Multisim 10在模电教学中的应用

摘要：为了使模电教学更加具有直观性和实践性，将一种专门用于电路仿真和设计的EDA软件Multisim 10引入教学中。以模电课程中普遍反映比较抽象难学的3个知识点，即多级放大电路、放大电路的反馈和放大电路的频率响应特性为例，对一个多级放大电路进行了仿真，并利用Multisim 10中的虚拟仪器和软件提供的分析功能，显示和分析了当改变某个元件参数后对电路输出结果的影响，说明了利用Multisim 10能将模电教学中的重点难点很好地融合在一起，使模电教学变得更加直观清晰。另外不需要很大的成本也能很好地锻炼学生的动手实践能力。实践证明，将该软件引入课堂，有利于提高学生的学习兴趣和创新能力。
关键词：Multisim 10；模拟电路；频率响应；反馈

0 引言
    模拟电子技术作为电子技术的一个分支，是一门入门性质的技术基础课。由于内容与后续的单片机、传感器、自动控制原理等专业课都直接关联，因此各理工类院校所有涉及电类的专业都将其作为后续专业课的重要基础课。但由于模电课程本身所具有的课程特点，初学者在刚开始接触这门课程时常会感到枯燥、抽象，难以入手。所以借助于Multisim软件的虚拟仿真技术，不仅使学生在课堂上能通过观看老师对电路的操作演示，更加直观地理解各个知识点，而且还能使每个人在课堂下都能亲自动手接触电路，包括对元件的选择、参数的设定，以及电路输出结果的测试分析。因此很好地解决了理论教学与实际动手相脱节的老大难问题，使得学生的学习兴趣和学习效率都大为提高。

1 Multisim 10软件特点介绍
    Multisim 10是一种专门用于电路仿真和设计的EDA软件之一，是由美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具。它不仅具备电路设计功能，还能对整个电路信号及系统进行仿真分析，正好符合了NI公司所提出的“把实验室装进PC机中”“软件就是仪器”的理念。作为Multisim 9的升级版本，Multisim 10主要的特点包括：
    (1)交互式Spice仿真。通过提供的几十种虚拟仪器和多种分析功能，迅速了解电路行为。
    (2)通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路。
    (3)电路限制(Circuit Restrictions)功能为教学者提供了设定隐藏错误的能力，以便教导问题的排除技巧。
    (4)Multisim 10新增的Ladder Diagram，帮助学生认识控制理论。
    (5)NI ELVIS Breadboard View允许学生在实时的3D面包板环境中制作自己的电路，并进行实验。
    (6)可进行高级电路设计，供进阶设计课程或研究项目使用。

2 仿真实例
    反馈放大电路是模电的重点也是难点。另外，在传统的画图和板书的教学方法下，模电中放大电路的频率响应这个知识点也常因为其抽象性而使学生在学习时感到非常吃力，所以在这里就以这两个知识点为代表，在Multisim仿真环境下通过对一个两级放大电路的分析来说明该软件对模电教学的重要辅助作用。

    在Multisim软件中建立一个如图1所示的两级放大电路，各元件参数如图1所示。其中，2个晶体管均为β=100，rbb'=300 Ω，Cb'e=4 pF，Cb'c=41pF。
2．1 将开关K断开，电路中暂不引入级间反馈
2．1．1 静态分析
    静态分析即分析电路中的静态工作Q点，在基于电路电感短路、电容开路的基础上可直接利用Multisim中的直流工作点(DC Operating Point)分析功能快速便捷地进行静态工作点的计算，分析结果如图2所示。

    可见，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 瞬态分析
    瞬态分析(Transient Analysis)是一种非线性时域分析，是在给定输入激励信号时，分析电路输出端的瞬态响应。启动瞬态分析时，可直接利用程序分析出的直流参数值作为初始状态，然后定义出起始时间和终止时间，Multisim便可以自动调节合理的时间步进值，或由用户自行定义时间步长，最后计算出输出端在每个时间点的输出电压。

    当放大电路输入端通过函数信号发生器输入一个幅值为10 mV，频率为500 Hz的正弦波信号时，进行瞬态分析，得到输出电压波形，如图3所示。图中输出波形正半周和负半周的幅值大小不相等，并且正、负半周波形的幅值峰值会随着时间的变化而变化，即发生了非线性失真。非线性失真由放大电路中的非线性元件(如晶体管)所造成。在Multisim中用失真度分析仪(Distortion Analyzer)测出此时的非线性失真度，即谐波总功率与基波总功率之比，为0．144％，如图4所示。
2．1．3 频率响应特性分析
    频率特性可通过在电路中连接波特图示仪(Bode Plotter)来进行分析，如图5(a)、(b)分别为电路的幅频特性和相频特性。从图中发现，当电路在低频段和高频段时，电压放大倍数开始降低，相角也比中频段时发生了偏移。从频率响应特性图中可得中频电压放大倍数。当电压放大倍数下降至中频电压放大倍数的0．707时，下限频率为fL≈65．544Hz≈65．5Hz，上限频率为fH≈587．  25kHz ≈587kHz，通频带BW=fH-fL≈fH=587kHz。

2．2 将开关K和上，引入电压串联负反馈
2．2．1 负反馈能减小非线性失真，拓展通频带
    引入电压串联负反馈后，同样可利用失真度分析仪分析出此时电路失真度为0．040％。可见，引入负反馈后，由于在保持信号基波成分不变的情况下，降低了谐波成分，所以减小了非线性失真。

    输出信号的波特图如图6所示。图中频带电压放大倍数约为10，下限频率fL≈10．561Hz≈10．5Hz，上限频率为fH≈9．998MHz≈10MHz，通频带BW=fH-fL≈fH=10 MHz。可见，引入负反馈后，电压放大倍数虽然减小了，但通频带大大增加了。
2．2．2 参数扫描分析
    参数扫描分析是将电路参数设置在一定范围内变化，以分析参数变化时对电路性能的影响。相当于对电路进行多次不同参数的仿真分析，可快速检验电路性能。参数扫描分析可分为3种：直流工作点分析、瞬态分析和交流频率分析。这里选用交流频率分析来分析当电路中的耦合电容C1和旁路电容Ce1大小改变时，对电路频率响应特性的影响，如图7～图9所示。

    图7中3条曲线从左到右依次为C1取100μF，30μF，10μF时对应的放大倍数幅频特性曲线。图中耦合电容C1值越大，则下限频率越小，频带增宽。图8显示当旁路电容越大，则下限频率越小，频带增宽。并且当C1和Ce2取100μF时，从中频段到低频段的幅频特性曲线最接近一个矩形，低频响应特性最好。图9说明当晶体管极间电容Cbc值越小，则上限频率越大，可获得良好的高频响应特性。

3 结语
    Multisim 10仿真软件能够有效地仿真电路结构和分析电路的输出结果，使模电的学习过程能够更加直观清晰。另外，不需要很大地成本投入也能锻炼到学生的动手能力，极大地提高了学生学习的主动性和学习效率，对学生的思维创新开拓有很大的帮助。