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1、西安建筑科技大学课程设计（论文）西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书（参考格式）专业班级： 学生姓名： 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目共基放大电路性能研究二、本次课程设计（论文）应达到的目的设计一个共基放大电路，用Multism软件研究共基放大电路的性能。三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等） （1）设置合适的直流电源值，计算电路的静态工作点。（2）分别计算无负载和有负载时电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（3）用示波器观察输入和输出波形，画出波形图。（4）计算电路的最大不失真输出电压。（5）测量电路的频率特性。四、应收集的资料
2、及主要参考文献 1于卫.模拟电子技术实验及综合实训教程.湖北：华中科技大学出版社，2008.78902路而红.虚拟电子实验室.北京：人民邮电出版社，2005.38453童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版，2013.761154蒋卓勤.multisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社，2003.46785朱定华.电子电路实验与课程设计.北京：清华大学出版社,2008.3238五、审核批准意见教研室主任（签字） 摘要利用Multisim10仿真软件对共基放大电路进行设计和仿真，运用直流工作点对静态工作点进行分析和设定，利用交流分析分析电路的频率特性；对电压增益、输入
3、电阻和输出电阻进行仿真测试，推导出单管共基放大电路高频、中频、低频时的电压放大倍数及完整的频率响应，测试结果和理论计算值基本一致。研究表明发现Multisim10仿真软件具有强大的设计和仿真分析功能，可以缩短设计周期，保障操作安全，方便调试，提高设计质量。关键字：静态工作点，放大，仿真，频率特性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目录1 Multisim10介绍11.1 Multisim10电路分析方法23 设计原理74 设计内容84.1 静态工作点分析84.1.1 稳定静态工作点的方法84.1.2 理论计算94.1.3测量值104.1.4 直流工作点分析114.2.1电路元件分析124.2.2 有负载情况共基放大电路134.2.3 无负载共基放大电路174.3计算最大不失真输出电压204.4 测量电路的频率特性225 学习收获24参考文献251 Multisim10介绍Multisim10是美国国家仪器（Nati
7、onalInstruments，NI）公司的于2007年3月发布的电路设计10.0版本。它集电路设计和功能测试于一件，为设计者提供了一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子工作平台。设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表，搭建虚拟实验室，进行模拟电路、数字电路、自动控制、单片机和射频电子线路的仿真和调试。Multisim10软件测试虚拟电子、电工元器件和仪表，实现了“软件即仿真”和“软件即仪器”。Multisim10就是一个原理电路设计和电路功能测试的虚拟仿真软件。概括起来， Multisim10具有以下特点：1）采用交互式界面，直观方便。2）元器件库提供数千种电路元器件库，同时也支持用户新建或
8、扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。3）软件的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验室用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源。而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。4）允许用户使用电路原理图的图形输入和电路硬件描述语言输入方式。5）可用来设计、测试和演示各种电路。如电工学、模拟电路、数字电路、接口电路、芯片控制电路等等。可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路
9、工作状况。而且在进行仿真的同时，软件可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。1.1 Multisim10电路分析方法Multisim10具有较强的分析功能，用鼠标点击Simulate（仿真）菜单中的Analysis（分析）菜单（SimulateAnalysis），可以弹出电路分析菜单。点击设计工具栏的也可以弹出该电路分析菜单。1）直流工作点分析（DCOperatingPointAnalysis）。在进行直流工作点分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路，电感短路。用鼠标点击SimulateAnalysisDCOperating
10、PointAnalysis，将弹出DC Operating PointAnalysis对话框，进入直流工作点分析状态。2）交流分析（ACAnalysis）交流分析用于分析电路的频率特性。需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。若把函数信号发生器的其它信号作为输入激励信号，在进行交流频率分析时，会自动把它作为正弦信号输入。因此输出响应也是该电路交流频率的函数。用鼠标点击SimulateAnalysisACAnalysis，将弹出ACAnalysis对话框，进入交流分析状态。3）瞬态分析（TransientA
11、nalysis）瞬态分析是指对所选定的电路节点的时域响应。即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。用鼠标点击SimulateAnalysisTransientAnalysis，将弹出TransientAnalysis对话框，进入瞬态分析状态。4）傅里叶分析（FourierAnalysis）傅里叶分析方法用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。即把被测节点处的时域变化信号作离散博里叶变换，求出它的频域变化规律。在进行傅里叶分析时，必须首先选择被分析的节点，一般将电路中的交流激励源的频
12、率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数上。譬如有一个10.5kHz和一个7kHz的交流激励源信号，则基频可取0.5kHz。用鼠标点击SimulateAnalysisFourierAnalysis，将弹出FourierAnalysis对话框，进入傅里叶分析状态。5）噪声分析（NoiseAnalysis）噪声分析用于检测电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。在分析时，假定电路中各噪声源是互不相关的，因此它们的数值可以分开各自计算。总的噪声是各噪声在该节点的和（用有效值表示）。用鼠标点击SimulateAnalysisNo
13、iseAnalysis，将弹出NoiseAnalysis对话框，进入噪声分析状态。6）噪声系数分析（NoiseFigureAnalysis）噪声系数分析主要用于研究元件模型中的噪声参数对电路的影响。在Multisim10中噪声系数定义中：No是输出噪声功率，Ns是信号源电阻的热噪声，G是电路的AC增益（即二端口网络的输出信号与输入信号的比）。噪声系数的单位是dB，即10log10（F）。用鼠标点击SimulateAnalysisNoiseFigureAnalysis，将弹出NoiseFigureAnalysis对话框，进入噪声系数分析状态。7）失真分析（DistortionAnalysis）失
14、真分析用于分析电子电路中的谐波失真和内部调制失真（互调失真），通常非线性失真会导致谐波失真，而相位偏移会导致互调失真。若电路中有一个交流信号源，该分析能确定电路中每一个节点的二次谐波和三次谐波的复值，若电路有两个交流信号源，该分析能确定电路变量在三个不同频率处的复值：两个频率之和的值、两个频率之差的值以及二倍频与另一个频率的差值。该分析方法是对电路进行小信号的失真分析，采用多维的“Volterra”分析法和多维“泰勒”（Taylor）级数来描述工作点处的非线性，级数要用到三次方项。这种分析方法尤其适合观察在瞬态分析中无法看到的、比较小的失真。8）直流扫描分析（DCSweepAnalysis）直
15、流扫描分析（DCSweepAnalysis）是利用一个或两个直流电源分析电路中某一节点上的直流工作点的数值变化的情况。注意：如果电路中有数字器件，可将其当作一个大的接地电阻处理。用鼠标点击SimulateAnalysisDCSweepAnalysis，将弹出DCSweepAnalysis对话框，进入直流扫描分析状态。9）灵敏度分析（SensitivityAnalysis）灵敏度分析（SensitivityAnalysis）是分析电路特性对电路中元器件参数的敏感程度。灵敏度分析包括直流灵敏度分析和交流灵敏度分析功能。直流灵敏度分析的仿真结果以数值的形式显示，交流灵敏度分析仿真的结果以曲线的形式显
16、示。用鼠标点击SimulateAnalysisSensitivityAnalysis，将弹出SensitivityAnalyses对话框，进入灵敏度扫描分析状态。10）参数扫描分析（ParameterSweepAnalysis）采用参数扫描方法分析电路，可以较快地获得某个元件的参数，在一定范围内变化时对电路的影响。相当于该元件每次取不同的值，进行多次仿真。对于数字器件，在进行参数扫描分析时将被视为高阻接地。用鼠标点击SimulateAnalysisParameterSweepAnalysis，将弹出Parameter Sweep Analysis对话框，进入参数扫描分析状态。11）温度扫描分析
17、（TemperatureSweepAnalysis）采用温度扫描分析，可以同时观察到在不同温度条件下的电路特性，相当于该元件每次取不同的温度值进行多次仿真。可以通过“温度扫描分析”对话框，选择被分析元件温度的起始值、终值和增量值。在进行其它分析的时候，电路的仿真温度默认值设定在27。用鼠标点击SimulateAnalysisTemperatureSweepAnalysis,将弹出 Temperature Sweep Analysis对话框，进入温度扫描分析状态。2 绪论在电子技术的发展历程中，随着计算机辅助技术的应用和普及，以及电子产品向数字化、集成化、微型化和低功耗方向的发展，EDA(Ele
18、ctronicDesign Automation)技术逐渐产生并日趋完善。电子、电气、信息类专业的学生可以应用EDA技术进行电子电路的设计和测试。EDA具有效率高，周期短，应用范围广的优点，已成为当今电子设计的主流手段和技术潮流。在众多的电路仿真软件中，Multisim10以其界面友好，功能强大和容易使用而倍受高校电类专业师生和工程技术人员的青睐。模拟电子技术是高校电类专业的基础课程。共基放大电路是模拟电子技术的基础部分，也是这门课程的教学重点和难点，而共基放大电路则是放大电路的基本形式。要在放大电路中实现输出信号的不失真放大，必须设置合适的静态工作点。放大电路的适用范围是低频小信号，电压增益
19、、输入电阻和输出电阻是分析放大电路的动态指标。利用仿真软件对典型电子电路进行计算机仿真，实现在有限的课题教学中，化简单抽象为具体形象，化枯燥乏味为生动有趣，能充分调动学生的学习兴趣和自主性，帮助学生更好地理解和掌握教学内容。本文以共基放大电路为例，应用Multisim10仿真软件进行了模拟电路的计算机辅助教学。3 设计原理从原理上看，共基极放大电路输入信号最大不允许超过20mV的峰值，与电源电压向比可以忽略不计。而集电极电压的动态变化范围与共发射极固定偏置电路完全一样。所以，共基极固定偏置电路静态工作点的设计与共发射极固定偏置电路。 利用晶体三极管构成的放大电路常用的形式如图3.1所示，该电路
20、是采用阻容耦合方式的共基放大电路。电路中为了稳定静态工作点。采用了常用的分压式静态工作点稳定电路。放大电路的静态工作点Q主要由Rb1、Rb2、Re、Rf、Rc及直流电源Vcc共同决定，测量静态工作点时，电容断开。该电路利用RB1、RB2分压固定三极管的基极电位UBQ，使其基本不受温度变化的影响，比较稳定。 图3.1 共基放大电路4 设计内容4.1 静态工作点分析4.1.1 稳定静态工作点的方法图4.1 共基放大电路的直流通路1）引入直流负反馈如4.1图，Rf ，Re，起到直流负反馈作用，温度升高时，IC升高，IE升高，UE升高，又因为UB不变，导致UBE下降，IB下降，IC下降。起到直流负反馈
21、的作用2）温度补偿利用对温度敏感的原件，在温度变化时直接影响输入回路，例如：如图4.1，Rb1或Rb2采用热敏电阻，当温度升高时，Rb1下降，导致UB下降，UBE下降，从而IB下降，IC也下降，起到反馈作用。4.1.2 理论计算图4.2 直流通路 为了稳定Q点，通常I2IB，即I1I2，因此UBQ Rb1Rb1+Rb2VCC，基本不随温度变化 IEQ=UBQ-UBEQRe+Rf UCEQ VCC-IEQ(RC+Rf+Re) UBQ55+25=2V，IEQ=1mA，UCEQ5.7V4.1.3测量值 图4.3静态工作点UBQ 图4.4静态工作点UBQ 图4.5静态工作点UCQ 表4.1静态工作点的
22、测量值实测值实测计算UB(V)UE(V)UC(V)UBE(V)UCE(V)IC(mA)1.9621.1917.4660.7716.2750.92由于近似计算，实验值与理论值稍有误差，但结论基本一致。4.1.4 直流工作点分析图4.6 直流工作点结点图图4.7 直流工作点扫描图如图4.7，IC=0.907mA，Uc=7.47V，UB=1.96V，UE=1.19V4.2动态分析4.2.1电路元件分析基极去耦电容Cb的作用图4.8无基极去耦电容 图4.9 有基极去耦电容如A图所示，当没有基极去耦电容的时候，输入电压信号使UE发生波动，IE也随之发生波动；IB也会相同的波动，IB的波动会在基极电阻Rb
23、2上产生与输入信号相位相同的电压波动，从而减小了UBE之间受输入信号影响而变化的电压差，因此而不能获得设定的电压放大倍数。如B图所示，当加上基极去耦电容的时候，输入电压信号使UE发生波动，IE也随之发生波动；IB也会相同的波动，容量很大的基极去耦电容能够使基极动态电压保持基本不变，UBE因此而能够受输入信号的影响波动正常的电压幅度；从而获得设定的电压放大倍数。Re，Rf的作用 起到直流负反馈作用，通过Re、Rf两端电压的改变反馈调节4.2.2 有负载情况共基放大电路图4.10 有负载共基放大电路1)波形图图4.11 有负载输入输出波形如图4.9，绿色输入，红色输出，输出比输入电压大很多，实现了
24、电压的放大。2)电压放大倍数计算值如图4.10图4.12 有负载交流通路等效图 Au=Uo Ui=IC(RC/RL) Ibrbe=89.3实验值： 图4.13有负载输入有效值 图4.14有负载输出有效值 Au=Uo Ui=523.6437.071=74.1 3)输入输出电阻测量 Ri =UiIi=Rf /rbe 1+=25.4 实验值:测量输入电阻：在信号源和放大器之间串联接入一个1K电阻,用示波器读出接入1K电阻前后,电路的输入信号,由测量值计算出输入电阻值为图4.15 信号源串联1K电阻电路 W 图4.16=Ui 有效值=W=W 图4.17 Ui 有效值R=1K电阻接入前的输入电压Ui=7
25、.071VR=1K电阻接入后的输入电压Ui=0.209V计算输入电阻值 Ri=Ui(Ui-Ui)/R30.5 输出电阻计算值：RoRc=5K 实验值 图4.18 Uo有效值 图4.19 Uo 有效值5K负载电阻RL开路时的输出电压Uo=1.045V5K负载电阻RL接通时的输出电压Uo=523.645V计算输出电阻值Ro=Uo-Uo Uo/RL5K 4.2.3 无负载共基放大电路图4.20 无负载共基放大电路1)波形图图4.21 无负载输入输出波形图如图4.19，绿色输入，红色输出，输出比输入电压大，实现了电压的放大。2)电压放大倍数计算值: 图4.22 无负载交流电路等效图 Au=Uo Ui=
26、ICRCIbrbe178.6实验值： 图4.23 无负载输入有效值 图4.24 无负载输出有效值Au=UoUi=10437.071=147.53)输入输出电阻测量输入电阻计算值：Ri =UiIi=Rf /rbe 1+25.4 输入电阻实验值：测量输入电阻：在信号源和放大器之间串联接入一个1K电阻,用示波器读出接入1K电阻前后,电路的输入信号,由测量值计算出输入电阻值为:图4.25 信号源串联1K电阻电路 图4.26 R=1K电阻接入前电压 图4.27 R=1K电阻接入后电压计算输入电阻值 Ri=ui (ui-ui)/R 30.5输出电阻计算值：RoRc=5K输出电阻实验值： 图4.28 输出电
27、压5K负载电阻RL开路时的输出电压Uo=1.045V5K负载电阻RL接通时的输出电压Uo=523.643V计算输出电阻值Ro=Uo-Uo Uo/RL5K 4.3计算最大不失真输出电压为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中心。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，用示波器观察Uo，当输出波形同时出现削底和缩顶现象时，说明静态工作点已调在交流负载线的中心。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出Uo。图4.29 调节Rb2，以及输入信号，得到削底和缩顶图图4.30 调节输入信号，使波形基本不失真图4.31 最大不失真电压有效值所以最大
28、不失真输出电压Uopp=3.44V4.4 测量电路的频率特性1) 中频段：通频带BW以内的区域由于耦合电容及旁路电容的容量较大，在中频区呈现的容抗（1/C）较小，故可视为短路；而三极管的极间电容的容量较小，在中频区呈现的容抗较大，故可视为开路。因此，在中频段范围内，电路中电抗的影响均可忽略不计。在中频段，放大器的增益、相角均为常数，不随频率而变化。2) 低频段：ffH的区域在低频段，随着频率的减小，耦合电容及旁路电容的容抗增大，分压作用明显，不可再视为短路；而三极管的极间电容呈现的容抗比中频时更大，仍可视为开路。因此，影响低频响应的主要因素是耦合电容及旁路电容。在低频段，放大器的增益比中频时减
29、小并产生附加相移。3) 高频段：ffH的区域在高频段，随着频率的增大，耦合电容及旁路电容的容抗比中频时更小，仍可视为短路；而三极管的极间电容呈现的容抗比中频时减小，分流作用加大，不可再视为开路。因此，影响高频响应的主要因素是晶体管的极间电容。在高频段，放大器的增益比中频时减小并产生附加相移。图4.32 频率特性测量图4.33 示数图结论：如图4.31，仿真结果表明有一个下限频率为49.2Hz，通频带上限频率很宽。共基放大电路的通频带宽。5 学习收获本文首先介绍了现代电子技术的发展及研发流程，说明了现代电子仿真技术在现有的电子线路模拟及应用中的重要作用，简单的介绍Multisim10的功能。其次
30、详细的介绍了Multisim10详细功能，包括主窗口、元器件库以及仪器仪表库等，同时也介绍了Multisim10的电路分析方法。接着本文根据低频电子线路中的知识，设计了共基放大电路，阐述了它的设计原理以及具体的电路参数分析。最后，用Multisim10对本次设计的共基放大电路进行了仿真，主要包括：静态工作点的测量，电路参数对静态工作点的影响分析以及静态工作点对放大器的影响分析；电压放大倍数和输入输出电阻的测量，以及三极管参数对它们的影响；同时还绘制了参考点频率响应曲线。共基放大电路可以放大电压，不能放大电流，输入电阻小，输出电阻大，通频带宽。参考文献1于卫.模拟电子技术实验及综合实训教程.湖北：华中科技大学出版社，2008.78902路而红.虚拟电子实验室.北京：人民邮电出版社，2005.38453童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版，2013.761154蒋卓勤.multisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社，2003.46785朱定华.电子电路实验与课程设计.北京：清华大学出版社,2008.3238第28页 共25页