分压-自偏压共源放大电路的Multisim仿真研究

    引言
    在由N沟道增强型MOS场效应管组成的分压-自偏压共源放大电路中，由于所选用场效应管的性能参数不同，在理论计算中要考虑多项因素而导致理论计算复杂、繁琐，并且难以理解。如何利用功能强大的Multisim仿真软件用形象、直观的图表诠释难以理解的理论，显得尤为重要。目前相关方面的研究很少，本文以某一型号N沟道增强型MOS场效应管组成的分压-自偏压共源放大电路为例，进行静态、动态和温度特性分析，并且与理论计算结果对比，得出分压-自偏压共源放大电路的Multisim电路仿真分析方法。

    1 分压-自偏压共源放大电路工作原理

    由N沟道增强型MOS场效应管组成的分压-自偏压共源极放大电路如图1所示。输入电压Ui加在场效应管Q1的栅极G和源极S之间，输出电压U。从漏极D和源极S之间得到。因为输入、输出回路的公共端为场效应管的源极S，所以称其为共源级放大电路。静态时，为了使场效应管Q1能够正常工作，必须在栅-源极之间加上大小适当的偏压，通常利用静态漏极电流IDQ在源极电阻RS上产生的压降来获得静态偏置电压UGSQ=-IDQRS，称其为自给栅偏压放大电路，简称自偏压放大电路。同时栅极电压也能由VDD经过电阻R1，R2分压后提供，即场效应管的静态偏置电压UGSQ由分压和自偏压共同决定，UGSQ=VGQ-VSQ，因此称其为分压-自偏压共源放大电路。尤其对于增强型MOS场效应管，由于不能形成自偏压，所以通常采用分压-自偏压共源放大电路形式。图中栅极电阻RG用于提高电路的输入电阻Ri，源极电阻RS既能利用IDQ在其上的压降为栅极提供偏压UGSQ，也有利于稳定静态工作点，旁路电容C3起到消除RS对交流信号的衰减。当UGS大于场效应管的开启电压UT，并且漏源极电压UDS>VGS-UT时，N沟道增强型MOS场效应管工作在恒流区，实现放大作用。

    2 静态分析

    图1中所选用的N沟道增强型MOS场效应管Q1的性能参数如下：
    跨导gm=0．42 ms，开启电压UT=4 V，UGS=2UT时，漏极电流IDO=0．45 mA。其他元件参数如图1所示。根据图1所示输入回路可得到：
   
    使用Multisim仿真软件选择信号源V1、直流电压源VDD、场效应管Q1、电阻、电容、模拟示波器等创建分压-自偏压共源放大电路仿真分析电路，如图2所示。

    选择Simulate菜单中的Analysis命令，然后选择DC Operation Point子命令，在弹出的对话框中的Output Variables选项卡中选择1，3，4节点即场效应管的栅极G、漏极D、源极S作为仿真分析节点，单击Simulate按钮，得到分析结果，如图3所示。

    可见，静态分析仿真的分析结果与理论计算数值非常接近。

3 动态分析

    使用Multisim仿真软件，选择Sireulate菜单中的Analysis命令，然后选择AC Operation Point子命令，单击Simulate按钮，得到幅频特性分析和相频特性分析结果，如图4，图5所示。由图4，图5可见，输入信号频率在10 Hz～1 MHz范围内，N沟道增强型MOS场效应管应用电路的幅频特性和相频特性均稳定、工作正常。由图4可见，Au(dB)≈-6．8 dB，与理论计算值相符。

    使用MuItisim仿真软件，选择虚拟双踪示波器Oscilloscope，CH1，CH2信道分别接入电路输入、输出信号，示波器运行后显示输入、输出波形，如图6所示。由图6可见，输出波形电压幅值Votop=42．041 mV，Vitop=19．250 mV，电压放大倍数，与理论计算值-2．10相差很小。可见，动态分析仿真的分析结果与理论计算数值基本相符，仿真图形清晰明了、易于理解。

    4 温度特性分析

    使用Multisim仿真软件，选择Simulate／Analysis／Temperature Sweep Analysis／Transient Analysis命令，环境温度分别设置为0℃，60℃，120℃，180℃，观察输出电压的瞬态变化，如图7所示。由图7可见，当环境温度分别为0℃，60℃，120℃时，输出波形不随温度改变；当环境温度为180℃时，输出波形幅度有微小改变。这说明场效应管的性能受温度的影响很小，只有在环境温度非常高时对其性能有微小的影响。

    5 结语

    通过从理论和实验仿真两个方面对N沟道增强型MOS场效应管组成的分压-自偏压共源放大电路进行分析和论证，证明了理论分析的正确性及实验仿真的可靠性。针对不同性能参数的元件，通过运用Multisim软件中庞大的元器件库和虚拟仪器仪表以及各种完善的分析方法，用仿真数据及曲线直观地描述分压-自偏压共源放大电路的静态、动态及温度特性，总结出研究N沟道增强型MOS场效应管组成的分压-自偏压共源放大电路的方法，其形象、直观的图表对电路理论的正确理解具有一定的促进作用。