模擬電路仿真軟件

Multisim模擬電路仿真

本章Multisim10電路仿真軟件，講解使用Multisim進(jìn)行模擬電路仿真的基本方法。

目錄

Multisim軟件入門

二極管電路

基本放大電路

差分放大電路

負(fù)反饋放大電路

集成運(yùn)放信號運(yùn)算和處理電路

互補(bǔ)對稱(OCL)功率放大電路

信號產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換電路

可調(diào)式三端集成直流穩(wěn)壓電源電路

13.1 Multisim用戶界面及基本操作

13.1.1 Multisim用戶界面

在眾多的EDA仿真軟件中，Multisim軟件界面友好、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，受到電類設(shè)計(jì)開發(fā)人員的青睞。Multisim用軟件方法虛擬電子元器件及儀器儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設(shè)計(jì)、電路測試的虛擬仿真軟件。

Multisim來源于加拿大圖像交互技術(shù)公司(Interactive Image Technologies，簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，原名EWB。

IIT公司于1988年推出一個(gè)用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件Electronics Work Bench(電子工作臺，簡稱EWB)，以界面形象直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用而得到迅速推廣使用。

1996年IIT推出了EWB5.0版本，在EWB5.x版本之后，從EWB6.0版本開始，IIT對EWB進(jìn)行了較大變動(dòng)，名稱改為Multisim(多功能仿真軟件)。

IIT后被美國國家儀器(NI，National Instruments)公司收購，軟件更名為NI Multisim，Multisim經(jīng)歷了多個(gè)版本的升級，已經(jīng)有Multisim2001、 Multisim7、 Multisim8、Multisim9 、Multisim10等版本，9版本之后增加了單片機(jī)和LabVIEW虛擬儀器的仿真和應(yīng)用。

下面以Multisim10為例介紹其基本操作。圖13.1-1是Multisim10的用戶界面，包括菜單欄、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、主工具欄、虛擬儀器工具欄、元器件工具欄、仿真按鈕、狀態(tài)欄、電路圖編輯區(qū)等組成部分。

圖13.1-1 Multisim10用戶界面

菜單欄與Windows應(yīng)用程序相似，如圖13.1-2所示。

圖13.1-2 Multisim菜單欄

其中，Options菜單下的Global Preferences和Sheet Properties可進(jìn)行個(gè)性化界面設(shè)置，Multisim10提供兩套電氣元器件符號標(biāo)準(zhǔn)：

ANSI：美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會，美國標(biāo)準(zhǔn)，默認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)，本章采用默認(rèn)設(shè)置;

DIN：德國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會，歐洲標(biāo)準(zhǔn)，與中國符號標(biāo)準(zhǔn)一致。

工具欄是標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序風(fēng)格。

標(biāo)準(zhǔn)工具欄：

視圖工具欄：

圖13.1-3是主工具欄及按鈕名稱，圖13.1-4是元器件工具欄及按鈕名稱，圖13.1-5是虛擬儀器工具欄及儀器名稱。

圖13.1-3 Multisim主工具欄

圖13.1-4 Multisim元器件工具欄

圖13.1-5 Multisim虛擬儀器工具欄

項(xiàng)目管理器位于Multisim10工作界面的左半部分，電路以分層的形式展示，主要用于層次電路的顯示，3個(gè)標(biāo)簽為：

Hierarchy：對不同電路的分層顯示，單擊“新建”按鈕將生成Circuit2電路;

Visibility：設(shè)置是否顯示電路的各種參數(shù)標(biāo)識，如集成電路的引腳名;

Project View：顯示同一電路的不同頁。

13.1.2 Multisim仿真基本操作

Multisim10仿真的基本步驟為：

建立電路文件

放置元器件和儀表

元器件編輯

連線和進(jìn)一步調(diào)整

電路仿真

輸出分析結(jié)果

具體方式如下：

建立電路文件

具體建立電路文件的方法有：

打開Multisim10時(shí)自動(dòng)打開空白電路文件Circuit1，保存時(shí)可以重新命名

菜單File/New

工具欄New按鈕

快捷鍵Ctrl+N

放置元器件和儀表

Multisim10的元件數(shù)據(jù)庫有：主元件庫(Master Database)，用戶元件庫(User Database)，合作元件庫(Corporate Database)，后兩個(gè)庫由用戶或合作人創(chuàng)建，新安裝的Multisim10中這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫是空的。

放置元器件的方法有：

菜單Place Component

元件工具欄：Place/Component

在繪圖區(qū)右擊，利用彈出菜單放置

快捷鍵Ctrl+W

放置儀表可以點(diǎn)擊虛擬儀器工具欄相應(yīng)按鈕，或者使用菜單方式。

以晶體管單管共射放大電路放置+12V電源為例，點(diǎn)擊元器件工具欄放置電源按鈕(Place Source)，得到如圖13.1-6所示界面。

圖13.1-6 放置電源

修改電壓值為12V，如圖13.1-7所示。

圖13.1-7 修改電壓源的電壓值

同理，放置接地端和電阻，如圖13.1-8所示。

圖13.1-8 放置接地端(左圖)和電阻(右圖)

圖13.1-9為放置了元器件和儀器儀表的效果圖，其中左下角是函數(shù)信號發(fā)生器，右上角是雙通道示波器。

圖13.1-9 放置元器件和儀器儀表

3. 元器件編輯

(1)元器件參數(shù)設(shè)置

雙擊元器件，彈出相關(guān)對話框，選項(xiàng)卡包括：

Label：標(biāo)簽，Refdes編號，由系統(tǒng)自動(dòng)分配，可以修改，但須保證編號唯一性

Display：顯示

Value：數(shù)值

Fault：故障設(shè)置，Leakage漏電;Short短路;Open開路;None無故障(默認(rèn))

Pins：引腳，各引腳編號、類型、電氣狀態(tài)

(2)元器件向?qū)?Component Wizard)

對特殊要求，可以用元器件向?qū)Ь庉嬜约旱脑骷?，一般是在已有元器件基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯和修改。方法是：菜單Tools/ Component Wizard，按照規(guī)定步驟編輯，用元器件向?qū)Ь庉嬌傻脑骷胖迷赨ser Database(用戶數(shù)據(jù)庫)中。

4. 連線和進(jìn)一步調(diào)整

連線：

(1)自動(dòng)連線：單擊起始引腳，鼠標(biāo)指針變?yōu)椤笆弊中?，移?dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)引腳或?qū)Ь€，單擊，則連線完成，當(dāng)導(dǎo)線連接后呈現(xiàn)丁字交叉時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)在交叉點(diǎn)放節(jié)點(diǎn)(Junction);

(2)手動(dòng)連線：單擊起始引腳，鼠標(biāo)指針變?yōu)椤笆弊中魏螅谛枰諒澨巻螕?，可以固定連線的拐彎點(diǎn)，從而設(shè)定連線路徑;

(3)關(guān)于交叉點(diǎn)，Multisim10默認(rèn)丁字交叉為導(dǎo)通，十字交叉為不導(dǎo)通，對于十字交叉而希望導(dǎo)通的情況，可以分段連線，即先連接起點(diǎn)到交叉點(diǎn)，然后連接交叉點(diǎn)到終點(diǎn);也可以在已有連線上增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)(Junction)，從該節(jié)點(diǎn)引出新的連線，添加節(jié)點(diǎn)可以使用菜單Place/Junction，或者使用快捷鍵Ctrl+J。

進(jìn)一步調(diào)整：

(1)調(diào)整位置：單擊選定元件，移動(dòng)至合適位置;

(2)改變標(biāo)號：雙擊進(jìn)入屬性對話框更改;

(3)顯示節(jié)點(diǎn)編號以方便仿真結(jié)果輸出：菜單Options/Sheet Properties/Circuit/Net Names，選擇Show All;

(4)導(dǎo)線和節(jié)點(diǎn)刪除：右擊/Delete，或者點(diǎn)擊選中，按鍵盤Delete鍵。

圖13.1-10是連線和調(diào)整后的電路圖，圖13.1-11是顯示節(jié)點(diǎn)編號后的電路圖。

圖13.1-10 連線和調(diào)整后的電路圖

(a)顯示節(jié)點(diǎn)編號對話框 (b)顯示節(jié)點(diǎn)編號后的電路圖

1

圖13.1-11 電路圖的節(jié)點(diǎn)編號顯示

5.電路仿真

基本方法：

按下仿真開關(guān)，電路開始工作，Multisim界面的狀態(tài)欄右端出現(xiàn)仿真狀態(tài)指示;

雙擊虛擬儀器，進(jìn)行儀器設(shè)置，獲得仿真結(jié)果

圖13.1-12是示波器界面，雙擊示波器，進(jìn)行儀器設(shè)置，可以點(diǎn)擊Reverse按鈕將其背景反色，使用兩個(gè)測量標(biāo)尺，顯示區(qū)給出對應(yīng)時(shí)間及該時(shí)間的電壓波形幅值，也可以用測量標(biāo)尺測量信號周期。

圖13.1-12 示波器界面(右圖為點(diǎn)擊Reverse按鈕將背景反色)

輸出分析結(jié)果

使用菜單命令Simulate/Analyses，以上述單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析為例，步驟如下：

菜單Simulate/Analyses/DC Operating Point

選擇輸出節(jié)點(diǎn)1、4、5，點(diǎn)擊ADD、Simulate

圖13.1-13 靜態(tài)工作點(diǎn)分析

13.2 二極管及三極管電路13.2.1 二極管參數(shù)測試仿真實(shí)驗(yàn)

半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)構(gòu)成的一種非線性元件。典型的二極管伏安特性曲線可分為4個(gè)區(qū)：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)、反向擊穿區(qū)，二極管具有單向?qū)щ娦浴⒎€(wěn)壓特性，利用這些特性可以構(gòu)成整流、限幅、鉗位、穩(wěn)壓等功能電路。

半導(dǎo)體二極管正向特性參數(shù)測試電路如圖13.2-1所示。表13.2-1是正向測試的數(shù)據(jù)，從仿真數(shù)據(jù)可以看出：二極管電阻值不是固定值，當(dāng)二極管兩端正向電壓小，處于“死區(qū)”，正向電阻很大、正向電流很小，當(dāng)二極管兩端正向電壓超過死區(qū)電壓，正向電流急劇增加，正向電阻也迅速減小，處于“正向?qū)▍^(qū)”。

圖13.2-1 二極管正向特性測試電路

表13.2-1 二極管正向特性仿真測試數(shù)據(jù)

Rw

10%

20%

30%

50%

70%

90%

Vd/mV

299

496

544

583

613

660

Id/mA

0.004

0.248

0.684

1.529

2.860

7.286

rd=Vd/Id(歐姆)

74750

2000

795

381

214

90.58

半導(dǎo)體二極管反向特性參數(shù)測試電路如圖13.2-2所示。

圖13.2-2 二極管反向特性測試電路

表13.2-2是反向測試的數(shù)據(jù)，從仿真數(shù)據(jù)可以看出：二極管反向電阻較大，而正向電阻小，故具有單向特性。反向電壓超過一定數(shù)值(VBR)，進(jìn)入“反向擊穿區(qū)”，反向電壓的微小增大會導(dǎo)致反向電流急劇增加。

表13.2-2 二極管反向特性仿真測試數(shù)據(jù)

Rw

10%

30%

50%

80%

90%

100%

Vd/mV

10000

30000

49993

79982

80180

80327

Id/mA

0

0.004

0.007

0.043

35

197

rd=Vd/Id(歐姆)

∞

7.5E6

7.1E6

1.8E6

2290.9

407.8

13.2.2 二極管電路分析仿真實(shí)驗(yàn)

二極管是非線性器件，引入線性電路模型可使分析更簡單。有兩種線性模型：

(1)大信號狀態(tài)下的理想二極管模型，理想二極管相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān);

(2)正向壓降與外加電壓相比不可忽略，且正向電阻與外接電阻相比可以忽略時(shí)的恒壓源模型，即一個(gè)恒壓源與一個(gè)理想二極管串聯(lián)。

圖13.2-3是二極管實(shí)驗(yàn)電路，由圖中的電壓表可以讀出：二極管導(dǎo)通電壓Von = 0.617V; 輸出電壓Vo = -2.617V。

圖13.2-3二極管實(shí)驗(yàn)電路(二極管為IN4148)

利用二極管的單向?qū)щ娦?、正向?qū)ê笃鋲航祷竞愣ǖ奶匦?，可?shí)現(xiàn)對輸入信號的限幅，

圖13.2-4(a)是二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路。V1和V2是兩個(gè)電壓源，根據(jù)電路圖，上限幅值為：V1+Von，下限幅值為：–V2–Von。在Vi的正半周，當(dāng)輸入信號幅值小于(V1+Von)時(shí)，D1、D2均截止，故Vo = Vi;當(dāng)Vi大于(V1+Von)時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo = V1+Von≈4.65V;在Vi的負(fù)半周，當(dāng)|Vi| < V2+Von時(shí)，D1、D2均截止，Vo = Vi;當(dāng)|Vi| >(V2+Von)時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo = -(V2+Von)≈ -2.65V。圖13.2-4(b)是二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路的仿真結(jié)果，輸出電壓波形與理論分析基本一致。

(a)二極管雙向限幅仿真電路 (b)輸出電壓波形

圖13.2-4 二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路

13.2.3 三極管特性測試

選擇虛擬晶體管特性測試儀(IV-Analysis)XIV1，雙擊該圖標(biāo)，彈出測試儀界面，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，如圖13.2-5所示，點(diǎn)擊Sim_Param按鈕，設(shè)置集射極電壓的起始范圍、基極電流的起始范圍，以及基極電流增加步數(shù)Num_Steps(對應(yīng)特性曲線的根數(shù))，單擊仿真按鈕，得到一簇三極管輸出特性曲線。

右擊其中的一條曲線，選擇show select marts，則選中了某一條特性曲線，移動(dòng)測試標(biāo)尺，則在儀器界面下部可以顯示對應(yīng)的基極電流、集射極電壓、集電極電流。根據(jù)測得的和值，可以計(jì)算出該工作點(diǎn)處的直流電流放大倍數(shù)，根據(jù)測得的和，可以計(jì)算出交流電流放大倍數(shù)。

圖13.2-5 用晶體管特性測試儀測量三極管特性

13.3 單管基本放大電路13.3.1 共射放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

放大是對模擬信號最基本的處理，圖13.3-1是單管共射放大電路(NPN型三極管)的仿真電路圖。

圖13.3-1 單管共射放大電路(NPN型三極管)

進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在對話框中設(shè)置分析節(jié)點(diǎn)及電壓或電流變量，如圖13.3-2所示。圖13.3-3是直流工作點(diǎn)分析結(jié)果。

圖13.3-2 直流工作點(diǎn)分析對話框

圖13.3-3 直流工作點(diǎn)分析結(jié)果

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)合適，并且加入合適幅值的正弦信號時(shí)，可以得到基本無失真的輸出，如圖13.3-4所示。

圖13.3-4 單管共射放大電路輸入輸出波形

但是，持續(xù)增大輸入信號，由于超出了晶體管工作的線性工作區(qū)，將導(dǎo)致輸出波形失真，如圖13.3-5(a)所示，圖13.3-5(b)是進(jìn)行傅里葉頻譜分析的結(jié)果，可見輸出波形含有高次諧波分量。

(a)輸出波形失真 (b)傅里葉頻譜分析結(jié)果

圖13.3-5 增大輸入后的失真輸出波形及其頻譜分析結(jié)果

靜態(tài)工作點(diǎn)過低或者過高也會導(dǎo)致輸出波形失真，如圖13.3-6所示，由于基極電阻過小，導(dǎo)致基極電流過大，靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū)，集電極電流也因此變大，輸出電壓，大的集電極電流導(dǎo)致整個(gè)電路的輸出電壓變小，因此從輸出波形上看，輸出波形的下半周趨于被削平了，屬于飽和失真。

圖13.3-6 減小Rb后的失真輸出波形

13.3.2 場效應(yīng)管放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性

場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性指漏-源電壓固定時(shí)，柵-源電壓對漏極電流的控制特性，即 ，按照圖13.3-7搭建N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性實(shí)驗(yàn)電路，單擊Multisim10 菜單“Simulate/Analyses/DC Sweep…”選擇直流掃描分析功能，在彈出的對話框“Analysis Parameters”中設(shè)置所要掃描的直流電源，并設(shè)置起始和終止值、步長值，在“Output”選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)2的電壓V[2]為分析節(jié)點(diǎn)，由于源極電阻，所以電壓V[2]的數(shù)值等于源極電流，也等于漏極電流。由圖13.3-7(b)可知，N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管2N7002的開啟電壓V。

(a)仿真電路 (b)轉(zhuǎn)移特性仿真結(jié)果

圖13.3-7 場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性直流掃描分析

2. 場效應(yīng)管共源放大電路

圖13.3-8是場效應(yīng)管共源放大電路仿真實(shí)驗(yàn)電路圖，調(diào)整電阻和構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)可以改變，從而改變電壓放大倍數(shù)。此外，改變電阻、也可改變輸出電壓。

(a)仿真電路 (b)輸入和輸出電壓波形

圖13.3-8 場效應(yīng)管共源放大電路仿真

13.4 放大電路指標(biāo)測量13.4.1 輸入電阻測量

萬用表可以測量交直流電壓、交直流電流、電阻、電路中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的分貝損耗，不需用戶設(shè)置量程，參數(shù)默認(rèn)為理想?yún)?shù)(比如電流表內(nèi)阻為0)，用戶可以修改參數(shù)。點(diǎn)擊虛擬儀器萬用表(Multimeter)，接入放大電路的輸入回路，本例中將萬用表設(shè)置為交流，測得的是有效值(RMS值)。由于交流輸入電阻要在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)上測量，所以直流電源要保留。

由圖13.4-1可見，測得輸入回路的輸入電壓有效值為3.536mV，電流為2.806μA，輸入電阻。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)物電路的輸入電阻測量要采用間接測量方法，這是因?yàn)閷?shí)際的電壓表、電流表都不是理想儀器，電流表內(nèi)阻不是0，而電壓表內(nèi)阻不是無窮大。

(a) 輸入電阻測量電路

(b)電壓、電流測量結(jié)果

圖13.4-1 放大電路輸入電阻測量電路圖

13.4.2 輸出電阻的測量

采用外加激勵(lì)法，將信號源短路，負(fù)載開路，在輸出端接電壓源，并測量電壓、電流，如圖13.4-2所示。

由圖13.4-2可見，測得輸出回路的激勵(lì)電壓有效值為707.106mV，電流為517.861μA，輸出電阻。

(a)輸出電阻測量

(b)電壓、電流測量結(jié)果

圖13.4-2 放大電路輸出電阻測量電路圖

13.4.3 幅頻特性的測量

可以用示波器測量放大電路的增益，以電阻分壓式共射放大電路為例，圖13.4-3(a)是測量電壓放大倍數(shù)的電路圖，圖13.4-3(b)是示波器輸出波形。

移動(dòng)測試標(biāo)尺可以讀出輸入輸出波形幅值，進(jìn)而計(jì)算出電壓放大倍數(shù)，但是，可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)尺處于不同位置計(jì)算出的結(jié)果不同，僅可作為估計(jì)值，此外，輸出波形與輸入波形相比，存在一定相移，不是理想的反相，即發(fā)生了相移，相移大小與頻率有關(guān)，這就是該放大電路的相頻特性。

除了用示波器進(jìn)行放大倍數(shù)測量的方法。還有兩種方法：掃描分析法和波特儀測量法。

(a) (b)

圖13.4-3 分壓式共射放大電路放大倍數(shù)的測量

掃描分析法

由菜單Simulate/Analyses/AC Analysis，彈出AC Analysis(交流分析)對話框，如圖13.4-4所示，選項(xiàng)卡Frequency Parameters中設(shè)置Start frequency(起始頻率，本例設(shè)為1Hz)、Stop frequency(終止頻率，本例設(shè)為10GHz)、Sweep type(掃描方式，本例設(shè)為Decade，十倍頻掃描)、Number of points per decade(每十倍頻的采樣點(diǎn)數(shù)，默認(rèn)為10)、Vertical scale(縱坐標(biāo)刻度，默認(rèn)是Logarithmic，即對數(shù)形式，本例選擇Linear，即線性坐標(biāo)，更便于讀出其電壓放大倍數(shù))。

在Output選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)5的電壓V[5]為分析變量，按下Simulate(仿真)按鈕，得到圖13.4-4(b)所示的頻譜圖，包括幅頻特性和相頻特性兩個(gè)圖。

在幅頻特性波形圖的左側(cè)，有個(gè)紅色的三角塊指示，表明當(dāng)前激活圖形是幅頻特性，為了詳細(xì)獲取數(shù)值信息，按下工具欄的Show/Hide Cursors按鈕，則顯示出測量標(biāo)尺和數(shù)據(jù)窗口，移動(dòng)測試標(biāo)尺，則可以讀取詳細(xì)數(shù)值，如圖(c)和(d)所示。同理，可激活相頻特性圖形，進(jìn)行相應(yīng)測量。

(a)AC Analysis對話框 (b)被分析節(jié)點(diǎn)的幅頻和相頻特性

(c) 用測試標(biāo)尺讀取詳細(xì)數(shù)值 (d)頻響數(shù)據(jù)

圖13.4-4 掃描分析法進(jìn)行放大電路幅頻特性測量

2. 波特儀測量法

波特儀(Bode Plotter)也稱為掃頻儀，用于測量電路的頻響(幅頻特性、相頻特性)，將波特儀連接至輸入端和被測節(jié)點(diǎn)，如圖13.4-5(a)所示，雙擊波特儀，獲得頻響特性，圖13.4-5(b)是幅頻響應(yīng)，圖13.4-5(c)是相頻響應(yīng)。

(a)波特儀測試頻響電路圖

(b)幅頻特性測試結(jié)果

(c)相頻特性測試結(jié)果

圖13.4-5 掃描分析法進(jìn)行放大電路幅頻特性測量

波特儀的面板設(shè)置：

(1)Mode：模式選擇，點(diǎn)擊Magnitude獲得幅頻響應(yīng)曲線，選擇Phase獲得相頻響應(yīng)曲線;

(2)水平和垂直坐標(biāo)：點(diǎn)擊Log選擇對數(shù)刻度，點(diǎn)擊Lin選擇線性刻度;

(3)起始范圍：F文本框內(nèi)填寫終了值及單位，I文本框內(nèi)填寫起始值及單位。

13.5 差動(dòng)放大電路13.5.1 差動(dòng)放大電路仿真電路

直接耦合是多級放大的重要級間連接方式，對直流信號、變化緩慢的信號只能用直接耦合，但隨之而來的是零點(diǎn)漂移問題，影響電路的穩(wěn)定，解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是采用差動(dòng)放大電路，在電子設(shè)備中常用差動(dòng)放大電路放大差摸信號，抑制溫度變化、電源電壓波動(dòng)等引起的共模信號。

圖13.5-1是差動(dòng)放大電路仿真電路，是由兩個(gè)相同的共射放大電路組成的，當(dāng)開關(guān)J1撥向左側(cè)時(shí)，構(gòu)成了一個(gè)典型的差動(dòng)放大電路，調(diào)零電位器Rw用來調(diào)節(jié)Q1、Q2管的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得輸入信號為0時(shí)，雙端輸出電壓(即電阻RL上的電壓)為0。

當(dāng)開關(guān)J1撥向右側(cè)時(shí)，構(gòu)成了一個(gè)具有恒流源的差動(dòng)放大電路，用恒流源代替射極電阻Re，可以進(jìn)一步提高抑制共模信號的能力。

差動(dòng)放大電路的輸入信號既可以是交流信號，也可以是直流信號。圖13.5-1中，輸入信號由函數(shù)發(fā)生器提供，函數(shù)發(fā)生器(Function Generator)可以產(chǎn)生正弦波、三角波、矩形波電壓信號，可設(shè)置的參數(shù)有：頻率、幅值、占空比、直流偏置，頻率范圍很寬(0.001pHz~1000THz)。

差動(dòng)放大電路需要一正一負(fù)兩個(gè)電壓源，實(shí)際中不存在負(fù)的電壓源，將正極接地，則電壓源的負(fù)極可以提供負(fù)的電壓，因此，按照圖中的接法可以提供正負(fù)電壓源。

差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，因此電路組態(tài)有雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出4種，凡是雙端輸出，差摸電壓放大倍數(shù)與單管情況下相同，凡是單端輸出，差摸電壓放大倍數(shù)為單管情況下的一半。

圖13.5-1 差動(dòng)放大電路仿真電路

13.5.2 差動(dòng)放大電路的調(diào)零

調(diào)零是指差動(dòng)放大器輸入端不接入信號，調(diào)整電路參數(shù)使兩個(gè)輸出端達(dá)到等電位。

圖13.5-2中是調(diào)整電位器Rw，使節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4的電壓相同，這時(shí)可認(rèn)為左右兩側(cè)的電路已經(jīng)對稱，調(diào)零工作完成。

圖中的電壓讀數(shù)也是兩個(gè)三極管的集電極靜態(tài)工作電壓。

圖13.5-2 差動(dòng)放大電路的調(diào)零

13.5.3 差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，選擇節(jié)點(diǎn)仿真可以獲得靜態(tài)工作點(diǎn)指標(biāo)，下面采用另一種方法，將電流表和電壓表接入仿真電路，獲得更直觀的靜態(tài)工作點(diǎn)測量結(jié)果，如圖13.5-3所示。

圖13.5-3 差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)測量

13.5.4 差模增益和共模增益測量

差模電壓增益

雙端輸入雙端輸出情況下的差摸電壓放大倍數(shù)是輸出端電壓差除以輸入端電壓差。

為獲得較大電壓增益，將仿真電路的參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整，測量電路如圖13.5-4所示。

函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為輸出正弦波，頻率1kHz，幅值5mV，“+”端和“-”端接入差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端，COM端接地。

用電壓表測量輸入端的電壓差，注意雙擊電壓表，將測量模式(Mode)改為交流(AC)模式。

由圖中測量數(shù)據(jù)，輸入端電壓差為7.071mV，輸出端電壓差為308.991mV，雙入雙出模式時(shí)的差摸電壓增益為。

當(dāng)開關(guān)J1撥向右側(cè)時(shí)，以恒流源代替射極電阻，則差摸電壓增益增加到。

仿真可發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電阻RL對增益值影響很大，此外，調(diào)零電阻Rw、基極電阻Rb1、Rb2、集電極電阻Rc1、Rc2均有影響。

圖13.5-4 雙入雙出差動(dòng)放大電路的差摸增益測量

共模電壓增益

將兩輸入端短接，COM端接地，構(gòu)成共模輸入方式，如圖13.5-5所示。

調(diào)整輸入信號頻率為1kHz，幅值為1mV，在負(fù)載電阻兩端接萬用表，測得輸出電壓為6pV左右，“皮”的數(shù)量級為10-12，幾乎為零?？梢姡顒?dòng)放大電路對共模信號有很強(qiáng)的抑制效果。

圖13.5-5 雙入雙出差動(dòng)放大電路的共摸增益測量

13.6 集成運(yùn)放電路

由分立元件構(gòu)成的電路具有電子設(shè)計(jì)上靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是功耗大、穩(wěn)定性差、可靠性差，此外，設(shè)計(jì)本身較復(fù)雜。集成電路采用微電子技術(shù)構(gòu)成具有特定功能的電路系統(tǒng)模塊，與分立元件構(gòu)成的電路相比，性能有了很大提高，電子設(shè)計(jì)也更為簡單。

集成運(yùn)算放大器是高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、直接耦合的線性放大集成電路，功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性高?？梢酝ㄟ^外圍元器件的連接構(gòu)成放大器、信號發(fā)生電路、運(yùn)算電路、濾波器等電路。

以集成運(yùn)放μA741為例，圖13.6-1是μA741的管腳示意圖及實(shí)物照片。

圖13.6-1 集成運(yùn)放μA741管腳示意圖及實(shí)物照片

13.6.1 比例放大電路

用μA741組成同相比例放大電路，仿真電路圖如圖13.6-2所示。根據(jù)同相比例電路的增益公式，圖13.6-2的電壓增益應(yīng)為：。

(a)同相比例放大電路

(b)輸入、輸出電壓波形

圖13.6-2 集成運(yùn)放μA741構(gòu)成的同相比例放大電路

從波形上看，輸入、輸出同相位，用測試標(biāo)尺測量幅值，可發(fā)現(xiàn)輸出與輸入的比例為3，在一定范圍內(nèi)調(diào)整負(fù)載電阻，波形基本不變，說明該電路帶負(fù)載能力強(qiáng)。同理，可以進(jìn)行反相比例放大電路的仿真，圖13.6-3是集成運(yùn)放μA741構(gòu)成的反相比例放大電路，其電壓增益應(yīng)為：，這與示波器讀數(shù)一致。

圖13.6-3 集成運(yùn)放μA741構(gòu)成的反相比例放大電路及波形

由仿真可見，由運(yùn)算放大器構(gòu)成比例放大電路的電路結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)容易、性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)。

13.6.2有源濾波電路

根據(jù)濾波電路中有無有源元件可將濾波器電路分為無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器由無源元器件(電阻、電容、電感)構(gòu)成電路網(wǎng)絡(luò)，但其濾波特性隨著負(fù)載的變化而變化，負(fù)載效應(yīng)明顯，不能滿足很多應(yīng)用場合的要求，有源濾波器則通過運(yùn)放電路提高輸入阻抗，降低輸出阻抗而大大減少了負(fù)載效應(yīng)。

簡單的有源濾波器是在無源濾波器輸出端接一個(gè)由運(yùn)放電路構(gòu)成的電壓跟隨器或同相比例放大器，使得濾波的同時(shí)可以放大信號，并且提高帶負(fù)載能力。

圖13.6-4是簡單的二階低通有源濾波電路，運(yùn)放U1和電阻Rf、R3構(gòu)成同相比例放大電路，放大倍數(shù)為，電阻R1、電容C1、電阻R2、電容C2組成的RC網(wǎng)絡(luò)是二階低通濾波電路，其特征頻率為Hz。信號源是幅值為1V的交流電壓源。

用菜單命令Simulate/Analyses/AC Analysis對其進(jìn)行交流分析，頻率范圍設(shè)置為1Hz~1MHz，掃描類型Sweep type選擇Decade，縱坐標(biāo)Vertical Scale選擇Linear，Output選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)4作為分析節(jié)點(diǎn)，單擊Simulate按鈕，可得到其頻率特性，如圖13.6-5所示。

圖13.6-4 簡單二階低通有源濾波電路

由頻率特性可以看出：最大輸出為1.9996V，截止頻率為對應(yīng)V(即增益下降3dB)的頻率，約為125.4003Hz(標(biāo)尺2處)，而在特征頻率處(標(biāo)尺1處，338.2989Hz)，幅值已下降至672.8329mV，可見，實(shí)際的截止頻率遠(yuǎn)小于特征頻率。為縮小二者的差別，可引入正反饋增大特征頻率處的幅值，這就是所謂的壓控電壓源二階低通濾波器。

圖13.6-5簡單二階低通有源濾波電路的頻率特性

將電容C1的下端直接接在濾波器輸出端，構(gòu)成圖13.6-6所示的壓控電壓源二階低通濾波器，其頻率特性如圖13.6-7所示。

圖13.6-6 壓控電壓源二階低通濾波電路

圖13.6-7 壓控電壓源二階低通濾波電路的頻率特性

可以看出，特征頻率處的幅值有所增大，在特征頻率處(測量標(biāo)尺1，338.2989Hz)幅值增大為1.9857V，截止頻率為1.414V所對應(yīng)的頻率，在測量標(biāo)尺2處(幅值為1.3912)，對應(yīng)頻率為439.2605Hz，二者差距由約213Hz縮小至約100Hz，特征頻率和截止頻率差距大大縮小了。

品質(zhì)因數(shù)Q的物理意義是特征頻率處的電壓增益與通帶電壓增益之比，理論分析給出品質(zhì)因數(shù)Q與通帶增益的關(guān)系為：，而在本節(jié)例子中，通帶增益，因此，改變運(yùn)放電阻或者即可改變品質(zhì)因數(shù)。

13.7 直流穩(wěn)壓電源13.7.1 橋式整流濾波電路

建立如圖13.7-1所示的單相橋式整流濾波電路，變壓器取值Basic Group組的BASIC_VIRTUAL中的TS_VIRTUAL，設(shè)置變比(本例設(shè)為10)，變壓器的二次側(cè)有3個(gè)抽頭，可以有兩種接法，如圖13.7-1中的(a)和(b)所示，前者的整流波形最大值約為15V，后者約為30V，整流橋選自Diodes組中的FWB中的元件。

(a)變壓器輸出15V整流波形

(b)變壓器輸出30V整流波形

圖13.7-1 單相橋式整流濾波電路

以圖13.7-1(b)電路為例，圖13.7-2是該單相橋式整流濾波電路的輸出波形，圖(a)是未接入濾波電容C1時(shí)的輸出波形，即整流橋輸出波形，圖(b)是接入濾波電容C1時(shí)的輸出波形，可見，橋式整流后用濾波電容進(jìn)行濾波，電壓平均值上升，電壓波動(dòng)(波紋系數(shù))減小了。

但是，RC回路參數(shù)對波形影響很大，波形與濾波電容的大小有關(guān)系，也與負(fù)載大小有關(guān)系。將負(fù)載增至10kΩ，輸出波形如圖13.7-2(c)所示，可見輸出電壓的波動(dòng)進(jìn)一步減小，若繼續(xù)將濾波電容增至100μF，則電壓波形趨于理想，如圖13.7-2(d)所示。

當(dāng)負(fù)載較輕(對應(yīng)負(fù)載電阻大)，對電壓波形要求不高時(shí)，可采用這種方式提供直流電壓，為減少紋波系數(shù)，可適當(dāng)增大濾波電容。

(a)未接入濾波電容C1時(shí)的輸出波形 (b)接入濾波電容C1時(shí)的輸出波形

(c)電容為47μF、負(fù)載為10kΩ時(shí)的輸出波形 (d)電容為100μF、負(fù)載為10kΩ時(shí)的輸出波形

圖13.7-2 單相橋式整流濾波電路的輸出波形

13.7.2 串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路

串聯(lián)穩(wěn)壓是指穩(wěn)壓元件(調(diào)整三極管)與負(fù)載串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，圖13.7-3是串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管取自Diodes組的DIODES_VIRTUAL中的ZENER_VIRTUAL，可修改穩(wěn)壓值;調(diào)整三極管的選擇要確保最大耗散功率滿足要求(一般不小于2W)，并保證電流輸出能力(對應(yīng)最小輸出電壓);取樣電阻取千歐級以降低功耗。

圖13.7-3 串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路

圖13.7-4是串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路的輸入、輸出波形，示波器上部的波形是串聯(lián)穩(wěn)壓電路輸入電壓信號，可見存在電壓紋波，下部的波形是串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓信號，幾乎是理想的直流電壓。

調(diào)整取樣電位器，可以調(diào)整輸出電壓的幅值，獲得一定可調(diào)范圍的直流輸出電壓。