雙極型晶體管共基極放大電路的Multisim仿真與測試

黃瑋，戈益堅，董燁，張蘅

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫，214062)

0 引言

在微電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)中，結(jié)合集成電路開發(fā)與測試1+X證書標準，在《半導(dǎo)體器件物理》課程中，利用Multisim仿真更好地去理解器件的性能與應(yīng)用，提高專業(yè)課程間的關(guān)聯(lián)度，使學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中能夠更好的運用相關(guān)知識分析和解決問題[2]。

1 雙極型晶體管的放大原理

雙極型晶體管也就是三極管，有發(fā)射極，基極和集電極三個電極，分為NPN和PNP兩種類型。三極管在工作時，電子和空穴共同參與導(dǎo)電，影響器件工作性能，所以也稱為是雙極型晶體管。

放大電路是晶體管的典型應(yīng)用，在放大電路中，晶體管工作在放大狀態(tài)，此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，以NPN管為例，在正偏的發(fā)射結(jié)作用下，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子電子傳輸?shù)交鶇^(qū)，由于基區(qū)濃度較低，且基區(qū)寬度較小，所以絕大多數(shù)電子都能通過基區(qū)到達集電區(qū)，并在反向集電結(jié)電壓的作用下接入集電區(qū)，由集電區(qū)收集。也就是說，NPN管在放大工作時，主要是以電子傳輸為主，電子由發(fā)射區(qū)發(fā)射，經(jīng)過基區(qū)輸運，最后由集電區(qū)收集，在這個過程中，有兩次電子損失，一次是在發(fā)射區(qū)中，電子與基區(qū)注入的空穴復(fù)合，損失了一部分，另一次是在基區(qū)中，電子在基區(qū)輸運過程中，與基區(qū)中的空穴復(fù)合，損失了一部分。在整個載流子傳輸?shù)倪^程中，損失的越少，最后集電區(qū)收集到的就越多，晶體管的放大能力就越強。

晶體管放大電流的能力可以用電流放大系數(shù)來描述。放大電路的接法不同，其電流放大能力不同，電流放大系數(shù)也不同。

如圖1所示的是雙極型晶體管的共基極連法，這種連法是以發(fā)射極為輸入端，集電極為輸出端。其直流電流放大系數(shù)0α定義為集電極輸出電流與發(fā)射極輸入電流之比，即：

圖1 雙極型晶體管的共基極連法

α0反映出發(fā)射極輸入電流IE中有多大比例傳輸?shù)郊姌O成為輸出電流IC，或者說由發(fā)射極發(fā)射的電子有多大比例傳輸?shù)郊姌O[3]。

理解晶體管的放大原理有助于更好地理解和分析三極管的應(yīng)用電路。

2 共基極放大電路的Multisim仿真與測試

Multisim是一款基于Windows的仿真工具，使用簡便，仿真功能強大，有豐富的元器件庫?？梢灾苯釉谠熘羞x擇三極管構(gòu)建共基極放大電路，并利用軟件中相應(yīng)工具對電路性能進行判斷和分析。

在《半導(dǎo)體器件物理》課程教學(xué)過程中，通過分析器件結(jié)構(gòu)和性能，使學(xué)生理解晶體管的放大原理及放大性能。在此基礎(chǔ)上，借助Multisim搭建應(yīng)用電路是一種簡單有效的方法，與同期開設(shè)的《模擬電子技術(shù)》課程間建立有效的聯(lián)系，可以有助于學(xué)生在理解器件性能的基礎(chǔ)上進一步掌握器件的應(yīng)用方法。

如圖2所示，這是一個由晶體管2N3904構(gòu)成的雙電源共基極放大電路，在Mutisim中完成對該電路的仿真，并分析電路的工作性能。

圖2 共基極放大電路及仿真

首先利用示波器觀察輸出，可以看到此時能夠正常輸出一個周期為1ms的正弦波。為了更好判斷這個晶體管應(yīng)用電路的性能，還需要進一步的分析。

將電路輸入小信號以及經(jīng)過電容C1后的信號接入同一示波器的A、B通道，觀察對比波形，如圖3所示，會發(fā)現(xiàn)輸入信號經(jīng)過電容C1后產(chǎn)生嚴重的衰減，兩個信號之間存在相位差，這說明耦合電容的大小不合理。

圖3 輸入信號對比圖（白線為輸入信號，紅線為經(jīng)過電容之后的信號）

根據(jù)電容容抗計算公式：

將輸入信號頻率及電容值代入公式2中，可以計算出電容C1的容抗XC1≈159，電容容抗過大，從而導(dǎo)致輸入信號經(jīng)過電容C1后產(chǎn)生較大的衰減，且出現(xiàn)了相位偏移?？梢酝ㄟ^增大電容來進行調(diào)整。

將該耦合電容C1的容值增大至100μF，繼續(xù)仿真，此時經(jīng)過電容的輸入信號的衰減顯著減小，同時相位偏差顯著減小，如圖4所示。

圖4 調(diào)整電容后輸入信號對比圖（白線為輸入信號，紅線為經(jīng)過電容之后的信號）

增大耦合電容將輸入信號和輸出信號同時接入同一示波器，觀察波形發(fā)現(xiàn)輸出波形的后半周期出現(xiàn)了明顯的失真，說明該電路的靜態(tài)工作點設(shè)置不合理。

使用萬用表測量三極管CE間的電壓，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)當前的VCE為2.34V，IE=1.061mA，IC=1.033mA，結(jié)合三極管的輸出特性曲線會發(fā)現(xiàn)，這個靜態(tài)工作點的位置太低了，所以才會導(dǎo)致輸出波形出現(xiàn)底部失真。

圖5 調(diào)整電容后輸入輸出信號對比圖（黑線為輸入信號，紅線為輸出信號）

圖6 靜態(tài)工作點的測量結(jié)果圖

現(xiàn)對該電路的靜態(tài)工作點進行分析，分析電路如圖7所示，該電路的靜態(tài)工作點計算過程如公式3-公式7所示。

圖7 電路靜態(tài)工作點分析電路

由晶體管的放大性能可知，α是共基極電流放大系數(shù)，根據(jù)電路仿真測量結(jié)果可知:

經(jīng)計算，該電路的靜態(tài)工作點VCEQ≈2.29 V，與測量結(jié)果接近，根據(jù)理論分析可以看到，VCEQ的大小與負載電阻的大小有關(guān)。

而一般來說，如果希望輸出不失真，理想的靜態(tài)工作點的VCEQ應(yīng)該在電源電壓的1/2左右，也就是VCEQideal=0.5（V1+V2）=7.5V，因此可以通過調(diào)整負載電阻RC的阻值，來提升靜態(tài)工作點，從而使電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，RC的阻值計算過程如式8所示。

根據(jù)計算出的結(jié)果取近似值，將負載電阻RC的阻值調(diào)整為5kΩ后進行輸入輸出信號的仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，此時輸出電壓與輸入電壓同相，電壓放大倍數(shù)高，符合共基極放大電路輸入信號與輸出信號同相，電壓增益高，電流增益低的特性。

圖8 調(diào)整RC后輸入輸出信號對比圖（黑線為輸入信號，紅線為輸出信號）

3 結(jié)論

利用Multisim軟件，從研究雙極型晶體管放大性能的角度，對于所搭建的共基極放大電路進行仿真，測試了電路的放大特性，并針對電路所存在的問題，結(jié)合器件性能及電路結(jié)構(gòu)，逐一進行分析和解決，最終獲得了良好的電路工作特性。通過對雙極型晶體管放大電路的仿真和分析，更好地理解了晶體管的特性和應(yīng)用，拓展了對半導(dǎo)體器件原理的認知。將1+X證書所要求的分析和測試等能力融入《半導(dǎo)體器件物理》的教學(xué)過程中，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，并與專業(yè)課程體系中其它專業(yè)課程間形成有機聯(lián)系。