基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

　差分放大電路利用電路參數(shù)的對(duì)稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔茫行У胤€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)為顯著特征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路的輸入級(jí)。但是差分放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣，特別是其對(duì)差模輸入和共模輸入信號(hào)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(guò)對(duì)實(shí)際電子電路的仿真分析，對(duì)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。

　　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，和較新版本Muhisim 10。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(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選取。操作方法簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(cè)試儀表(如示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、波特圖儀等)對(duì)電路進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(jiàn)的印刷電路軟件PCB進(jìn)行印刷電路設(shè)計(jì)

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　在Multisim 10中建立了如圖1所示的典型差動(dòng)放大電路。T1，T2均為NPN晶體管(2N2222A)，電流放大系數(shù)β設(shè)置為80。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)J1，J2可選擇在差動(dòng)放大電路的輸入端加入直流或交流信號(hào)。數(shù)字萬(wàn)用表用于測(cè)量直流輸出電壓，示波器用于觀測(cè)交流輸入／輸出電壓波形，測(cè)量探針用于仿真時(shí)實(shí)時(shí)顯示待測(cè)支路的電壓和電流。

　　實(shí)際電路中T1，T2宜選用差分對(duì)管，晶體管的靜態(tài)電流ICQ不宜超過(guò)1 mA。由ICQ可選取兩管共用的發(fā)射極電阻Re，且Re不影響差模電壓放大倍數(shù)，僅對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫虼丝梢杂行У匾种?ldquo;零點(diǎn)漂移”，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。由于兩個(gè)放大器的參數(shù)不可能完全一致，因此通過(guò)電位器Rp對(duì)電路進(jìn)行調(diào)零。

　　基極電阻Rb1，Rb2應(yīng)根據(jù)差模輸入電阻的要求選定。選取集電極電阻Rc1、Rc2時(shí)應(yīng)使靜態(tài)工作點(diǎn)靠近負(fù)載線的中點(diǎn)。根據(jù)輸入端和輸出端接“地”情況的不同，差動(dòng)放大電路有以下4種不同接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。

　　2 靜態(tài)工作點(diǎn)分析

　　圖1差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)因輸入端不加信號(hào)，T1，T2的基極電位近似為零，因此電位器Rp兩端的電位均為-UBE(對(duì)于硅管約為-0．7 V)，如電位器Rp的滑動(dòng)端處于中點(diǎn)位置，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)為：

　　Multisim 10中直流工作點(diǎn)分析方法是對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)，主要用來(lái)計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，此時(shí)電路中的交流電源將被置為零，電感短路，電容開(kāi)路。進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析時(shí)需將電路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示在電路圖上(見(jiàn)圖1)，并需要選擇待分析的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。依次執(zhí)行Simulate／Analyses／DC Operating Point(直流工作點(diǎn))分析命令，設(shè)置圖1中1，2，u01，u02，Iprobe2，Iprobe3為輸出節(jié)點(diǎn)(變量)，得到圖2所示的靜態(tài)工作點(diǎn)分析結(jié)果：Ie=1．48 mA，Ic1=Ic2=0．732 mA，Uc1=Uc2=4．68 V，所測(cè)參數(shù)與式(1)～式(3)分析結(jié)果基本一致。

　　3 參數(shù)掃描分析

　　參數(shù)掃描分析用來(lái)研究電路中某個(gè)元件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)電路性能的影響。選擇圖1中電阻Re為參數(shù)掃描分析元件，分析其阻值變化對(duì)電路輸出波形的影響。圖1差動(dòng)放大電路設(shè)置為交流信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz、幅值為150 mV，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Parametet Sweep(參數(shù)掃描)命令，設(shè)置掃描方式為L(zhǎng)inear(線性掃描)，設(shè)置電阻Re掃描起始值為5 kΩ，掃描終值為7．5 kΩ，掃描點(diǎn)數(shù)為3，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01，得到如圖3(a)所示參數(shù)掃描分析結(jié)果。當(dāng)Re=5 kΩ時(shí)，由于T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，其輸出電壓u01產(chǎn)生了飽和失真。可見(jiàn)，Re阻值的變化影響差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

　　4 溫度掃描分析

　　溫度掃描分析用來(lái)研究溫度變化對(duì)電路性能的影響，相當(dāng)于在不同的工作溫度下進(jìn)行多次仿真。

　　圖1差動(dòng)放大電路設(shè)置為交流信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Tempera-ture Sweep(溫度掃描)命令，設(shè)置掃描方式為L(zhǎng)ist(取列表值掃描)，設(shè)置掃描溫度為0℃，27℃，120℃，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01得到如圖3(b)所示溫度掃描分析結(jié)果。隨著溫度的升高，T1管的輸出電壓幅值變小?？梢?jiàn)，故溫度變化會(huì)影響單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

　　由于溫度的變化與T1，T2參數(shù)的變化相同，集電極靜態(tài)電流、電位的變化也相等，故輸出電壓u0的變化為零，可將溫度變化等效為共模信號(hào)，因此差動(dòng)放大電路對(duì)溫度變化產(chǎn)生的“零點(diǎn)漂移”具有抑制作用。

　　5 動(dòng)態(tài)參數(shù)分析

　　圖1電路的差模電壓放大倍數(shù)Aud與單管共射電路相同，且Aud由輸出方式?jīng)Q定，而與輸入方式無(wú)關(guān)。

　　計(jì)算雙端輸出差模放大倍數(shù)為：

　　5．1 傳遞函數(shù)分析

　　依據(jù)傳遞函數(shù)分析可計(jì)算電路中輸入源與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓或一個(gè)電流輸出變量之間的直流小信號(hào)傳遞函數(shù)，同樣可以用于計(jì)算輸入和輸出的阻抗。

　　將圖1電路分別設(shè)置為直流差模、直流共模信號(hào)輸入方式，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Transfer Function Analysis(傳遞函數(shù)分析)命令，設(shè)置V3為輸入電壓源，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01，分別得到如圖4(a)，4(b)所示傳遞函數(shù)分析結(jié)果。由圖4測(cè)得Aud1=-12．4，Auc1=-0.64，所測(cè)參數(shù)與式(5)、式(6)分析結(jié)果基本一致。

　　5．2 直流信號(hào)測(cè)試

　　撥動(dòng)開(kāi)關(guān)J1，J2，在圖1電路中兩輸入端加入直流差模信號(hào)ui1=+0．1V，ui2=-0．1V，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得uo1=2．246V，uo2=7.115V。計(jì)算Aud=(2．246-7．115)／0．2=-24．345，Aud1=(2．246-4．68)／0．2=-12．17，Aud2=(7．115-4．68)／0．2=12．175。在圖1電路中兩輸入端加入直流共模信號(hào)ui1=ui2=0．1 V，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得uo1=uo2=4．616 V。計(jì)算Auc1=Auc2=(4．616-4．68)／0．1=-0．64，Auc為零。直流信號(hào)測(cè)試參數(shù)與式(4)～式(6)分析結(jié)果基本一致。

　　5．3 交流信號(hào)測(cè)試

　　5．3．1 單端輸出

　　在圖1電路中兩輸入端分別加入交流差模信號(hào)(函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出端接ui1、地端接ui2，構(gòu)成單端輸入方式)及交流共模信號(hào)(函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出端同時(shí)接ui1，ui2)，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz、幅值為10 mV。

　　通過(guò)示波器觀測(cè)差模、共模信號(hào)輸入波形和單端輸出波形如圖5所示。由示波器測(cè)得：差模單端輸出電壓的幅值約為119mV，Aud2=11.9；共模單端輸出電壓的幅值約為6．4 mV，Auc1=-0．64。單端輸出測(cè)試參數(shù)與式(5)、式(6)分析結(jié)果基本一致。

　　5．3．2 雙端輸出

　　由于Multisim 10提供的示波器不能直接測(cè)量uo兩端的電壓波形，因此需通過(guò)后處理器對(duì)雙端輸出電壓進(jìn)行觀測(cè)。在進(jìn)行后處理之前需要對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，然后將瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行后處理。瞬態(tài)分析是一種非線性電路分析方法，可用來(lái)分析電路中某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，Multisim 10會(huì)根據(jù)給定的時(shí)間范圍，選擇合理的時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算所選節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓，通常以節(jié)點(diǎn)電壓波形作為瞬態(tài)分析的結(jié)果。圖1電路設(shè)置為交流差模信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執(zhí)行Simulate／An-alyses／Transient Analysis(瞬態(tài)分析)命令，選擇圖1電路中節(jié)點(diǎn)uo1，uo2的電壓作為輸出變量，得到如圖6所示的瞬態(tài)分析結(jié)果。可見(jiàn)，uo1，uo2大小相等、相位相反。后處理器(Postprocessor)是專門對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算處理的工具，不僅能對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算，還能對(duì)多個(gè)曲線或數(shù)據(jù)之間進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，并將結(jié)果繪制到曲線圖或圖表中，繪制的結(jié)果表現(xiàn)為“軌跡線”的形式。

　　依次執(zhí)行Simulate／Postprocessor(后處理器)命令，選擇對(duì)圖6瞬態(tài)分析結(jié)果中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(uo1，uo2)輸出電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的差模信號(hào)雙端輸出電壓uo波形如圖7所示。由圖7可測(cè)得uo的幅值約為242 mV，計(jì)算Aud=-24．2，雙端輸出測(cè)試參數(shù)與式(4)分析結(jié)果基本一致。圖1電路設(shè)置為交流共模信號(hào)輸入方式，通過(guò)瞬態(tài)分析和后處理器測(cè)得共模信號(hào)雙端輸出電壓uo幅值僅為0．062μV，Auc=6．2×10-6?？梢?jiàn)，差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)具有很好的抑制作用。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　應(yīng)用Multisim 10軟件對(duì)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(dòng)，并且不受場(chǎng)地(可以在教室、宿舍)，不受時(shí)間(課內(nèi)、課外)的限制，通過(guò)教師演示和學(xué)生動(dòng)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(shí)，同時(shí)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。