Multisim 10在差分放大電路教學中的應用

尹均萍，李玉長

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009)

差分放大電路利用電路結(jié)構和電路參數(shù)的對稱性，能有效地抑制零點漂移，廣泛應用于多級直接耦合放大電路的輸入級，也是集成運算放大電路的重要組成部分。由于差分放大電路有兩種輸入和兩種輸出方式，組合后就有四種典型電路。差分放大電路的結(jié)構特點決定了其對差模信號具有很大的放大能力，而對共模信號卻具有很強的抑制作用。對共模信號和差模信號的分析方法也不同，因而差分放大電路這一部分的內(nèi)容一直是“模擬電子技術基礎”教學的難點［1]。

為此，筆者把電路設計和仿真軟件Multisim 10引入到差分放大電路的課堂教學中，利用Multisim 10中提供的元器件、儀器儀表以及電路分析方法對差分放大電路進行仿真分析。

1 直流工作點的仿真分析

Multisim 10提供了很多種分析方法，現(xiàn)以圖1所示在共模信號作用下的差分放大電路為例。軟件執(zhí)行Options/Sheet Properties命令，在Circuit標簽頁中的Net Names區(qū)中選擇Show All，單擊OK按鈕，即可在電路中顯示出各節(jié)點號。

我們可以直接利用Multisim 10提供的直流工作點分析功能來測量電路的靜態(tài)工作點。執(zhí)行Simulate/Analyses/DC Operating Point命令，在彈出的對話框中，點擊Output標簽，設置要分析的節(jié)點和電流，最后單擊Simulate按鈕進行仿真，其仿真結(jié)果見圖2所示。從仿真結(jié)果可以看出，差分對管Q1和Q2的靜態(tài)工作點相同，這就驗證為什么可以用差分放大電路的單邊(管)直流通路來計算差分放大電路的靜態(tài)工作點。

圖1 顯示節(jié)點號的差分放大電路

圖2 直流工作點分析的結(jié)果

2 在共模信號作用下的仿真分析

如圖3所示電路，電路的兩個輸入端所加信號為一對大小相等、相位相同的信號，即一對共模信號。輸入信號是頻率為1kHz，有效值VO為1V的正弦波。電壓表U1和U2分別用來測量單端輸出電壓的大小;電壓表U3用來測量雙端輸出電壓的大小。按下仿真按鈕，電路開始仿真，電壓表設置為交流電壓檔，內(nèi)阻設置為10GΩ(內(nèi)阻設置大誤差小些)，各個表的讀數(shù)如圖3所示。

圖3 差分放大電路加共模信號

由電壓表的讀數(shù)可知:雙端輸出電壓VO≈0，這也說明了在理想的情況下，雙端輸出的共模放大倍數(shù)AC≈0。單端輸出電壓VO1=VO2=0.487V，由此可以計算出單端輸出共模電壓放大倍數(shù)為

3 在差模信號作用下的仿真分析

如在圖4所示的差分放大電路的兩個輸入端之間加上頻率為1kHz、有效值為100mV的正弦波輸入電壓Vi(實驗中由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生)，電壓表U1和U2分別用來測量單端輸出電壓VO1和VO2的大小;電壓表U3用來測量雙端輸出電壓VO的大小。采用Multisim 10中提供的四蹤示波器XCS1同時觀察輸入電壓和輸出電壓的波形［3]。

圖4 差分放大電路加差模信號

按下仿真按鈕，電路開始仿真，電壓表設置為交流檔，各個表顯示讀數(shù)。四蹤示波器所觀察到的波形如圖5所示。從圖4所示的電路和圖5所示的波形可以看出，加在兩個差分對管Q1和Q2上輸入電壓vi1、vi2為一對大小相等、相位相反的信號，即為一對差模信號，其有效值為Vi1=Vi2=Vi/2=50mV。輸出電壓vo1和vo2也是一對大小相等、相位相反的信號，因vo1和vi反相，vo2和vi同相，故vo1為反相輸出端，vo2為同相輸出端。

圖5 差分放大電路加差模信號的輸入、輸出波形

由電壓表的讀數(shù)可知:單端輸出電壓VO1=VO2=2.425V，雙端輸出電壓VO=4.850V。由此可以計算出雙端輸入—單端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為

雙端輸入—雙端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為

可見，單端輸出電壓放大倍數(shù)為雙端輸出電壓放大倍數(shù)的一半。

通過仿真和計算差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)的過程，使學生進一步加深理解:差分放大電路對差模信號具有放大作用，對共模信號有很強的抑制作用。

4 單端輸入和雙端輸入的仿真比較

圖6所示差分放大電路，vi1輸入信號為頻率為1kHz，有效值為100mV的正弦波，vi2端接地，這種輸入方式稱為單端輸入。圖中電壓表U1和U2分別用來測量單端輸出電壓vo1和vo2的大小;電壓表U3用來測量雙端輸出電壓vo的大小。由于調(diào)零電位器R7的阻值很小，因而當忽略調(diào)零電位器上的壓降時，電壓表U4和U5分別用來測量加在兩個差分對管Q1和Q2輸入回路上的電壓(即差模分量vid1和vid2的大小);U6用來測量發(fā)射極對地的共模分量vic的大小。

圖6 單端輸入的測量電路

從圖6電壓表U4、U5和U6的讀數(shù)可以看出，在單端輸入時，若Re足夠大，就可以認為Re支路相當于開路，發(fā)射極對地的電壓ve≈0.5vid，輸入的交流信號近似均勻分配在兩管的輸入回路上，因而單端輸入時的工作狀態(tài)與雙端輸入時近似一致［6]。在理論計算時，我們通常把兩個輸入端的信號分解為一對差模信號vid1=vid2=0.5vid=0.5(vi1－vi2)和一對共模信號vic1=vic2=vic=0.5(vi1+vi2)的疊加。圖6所示電路中差模信號的有效值為Vid1=Vid2=50mV，共模信號的有效值為Vic1=Vic2=50mV，和圖中電壓表U4、U5和U6所測的讀數(shù)基本相同。

在雙端輸出時，由于AC≈0，因此單端輸入—雙端輸出的輸出電壓和雙端輸入—雙端輸出是相同的，從圖4和圖6的電壓表U3的讀數(shù)相同也可以看出。

在單端輸出時，由于單端輸出共模電壓放大倍數(shù)的影響，單端輸入—單端輸出電壓和雙端輸入—單端輸出電壓略有不同。由前面計算出的差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)可以計算出Vo1、Vo2和Vo分別為

可見，該值和圖6電壓表所示的讀數(shù)相同。

從上面分析可以看出，單端輸入時電路的差動工作狀態(tài)和雙端輸入時基本相同。也就是說，差分放大電路的差動工作狀態(tài)與輸入方式無關。而差模電壓放大倍數(shù)只與輸出方式有關。

5 結(jié)語

利用Multisim 10仿真軟件，通過對典型差分放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析，以及對差分放大電路的單端輸入和雙端輸入的仿真、計算和比較，使學生對差分放大電路的難點和抽象的理論知識變得直觀，提高了教學效果。實踐證明，通過采用Multisim 10中提供的豐富的電路分析和儀器儀表，借助于Multisim 10仿真軟件輔助講授模擬電子技術課程，能有效地幫助學生理解抽象的理論知識。

［1] 華成英·模擬電子技術基本教程［M] ·北京:清華大學出版社，2006

［2] 聶典丁偉·Multisim 10計算機仿真在電子電路設計中的應用［M] ·北京:電子工業(yè)出版社，2009

［3] 吳敏張晨彧·電工電子實驗與仿真［M] ·安徽:安徽人民出版社，2007

［4] 趙世強等·電子電路EDA技術［M] ·西安:西安電子科技大學出版社，2000

［5] 王廷才，趙德申·電工電子技術EDA仿真實驗［M] ·北京:機械工業(yè)出版社，2003

［6] 康華光·電子技術基礎(第四版)［M] ·北京:高等教育出版社，2000