分壓-自偏壓共源放大電路的Multisim仿真研究

0 引言
在由N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路中，由于所選用場效應(yīng)管的性能參數(shù)不同，在理論計算中要考慮多項因素而導(dǎo)致理論計算復(fù)雜、繁瑣，并且難以理解。如何利用功能強大的Multisim仿真軟件用形象、直觀的圖表詮釋難以理解的理論，顯得尤為重要。目前相關(guān)方面的研究很少，本文以某一型號N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路為例，進行靜態(tài)、動態(tài)和溫度特性分析，并且與理論計算結(jié)果對比，得出分壓-自偏壓共源放大電路的Multisim電路仿真分析方法。

1 分壓-自偏壓共源放大電路工作原理
由N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源極放大電路如圖1所示。輸入電壓Ui加在場效應(yīng)管Q1的柵極G和源極S之間，輸出電壓U。從漏極D和源極S之間得到。因為輸入、輸出回路的公共端為場效應(yīng)管的源極S，所以稱其為共源級放大電路。靜態(tài)時，為了使場效應(yīng)管Q1能夠正常工作，必須在柵-源極之間加上大小適當(dāng)?shù)钠珘?，通常利用靜態(tài)漏極電流IDQ在源極電阻RS上產(chǎn)生的壓降來獲得靜態(tài)偏置電壓UGSQ=-IDQRS，稱其為自給柵偏壓放大電路，簡稱自偏壓放大電路。同時柵極電壓也能由VDD經(jīng)過電阻R1，R2分壓后提供，即場效應(yīng)管的靜態(tài)偏置電壓UGSQ由分壓和自偏壓共同決定，UGSQ=VGQ-VSQ，因此稱其為分壓-自偏壓共源放大電路。尤其對于增強型MOS場效應(yīng)管，由于不能形成自偏壓，所以通常采用分壓-自偏壓共源放大電路形式。圖中柵極電阻RG用于提高電路的輸入電阻Ri，源極電阻RS既能利用IDQ在其上的壓降為柵極提供偏壓UGSQ，也有利于穩(wěn)定靜態(tài)工作點，旁路電容C3起到消除RS對交流信號的衰減。當(dāng)UGS大于場效應(yīng)管的開啟電壓UT，并且漏源極電壓UDS>VGS-UT時，N溝道增強型MOS場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，實現(xiàn)放大作用。

2 靜態(tài)分析
圖1中所選用的N溝道增強型MOS場效應(yīng)管Q1的性能參數(shù)如下：
跨導(dǎo)gm=0．42 ms，開啟電壓UT=4 V，UGS=2UT時，漏極電流IDO=0．45 mA。其他元件參數(shù)如圖1所示。根據(jù)圖1所示輸入回路可得到：

使用Multisim仿真軟件選擇信號源V1、直流電壓源VDD、場效應(yīng)管Q1、電阻、電容、模擬示波器等創(chuàng)建分壓-自偏壓共源放大電路仿真分析電路，如圖2所示。

選擇Simulate菜單中的Analysis命令，然后選擇DC Operation Point子命令，在彈出的對話框中的Output Variables選項卡中選擇1，3，4節(jié)點即場效應(yīng)管的柵極G、漏極D、源極S作為仿真分析節(jié)點，單擊Simulate按鈕，得到分析結(jié)果，如圖3所示。

可見，靜態(tài)分析仿真的分析結(jié)果與理論計算數(shù)值非常接近。

3 動態(tài)分析

使用Multisim仿真軟件，選擇Sireulate菜單中的Analysis命令，然后選擇AC Operation Point子命令，單擊Simulate按鈕，得到幅頻特性分析和相頻特性分析結(jié)果，如圖4，圖5所示。由圖4，圖5可見，輸入信號頻率在10 Hz～1 MHz范圍內(nèi)，N溝道增強型MOS場效應(yīng)管應(yīng)用電路的幅頻特性和相頻特性均穩(wěn)定、工作正常。由圖4可見，Au(dB)≈-6．8 dB，與理論計算值相符。

使用MuItisim仿真軟件，選擇虛擬雙蹤示波器Oscilloscope，CH1，CH2信道分別接入電路輸入、輸出信號，示波器運行后顯示輸入、輸出波形，如圖6所示。由圖6可見，輸出波形電壓幅值Votop=42．041 mV，Vitop=19．250 mV，電壓放大倍數(shù)，與理論計算值-2．10相差很小。可見，動態(tài)分析仿真的分析結(jié)果與理論計算數(shù)值基本相符，仿真圖形清晰明了、易于理解。

4 溫度特性分析
使用Multisim仿真軟件，選擇Simulate／Analysis／Temperature Sweep Analysis／Transient Analysis命令，環(huán)境溫度分別設(shè)置為0℃，60℃，120℃，180℃，觀察輸出電壓的瞬態(tài)變化，如圖7所示。由圖7可見，當(dāng)環(huán)境溫度分別為0℃，60℃，120℃時，輸出波形不隨溫度改變；當(dāng)環(huán)境溫度為180℃時，輸出波形幅度有微小改變。這說明場效應(yīng)管的性能受溫度的影響很小，只有在環(huán)境溫度非常高時對其性能有微小的影響。

5 結(jié)語
通過從理論和實驗仿真兩個方面對N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路進行分析和論證，證明了理論分析的正確性及實驗仿真的可靠性。針對不同性能參數(shù)的元件，通過運用Multisim軟件中龐大的元器件庫和虛擬儀器儀表以及各種完善的分析方法，用仿真數(shù)據(jù)及曲線直觀地描述分壓-自偏壓共源放大電路的靜態(tài)、動態(tài)及溫度特性，總結(jié)出研究N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路的方法，其形象、直觀的圖表對電路理論的正確理解具有一定的促進作用。