为了更好地说明使用电子学教育平台带来的好处，下面以一个真实的实验范例来阐述，实验步骤如下：

1）使用Multisim 10设计电路原理图并通过SPICE仿真验证估算值。

2）在Multisim 10的3D ELVIS虚拟设计环境中，创建和检查已仿真成功的电路。

3）将真实元器件插接在NIELVIS电路试验板上，搭接实验电路。

4）比较实际测量值和仿真测量值，对实验电路进行分析。

这个实验的目的是设计、建立和测试一个音频放大器，该放大器的性能指标是：在3kHz处具有150±150×10%的电压增益；输入阻抗大于或等于1MΩ；放大器的负载是8Ω扬声器，其中包括一个1200Ω∶8Ω的匹配变压器；电源电压是NIELVIS提供的+15V直流电压。

根据该放大器的性能指标要求，设计拟定如下：放大器由共发射极和共源极三级放大电路构成；输入级使用结型场效应晶体管（JFET）以满足高输入阻抗的要求；由共发射极双极型晶体管（BJT）构成两级放大器，以满足高增益要求。图1-7为在Multisim 10中的设计方案框图。

每级之间的电容提供了输入信号和输出信号的交流通路，对直流工作点起到了隔离功能。虽然框图中显示了扬声器和变压器，但为简单起见，在仿真中将用一个简单的负载电阻代替变压器和扬声器。

图1-7 设计方案框图

系统的增益由下述公式确定：

A_{V_TOTAL}=A_{V_STAGE_1}×A_{V_STAGE_2}×A_{V_STAGE_3}

由于每级的电压增益都依赖该级的负载电阻，而每级的负载电阻又由下一级的元器件决定，所以为了获得每级的负载电阻值（R_L），可从最后一级向前推算。最后一级的负载电阻已经给定为1200Ω。在第二级和第三级放大电路中使用了两个2N4401A通用型NPN BJT，而在输入级中使用了一个2N4393的JFET，以满足电路高输入阻抗的要求。此外，由于设计的是一个音频放大器，必须具有手动增益（音量）控制功能，所以需在放大器中设置一个可变电阻（电位计）。本设计中，把电位计放置在第二级，并与R_B1并联，因为这种方式能在保持稳定工作特性的同时，提供一个较好的增益变化范围。

在整个设计过程中，将使用Multisim 10验证手工的估算值，也将利用Multisim 10的仿真功能确定放大器的跨导，以便计算放大器的增益，确定放大器的直流负载线，完成放大器的合理偏置。

实际上，元器件参数的容差将不可避免地造成真实结果与期望值不尽相同，即理论值与真实值不会完全相同。因此，实际组装电路时应尽量选择那些接近估算值的真实元器件。

1.Multisim10中的原理图设计和估算值验证

（1）第三级放大器

选择放大器框图中的第三级，如图1-8所示。

图1-8 选择放大器中的第三级

在第三级和第二级中，使用如图1-9所示的共发射极BJT放大器结构。

在图1-9中，C_IN和C_OUT为各级之间的隔直电容，C_E则在高频时形成短路，有效旁路R_E2。

图1-9 带负载共发射极放大器

1）确定静态值（直流偏置）。放大器设计中最为重要的一个环节，就是给晶体管加直流偏置电压。适当的偏置，能确保晶体管对信号放大达到最大增益而又不会失真。

在设计中可利用Muitisim 10仿真来确定静态工作点和各元器件值。为此，首先建立一条直流负载线，然后再通过直流负载线选择和确定合适的元器件值。这项工作可通过Multisim 10提供的一个虚拟VI特性曲线图示仪完成。有关VI特性曲线图示仪的介绍，请参考本书第5章。

首先，将实验中已选用的型号为2N4401的晶体管连接到VI特性曲线图示仪上，具体连接如图1-10所示，图示仪的仿真参数设置如图1-11所示。然后，用Multisim 10对图1-10所示电路进行仿真，其直流负载线和静态工作点的仿真结果与测量结果如图1-12和图1-13所示。

图1-10 晶体管与图示仪连接

图1-11 图示仪的设置

根据公式V_CEQ=V_CC-I_CQ(R_C+R_E)，当R_E=0时，有R_C=(V_CC-V_CEQ)/I_CQ。可以求得直流负载线在Y轴上的截距为V_CC/R_C、在X轴上的截距为电源电压值V_CC。

选择了静态工作点（Q点），也就确定了直流负载线。为了给晶体管提供最优的直流偏置值，Q点要尽可能在曲线图的中间。若Q点偏高，输入信号易使晶体管饱和，产生饱和失真；若Q点偏低，输入信号易使晶体管截止，产生截止失真。所以，直流负载线的正确设置和静态工作点的合理确定是很重要的。

利用图1-12与图1-13提供的仿真参数，通过负载线，可把R_C值确定为600Ω。R_C的估算值为：

R_C=（V_CC-V_CEQ）/I_CQ=（15V-6.9872V）÷13.3401mA=600.655Ω

对于没有发射极电阻（即R_E=0）的共发射极放大器电路来说，R_C的实际值就采用这个理论值。但对于本放大器的第三级，由于存在着R_E1和R_E2，所以在Multisim10中建立仿真电路或用真实元器件建立实际电路时，都必须将R_C的值分成3个电阻，即R_C、R_E1和R_E2。其中，R_E1和R_E2是为了稳定晶体管的工作点而设置的。R_E1的作用是减少温度的变化或晶体管2N4401电流放大倍数β的分散性对电路Q点的影响，其阻值可选为20Ω。R_E2的作用是保证集电极电压尽可能接近电压范围的中间值，从而可在输出端获得较好的电压幅度，其值可选为280Ω。因此，R_C的实际值可选为300Ω。

图1-12 直流负载线和静态工作点的仿真结果

图1-13 直流负载线和静态工作点的测量结果

又因为电路Q点对应的电压V_CEQ=6.9872V，所以，基极电压V_BQ为：

V_EQ=（V_CC-V_CEQ）/2=4.0064V

V_BQ=V_E+0.7V

V_BQ=4.7064V。

为了正确地设置晶体管的基极偏置，依据分压原理和设计准则来选择R_B1和R_B2值：

V_CC/(R_B1+R_B2)=I_CQ/10

可选择R_B1值为7500Ω，R_B2值为3750Ω。

当选择完元器件参数后，再利用Multisim 10中的直流分析来测量和检查电路的静态工作点，看与理论估算的直流偏置值是否吻合。

注意：直流工作点分析专用于分析电路的静态工作点。在直流工作点仿真分析中，电容被视为开路，电感被视为短路，交流（AC）电源输出为零，电路处于稳态。关于直流工作点分析的详细内容，请参考本书第7章。

图1-14所示为第三级电路的直流分析结果，其中显示的静态工作点参数对照如下：

I〔vb〕=I_BQ=71.61748μA

I〔vc〕=I_CQ=13.66959mA

I〔CCVCC〕=电源流出总电流=15.02679mA

V〔5〕=V_CQ=10.99912V

V〔7〕=V_BQ=4.82096V

V〔4〕=V_EQ=4.12236V

图1-14 第三级电路的静态工作点分析结果

2）确定输入阻抗。在交流状态，共发射极BJT放大器中的输入阻抗由下式确定：

R_i=R_B1∥R_B2∥r_be+（1+βR_E1）=（2500×3000）/（2500＋3000）Ω=1363Ω

3）确定增益。在交流状态，发射极电容将会与地短路，放大器的电压增益由下式确定：

A_V=-β（R_L∥R_C）/r_be+（1+βR_E1）

在确定了上述表达式中的所有数值后，可以计算出第三级的A_v值为-10.84。这个增益值也可以轻松地通过Multisim 10中的仿真测量获得。通过使用连接到测试电路中的虚拟示波器，可以在已完成的仿真电路中，测得电路的增益值为-10.85，如图1-15所示。计算值与仿真测量值之间的差异来源于舍入误差和示波器的读数误差等。可见，手工计算给出了一个较好的估计值，而仿真测量值则更为准确。(www.daowen.com)

4）电容的选择。电容值的选择会影响放大器的频率响应，其选择范围应允许在80Hz～22kHz内的音频正常通过。通常选用的电容值C_E=100μF，C_IN=C_OUT=10μF，提供了合适的交流通路。C_IN用于将直流偏置电压与较小的输入信号电压隔离开来，称为隔直流电容。C_OUT用于将各级之间以及最后一级和输出之间隔离开来，称为间级电容。C_E的目的是在交流时旁路第二个发射极电阻，从而在发射极与地之间创建一个更好的通路，又称为高频旁路电容。

5）总结。第三级电路的各特征参数值见表1-1。

图1-15 第三级增益仿真结果

表1-1 第三级放大器的特征参数

（2）第二级放大器

选择放大器框图中的第二级，如图1-16所示。

第二级放大器与第三级放大器具有相同的结构，电路的设计方法也相同，只是元器件参数不同。第二级放大器各特征参数值见表1-2。

图1-16 选择放大器中的第二级

表1-2 第二级放大器的特征参数

（3）JFET级

选择放大器框图中的第一级，如图1-17所示。

图1-17 选择放大器中的第一级

图1-18展示了共源极JFET放大器的结构，其设计方法与前面介绍的相同，不再赘述。第一级电路的各特征参数值见表1-3。

图1-18 共源极JFET放大器的结构

表1-3 共源极JFET特征参数

（4）完整的系统

在设计并仿真了每一级放大器之后，将各级放大器连接在一起就构成了完整的音频放大器系统，如图1-19所示。对其进行一些必要的调整以确保整体设计达到要求，并对所设计的电路进行了交流仿真。图1-20表明了整个系统的增益。这个增益的仿真测量值为149.2，正好处于设计要求（150±150×0.5%）的范围内。图1-21和图1-22分别显示了整个系统的幅频响应曲线和相频响应曲线。从幅频响应曲线可见，在80Hz～20kHz的音频范围内系统具有一致的增益。

图1-19 完整的音频放大器系统

图1-20 完整的系统增益

图1-21 系统幅频响应曲线

图1-22 系统相频响应曲线

2.3DELVIS虚拟原型中的设计

在Multisim 10环境中还提供了一个虚拟NI ELVIS，也称3D ELVIS。

在虚拟的ELVIS原型设计环境中有两个操作界面：一个是3D ELVIS，如图1-23所示，也称其为面包板模板；另一个是电路原理图NI ELVIS Schematic环境，如图1-24所示，也称其为电路原理图模板。初学者应先在电路原理图模板中设计电路，也可以将已有的电路或仿真好的电路粘贴到电路原理图模板中。在电路原理图模板中有了电路以后，就可以到面包板模板中去练习搭接电路了。该环境为初学者提供了一个零损耗的电路设计环境。

图1-23 3D ELVIS面包板模板

Multisim 10为面包板模板提供了电路检查功能，电路原理图模板上的元器件或元器件之间的接线一旦在面包板模板上进行了操作，即元器件被放置或元器件管脚之间被连线，则电路原理图NI ELVIS Schematic环境中的元器件或网络就会变成绿色以表明操作成功。这一功能很重要，相当于有了一位时刻在身边指导的老师，及时指出学生连线操作中的错误。

通过这一训练，可以帮助学生从书本知识平滑地过渡到真实的NIELVIS原型设计环境中去搭接电路。

图1-24 3D ELVIS电路原理图模板

3.NIELVIS原型中的设计

（1）建立完整的电路

建立完整的电路可在NI ELVIS原型设计环境中进行，如图1-25所示。

图1-25 NI ELVIS原型设计环境

（2）测量

用3DELVIS前面板或虚拟示波器测量电路的增益，测量结果见表1-4，波形如图1-26和1-27所示。其中，示波器通道A（下面的曲线）是激励源，示波器通道B（上面的曲线）是放大器的响应曲线。系统增益的测量值为144.39，位于目标值150±150×10%的范围内，实际增益离目标值只有±3.74%的误差。表1-4给出了各级增益的仿真值与测量值之间的对比，并给出了误差。图1-28为系统的频率响应特性曲线。

表1-4 仿真值与测量值

图1-26 第一级增益的测量

图1-27 系统增益的测量值

图1-28 系统频率响应特性曲线

4.仿真值与测量值的比较

为了对仿真值和测量值作出比较，可以使用NI SignalExpress。NI SignalExpress是一个简单直观的向导式（Step-By-Step）测量工具，允许用户载入Multisim 10的仿真数据，为用户提供了一个可以轻松配置的测量分析环境。在图1-29中，对整个系统的增益仿真值和测量值进行了比较，SignalExpress自动地计算出了偏差的百分比。

图1-29 自动计算偏差百分比

SignalExpress的强大功能意味着一旦建立了测量系统，就可以轻松地比较各种设计方案。无需重新配置测量仪器即可对给定的电路进行一系列的测试，只需简单地向SignalExpress环境中载入特定的工作文件（Workbench），给定的测量就可以立刻执行。

在本例的设计过程中，NI集成化电子学教育平台帮助我们进行了直观的仿真和快速的测量。对于那些需要进行反复设计的电路参数来说，Multisim 10是一个极其宝贵的工具，它能在使用真正的元器件进行电路原型设计之前就给予设计者极大的信心。在NI ELVIS上完成原型设计之后，强大的虚拟仪器可以帮助我们完成相关电路特性的快速测量。利用NI SignalExpress，我们能够在同一个屏幕上直观地比较仿真值和测量值。