基于Multisim的差分放大電路仿真分析
差分放大電路利用電路參數(shù)的對稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔?，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術(shù)中的難點(diǎn)。 Muhisim作為著名的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，具有仿真速度快、精度高、準(zhǔn)確、形象等優(yōu)點(diǎn)。因此，Multisim被許多高校引入到電子電路實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)中，形成虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)室。通過對實(shí)際電子電路的仿真分析，對于縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要意義。
1 Multisim8軟件的特點(diǎn)
Muhisim是加拿大IIT(Interactive Image Tech—nologies) 公司在EWB(Electronics Workbench)基礎(chǔ) 上推出的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，Muhisim現(xiàn)有版本為Muhisim2001，Muhisim7和較新版本Muhisim8。它具有這樣一些特點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)高度集成，界面直觀，操作方便。將電路原理圖的創(chuàng)建、電路的仿真分析和分析結(jié)果的輸出都集成在一起。采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)驗(yàn)室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。操作方法簡單易學(xué)。
(2)支持模擬電路、數(shù)字電路以及模擬／數(shù)字混合電路的設(shè)計(jì)仿真。既可以分別對模擬電子系統(tǒng)和數(shù)字電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，也可以對數(shù)字電路和模擬電路混合在一起的電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。
(3)電路分析手段完備，除了可以用多種常用測試儀表(如示波器、數(shù)字萬用表、波特圖儀等)對電路進(jìn)行測試以外，還提供多種電路分析方法，包括靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析等。
(4)提供多種輸入／輸出接口，可以輸入由PSpice 等其他電路仿真軟件所創(chuàng)建的Spice網(wǎng)表文件，并自動形成相應(yīng)的電路原理圖，也可以把Muhisim環(huán)境下創(chuàng)建的電路原理圖文件輸出給Protel等常見的印刷電路軟件PCB進(jìn)行印刷電路設(shè)計(jì)。
2 差分放大電路仿真分析
運(yùn)行Muhisim 8，在繪圖編輯器中選擇信號源、直 流電源、三極管、電阻，創(chuàng)建雙端輸入雙端輸出差分放大電路(雙入雙出差分放大電路)如圖1所示，標(biāo)出電路中的結(jié)點(diǎn)編號。
該次仿真中，采用虛擬直流電壓源和虛擬晶體管，差分輸入信號采用一對峰值為5 mV、頻率為1 kHz的 虛擬正弦波信號源。設(shè)置虛擬晶體管的模型參數(shù)BF= 150，RR=300Ω。
2．1．1 直流分析
直流分析實(shí)際上就是確定靜態(tài)工作點(diǎn)。選擇Sim-ulate菜單中的Analysis命令，然后選擇Dc OperatingPoint子命令，分析結(jié)果如圖2所示。
用靜態(tài)工作點(diǎn)分析方法得VBEQ1=UBEQ2=O．69 V，UCEQ1=UCEQ2=V3一V2Δ8．94 V，與題中理論計(jì)算結(jié)果完全相同。
2．1．2 差模放大倍數(shù)分析
加差模信號 ui1，ui2，分別接入電路的左右輸入端，電阻R1作為輸出負(fù)載，則電路的接法屬于雙入雙出。將四通道示波器XSC1的3個通道分別接在信號源ui1和負(fù)載R1兩端，如圖1所示。運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整各通道顯示比例，得差分放大電路的輸入／輸出波形如圖3所示。
用示波器觀察和測量輸入電壓和輸出電壓值，差模信號單邊電壓V1△一3．597 mV(5 mV／Div)，單邊輸出交流幅值約為170．124 mV(500 mV／Div)，所以雙入雙出差分放大電路的差模放大倍數(shù)AuΔ一170．124／3．597=一47，與單管共射的放大倍數(shù)相同，即差分放大電路對差模信號具有很強(qiáng)的放大能力。仿真結(jié)果與題中理論計(jì)算結(jié)果相同。
2．2 共模抑制特性仿真分析
2．2．1 共模放大倍數(shù)分析
在圖1中，將信號源ui2的方向反過來，即加上共模信號，運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整A，B通道顯示比例，可得如圖4所示波形。
由圖4波形可知，在峰一峰14 mV(有效值為5 mV)的共模信號作用下，輸出的峰值極小，峰一峰值為13 mV，因此單邊共模放大倍數(shù)小于1。且uc1和uc2大小相等，極性相同。所以，在參數(shù)對稱且雙端輸出時，共模放大倍數(shù)等于0，說明差分放大電路對共模信號具有很強(qiáng)的抑制能力。顯然，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。
2．2．2 共模抑制比分析
選擇Simulate菜單中的Analysis命令，然后選擇Transient Analysis子命令，選擇結(jié)點(diǎn)3，4作為輸出，單擊Simulate按鈕；選擇Simulate菜單中的后處理器Postprocessor子命令，在Expression列表框中編輯“V($4)一V($3)”，然后打開Graph選項(xiàng)卡，可畫出差分放大電路共模輸入雙端輸出波形，見圖5?？梢?，波形屬于噪聲信號，且幅值極小，可忽略不計(jì)。因此，差分放大電路雙端輸出時，其共模抑制比KCNR趨于無窮大。如果再將圖1所示的電路中發(fā)射極電阻R2改為恒流源，重復(fù)前面步驟，再分析共模特性，可得出結(jié)論：具有恒流源的差分放大電路的共模抑制比KCNR更高。
3 結(jié) 語
應(yīng)用Multisim8軟件對差分放大電路進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明仿真與理論分析和計(jì)算結(jié)果一致，應(yīng)用Multisim進(jìn)行虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以十分方便快捷地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，突破了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中硬件設(shè)備條件的限制，大大提高了實(shí)驗(yàn)的深度和廣度。利用仿真可以使枯燥的電路變得有趣，復(fù)雜的波形變得形象生動，并且不受場地(可以在教室、宿舍)，不受時間(課內(nèi)、課外)的限制，通過教師演示和學(xué)生動手設(shè)計(jì)、調(diào)試，不但可以使學(xué)生更好地掌握所學(xué)的知識，同時提高了學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。
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