基本放大电路是电子电路的重要组成部分，而单管共射放大电路是最典型的基本放大电路，因此掌握单管共射放大电路的分析方法对电子电路的学习起着至关重要的作用^[1-2]。然而，在长期教学中发现，由于晶体三极管的知识过于抽象，学生对于由其所构成的放大电路的理解不够深刻，所以在传统的电子技术的教学里，也加入了很多实验，让学生可以对电路的掌握更加形象深刻。而在理论教学中，由于无法经常将实验设备搬到课堂上，所以演示能力有限。为此，基于Multism设计了一种典型单管放大电路的虚拟仿真实验，对其静态工作点和动态参数进行研究，并分析了静态工作点对电路工作状态的影响，讨论电压放大倍数、输入输出电路和频率特性的计算机辅助分析方法，能将抽象的电路具体化、形象化，有助于学生对基本放大电路的理解。

1 单管基本放大电路的静态分析

设计了一个基于NPN型三极管的分压偏置式基本共射放大电路，原理图如图 1所示。其中Q₁为电流控制原件，R₁和R₂为基级电阻，R₆为可调电阻，用来调节静态工作点，R₃为集电极电阻，R₄射级电阻，R₅为负载电阻；C₁和C₂分别为输入输出回路的耦合电容，C₃为旁路电容，V₁为直流电源，为整个电路提供合适的电位，使三极管正常工作在放大区^[3-4]。

1.1 静态工作点的计算

使输入信号为0，当直流电源V_CC单独作用时，计算出来的基极电流I_B、集电极电流I_C、基射级之间的电压U_BE和集射级之间的电压U_CE统称为静态工作点Q。对于分压偏置式基本共射放大电路来说，静态工作点Q的计算方法为

$ {V_B} = \frac{{{R_2}}}{{{R_1} + {R_2} + {R_6}}}{V_{{\rm{CC}}}} $

(1)

$ {I_C} \approx {I_E} = \frac{{{V_B} - {U_{{\rm{BE}}}}}}{{{R_4}}} $

(2)

$ {I_B} = \frac{{{I_C}}}{{\bar \beta }} $

(3)

$ {U_{{\rm{CE}}}} = {V_{{\rm{CC}}}} - \left( {{R_3} + {R_4}} \right){I_C} $

(4)

式中β为直流放大倍数。除了U_BE=0.7 V为已知的，由晶体三极管的性质所决定，其他均可由式(1)~(4)计算出来。

静态工作点的设置在放大电路中非常重要，设置正确的静态工作点是保证放大电路正常工作的必要条件，放大的前提必须是不失真，要保证电路的静态工作点在合适的范围内，才能使输入信号在整个变化范围内，始终工作在放大区，从而获得一个不失真的输出^[5-7]。

1.2 基于Multisim的静态工作点的仿真

Multisim是美国国家仪器有限公司推出的原理图设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，具有强大的电路分析功能，可用于模拟电子、数字电子等各类电路的仿真测试。它提供了众多虚拟元器件，提供了齐全的虚拟电子仪器设备，以图形化的方式消除了传统电路仿真的复杂性，帮助用户使用先进的电路分析技术^[8-11]。

在Multisim中设计的单管共射放大电路的仿真原理图如图 2所示，通过改变可调电阻R₆的阻值，可以调节静态工作点的高低。静态工作点过高或者过低都会使得输出波形出现失真，只有三极管工作在放大区，才能获得一个放大的不失真的输出。静态工作点过低，三极管会进入到截止区，输出波形会出现截止失真，现象是缩顶；静态工作点过高，三极管会进入到饱和区，输出波形会出现饱和失真，现象是削底。静态工作点高低的判断，可以参考文献[12-13]，这里不再赘述。

在使用Multisim对该电路进行仿真过程中，通过调节可调电阻R₆，可以获得不同阻值下的静态工作点。使用万用表分别测出静态工作点的各个参数，列出的3种情况下的各个值如表 1所示。可以看出，随着静态工作点的升高，I_C也不断增大。同时，在表中还列出了采用公式计算出的可调电阻R₆的理论值和使用Multisim仿真所测得的实际值。通过比较，可以看出仿真效果良好，理论和实际基本相符。

在Multisim中使用双通道示波器同时观察输入输出波形，表 1中3种工作状态所对应的波形如图 3所示。其中，图 3(a)和图 3(c)分别是三极管工作在截止区和饱和区的波形图，可以看出，这2种情况下均出现了明显的失真，分别为缩顶和削底，只有图 3(b)静态工作点合适，获得了放大并且反向的输出波形。

2 单管基本放大电路的动态分析

动态参数的测试参照图 2，调节可调电阻R₆，获得合适的静态工作点，使得三极管工作在放大区。

2.1 放大倍数的分析

在图 2中，调节信号源，使得输入为幅度10 mV，频率为1 kHz的正弦波信号，输入输出波形参考图 3(b)，可以看出此时输入和输出反向。

采用开关S₁切换电路空载和有载时的状态，用交流毫伏表分别测量出2种情况下的输入输出电压，结果如表 2所示。可以看出，带负载时的电压放大倍数比空载时减小，但输入输出波形的相位关系没有改变。

2.2 通频带的分析

使用Multisim中的交流分析(AC analysis)可以对电路进行交流频率响应的分析，具体分析方法可以参考文献[14-15]。在有载的情况下，使用交流分析仿真出来的频率响应曲线如图 4所示，使用光标分析窗口可以看出放大倍数最大值为A_umax=84.141，如图 4(c)所示。通过计算上限和下限频率所对应的放大倍数应为0.707倍的A_umax，应为59.488，使用光标功能找到与之相对应的2个频率，分别是上限频率和下限频率。同样的方法，可以测出空载时的数据，具体值如表 2所示。

3 结论

本文设计了一种分压偏置式基本共射放大电路的仿真系统，采用Multisim作为仿真平台，针对放大电路的静态工作点和动态参数进行分析，并得到了以下结论：

1) 在对静态工作点理论分析的基础上，通过仿真软件，得到了不同静态工作点时所对应的输入输出波形，可以看出在放大电路中设置合适静态工作点是非常重要的；

2) 在设置了合适的静态工作点的前提下，通过对交流参数的分析，得到了放大电路正常工作下的各种动态参数，仿真效果良好。

此外，该系统不受仪器和场地的限制，通过改变一些电路参数即可获得不同条件下的输出结果，使得模拟电子学的课堂教学变得生动形象，对促进学生对放大电路的学习有积极的意义，实现了模拟电子教学的现代化。