摘要：為了使模電教學更加具有直觀性和實踐性，將一種專門用于電路仿真和設計的EDA軟件Multisim 10引入教學中。以模電課程中普遍反映比較抽象難學的3個知識點，即多級放大電路、放大電路的反饋和放大電路的頻率響應特性為例，對一個多級放大電路進行了仿真，并利用Multisim 10中的虛擬儀器和軟件提供的分析功能，顯示和分析了當改變某個元件參數(shù)后對電路輸出結(jié)果的影響，說明了利用Multisim 10能將模電教學中的重點難點很好地融合在一起，使模電教學變得更加直觀清晰。另外不需要很大的成本也能很好地鍛煉學生的動手實踐能力。實踐證明，將該軟件引入課堂，有利于提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；模擬電路；頻率響應；反饋
0 引言
模擬電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個分支，是一門入門性質(zhì)的技術(shù)基礎課。由于內(nèi)容與后續(xù)的單片機、傳感器、自動控制原理等專業(yè)課都直接關(guān)聯(lián)，因此各理工類院校所有涉及電類的專業(yè)都將其作為后續(xù)專業(yè)課的重要基礎課。但由于模電課程本身所具有的課程特點，初學者在剛開始接觸這門課程時常會感到枯燥、抽象，難以入手。所以借助于Multisim軟件的虛擬仿真技術(shù)，不僅使學生在課堂上能通過觀看老師對電路的操作演示，更加直觀地理解各個知識點，而且還能使每個人在課堂下都能親自動手接觸電路，包括對元件的選擇、參數(shù)的設定，以及電路輸出結(jié)果的測試分析。因此很好地解決了理論教學與實際動手相脫節(jié)的老大難問題，使得學生的學習興趣和學習效率都大為提高。
1 Multisim 10軟件特點介紹
Multisim 10是一種專門用于電路仿真和設計的EDA軟件之一，是由美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具。它不僅具備電路設計功能，還能對整個電路信號及系統(tǒng)進行仿真分析，正好符合了NI公司所提出的“把實驗室裝進PC機中”“軟件就是儀器”的理念。作為Multisim 9的升級版本，Multisim 10主要的特點包括：
(1)交互式Spice仿真。通過提供的幾十種虛擬儀器和多種分析功能，迅速了解電路行為。
(2)通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境，輕松設計電路。
(3)電路限制(Circuit Restrictions)功能為教學者提供了設定隱藏錯誤的能力，以便教導問題的排除技巧。
(4)Multisim 10新增的Ladder Diagram，幫助學生認識控制理論。
(5)NI ELVIS Breadboard View允許學生在實時的3D面包板環(huán)境中制作自己的電路，并進行實驗。
(6)可進行高級電路設計，供進階設計課程或研究項目使用。
2 仿真實例
反饋放大電路是模電的重點也是難點。另外，在傳統(tǒng)的畫圖和板書的教學方法下，模電中放大電路的頻率響應這個知識點也常因為其抽象性而使學生在學習時感到非常吃力，所以在這里就以這兩個知識點為代表，在Multisim仿真環(huán)境下通過對一個兩級放大電路的分析來說明該軟件對模電教學的重要輔助作用。
在Multisim軟件中建立一個如圖1所示的兩級放大電路，各元件參數(shù)如圖1所示。其中，2個晶體管均為β=100，rbb'=300 Ω，Cb'e=4 pF，Cb'c=41pF。
2．1 將開關(guān)K斷開，電路中暫不引入級間反饋
2．1．1 靜態(tài)分析
靜態(tài)分析即分析電路中的靜態(tài)工作Q點，在基于電路電感短路、電容開路的基礎上可直接利用Multisim中的直流工作點(DC Operating Point)分析功能快速便捷地進行靜態(tài)工作點的計算，分析結(jié)果如圖2所示。
可見，UBQ1=1．984 64V，UEQ1=1．209 79 ，UCQ1=9．235 82V，UBQ2=2．959 91V，UEQ2=2．159 63V，UCQ2=7．723 51V。
2．1．2 瞬態(tài)分析
瞬態(tài)分析(Transient Analysis)是一種非線性時域分析，是在給定輸入激勵信號時，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應。啟動瞬態(tài)分析時，可直接利用程序分析出的直流參數(shù)值作為初始狀態(tài)，然后定義出起始時間和終止時間，Multisim便可以自動調(diào)節(jié)合理的時間步進值，或由用戶自行定義時間步長，最后計算出輸出端在每個時間點的輸出電壓。
當放大電路輸入端通過函數(shù)信號發(fā)生器輸入一個幅值為10 mV，頻率為500 Hz的正弦波信號時，進行瞬態(tài)分析，得到輸出電壓波形，如圖3所示。圖中輸出波形正半周和負半周的幅值大小不相等，并且正、負半周波形的幅值峰值會隨著時間的變化而變化，即發(fā)生了非線性失真。非線性失真由放大電路中的非線性元件(如晶體管)所造成。在Multisim中用失真度分析儀(Distortion Analyzer)測出此時的非線性失真度，即諧波總功率與基波總功率之比，為0．144％，如圖4所示。
2．1．3 頻率響應特性分析
頻率特性可通過在電路中連接波特圖示儀(Bode Plotter)來進行分析，如圖5(a)、(b)分別為電路的幅頻特性和相頻特性。從圖中發(fā)現(xiàn)，當電路在低頻段和高頻段時，電壓放大倍數(shù)開始降低，相角也比中頻段時發(fā)生了偏移。從頻率響應特性圖中可得中頻電壓放大倍數(shù)。當電壓放大倍數(shù)下降至中頻電壓放大倍數(shù)的0．707時，下限頻率為fL≈65．544Hz≈65．5Hz，上限頻率為fH≈587． 25kHz ≈587kHz，通頻帶BW=fH-fL≈fH=587kHz。
2．2 將開關(guān)K和上，引入電壓串聯(lián)負反饋
2．2．1 負反饋能減小非線性失真，拓展通頻帶
引入電壓串聯(lián)負反饋后，同樣可利用失真度分析儀分析出此時電路失真度為0．040％?？梢姡胴摲答伜?，由于在保持信號基波成分不變的情況下，降低了諧波成分，所以減小了非線性失真。
輸出信號的波特圖如圖6所示。圖中頻帶電壓放大倍數(shù)約為10，下限頻率fL≈10．561Hz≈10．5Hz，上限頻率為fH≈9．998MHz≈10MHz，通頻帶BW=fH-fL≈fH=10 MHz?？梢姡胴摲答伜?，電壓放大倍數(shù)雖然減小了，但通頻帶大大增加了。
2．2．2 參數(shù)掃描分析
參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)設置在一定范圍內(nèi)變化，以分析參數(shù)變化時對電路性能的影響。相當于對電路進行多次不同參數(shù)的仿真分析，可快速檢驗電路性能。參數(shù)掃描分析可分為3種：直流工作點分析、瞬態(tài)分析和交流頻率分析。這里選用交流頻率分析來分析當電路中的耦合電容C1和旁路電容Ce1大小改變時，對電路頻率響應特性的影響，如圖7～圖9所示。
圖7中3條曲線從左到右依次為C1取100μF，30μF，10μF時對應的放大倍數(shù)幅頻特性曲線。圖中耦合電容C1值越大，則下限頻率越小，頻帶增寬。圖8顯示當旁路電容越大，則下限頻率越小，頻帶增寬。并且當C1和Ce2取100μF時，從中頻段到低頻段的幅頻特性曲線最接近一個矩形，低頻響應特性最好。圖9說明當晶體管極間電容Cbc值越小，則上限頻率越大，可獲得良好的高頻響應特性。
3 結(jié)語
Multisim 10仿真軟件能夠有效地仿真電路結(jié)構(gòu)和分析電路的輸出結(jié)果，使模電的學習過程能夠更加直觀清晰。另外，不需要很大地成本投入也能鍛煉到學生的動手能力，極大地提高了學生學習的主動性和學習效率，對學生的思維創(chuàng)新開拓有很大的幫助。
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