EDA技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用88177

1、EDA技術(shù)應(yīng)用報(bào)告目 錄 1 引言2 1.1 對EDA的簡述2 1.2 對Multisim 10軟件的簡述22 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)32.1 靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn))的設(shè)置3 2.1.1 創(chuàng)建單管共射電路3 2.1.2 對靜態(tài)工作點(diǎn)的分析32.2 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 的影響 53 單管共射放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)53.1 電壓增益5 3.1.1 計(jì)算電壓增益5 3.1.2 對電壓增益的分析53.2 輸入電阻63.3 輸出電阻64 體會8 4.1 對本文的分析8 4.2 對本文的體會9參考文獻(xiàn)10 Multisim 10 在單管共射放大電路中的應(yīng)用 羅其會 （北京石油化工學(xué)院信息學(xué)院計(jì)

2、算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 大興區(qū) 北京 102607）摘要 利用Multisim 10 仿真軟件對單管共射放大電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。采用直流工作點(diǎn)分析了電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。利用溫度掃描和參數(shù)掃描分析了溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)以及電路參數(shù)對輸出波形的影響。對電壓增益、輸入電阻和輸出電阻的仿真測試結(jié)果和理論計(jì)算基本吻合。研究表明,利用Multisim 10 強(qiáng)大的分析功能對電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿,可以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。關(guān)鍵字 Multisim 10; 電路仿真; 靜態(tài)工作點(diǎn); 動(dòng)態(tài)參數(shù)Application of Multisim 10 in Single Transistor Amplifier Luo

3、qihui(Beijing oil institute of chemical information institute of computer science and technology Daxing Beijing 102607)Abstract Multisim 10 simulation software was used for computer aided teaching. The quiescent operating point w as set by using DC operating point. The influence of temperature on qu

4、iescent operating point and circuit parameter on output voltage waveform were analyzed by using temperature scanning and parameter scanning. The simulation test of voltage gain, input resistance and output resistance coincide with theoretical calculation basically. The results show that using the po

5、werful analysis capability of Multisim 10, the computer simulation of electronic circuits can enhance the teaching quality and teaching effect.Keywords Multisim 10; circuit simulation; quiescent operating point; dynamic par ammeters1 引言1.1 對EDA的簡述在電子技術(shù)的發(fā)展歷程中, 隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用和普及, 以及電子產(chǎn)品向數(shù)字化、集成化、微型化和低功耗方

6、向的發(fā)展, EDA ( Elect ronic Design Automat ion) 技術(shù)逐漸產(chǎn)生并日趨完善。電子、電氣、信息類專業(yè)的學(xué)生可以應(yīng)用EDA 技術(shù)進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)和測試。EDA 具有效率高, 周期短, 應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的主流手段和技術(shù)潮流。1.2 對Multisim 10軟件的簡述在眾多的電路仿真軟件中, Multisim 以其界面友好, 功能強(qiáng)大和容易使用而倍受高校電類專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。Multisim 10 是美國國家儀器公司N I( National Instruments) 最新推出的Multisim 版本, 集電路設(shè)計(jì)和功能測試于一件,

7、 為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大,儀器齊全的虛擬電子工作平臺 1-3 。設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表, 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室, 進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試4-9 。模擬電子技術(shù)是高校電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。單管共射放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)部分, 也是這門課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn), 而單管共射放大電路則是放大電路的基本形式。要在放大電路中實(shí)現(xiàn)輸出信號的不失真放大, 必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路的適用范圍是低頻小信號, 電壓增益、輸入電阻和輸出電阻是分析放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo) 10 。利用仿真軟件對典型電子電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真, 實(shí)現(xiàn)在有限的課題教學(xué)中,

8、化簡單抽象為具體形象, 化枯燥乏味為生動(dòng)有趣, 能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性, 幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容 11 。本文以單管共射放大電路為例, 應(yīng)用Multisim 10 仿真軟件進(jìn)行了模擬電路的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。2 單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 的設(shè)置2.1.1 創(chuàng)建單管共射電路在Multisim 10 中創(chuàng)建如圖1 所示的單管共射放大電路。選用NPN 型硅晶體管2N1711 作為BJT , 雙蹤示波器用于觀測輸入/ 輸出信號波形, 交流信號源為5 mVpk, 頻率為2 kHz。為了獲得放大的不失真輸出信號, 電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn))

9、, Q 點(diǎn)過高( 或過低) 會引起輸出信號的飽和( 或截止) 失真。2.1.2 對靜態(tài)工作點(diǎn)的分析對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析, 得到如圖2 所示的仿真數(shù)據(jù), 包括晶體管的結(jié)點(diǎn)電位和基極、集電極電流。 圖1 單管共射放大電路圖圖2 放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析從圖2 的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓:VCE = V(4) - V(5) = 5.753 1 V (1)與電源電壓VCC= 12 V 相比, 該放大電路的Q 點(diǎn)設(shè)置合理。在設(shè)置了合適的Q 點(diǎn)之后, 在輸入端加上低頻小信號電壓, 觀察到如圖3 所示的輸入/ 輸出信號波形圖。由圖3 可見, 輸入/ 輸出信號反相, 輸出波形完整無失真,

10、與輸入信號相比, 輸出信號的幅值有很大增加。可見, 該電路基本實(shí)現(xiàn)了對低頻小信號的放大功能。 圖3 輸入/輸出信號波形圖在Q 點(diǎn)的教學(xué)實(shí)踐中, 學(xué)生對于Q 點(diǎn)的理解往往很模糊, 存在為何要設(shè)置Q 點(diǎn), 如何設(shè)置Q 點(diǎn), Q 點(diǎn)設(shè)置不合理會出現(xiàn)什么結(jié)果等疑問。通過改變偏置電阻的阻值改變放大電路的偏置電壓來獲得合適的Q 點(diǎn)。通過改變R B1的阻值來觀察Q 點(diǎn)設(shè)置偏高和偏低所帶來的失真。取交流信號源為20 mVpk, 頻率為2 kHz。當(dāng)RB1= 17. 6 k , 對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析, 得到VCE= 0. 442 2 V, Q 點(diǎn)設(shè)置過高, 出現(xiàn)飽和失真( 底部失真) , 輸入/ 輸出波形如

11、圖4( a) 所示。當(dāng)RB1= 85k , 得到VCE= 11. 6098 V, Q 點(diǎn)設(shè)置過低, 出現(xiàn)截止失真( 頂部失真) 。輸入/ 輸出波形如圖4( b) 所示。通過演示,讓學(xué)生看到設(shè)置Q 點(diǎn)不同會造成什么樣的結(jié)果, 對Q 點(diǎn)合理設(shè)置的理解就深入透徹了。圖4 輸入/ 輸出波形2.2 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 的影響溫度掃描分析用來研究溫度變化對電路性能的影響。通常仿真溫度是27 , 溫度掃描分析相當(dāng)于在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次仿真。影響靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 穩(wěn)定性的因素很多, 例如電路參數(shù)變化, 管子老化等, 其中最主要的因素是BJT 的特性參數(shù)隨溫度發(fā)生變化。硅管的VBE 和受溫

12、度的影響較大, 這是硅管的特點(diǎn)。為了研究Q 點(diǎn)隨溫度的變化, 對Q 點(diǎn)進(jìn)行了溫度掃描分析, 得到不同溫度下晶體管的結(jié)點(diǎn)電位。繪制出V CE 和V BE 隨溫度變化的曲線如圖5 所示。由圖可見, 隨著溫度的升高, VCE 和V BE 呈線性下降。VBE 的線性擬合方程為:VBE = 0.76618 - 0.00125T (2)式中: 溫度系數(shù)為- 1.25 mV/。硅管VBE 的溫度系數(shù)一般為- 2.2 mV/ 4 。比較發(fā)現(xiàn), 這里VBE 的溫度系數(shù)較小, 這是因?yàn)樵谠撋錁O偏置電路( 也稱自偏置電路) 中, 發(fā)射極電阻的直流負(fù)反饋穩(wěn)定了Q 點(diǎn), 從而大大減小了溫度變化對Q 點(diǎn)的影響。3 單管共

13、射放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)3.1 電壓增益3.1.1 計(jì)算電壓增益根據(jù)圖3 的輸入/ 輸出信號波形圖, 可以計(jì)算出該放大電路的電壓增益:AV = VO / VI = 88.989/- 4.373 = - 20.35 (3)利用H 參數(shù)小信號模型, 繪制如圖6 所示的放大電路小信號等效電路。由此模型得到電壓增益的表達(dá)式10 :A V = -( RC R 1 )/rBE + ( 1 + )RE1 (4)式中: 交流電流放大系數(shù)采用直流系數(shù)= IC/IB ; 由靜態(tài)工作點(diǎn)的基極和集電極電流進(jìn)行計(jì)算。利用下列公式估算r BE10 :rBE = 200 + ( 1+ )26/IE (5)將數(shù)值帶入式( 4)

14、, 得到電壓增益為- 20.86, 與仿真結(jié)果比較接近。3.1.2 對電壓增益的分析從式( 4) 發(fā)現(xiàn), 電壓增益隨RE1 阻值的增加而減小。為了觀察RE1 對電壓增益的影響, 對RE1 進(jìn)行了參數(shù)掃描分析。選擇R E1 為參數(shù)掃描分析元件, RE1的阻值設(shè)置為100 , 200 , 300和500 , 且觀察其阻值變化對輸出波形的影響, 分析結(jié)果如圖7 所示。中間幅值最小的曲線是輸入信號, 其他是不同阻值下的輸出信號。圖5 晶體管VCE 和VBE 隨溫度變化的曲線圖圖6 H 參數(shù)小信號模型等效電路圖由圖7 可見, 隨著RE1 阻值的增加, 輸出信號的幅值逐漸下降。參數(shù)掃描分析結(jié)果與式( 4)

15、 的結(jié)論是一致的。那么能否把R E1 的阻值設(shè)置為零, 以獲得高電壓增益呢: 圖8 是RE1 為零時(shí)的輸入/ 輸出波形圖。由圖發(fā)現(xiàn), 雖然輸出幅值有所增加, 但是輸入/ 輸出波形出現(xiàn)了明顯的相移。因此將RE1 的阻值設(shè)置為100 。3.2 輸入電阻在Mult isim 10 中創(chuàng)建如圖9 所示的輸入電阻測量電路。在放大電路的輸入回路接虛擬儀器電流表和電壓表, 運(yùn)行電路, 得到電流和電壓的測量值。依據(jù)測量結(jié)果計(jì)算輸入電阻:RI = VT /IT = 3.099/ 0.872 = 3.55 (6)基于H 參數(shù)小信號模型的輸入電阻計(jì)算公式10 為:RI = VT / IT = RB1RB2 rBE

16、+ ( 1 + )RE1 (7)將數(shù)值帶入上式, 得到輸入電阻為3.58 k 。比較可見, 仿真分析與理論計(jì)算的結(jié)果比較吻合。圖7 RE1 的參數(shù)掃描分析圖8 RE1 為零時(shí)的輸入/ 輸出波形圖圖9 輸入電阻測量電路及仿真結(jié)果3.3 輸出電阻測量輸出電阻采用的是外加激勵(lì)源法, 創(chuàng)建如圖10所示的測量電路, 由仿真結(jié)果計(jì)算輸出電阻:RO = VT/IT = 707.106/ 141.806 = 5.0 (8)基于H 參數(shù)小信號模型下輸出電阻的計(jì)算公式10 為:RO = VT/IT = RO/RCRO=rCE1 +RE1 /rBE+RSRB1RB2+RE1 (9)因?yàn)镽O RC , 所以RORC=

17、 5.4 k ?？梢? 仿真測量與理論計(jì)算的結(jié)果基本符合。也可以測量放大電路有負(fù)載時(shí)的輸出電壓VL 和負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓VO ,其利用公式10 為:RO = RL ( VO / VL - 1) (10)計(jì)算輸出電阻。測得VO = 119.474 mV, VL =62.149 mV, RL = R1 = 5.4 k , 算得輸出電阻為5.0 k 。計(jì)算結(jié)果與外加激勵(lì)源法測出的電阻值是一致的。圖10 輸出電阻測量電路及仿真結(jié)果4 分析、理解與體會41 對本文的分析 單管共射放大電路中交流信號的作用和直流信號的作用共存。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí),首先要進(jìn)行直流分析,再進(jìn)行交流分析。傳統(tǒng)的在實(shí)驗(yàn)室中引入電類

18、實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)中,通過對實(shí)際電子電路進(jìn)行仿真分析,可以縮短設(shè)計(jì)周期,保障學(xué)生安全,方便調(diào)試,節(jié)省成本,提高設(shè)計(jì)測試共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí),運(yùn)用萬用表測試電壓值時(shí),容易影響電路,使得測試值和理論值有出入。并且晶體管會受到溫度的影響和制作工藝影響,導(dǎo)致測試放大倍數(shù)不太準(zhǔn)確。為了解決這些矛盾,引入了一些仿真軟件完成虛擬實(shí)驗(yàn)。利用Multisim 10 仿真軟件對單管共射放大電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。采用直流工作點(diǎn)分析了電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置，選用NPN 型硅晶體管2N1711 作為BJT , 雙蹤示波器用于觀測輸入/ 輸出信號波形, 交流信號源為5 mVpk, 頻率為2 kHz。為了獲得放大的不失真輸

19、出信號, 電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) , Q 點(diǎn)過高( 或過低) 會引起輸出信號的飽和( 或截止) 失真。利用溫度掃描和參數(shù)掃描分析了溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)以及電路參數(shù)對輸出波形的影響，溫度掃描分析用來研究溫度變化對電路性能的影響。通常仿真溫度是27 , 溫度掃描分析相當(dāng)于在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次仿真。影響靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 穩(wěn)定性的因素很多, 例如電路參數(shù)變化, 管子老化等, 其中最主要的因素是BJT 的特性參數(shù)隨溫度發(fā)生變化。硅管的VBE 和受溫度的影響較大, 這是硅管的特點(diǎn)。為了研究Q 點(diǎn)隨溫度的變化, 對Q 點(diǎn)進(jìn)行了溫度掃描分析, 得到不同溫度下晶體管的結(jié)點(diǎn)電位。對電壓增

20、益、輸入電阻和輸出電阻的仿真測試結(jié)果和理論計(jì)算基本吻合，在放大電路的輸入回路接虛擬儀器電流表和電壓表, 運(yùn)行電路, 得到電流和電壓的測量值，測量輸出電阻采用的是外加激勵(lì)源法。 42 對本文的體會本文以單管共射放大電路為例, 在模擬電子技術(shù)中引入了Multisim 10 輔助教學(xué),即利用直流工作點(diǎn)分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn), 利用溫度掃描分析溫度變化對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響, 利用參數(shù)掃描分析電路參數(shù)對輸出波形的影響。最后對電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了仿真測試,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn), 測量值與理論計(jì)算值基本吻合。在放大電路的教學(xué)過程中, 通過創(chuàng)建簡便直觀的教學(xué)情景, 應(yīng)用虛擬儀器在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上形象生動(dòng)地展示電路運(yùn)行的情況,將理論知識與電路仿真實(shí)踐相結(jié)合, 拓寬了學(xué)生的視野, 提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 促進(jìn)學(xué)生主體作用的發(fā)揮, 培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)踐說明, 引入Multisim 仿真軟件輔助教學(xué), 可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果, 是未來模擬電路教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。參考文獻(xiàn) 1 董玉晶. Multisim 9 在電工電子技術(shù)中的應(yīng)