Multisim10在差動(dòng)放大電路分析中的應(yīng)用

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，往往需將一些變化緩慢的物理量(如溫度、轉(zhuǎn)速的變化)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，并通過(guò)直流放大器進(jìn)行放大處理。直接耦合放大電路雖能放大交、直流信號(hào)，但電源電壓的波動(dòng)，晶體管參數(shù)隨溫度變化等因素會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)“零點(diǎn)漂移”。差動(dòng)放大電路是一種利用電路結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)稱性有效抑制“零點(diǎn)漂移”的直流放大器，它對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，而對(duì)共模信號(hào)具有抑制作用。典型差動(dòng)放大電路由2個(gè)參數(shù)完全一致的單管共發(fā)射極電路組成。

Multisim 10是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)推出的功能強(qiáng)大的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，具有豐富的新型元器件及虛擬儀器、強(qiáng)大的Spice仿真、數(shù)據(jù)可視化及分析測(cè)試功能，可對(duì)模擬、數(shù)字、自動(dòng)控制、射頻、單片機(jī)等各種電路進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、仿真分析及功能測(cè)試。Multisim 10提供了一個(gè)強(qiáng)大的原理圖捕獲和交互式仿真平臺(tái)，電路的設(shè)計(jì)調(diào)試、元器件及測(cè)試儀器的調(diào)用、各種分析方法的使用直觀方便，測(cè)試參數(shù)精確可靠，是應(yīng)用廣泛的優(yōu)秀EDA系統(tǒng)。本文以典型差動(dòng)放大電路為例，主要探討Multisim 10的多種分析方法在電子電路仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

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?，因此可以有效地抑?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。可見(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?？梢?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。可見(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)

Multisim 10具有強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)和仿真分析功能，以典型差動(dòng)放大電路為例，利用直流工作點(diǎn)分析和傳遞函數(shù)分析對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、差模及共模電壓放大倍數(shù)的仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)值進(jìn)行比較，利用參數(shù)掃描及溫度掃描分析了電路參數(shù)變化對(duì)輸出波形的影響，利用瞬態(tài)分析、后處理器分析對(duì)實(shí)際應(yīng)用中難以觀測(cè)的雙端輸出電壓波形進(jìn)行了測(cè)試，電路各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均與真實(shí)值相符，提高了電路的設(shè)計(jì)和分析效率。研究表明，利用Multisim 10進(jìn)行電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)，不僅速度快，效率高，參數(shù)測(cè)試精確可靠，而且可廣泛應(yīng)用于電氣控制、電子信息、通信工程、自動(dòng)化等各種電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。