双极型晶体管共基极放大电路的Multisim仿真与测试

黄玮，戈益坚，董烨，张蘅

(江苏信息职业技术学院，江苏无锡，214062)

0 引言

在微电子技术专业人才培养中，结合集成电路开发与测试1+X证书标准，在《半导体器件物理》课程中，利用Multisim仿真更好地去理解器件的性能与应用，提高专业课程间的关联度，使学生在后续学习中能够更好的运用相关知识分析和解决问题[2]。

1 双极型晶体管的放大原理

双极型晶体管也就是三极管，有发射极，基极和集电极三个电极，分为NPN和PNP两种类型。三极管在工作时，电子和空穴共同参与导电，影响器件工作性能，所以也称为是双极型晶体管。

放大电路是晶体管的典型应用，在放大电路中，晶体管工作在放大状态，此时发射结正偏，集电结反偏，以NPN管为例，在正偏的发射结作用下，发射区中的多数载流子电子传输到基区，由于基区浓度较低，且基区宽度较小，所以绝大多数电子都能通过基区到达集电区，并在反向集电结电压的作用下接入集电区，由集电区收集。也就是说，NPN管在放大工作时，主要是以电子传输为主，电子由发射区发射，经过基区输运，最后由集电区收集，在这个过程中，有两次电子损失，一次是在发射区中，电子与基区注入的空穴复合，损失了一部分，另一次是在基区中，电子在基区输运过程中，与基区中的空穴复合，损失了一部分。在整个载流子传输的过程中，损失的越少，最后集电区收集到的就越多，晶体管的放大能力就越强。

晶体管放大电流的能力可以用电流放大系数来描述。放大电路的接法不同，其电流放大能力不同，电流放大系数也不同。

如图1所示的是双极型晶体管的共基极连法，这种连法是以发射极为输入端，集电极为输出端。其直流电流放大系数0α定义为集电极输出电流与发射极输入电流之比，即：

图1 双极型晶体管的共基极连法

α0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出电流IC，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极[3]。

理解晶体管的放大原理有助于更好地理解和分析三极管的应用电路。

2 共基极放大电路的Multisim仿真与测试

Multisim是一款基于Windows的仿真工具，使用简便，仿真功能强大，有丰富的元器件库。可以直接在元件库中选择三极管构建共基极放大电路，并利用软件中相应工具对电路性能进行判断和分析。

在《半导体器件物理》课程教学过程中，通过分析器件结构和性能，使学生理解晶体管的放大原理及放大性能。在此基础上，借助Multisim搭建应用电路是一种简单有效的方法，与同期开设的《模拟电子技术》课程间建立有效的联系，可以有助于学生在理解器件性能的基础上进一步掌握器件的应用方法。

如图2所示，这是一个由晶体管2N3904构成的双电源共基极放大电路，在Mutisim中完成对该电路的仿真，并分析电路的工作性能。

图2 共基极放大电路及仿真

首先利用示波器观察输出，可以看到此时能够正常输出一个周期为1ms的正弦波。为了更好判断这个晶体管应用电路的性能，还需要进一步的分析。

将电路输入小信号以及经过电容C1后的信号接入同一示波器的A、B通道，观察对比波形，如图3所示，会发现输入信号经过电容C1后产生严重的衰减，两个信号之间存在相位差，这说明耦合电容的大小不合理。

图3 输入信号对比图（白线为输入信号，红线为经过电容之后的信号）

根据电容容抗计算公式：

将输入信号频率及电容值代入公式2中，可以计算出电容C1的容抗XC1≈159，电容容抗过大，从而导致输入信号经过电容C1后产生较大的衰减，且出现了相位偏移。可以通过增大电容来进行调整。

将该耦合电容C1的容值增大至100μF，继续仿真，此时经过电容的输入信号的衰减显著减小，同时相位偏差显著减小，如图4所示。

图4 调整电容后输入信号对比图（白线为输入信号，红线为经过电容之后的信号）

增大耦合电容将输入信号和输出信号同时接入同一示波器，观察波形发现输出波形的后半周期出现了明显的失真，说明该电路的静态工作点设置不合理。

使用万用表测量三极管CE间的电压，如图6所示，发现当前的VCE为2.34V，IE=1.061mA，IC=1.033mA，结合三极管的输出特性曲线会发现，这个静态工作点的位置太低了，所以才会导致输出波形出现底部失真。

图5 调整电容后输入输出信号对比图（黑线为输入信号，红线为输出信号）

图6 静态工作点的测量结果图

现对该电路的静态工作点进行分析，分析电路如图7所示，该电路的静态工作点计算过程如公式3-公式7所示。

图7 电路静态工作点分析电路

由晶体管的放大性能可知，α是共基极电流放大系数，根据电路仿真测量结果可知:

经计算，该电路的静态工作点VCEQ≈2.29 V，与测量结果接近，根据理论分析可以看到，VCEQ的大小与负载电阻的大小有关。

而一般来说，如果希望输出不失真，理想的静态工作点的VCEQ应该在电源电压的1/2左右，也就是VCEQideal=0.5（V1+V2）=7.5V，因此可以通过调整负载电阻RC的阻值，来提升静态工作点，从而使电路工作在稳定状态，RC的阻值计算过程如式8所示。

根据计算出的结果取近似值，将负载电阻RC的阻值调整为5kΩ后进行输入输出信号的仿真，仿真结果如图8所示，此时输出电压与输入电压同相，电压放大倍数高，符合共基极放大电路输入信号与输出信号同相，电压增益高，电流增益低的特性。

图8 调整RC后输入输出信号对比图（黑线为输入信号，红线为输出信号）

3 结论

利用Multisim软件，从研究双极型晶体管放大性能的角度，对于所搭建的共基极放大电路进行仿真，测试了电路的放大特性，并针对电路所存在的问题，结合器件性能及电路结构，逐一进行分析和解决，最终获得了良好的电路工作特性。通过对双极型晶体管放大电路的仿真和分析，更好地理解了晶体管的特性和应用，拓展了对半导体器件原理的认知。将1+X证书所要求的分析和测试等能力融入《半导体器件物理》的教学过程中，提升学生的应用能力，并与专业课程体系中其它专业课程间形成有机联系。