分压-自偏压共源放大电路的Multisim仿真研究

摘要：针对场效应管电路分析中不同元件性能参数不同而导致一些理论计算复杂、繁琐，并且难于理解的情况，通过对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的理论研究，利用Multisim仿真软件对电路实际工作情况进行模拟，根据二者结果的对比，研究并提出了分压-自偏压共源放大电路的Multisim电路仿真研究的方法。
关键词：场效应管；分压-自偏压共源极放大电路；Multisim；仿真分析

0 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。