工程認證下融合Multisim的含運算放大器電路教學實踐研究

姚 寧

(許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000)

“電路”課程是高校電氣信息類專業的重要專業基礎課程之一，通過電路課程的學習，使學生掌握電路的基本概念、基本理論及分析計算電路的基礎知識和基本技能，提高學生基礎理論與工程問題結合的抽象邏輯思維能力，具備電子信息工程技術人員的基本專業素養，在培養學生創新意識和加強基本技能訓練等方面起著重要作用[1].含運算放大器電路分析在電路課程體系中可獨自成林，但其又與后續課程——模擬電子技術聯系緊密，實踐性強.鑒于本知識點的特殊性，在課堂教學過程中將本知識點細化，引入現代化工具，提升學生的應用能力[2].

1 教學現狀

許昌學院電氣與機械工程學院電氣工程及其自動化專業是國家級重點專業，該專業于2018年順利通過了工程教育專業認證，這是許昌學院工程教育專業認證歷史上的突破.在工程教育認證的背景下，結合OBE(Outcomes-based Education)教育理念[3]，針對2020級電氣工程及其自動化專業電路課程教學，重新規劃課程教學過程，整合資源，梳理細化課程目標與課程教學體系，完成應用能力和創新能力的培養.2020級電氣工程及其自動化專業電路課程教學目標與主要支撐畢業要求的對應關系如表1所示，課程教學目標與電路教學體系關系如圖1所示.

表1 教學目標與主要支撐畢業要求的對應關系

通過長期一線教學中各種教學方法和教學效果的比對，完成教學目標2最具有代表性的手段是借助電子設計自動化EDA(Electronic Design Automation)仿真平臺完成電路的設計仿真[4].此方法的優勢在于借助EDA平臺可使教學過程更加清晰，條理性更強，方便學生理解掌握，同時可以激發學生的學習興趣、提升自主學習能力，將被動學習變為主動學習[5]，體現“學生中心”的教學理念.鑒于上述分析，在教學過程中引入Multisim 14.0加入課堂教學[6].

圖1 課程目標與教學體系關系

2 Multisim簡介

Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technoligics)公司推出的仿真軟件Electronics Workbench(EWB)升級版，IIT公司將EWB6.0以后專用于電路仿真與設計模塊更名為Multisim，意為“萬能仿真”[7].Multisim具有強大的仿真功能，它幾乎能100%的還原實際電路的仿真結果，而且Multisim具有豐富的元器件庫，如晶體管元器件、集成電路和數字門電路芯片等等，對于器件庫中不存在的元器件，還可以借助外部模塊導入.同時Multisim仿真軟件還具有種類眾多的虛擬測試器儀，如示波器(雙通道、4通道)、萬用表、函數發生器、功率表、伏安特性分析儀、頻率計、波特儀、邏輯分析儀[8]等等.各種功能較為直觀，方便操作，易學易用.學生可以對各種電路進行完整且合理的設計和仿真驗證，有效的設置仿真參數和測試分析.操作過程中，沒有實際元器件的消耗，減少成本，有利于理論聯系實際，并能提高學生的團隊協作能力和終身學習習慣的養成.將Multisim 14.0應用于電路的教學過程中，可以免于時間和空間的限制，輔助理論教學，直接將理論應用于實踐分析，提升教學效果，達到應用型教學的要求.

3 教學實踐研究

以反相比例運算放大電路的教學過程為例.反相比例運算放大電路的電路結構如圖2所示，輸入信號ui作用于運放的反相輸入端和地之間，同相輸入端直接接地，Rf跨接在反相輸入端和輸出端之間，構成閉環[9].

3.1 理論分析

圖2 反相比例運算放大電路

基于“理想運放”的分析方法，由“虛短”可知u-=u+=0，由“虛斷”可知i-=0，在反相輸入端結點處，列寫其KCL方程，可得ui/R1=-uo/Rf，整理得uo=-Rf/R1ui，負號說明輸出電壓uo與輸入電壓ui之間呈反相關系，該電路實現的是反相比例運算，且改變R1和Rf的值可以實現不同的比例關系[10].

運算放大器構成閉環結構時，運算放大電路的放大倍數不再受運算放大器本身放大倍數的控制，而是取決于構成閉環的電路結構，運算放大器在實現放大作用時必須工作在閉環狀態.

3.2 仿真驗證

運算放大器有一個線性工作區和兩個非線性工作區.

3.2.1 驗證線性關系

當R1=100 Ω和Rf=1 kΩ時，uo=-10ui.Multisim仿真電路及示波器顯示結果如圖3所示.輸入電壓ui=sin(2π×103t)V，由圖形關系可知，輸入達到最小值時輸出達到最大值，輸入達到大值時輸出達到最小值，輸入輸出之間相位相反.由測試數據，ui=-933.554 mV時uo=9.925 V得，uo/ui=-9.925/0.934≈-10.63，放大倍數與理論值幾乎一致，在誤差允許的范圍之內.

當R1=100 Ω和Rf=1 MΩ時，uo=-104ui.Multisim仿真電路及示波器顯示結果如圖4所示.由測試數據，ui=980.156 mV時uo=-9.811 kV得，uo/ui=-(9.811/0.980)×103≈-1.001×104，由測試結果可知，放大倍數越大，誤差越大，所以在實現大比例系數的放大時，要加強電路的設計精度(后續模擬電子技術課程中會加以討論).

圖3 uo=-10ui仿真電路及仿真結果

圖4 uo=-104ui仿真電路及仿真結果

結論：電路在此種連接方式下，運算放大器一直工作于線性區，并可以實現任意比例關系.

3.2.2 驗證非線性區的形成

在實現uo=-10ui關系的放大電路中，輸入電壓ui=sin(2π×103t)V，加入兩路直流電源VCC、VEE(控制運算放大器的最大、最小輸出電壓)，通過輸出波形驗證直流電源在運算放大電路構成時的作用.

若兩路直流電源為對稱的±15 V時，Multisim仿真電路及仿真結果如圖5所示，此時最大輸出電壓uo=±9.94 V≈±10 V≤15 V，在誤差允許的范圍之內，輸入輸出之間仍然是成比例的正弦波，運放仍然工作在線性區.

圖5 直流電源為對稱的±15 V時電路圖及仿真結果

若兩路直流電源為對稱的±5 V時，Multisim仿真電路及仿真結果如圖6所示，此時最大輸出電壓uo=±5.008 V≈±5 V，輸出波形上下半峰被切掉，輸出電壓波形仍然對稱，輸入電壓ui≥0.5 V時，運放工作在非線性區.

圖6 直流電源為對稱的±5 V時電路圖及仿真結果

若兩路直流電源不對稱時，VCC=15 V，VEE=-5 V，Multisim仿真電路及仿真結果如圖7所示，由圖中直觀可知輸出電壓波形不再對稱，此時輸出電壓uomax=9.942 V≈±10 V，uomin=-4.959 V≈-5 V.輸出電壓正半周期仍然是正弦波形，但負半周期波峰被切掉，運放有部分時間工作在非線性區.

圖7 直流電源不對成時電路圖及仿真結果

結論：運算放大電路的最大輸出電壓受外加直流電源的控制.

3.2.3 驗證負載對放大電路的影響

如圖8(a)運算放大器本身的輸出電阻RO=10 Ω，負載RL=1 kΩ時，仿真電路及仿真結果如圖8(b)、8(c)所示.輸出電壓與輸入電壓之間仍是反相比例關系，由圖中數據可得uo/ui=-9.838/0.983≈-10.008，輸出電壓uo不受負載的影響.

結論：運放的輸出電阻小，所以其輸出電壓幾乎不受負載的影響，帶負載能力強.

圖8 負載對輸出電壓的影響電路圖及仿真結果

4 結語

教學過程與Multisim仿真研究融合一起，降低了理論教學的難度，原理直觀明了，能加深學生對相應知識點的理解應用，教學效果較好.由此，在后續的教學過程中，與實踐聯系緊密的知識點，均可試著嘗試將仿真輔助理論分析，排解理論與實踐脫節的難題.在運算放大電路的講解過程中引入Multisim仿真，前期將運算放大器器件特性和應用特點了解清楚，方便后續課程模擬電子技術課程中對運放放大器內部結構(差分放大電路、偏置電路、互補輸出級等)[10]的深入學習.