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(qiáng)型MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的性能參數(shù)不同，在理論計(jì)算中要考慮多項(xiàng)因素而導(dǎo)致理論計(jì)算復(fù)雜、繁瑣，并且難以理解。如何利用功能強(qiáng)大的Multisim仿真軟件用形象、直觀(guān)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(hào)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路為例，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和溫度特性分析，并且與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)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(qiáng)型MOS場(chǎng)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(chǎng)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?yàn)檩斎搿⑤敵龌芈返墓捕藶閳?chǎng)效應(yīng)管的源極S，所以稱(chēng)其為共源級(jí)放大電路。靜態(tài)時(shí)，為了使場(chǎng)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(lái)獲得靜態(tài)偏置電壓UGSQ=-IDQRS，稱(chēng)其為自給柵偏壓放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)自偏壓放大電路。同時(shí)柵極電壓也能由VDD經(jīng)過(guò)電阻R1，R2分壓后提供，即場(chǎng)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(chēng)其為分壓-自偏壓共源放大電路。尤其對(duì)于增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(diǎn)，旁路電容C3起到消除RS對(duì)交流信號(hào)的衰減。當(dāng)UGS大于場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓UT，并且漏源極電壓UDS>VGS-UT時(shí)，N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，實(shí)現(xiàn)放大作用。

2 靜態(tài)分析
圖1中所選用的N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1的性能參數(shù)如下：
跨導(dǎo)gm=0．42 ms，開(kāi)啟電壓UT=4 V，UGS=2UT時(shí)，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(hào)源V1、直流電壓源VDD、場(chǎng)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(duì)話(huà)框中的Output Variables選項(xiàng)卡中選擇1，3，4節(jié)點(diǎn)即場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G、漏極D、源極S作為仿真分析節(jié)點(diǎn)，單擊Simulate按鈕，得到分析結(jié)果，如圖3所示。

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

3 動(dòng)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(jiàn)，輸入信號(hào)頻率在10 Hz～1 MHz范圍內(nèi)，N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(jiàn)，Au(dB)≈-6．8 dB，與理論計(jì)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(hào)，示波器運(yùn)行后顯示輸入、輸出波形，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，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(jì)算值-2．10相差很小。可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)分析仿真的分析結(jié)果與理論計(jì)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(guān)察輸出電壓的瞬態(tài)變化，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度分別為0℃，60℃，120℃時(shí)，輸出波形不隨溫度改變；當(dāng)環(huán)境溫度為180℃時(shí)，輸出波形幅度有微小改變。這說(shuō)明場(chǎng)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(shí)對(duì)其性能有微小的影響。

5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)從理論和實(shí)驗(yàn)仿真兩個(gè)方面對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的分壓-自偏壓共源放大電路進(jìn)行分析和論證，證明了理論分析的正確性及實(shí)驗(yàn)仿真的可靠性。針對(duì)不同性能參數(shù)的元件，通過(guò)運(yùn)用Multisim軟件中龐大的元器件庫(kù)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(xiàn)直觀(guān)地描述分壓-自偏壓共源放大電路的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及溫度特性，總結(jié)出研究N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(guān)的圖表對(duì)電路理論的正確理解具有一定的促進(jìn)作用。