基于Multisim101靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路頻率響應(yīng)虛擬仿真

1、基于Multisim10.1的靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路的頻率響應(yīng)的虛假仿真大綱：經(jīng)過Multisim10.1軟件對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行了仿真，觀察到了放大電路幅頻特點(diǎn)波特圖的變化規(guī)律，采用波特儀解析了耦合電容或旁路電容的大小變化引起下限截止頻率的變化和發(fā)射極電阻的變化引起上限截止頻率的變化，得出了虛假仿真結(jié)果與實(shí)質(zhì)理論計(jì)算相吻合。經(jīng)過實(shí)例考據(jù)了，將Multisim10.1仿真軟件合理地引入電子電路實(shí)踐授課后，可使電子電路理論授課變得更詳盡，有利于電子電路課程的授課質(zhì)量提高。要點(diǎn)字：靜態(tài)工作點(diǎn)；牢固電路；頻率響應(yīng)；仿真中圖分類號(hào)：TN710?34；TP391.9文件表記碼：A文章編號(hào)：10

2、04?373X（2014）11?0161?06Abstract：FrequencyresponseofthequiescentpointstabilizingcircuitwassimulatedwiththesoftwareMultisim10.1.Thevariationlawoftheamplitude?frequencycharacteristicsapproximateBodeplotoftheamplifiercircuitwasobtainedbyobservation.BytheBodemeter，thelowercut?offfrequencyvariationcausedb

3、ychangeofthecouplingcapacityorshuntcapacityandtheuppercut?offfrequencyvariationcausedbychangeofemitterresistanceareanalyzed.Theconclusionthatthesimulationresultisinaccordancewiththeoreticalarithmeticresultisachieved.TheactualexampleverificationshowsthereasonableutilizationofMultisim10.1intheexperime

4、ntalteachingofelectroniccircuitcanmakeabstracttheoreticalteachingbecomemoreconcretelyandbepropitioustoimprovementofteachingqualityofelectroniccircuit.Keywords：quiescentpoint；stabilizingcircuit；frequencyresponse；simulation在實(shí)質(zhì)應(yīng)用中，電子電路所辦理的信號(hào)，如語音信號(hào)、電視信號(hào)等都不是簡單的單一頻率信號(hào)，它們都是由幅度及相位都有固定比率關(guān)系的多頻率重量組合而成的復(fù)雜信號(hào)，即擁有

5、必然的頻譜。而對(duì)這些信號(hào)頻譜的詳盡電路必定經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來輔助和加深理論學(xué)習(xí)，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課存在某些限制性，這無形中要求千錘百煉實(shí)驗(yàn)授課收效1?2，研究新的實(shí)驗(yàn)方法和手段，以提高電路的實(shí)驗(yàn)授課收效。而Multisim10.1是由美國國家儀器有限公司研發(fā)的高版本的電路模擬仿真軟件3，將Multisim10.1用于電子線路實(shí)踐授課中，對(duì)傳統(tǒng)授課模式起到了很好地補(bǔ)充。本文以靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路的頻率響應(yīng)仿真解析為例，介紹Multisim10.1在實(shí)驗(yàn)電子電路授課中的廣泛應(yīng)用。靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負(fù)載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路

6、電容等），使得放大器可能對(duì)不同樣頻率信號(hào)重量的放大倍數(shù)和相移不同4。若放大電路對(duì)不同樣頻率信號(hào)的幅值放大不同樣，就會(huì)引起幅度失真；若放大電路對(duì)不同樣頻率信號(hào)產(chǎn)生的相移不同樣就會(huì)引起相位失真。幅度失真和相位失真總稱為頻率失真5，而此失真是由電路的線性電抗元件（電阻、電容、電感等）引起的，故稱為線性失真。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)不失真放大則必定要研究靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路的頻率響應(yīng)（又稱頻率特點(diǎn)）。1.1頻率響應(yīng)的看法放大電路在輸入信號(hào)幅度不變，而僅改變輸入信號(hào)頻率的情況下，研究并觀察輸出信號(hào)的幅值和相位的變化規(guī)律。它常包括幅頻特點(diǎn)和相頻特點(diǎn)。在幅頻特點(diǎn)曲線圖中包括下限頻率fL（當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降到0.707Au時(shí)

7、，相應(yīng)的低頻頻率）、上限頻率fH（當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降到0.707Au時(shí)，相應(yīng)的高頻頻率）和通頻帶fBW（上限頻率和下限頻率之間的頻率范圍）等三個(gè)指標(biāo)6。相頻特點(diǎn)曲線主要描述的是電壓放大倍數(shù)的相位角度與頻率的函數(shù)關(guān)系，它能正確的表現(xiàn)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相位之間的超前或滯后關(guān)系。1.2影響放大電路頻率響應(yīng)的因素以單管共射電路為例，影響放大電路頻率響應(yīng)的主要因素大體可概括見表1。從表1可看出：放大倍數(shù)幅值不隨頻率變化而變化，只有固定相位差；影響高頻放大倍數(shù)主要由極間電容和分布電容引起，主要計(jì)算上限截止頻率fH；影響低頻放大倍數(shù)主要由耦合電容或旁路電容引起，主要計(jì)算下限截止頻率fL。而如何更好反響出放大

8、電路的頻率特點(diǎn)則需要用表達(dá)式或波特圖法來加以說明。1.3放大電路頻率響應(yīng)的表達(dá)放大電路頻率響應(yīng)能夠表示成解析表達(dá)式，也可用頻率特點(diǎn)曲線（即波特圖）來詳盡解析說明。1）頻率響應(yīng)的解析表達(dá)式以單管共射放大電路為例，頻率響應(yīng)的詳盡表達(dá)形式如式（1）：Au=Aum1+fLjf1+jffH=AumjffL1+jffL1+jffH（1）式中：Aum為中頻段電壓放大倍；fL為低頻段下限頻率；fH為高頻段上限頻率。2）波特圖實(shí)質(zhì)電子電路工程中的波特圖由對(duì)數(shù)幅頻特點(diǎn)和對(duì)數(shù)相頻特點(diǎn)兩部分組成7?8，橫坐標(biāo)均采用f刻度，幅頻特點(diǎn)縱坐標(biāo)取20lgAu，單位是分貝（dB）；相頻特點(diǎn)縱坐標(biāo)為。下面以低通和高通電路為例說明

9、。低通電路如圖1所示，高通電路如圖2所示。在圖1中，令H=1RC=2fH，則有式（2）：A?u=Vo?Vi?=1jCR+1jC=11+jH=11+jffH（2）1.4單管共射放大電路的頻率響應(yīng)常有的單管放大電路很多，在此以單管共射放大電路為例說明放大電路的頻率響應(yīng)，電路如圖5所示。由于低頻段耦合電容容抗較大，故不能夠忽略，隔直電容與放大電路的輸入電阻組成一個(gè)RC高通電路；而在高頻段極間電容并聯(lián)在電路中，組成一個(gè)RC低通電路。由于篇幅有限，晶體管的混雜等效不予談?wù)?。把圖5電路進(jìn)行混雜等效等效變換后，經(jīng)理論解析，得出的的完滿電壓放大倍數(shù)表達(dá)式如式（12）：理論解析表示：圖5中的耦合電容C1，C2和

10、旁路電容Ce影響放大電路的低頻特點(diǎn)，改變耦合電容或旁路電容所在回路的時(shí)間常數(shù)（=ReqC耦合后旁路）的大?。锤淖冸娙荽笮』螂娙輰?duì)應(yīng)的等效電阻），可改變下限截止頻率fL的大??；晶體管混雜模型等效參數(shù)中極間電容影響放大電路的高頻特點(diǎn)，同樣改變它對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（=ReqC極間）大小，可改變上限截止頻率fH的大小。當(dāng)有M個(gè)旁路或耦合電容同時(shí)影響fL時(shí)，最后的下限截止頻率fL依照其中最大的計(jì)算；同樣有N個(gè)極間電容或分布電容同時(shí)影響fH時(shí)，最后的上限截止頻率fH依照最小的計(jì)算。圖5對(duì)應(yīng)完滿的幅頻特點(diǎn)和相頻特點(diǎn)的近似波特圖如圖6所示。為更好地說明放大電路的頻率響應(yīng)，下面以單管共射電路為例來仿真解析放大電路

11、的頻率特點(diǎn)。虛假仿真單管共射放大電路的頻率響應(yīng)的解析要求（1）測試在典型的靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路中，改變旁路電容和耦合電容大小會(huì)引起什么樣的頻率響應(yīng)；目的是觀察波特圖中改變耦合電容或旁路電容的大小可否影響放大電路下限截止頻率fL的變化。（2）測試并觀察改變靜態(tài)工作點(diǎn)牢固電路中的射極電阻Re的大小引起什么樣的頻率響應(yīng)；目的是觀察波特圖中改變發(fā)射極電阻Re大小可否影響上限截止頻率fH的變化。3Multisim10.1軟件的虛假仿真3.1成立單管共射放大電路頻率響應(yīng)的仿真電路按實(shí)質(zhì)要求在電子仿真軟件Multisim10.1的軟件平臺(tái)上搭建如圖7所示的虛假仿真電路。耦合電容和旁路電容大小均設(shè)置為10F，射

12、極電阻為1k。信號(hào)源大小為1mV，頻率為1kHz的交流源，晶體管選擇高頻小信號(hào)管子ZTX325型號(hào)，各電阻大小如圖7中所示，工作電壓VCC=12V。3.2改變旁路電容和耦合電容的大小觀察波特儀表上的頻率特點(diǎn)變化（1）改變旁路電容Ce的大小。令圖7中Ce=10F，Ce1=100F，其余參數(shù)不變。開啟仿真開關(guān)，雙擊波特儀XBP1和XBP2（參數(shù)設(shè)置如圖中所示），觀察幅頻特點(diǎn)。移動(dòng)指針可看到在Ce=10F時(shí)，從水平33.491dB下降3dB（約30.531dB）后觀察的頻率是1.577kHz；當(dāng)Ce1=100F時(shí)，從水平33.499dB下降3dB（約30.495dB）后觀察的頻率是174.485Hz

13、。這說明改變Ce的大小對(duì)應(yīng)的下線截止頻率變化較大，最后的下限截止頻率fH約是Ce對(duì)應(yīng)的下限截止頻率。依照理論Ce（=10F）對(duì)應(yīng)的頻率表達(dá)式為12CeRerbe（1+），而兼?zhèn)淇紤]整個(gè)電路的下限截止頻率后約等于1.563kHz，其值遠(yuǎn)小于C1對(duì)應(yīng)的下限頻率（見下）；而改變Ce從10100F后，經(jīng)理論計(jì)算fL0.1726kHz。Ce的大小改變對(duì)應(yīng)的下限截止頻率經(jīng)過理論計(jì)算與圖7改變Ce的大小后虛假仿真的fL值解析結(jié)果是基實(shí)情等的。這說明改變Ce的大小使得整個(gè)電路的下限截止頻率fL變化受其影響較大。（2）改變旁路電容C1的大小。令圖7中C1從10F變?yōu)?00F，Ce=10F，其余參數(shù)不變。開啟仿真

14、開關(guān)，雙擊波特儀XBP1，仿真結(jié)果如圖8所示。觀察幅頻特性，搬動(dòng)讀數(shù)指針看到在C1=10F時(shí)，從水平讀數(shù)33.499dB下降3dB后（約30.531dB）觀察的下限截止頻率約為1.577kHz；當(dāng)C1=100F時(shí)，從水平讀數(shù)33.499dB下降3dB后（約30.579dB）觀察的下限截止頻率fL仍約為1.577kHz。這說明改變C1的大小使得整個(gè)電路的下限截止頻率fL變化受其影響較小。依照理論C1（=10F）時(shí)來計(jì)算（C1對(duì)應(yīng)頻率表達(dá)式為12C1RB1RB2rbe），兼?zhèn)淇紤]整個(gè)電路后最后的下限截止頻率約等于1.569kHz；改變C1從10F到100F后，經(jīng)理論計(jì)算整個(gè)電路最后的下線截止頻率頻

15、率fL仍為1.569kHz。理論計(jì)算與圖7的仿真解析結(jié)果是基實(shí)情吻合的。經(jīng)過比較上述（1）和（2）的解析結(jié)果，說明改變C1和Ce的大小它們各自的下限頻率誠然不同樣，但整個(gè)電路的最后下限截止頻率fL是由Ce對(duì)應(yīng)的下限頻率來決定的。3.3改變發(fā)射極電阻Re大小觀察波特儀表上的頻率特點(diǎn)變化由于發(fā)射極電阻Re大小決定了靜態(tài)工作點(diǎn)IEQ的大小，而它的大小又決定跨導(dǎo)gm大小，gm的大小又決定極間電容C的大小，而C的大小最后影響整個(gè)放大電路的最后上限截止頻率fH的大小。若是僅改變圖7的發(fā)射極電阻讓Re從1k變?yōu)?.2k，電容大小均為10F，其余參數(shù)不變，電路如圖9所示。打開圖9中的仿真開關(guān)并雙擊波特儀表，當(dāng)

16、Re=1k時(shí)，搬動(dòng)讀數(shù)指針從水平33.499dB下降3dB后（約30.537dB）對(duì)應(yīng)的上限截止頻率讀數(shù)fH=228.546MHz；當(dāng)Re=1.2k時(shí)，搬動(dòng)讀數(shù)指針從水平32.296dB下降3dB后（約29.294dB）對(duì)應(yīng)的fH=244.5MHz。依照極間電容對(duì)應(yīng)的上限截止頻率計(jì)算公式：fH=12Crbe/rbb（其中rbe=0gm）。經(jīng)過理論解析計(jì)算可得：當(dāng)Re=1k時(shí)，fH227.93MHz；當(dāng)Re=1.2k時(shí)，fH243.73MHz。虛假仿真解析的結(jié)果基本與理論計(jì)算相吻合。這進(jìn)一步說了然當(dāng)Re改變，Q點(diǎn)的靜態(tài)電流IEQ大小會(huì)改變，從而影響跨導(dǎo)gm和極間電容C，其大小最后決定了上限截止頻

17、率fH的大小。3.4虛假仿真結(jié)果由3.2節(jié)和3.3節(jié)的虛假仿真可得出圖7在分別改變耦合電容、旁路電容和發(fā)射極電阻的大小時(shí)（見圖8和圖9所示），從不同樣仿真的波特解析儀來觀察的幅頻特點(diǎn)圖和頻率的變化見表2。4結(jié)論當(dāng)基本放大電路的耦合電容從C1從10F變?yōu)?00F時(shí)，放大電路的下限截止頻率基本不變；而當(dāng)旁路電容Ce從10F到100F時(shí)放大電路的下限截止頻率明顯減小。這說了然兩點(diǎn)：一是Ce所在的回路等效電阻最小，因此想改變電路的低頻特點(diǎn)應(yīng)增大Ce；二是在解析放大電路的下限截止頻率時(shí)，耦合電容C1，C2或旁路電容Ce所在的回路時(shí)間常數(shù)哪個(gè)最小，則該電容所確定的下限截止頻率就是整個(gè)電路的下限截止頻率fL

18、。故沒必要再計(jì)算其余電容所確定的下限截止頻率，因此計(jì)算前的解析是特別重要的。在靜態(tài)工作點(diǎn)（即Q點(diǎn)）牢固的放大電路中，當(dāng)發(fā)射極電阻Re從1k變?yōu)?.2k時(shí)，放大管的發(fā)射極靜態(tài)電流IEQ減小，以致跨導(dǎo)gm減小，從而以致極間電容C減小，使放大電路最后的最后上限截止頻率fH增大。上述現(xiàn)象一方面說明電路放大倍數(shù)（增益）與帶寬的矛盾關(guān)系，另一方面又說了然等效電容與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，即Q點(diǎn)的設(shè)置會(huì)影響放大電路的上限截止頻率fH的大小。經(jīng)過實(shí)踐證明，在對(duì)電子電路進(jìn)行理論解析的同時(shí)，利用Multisim10.1軟件輔以仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)理論講解和考據(jù)明驗(yàn)同步進(jìn)行。不但能增強(qiáng)授課的直觀性與靈便性，而且能夠最大限度地利用有限的授課學(xué)時(shí)，加深學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)的理解，提高授課效率，為傳統(tǒng)的授課方法注入新的活力9?11。使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，又能見習(xí)實(shí)踐的模型，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的感性認(rèn)識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生著手操作能力，同時(shí)保證