Multisim12在失真教学中的应用

2014-07-05褚丽娜左宪章

电气电子教学学报 2014年4期

褚丽娜，左宪章，李伟

(军械工程学院无人机工程系，河北石家庄050003)

0 引言

所谓失真，是指输出信号的波形不同于输入信号的波形[1]。放大电路只有在不失真情况下的放大才有意义，不失真是电路放大的前提。在“电子技术基础”课程的模拟部分中，失真可以分为非线性失真和频率失真。这两种失真都是实际电路分析、设计和使用过程中普遍存在的现象。

现有的“电子技术基础”课程教材多是在放大电路的动态图解法分析之后简单介绍非线性失真，通过波特图介绍频率失真，偏重理论分析，学生普遍学习效果不佳[2～6]。考虑到“电子技术基础”课程是工科非电类专业的基础课程，实践性强，课时少。让学生快速正确认识失真的危害和产生原因就显得尤为重要。

本文借助Multisim12仿真软件，帮助学生快速深刻地认识失真现象，分析失真原因，从而正确认识放大电路放大的意义。

1 非线性失真

1.1 静态工作点的确定和影响因素分析

图1所示的共发射极放大电路，其静态工作点IB、IC、UCE主要受到偏置电阻Rb和集电极电阻Rc的影响，示于下式:

我们可以采用实验的方法来证实这两个电阻的影响，并借助Multisim12软件仿真对非线性失真进行分析。

图1 共发射极放大电路图

我们如果改变电阻Rb的值，电路静态工作点的数值会产生如表1所示的变化。

表1 静态工作点随Rb变化表

设晶体管Q1的电流放大倍数为37.5，则容易通过计算验证上表。我们可将表1中数据通过作图体现在晶体管Q1的输出曲线上，如图2所示。

图2 输出曲线上静态工作点变化图

由图可见，随着偏置电阻Rb的变化，IB随之变化，静态工作点沿直流负载线移动。到这里可以适时引入放大电路的图解分析法，将图解法分析的结果体现在输出曲线上。发现静态工作点随Rb的变化刚好在直流负载线上移动，这与理论分析式(1)中Rb只影响IB的值，进而改变直流负载线与输出曲线的交点(静态工作点)是一致的。

如果只改变集电极电阻Rc的值，静态工作点是如何变化的呢?这个问题的解答过程与Rb变化过程类似，这里不再赘述。此问题可以作为作业让学生课下自主完成。

1.2 静态工作点对输出波形的影响

共发射极放大电路能够不失真放大小信号的前提是有合适的静态工作点。以前学生只是在理论上理解这句话，现在可以通过仿真演示静态工作点了解输出电压波形失真的影响。我们如保持图1所示电路输入电压不变，采用参数扫描分析，其结果如图3所示。

图3 参数扫描分析结果

观察图3(a)可知，在Rb取值为表1中几种情况时，只有Rb=300kΩ情况下，采用光标观察曲线的幅值，电路能够对输入信号进行不失真地放大，即此时静态工作点的位置合适。

当Rb=30kΩ时，如图3(b)输出电压的波幅小于正波幅。我们结合图2分析发现这是由于Rb取值小，导致IB过大，从而静态工作点进入输出曲线的饱和区，致使输入信号在一个周期内不能得到同等的放大，所以这种失真称为饱和失真。

按照上述分析，Rb=3MΩ时的输出曲线与输入对比，应该得到一个负波幅幅大于正波幅的失真。结合图2分析可知，此时静态工作点过低进入截止区，应为截止失真。可是放大后输出电压波峰和波谷完全对称，如图3(c)所示。即使Rb=30MΩ时，依然没有出现截止失真。这又是为什么呢?

当实践与理论出现偏差时，学生的兴趣和积极性能够得到最大程度的激发。我们可以让学生自己进行仿真尝试，如何才能出现截止失真呢?提示学生去研究晶体管Q1的模型，重点关注理想晶体管和实际晶体管的饱和电流IS、基-射结泄漏饱和电流ISE等参数，尝试将理想模型的参数修改为实际模型参数。

学生通过参考资料修改这些参数时，就能领会到理想晶体管和实际晶体管的区别，同时也熟悉了晶体管手册中的各个参数的意义。还有一个更简单的办法，就是直接在元件库中选择一个晶体管例如2N2222A替代虚拟晶体管，保持电路其它参数不变，参数扫描分析结果如图4所示(为了更清晰地观察结果，此时将输入信号的幅值增大到10mV)。可见，Rb=3MΩ时输出电压显然是负波幅大于正波幅的截止失真。