時，可以將基頻設(shè)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SimulateAnalysisFourier Analys

13、is，將彈出Fourier Analysis對話框，進入傅里葉分析狀態(tài)。 5）噪聲分析（Noise Analysis） 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，假定電路中各噪聲源是互不相關(guān)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SimulateAnalysisNoise Analysis，將彈出Noise Analysis對話框，進入噪聲分析狀態(tài)。 6）噪聲系數(shù)分析（Noise Figure 

14、;Analysis） 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(luò)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SimulateAnalysisNoise Figure Analysis，將彈出Noise Figure Analysis對話框，進入噪聲系數(shù)分析狀態(tài)。 7）失真分析（Distortion Analysis） 失真分析用于分析電子電路中

15、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(dǎo)致諧波失真，而相位偏移會導(dǎo)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(fù)值，若電路有兩個交流信號源，該分析能確定電路變量在三個不同頻率處的復(fù)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。 8）直流掃描分析（DC Sweep Anal

16、ysis） 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SimulateAnalysisDC Sweep Analysis，將彈出DC Sweep Analysis對話框，進入直流掃描分析狀態(tài)。 9）靈敏度分析（Sensitivity Analysis） 靈敏度分析（Sensitivity Analysis）是分析電路特性對電路中元器件參

17、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(jié)果以數(shù)值的形式顯示，交流靈敏度分析仿真的結(jié)果以曲線的形式顯示。用鼠標點擊SimulateAnalysisSensitivity Analysis，將彈出Sensitivity Analyses對話框，進入靈敏度掃描分析狀態(tài)。 10）參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep Analysis） 采用參數(shù)掃描方法分析電路，可以較快地獲得某個元件的參數(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

18、描分析時將被視為高阻接地。用鼠標點擊SimulateAnalysisParameter Sweep Analysis，將彈出Parameter Sweep Analysis對話框，進入?yún)?shù)掃描分析狀態(tài)。 11）溫度掃描分析（Temperature Sweep Analysis） 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(shè)定在27。用鼠標點擊SimulateA

19、nalysisTemperature Sweep Analysis,將彈出 Temperature Sweep Analysis對話框，進入溫度掃描分析狀態(tài)。2 緒論在電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，隨著計算機輔助技術(shù)的應(yīng)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(Electronic Design Automation)技術(shù)逐漸產(chǎn)生并日趨完善。電子、電氣、信息類專業(yè)的學(xué)生可以應(yīng)用EDA技術(shù)進行電子電路的設(shè)計和測試。EDA具有效率高，周期短，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點，已成為當今電子設(shè)計的主流手段和技術(shù)潮流。在眾多的電路仿真軟件中，Multisim10以

20、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(shù)人員的青睞。  模擬電子技術(shù)是高校電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。共基放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)部分，也是這門課程的教學(xué)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(shè)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(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。本文以共基放大電路為例，應(yīng)用

21、Multisim10仿真軟件進行了模擬電路的計算機輔助教學(xué)。3 設(shè)計原理從原理上看，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(shè)計與共發(fā)射極固定偏置電路。 利用晶體三極管構(gòu)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

22、基極電位UBQ，使其基本不受溫度變化的影響，比較穩(wěn)定。 圖3.1 共基放大電路4 設(shè)計內(nèi)容4.1 靜態(tài)工作點分析4.1.1 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法圖4.1 共基放大電路的直流通路1）引入直流負反饋如4.1圖，Rf ，Re，起到直流負反饋作用，溫度升高時，IC升高，IE升高，UE升高，又因為UB不變，導(dǎo)致UBE下降，IB下降，IC下降。起到直流負反饋的作用2）溫度補償利用對溫度敏感的原件，在溫度變化時直接影響輸入回路，例如：如圖4.1，Rb1或Rb2采用熱敏電阻，當溫度升高時，Rb1下降，導(dǎo)致UB下降，UBE下降，從而IB下降，IC也下降，起到反饋作用。4.1.2 理論計算圖4.2 直流通路 為了

23、穩(wěn)定Q點，通常I2IB，即I1I2，因此UBQ Rb1Rb1+Rb2VCC，基本不隨溫度變化 IEQ=UBQ-UBEQRe+Rf UCEQ VCC-IEQ(RC+Rf+Re) UBQ55+25=2V，IEQ=1mA，UCEQ5.7V4.1.3測量值 圖4.3靜態(tài)工作點UBQ 圖4.4靜態(tài)工作點UBQ 圖4.5靜態(tài)工作點UCQ 表4.1靜態(tài)工作點的測量值實測值實測計算UB(V)UE(V)UC(V)UBE(V)UCE(V)IC(mA)1.9621.1917.4660.7716.2750.92由于近似計算，實驗值與理論值稍有誤差，但結(jié)論基本一致。4.1.4 直流工作點分析圖4.6 直流工作點結(jié)點圖圖

24、4.7 直流工作點掃描圖如圖4.7，IC=0.907mA，Uc=7.47V，UB=1.96V，UE=1.19V4.2動態(tài)分析4.2.1電路元件分析基極去耦電容Cb的作用圖4.8無基極去耦電容 圖4.9 有基極去耦電容如A圖所示，當沒有基極去耦電容的時候，輸入電壓信號使UE發(fā)生波動，IE也隨之發(fā)生波動；IB也會相同的波動，IB的波動會在基極電阻Rb2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(shè)定的電壓放大倍數(shù)。如B圖所示，當加上基極去耦電容的時候，輸入電壓信號使UE發(fā)生波動，IE也隨之發(fā)生波動；IB也會相同的波動，容量很大的基極去耦電容能

25、夠使基極動態(tài)電壓保持基本不變，UBE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(shè)定的電壓放大倍數(shù)。Re，Rf的作用 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)4.2.2 有負載情況共基放大電路圖4.10 有負載共基放大電路1)波形圖圖4.11 有負載輸入輸出波形如圖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。2)電壓放大倍數(shù)計算值如圖4.10圖4.12 有負載交流通路等效圖 Au=Uo Ui=IC(RC/RL) Ib×rbe=89.3實驗值： 圖4.13有負載輸入有效值 圖4.14有負載輸出有效值 Au=Uo Ui=523.6437.

26、071=74.1 3)輸入輸出電阻測量 Ri =UiIi=Rf /rbe 1+=25.4 實驗值:測量輸入電阻：在信號源和放大器之間串聯(lián)接入一個1K電阻,用示波器讀出接入1K電阻前后,電路的輸入信號,由測量值計算出輸入電阻值為圖4.15 信號源串聯(lián)1K電阻電路 W 圖4.16=Ui 有效值=W=W 圖4.17 Ui' 有效值R=1K電阻接入前的輸入電壓Ui=7.071VR=1K電阻接入后的輸入電壓Ui'=0.209V計算輸入電阻值 Ri=Ui'(Ui-Ui')/R30.5 輸出電阻計算值：RoRc=5K 實驗值 圖4.18 Uo有效值 圖4.19 Uo'

27、 有效值5K負載電阻RL開路時的輸出電壓Uo=1.045V5K負載電阻RL接通時的輸出電壓Uo'=523.645V計算輸出電阻值Ro=Uo-Uo' Uo'/RL5K 4.2.3 無負載共基放大電路圖4.20 無負載共基放大電路1)波形圖圖4.21 無負載輸入輸出波形圖如圖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。2)電壓放大倍數(shù)計算值: 圖4.22 無負載交流電路等效圖 Au=Uo Ui=IC×RCIb×rbe178.6實驗值： 圖4.23 無負載輸入有效值 圖4.24 無負載輸出有效值A(chǔ)u=UoUi=10437.071=14

28、7.53)輸入輸出電阻測量輸入電阻計算值：Ri =UiIi=Rf /rbe 1+25.4 輸入電阻實驗值：測量輸入電阻：在信號源和放大器之間串聯(lián)接入一個1K電阻,用示波器讀出接入1K電阻前后,電路的輸入信號,由測量值計算出輸入電阻值為:圖4.25 信號源串聯(lián)1K電阻電路 圖4.26 R=1K電阻接入前電壓 圖4.27 R=1K電阻接入后電壓計算輸入電阻值 Ri=ui' (ui-ui')/R 30.5輸出電阻計算值：RoRc=5K輸出電阻實驗值： 圖4.28 輸出電壓5K負載電阻RL開路時的輸出電壓Uo=1.045V5K負載電阻RL接通時的輸出電壓Uo'=523.643V

29、計算輸出電阻值Ro=Uo-Uo' Uo'/RL5K 4.3計算最大不失真輸出電壓為了得到最大動態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(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Uo，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(fù)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Uo。圖4.29 調(diào)節(jié)Rb2，以及輸入信號，得到削底和縮頂圖圖4.30 調(diào)節(jié)輸入信號，使波形基本不失真圖4.31 最大不失真電壓有效值所以最大不失真輸出電壓Uopp=3.44V4.4 測量電路的頻率特性1) 中頻段：通頻帶BW以內(nèi)的區(qū)域 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/C）較小，故可視為短路；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