基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的差分放大電路仿真分析

摘 要：簡要介紹Multisim8軟件的特點，并對差分放大電路進(jìn)行仿真分析，研究其如何實現(xiàn)對差模信號放大和對共模信號抑制。仿真結(jié)果與理論分析計算一致，在課堂上使模擬電子技術(shù)教學(xué)更形象、靈活、更貼近工程實際,達(dá)到幫助學(xué)生理解原理,更好地掌握所學(xué)的知識的目的。對提高學(xué)生動手能力、分析問題和解決問題的能力具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：Multisim；差分放大電路；仿真分析；差模信號；共模信號

中圖分類號：TN707 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-373X(2009)04-014-02

Analysis of Differential Amplifier Circuit Simulation Based on Multisim

XIONG Xujun

(Lanzhou City College,Lanzhou,730070,China)

Abstract：Features ofMultisim8 software and differential amplifier for the simulation analysis are introduced,research on how to enlarge differential mode signal and restrain common mode signal.The simulation results calculated in line with the theoretical analysis,in the classroom teaching of electronic technology to simulate more image,flexible and closer to actual projects,to help students understand theory,a better grasp of the knowledge acquired by the purpose It has great significance to enhance students practical ability and analysis of issues and problem-solving abilitie.

Keywords：Multisim;differential amplifier;simulation analysis;differential mode signal;common mode signal

差分放大電路利用電路參數(shù)的對稱性和負(fù)反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，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^［1,2］。Multisim 作為著名的電路設(shè)計與仿真軟件,它不需要真實電路環(huán)境的介入,具有仿真速度快、精度高、準(zhǔn)確、形象等優(yōu)點。因此,Multisim被許多高校引入到電子電路實驗的輔助教學(xué)中,形成虛擬實驗和虛擬實驗室。通過對實際電子電路的仿真分析,對于縮短設(shè)計周期、節(jié)省設(shè)計費用、提高設(shè)計質(zhì)量具有重要意義。

1Multisim8軟件的特點

Multisim是加拿大IIT (Interactive Image Technologies)公司在EWB (Electronics Workbench)基礎(chǔ)上推出的電子電路仿真設(shè)計軟件,Multisim現(xiàn)有版本為Multisim2001，Multisim7和較新版本Multisim8。它具有這樣一些特點:

(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：在計算機(jī)屏幕上模仿真實驗室的工作臺，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Multisim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^［3,4］。

2 差分放大電路仿真分析

運(yùn)行Multisim 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，RB=300 Ω^［5］。

圖1 雙入雙出差分放大電路

2.1 差模放大性能仿真分析

2.1.1 直流分析

直流分析實際上就是確定靜態(tài)工作點。選擇Simulate菜單中的Analysis命令,然后選擇DC Operating Point子命令,分析結(jié)果如圖2所示。

用靜態(tài)工作點分析方法得UBEQ1=UBEQ2=0.69 V，UCEQ1=UCEQ2=V3-V28.94 V，與題中理論計算結(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^［6,7］。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V1-3.597 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)Au-170.124/3.597=-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^［4］。

由圖4波形可知,在峰-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-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。

圖2 差分放大電路靜態(tài)工作點

圖3 雙入雙出差分放大電路輸入輸出波形

圖4 差分放大電路共模信號輸入輸出波形

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）-V（＄3）”，然后打開Graph選項卡，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。因此，差分放大電路雙端輸出時，其共模抑制比KCMR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KCMR更高^［6,8］。

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算結(jié)果一致,應(yīng)用Multisim進(jìn)行虛擬電子技術(shù)實驗可以十分方便快捷地獲取實驗數(shù)據(jù),突破了在傳統(tǒng)實驗中硬件設(shè)備條件的限制,大大提高了實驗的深度和廣度。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、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^{［9，10］}。

圖5 差分放大電路共模輸入雙端輸出波形

參 考 文 獻(xiàn)

［1］侯勇嚴(yán),郭文強(qiáng).PSpice在差分放大電路分析中的應(yīng)用研究［J］.微計算機(jī)信息，2006,22(9):303-305.

［2］康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［M］.北京:高等教育出版社，1999.

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作者簡介 熊旭軍 男,1962年出生，甘肅天水人，副教授。主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)與研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。