有源电阻.docVIP

通过Multisim实现有源电阻的仿真与分析 一．国内外研究现状 负电阻是一种较为特殊的电阻,尽管它也满足欧姆定律,但不同于正电阻,负电阻是一种有源元件。在工程中不存在像正电阻那样的单独的负电阻元件,但负电阻可以通过其它的电路元件来实现。在目前的电路实验教学中往往设置有关负电阻的实验,通过实际的电路元、器件来搭建负电阻,并测量其特性,以增强学生对这一电路元件的理解。 随着EDA技术的仿真应用,在电路实验的教学中越来越多地引入EDA软件。目前国内许多高校将电路仿真软件Multisim应用于电路课程教学和电路实验教学之中,提高了教学效果。由于Multisim软件功能齐全,几乎涵盖了电路分析的所有领域,因此如何发挥它的作用来为教学服务是值得加以关注的。本文尝试以Multisim实现负电阻的仿真和分析,作为一个电路的虚拟或仿真的实验,可以满足电路实验教学的需要。 目前Multisim软件的必威体育精装版版本???V10,而且该软件已经归入美国国家仪器公司(NI),本文的工作是基于Multisim V9来完成的。 二．现有技术的优缺点 有源负载对HYPERLINK /w/index.php?title=小信号action=editredlink=1小信号产生高阻抗，但不需要很大的直流电压降，这种特性类似于阻值很大的电阻。这类交流大负载阻抗某类HYPERLINK /wiki/放大器放大器的交流增益。有源负载常为HYPERLINK /w/index.php?title=电流镜action=editredlink=1电流镜的输出部分，并可以理想化的方式表示成电流源。但这类实验存在内容单调、要做前期准备(购买元器件、设计实验装置)、数据记录和处理不方便等缺点。 三．有源电阻的设计方案和电路设计 下面出了运算放大器线性工作区的U-I特性分析,同时也对非线性工作区进行了讨论。通过正电阻和运算放大器的搭建,可以构成负电阻电路,图1所示是一种常见的实现负电阻的电路,由于此电路在实际运用中采用的是恒压源控制,所以又称为压控型实现电路。 当运算放大器工作在线性区时,由“虚短”、“虚断”特性及分压关系有 (1) (2) 由式(1)及式(2)可得从输入端看进去的等效电阻为 (3) 式(3)成立的条件是(运算放大器工作于线性区) (4) 当运算放大器工作于正饱和区时,有,此时有 (5) 当运算放大器工作于负饱和区时,有,此时有 (6) 综合式(3)、(5)、(6)可得到电压-电流关系曲线如图1(ｂ)所示。 同样,图2（a）所示的实现电路,称为流控型实现电路,只是运算放大器的正负端口对调了一下。与上面分析类似,可知图2(a)所示电路的电压-电流关系为 得到电压-电流关系曲线如图2(b)所示。值得注意的是,上述负电阻的实现电路,运算放大器反相输入端的电阻R3必须接地,说明负电阻的两端是有区别的。 四．有源电阻的Multisim仿真与结论 图3所示为通过Multisim仿真实现的一个负电阻电路原理图。Multisim提供了两套电气元器件符号标准,其中ANSI是美国标准,DIN是欧洲标准。DIN与我国现行的标准非常相近,本文采用DIN标准。其中V2，V3是直流电压源，U2为数字式电压表，运算放大器为OPAMP 5T VIRTUAL虚拟器件(采用默认设定值),电阻R2，R3分别取1千欧姆，R1为滑动变阻器，量程为0-1000欧姆。 图3 负电阻的Multisim仿真电路（一） 利用Multisim本身的仿真功能,可以测量图3等效电阻的大小。方法是通过改变滑动变阻值R1的大小,再记录电压表Ｕ2的指示值大小,Ｖ1/Ｉ1就是等效电阻的大小。需要说明的是滑动变阻器??变动1%，相当于阻值变化10欧姆。 当滑动变阻器为40%时，如图3，此时R1=400欧姆，此时U2=9.930v,而I1=-0.005A，所以等效电阻=-1986欧姆；改动滑动变阻器的值为41%，即R1=410欧姆，如图4，U2=9.880v,而I1=-0.005A，所以等效电阻=-1976 欧姆。同理当滑动变阻器变为42%，即R1=420欧姆时，可得=-1966欧姆，如图5。 图4 负电阻的Multisim仿真电路（二） 图5 负电阻的Multisim仿真电路（三） 结论： 由上面得到的数据可知，在滑动变阻器R1由50-1000欧姆变化的范围内，R1每变化10欧姆，等效电阻误差范围在10欧姆左右。