成都理工大学电子设计仿真与虚拟实验课程设计-三极管放大电路仿真分析.docx

成都理工大学电子设计仿真与虚拟实验课程设计 题目名称：三极管放大电路仿真分析 学院名称：环境与土木工程学院 所属专业：工程管理 学生姓名：李虎 学 号：201503030223 班 级：工程管理2班 日 期：2017/4/15一.设计的题目及其要求 （1）设计题目 三极管放大电路仿真分析 （2）课程设计的目的、基本要求及其功能 实验利用该软件对三极管单级放大电路进行仿真分析，验证电路元件参数的改变是否影响电路的静态工作点，动态输出是否也因此产生变化。该实验揭示了静态工作点的重要性。 （3）设计要求的最终指标 电路元件参数的改变直接影响电路的静态工作点，动态输出也因此产生变化。二. 设计的基本思路及其设计出发点 放大电路是构成各种功能模拟电路的基本电路，能实现对模拟信号最基本的处理-放大，因此掌握基本的放大电路的分析对电子电路的学习起着至关重要的作用。三极管放大电路是含有半导体器件三极管的放大电路，是构成各种实用放大电路的基础电路，放大电路放大的对象是动态信号，但放大电路能进行放大的前提是必须设置合适的静态工作点，如果静态工作点不合适，输出的波形将会出现失真，这样的“放大”就毫无意义。什么样的静态工作点是合适的静态工作点；电路中的参数对静态工作点及动态输出会产生怎样的影响；正常放大的输出波形与失真的输出波形有什么区别；这些问题单靠课堂上的推理及语言描述往往很难有一个直观的认识。本实验有助于我们对电子电路中的各种现象形成直观的认识，加深我们对于电子电路本质的理解。三. 方案原理论述图1 阻容耦合三极管单级放大电路 图1所示的阻容耦合三极管单级放大电路作为分析对象，分别进行静态分析和动态分析。静态分析将分析电路的直流工作情况，动态分析将分析电路对交流信号的放大情况。 使用Multisim虚拟仪器进行在线测量。仿真分析时应遵循“先静态，后动态”的原则。首先获取电路的静态工作点数据，再输出电路的动态输出情况。这里将利用“直流工作点分析”功能读取静态工作点数据，利用虚拟仪器“示波器”观察三极管的输入/输出波形。分析图1所示电路，可求得其静态工作点估算表达式 由理论分析可知，当利用三极管单级放大电路对交流小信号进行放大时，如果为电路设置了合适的静态工作点Q，就能保证三极管在整个信号周期内均工作在放大区，放大输出的信号就不会失真。若Q点偏高，三极管会在输入信号的正半周因集电极电位低于基极电位而饱和，集电极电流因此会出现顶部失真，而放大电路输出的信号则会出现底部失真。若Q点偏低，三极管会在输入信号的负半周因发射结电压低于导通电压而截止，基极电流及集电极电流因此会出现底部失真，而放大电路输出的信号则会出现顶部失真。三极管在直流电源及外电路的共同作用下静态工作点是否合适，可由，的取值进行判断。（1）若的取值为三极管2N222A的导通电压，约在0.60.7V之间，且的取值接近于VCC的12时，能保证三极管在整个信号周期均能工作在放大区，输入信号被放大一定倍数后在输出端不失真的输出，且输出与输入反向。（2）若的取值为三极管2N222A的导通电压，但的取值小于时，三极管此时已经饱和，在输入信号的正半周会一直处于饱和状态，输出信号因此出现底部失真现象。（3）若的取值小于三极管2N222A的导通电压，但的取值接近于VCC时，三极管此时基本处于截止状态，在输入信号的负半周会一直处于截止状态，输出信号因此出现顶部失真现象。四.仿真设计分析在图1所示电路中选择节点电压,作为“直流工作点分析”的三个电路变量，据此计算，的值，并判断晶体管此时的工作状态。获得静态工作点数据后，通过电阻R1，R2 为电路输入频率为1kHz、幅值为500mV的正弦信号 ，此时三极管上真正的输入信号应为电阻R2两端获得的动态小信号，其幅值低于10mV，符合实验电路交流小信号的要求。三极管的动态输出信号为负载RL两端的输出电压，用双踪示波器显示实时的输入信号 及输出信号的波形，验证上述分析的结果。由式（1）式（3）可知，可调电位器Rp 的取值将影响各静态工作点的取值，仿真过程中通过修改电路元件Rp 的参数改变基极电阻，观察各项静态工作点数据及输出波形因此产生的变化。合适的静态工作点当Rp =350k时得到如图所示的直流工作点数据。可得三极管三个极此时的电位：0.8398V, 6.65V, 0.2174V由此计算得静态工作点数据：0.6224V, 6.4326V可见，且接近于VCC的1/2，三极管在直流电源的作用下理论上取得合适的静态工作点，能保证在整个小信号周期均能工作在放大区。此时的输入输出波形，从波形图看出，输入与输出反相，正负半周对称，实现了对输入信号不失真的放大，符合理论分析的结果。静态工作点偏高由式（1）式（3）可知，当Rp 减小时，三极管基极电位会升高，发射极电流和集电极电流会增大，则集电极电阻Rc 上的压降及发射极电阻(Re1+Re2) 上的压降会增大，使得减小，电路的静态工作点上移，接近三极管的饱和区。现调节Rp 使之取值为91k，得到如图所示的直流工作点 数据。可得三极管三个极此时的电位：1.13V,0.589,0.471V。由此计算得静态工作点数据：0.659V, 0.118V可见，但，三极管在直流电源的作用下已经进入到饱和区，在输入信号的正半周会一直处于饱和状态，输出信号的负半周会出现失真。出现了明显的底部失真，此失真显然是因为静态工作点过高导致的。静态工作点偏低反之，当基极电阻Rp 增大时，三极管基极电位会降低，同时发射极电流和集电极电流会减小，则集电极电阻Rc 上的压降及发射极电阻(Re1+Re2) 上的压降会减小，使得增大，电路的静态工作点下移，接近三极管的截止区。调节Rp 取值为700k。，得到如图所示的直流工作点数据。可得三极管三个极此时的电位：0.576V,11.4V,0.024V。由此计算得静态工作点数据：0.552V,11.376V可见，接近于VCC，三极管在直流电源的作用下已经接近截止，在输入信号的负半周会更小，三极管基本处于截止状态，输出信号的正半周会出现失真。五、总结和设计心得体会由上述仿真结果可知，电路元件Rp 的取值将直接影响电路的静态工作点，电路静态工作点的取值直接影响电路的动态输出，体现了静态工作的重要性，与理论分析的结果一致。利用仿真软件对电路进行仿真，可以一边修改电路参数一边观察仿真结果，能实时看到电路参数改变带来的结果，省去了复杂的计算推理，结果却更加形象直观。同时还能得到一些单靠理论分析所看不到的结果，如三极管出现底部失真及顶部失真对应的电路元件参数临界值。本次电子设计的胜利完成是对我所学知识的检验。从确定设