《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Multisim 10差動(dòng)放大電路的仿真分析
C114
C114
摘要: 基于Multisim10的差動(dòng)放大電路仿真分析[圖],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?,有效地穩(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
Abstract:
Key words :
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?,有效地穩(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。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

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1mA。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-0.7V),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:

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

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=1.48mA,Ic1=Ic2=0.732mA,Uc1=Uc2=4.68V,所測(cè)參數(shù)與式(1)~式(3)分析結(jié)果基本一致。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

3 參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析用來研究電路中某個(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1kHz、幅值為150mV,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5kΩ,掃描終值為7.5kΩ,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=5kΩ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??梢?,Re阻值的變化影響差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

4 溫度掃描分析

溫度掃描分析用來研究溫度變化對(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1kHz、幅值為10mV,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?,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:

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

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。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

5.2 直流信號(hào)測(cè)試

撥動(dòng)開關(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=0.1V,通過數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得uo1=uo2=4.616V。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1kHz、幅值為10mV。

通過示波器觀測(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6.4mV,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。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

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1kHz、幅值為10mV,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,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242mV,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?,差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)具有很好的抑制作用。

基于Multisim 10的差動(dòng)放大電路仿真分析

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、分析問題和解決問題的能力。

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