Multisim在模擬電子技術中的應用-4

1、第第5章章 Multisim 在模擬電子技術中的應用在模擬電子技術中的應用 本章按照模擬電子技術的主要內(nèi)容本章按照模擬電子技術的主要內(nèi)容, ,分別討論分別討論半導體器件、基本放大電路、差動放大電路、負半導體器件、基本放大電路、差動放大電路、負反饋放大電路、運算放大器應用電路、放大電路反饋放大電路、運算放大器應用電路、放大電路的頻率響應、振蕩電路、濾波電路和穩(wěn)壓電源電的頻率響應、振蕩電路、濾波電路和穩(wěn)壓電源電路的仿真方法和仿真過程。路的仿真方法和仿真過程。5.1半導體器件的特性仿真分析半導體器件的特性仿真分析5.1.1半導體二極管特性與應用半導體二極管特性與應用二極管限幅電路二極管限幅電路V16

2、 V 50 Hz 0Deg R11k D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALV23 V V33 V XSC1ABExt Trig+_+_圖圖5-1 二極管限幅電路二極管限幅電路(1)創(chuàng)建電路圖圖5-2 二極管限幅電路的電壓波形二極管限幅電路的電壓波形(2)結果分析輸入波形（A通道） 輸出波形（B通道）2. 二極管開關電路二極管開關電路V1200 Hz 5 V V2100 Hz 5 V D11N1200CD21N1200CR11k VCC5VVCC0XSC1ABCDGT0321圖圖5-3 二極管開關電路二極管開關電路(1)創(chuàng)建電路圖圖5-4 二極管開關電路的電壓波形二極管開

3、關電路的電壓波形(2)結果分析電壓源V1波形電壓源V2波形輸出（結點1）波形5.2單管放大電路的仿真分析單管放大電路的仿真分析5.2.1單管放大電路仿真分析單管放大電路仿真分析Rb25.1kRL5.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12V321Re1100 8100VCCXSC1ABExt Trig+_+_540圖圖5-11 單管放大電路單管放大電路圖圖5-12 單管放大電路的靜態(tài)工作點單管放大電路的靜態(tài)工作點1. 靜態(tài)工作點分析靜態(tài)工作點分析靜態(tài)工作點分析 創(chuàng)建電路 圖圖5-13

4、單管放大電路的輸入輸出波形單管放大電路的輸入輸出波形輸入輸出波形輸入輸出波形 輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）2. 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)圖圖5-13所示。從測量結果看，在圖示的測試標尺所示。從測量結果看，在圖示的測試標尺1處，輸入信處，輸入信號幅值為號幅值為-5.441mV，輸出信號幅值為，輸出信號幅值為104.148 mV。輸出電壓。輸出電壓沒有失真，電壓放大倍數(shù)沒有失真，電壓放大倍數(shù)Au = Uo/Ui = -104.148/5.441 = -19.14. 電壓放大倍數(shù)測量電壓放大倍數(shù)測量圖5-14 圖圖5-14 （Re1=0時）輸入輸出電壓波形時）輸入輸出電壓波形輸出波形（B通道

5、）輸入波形（A通道）2. 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)電阻電阻Re1對放大倍數(shù)影響對放大倍數(shù)影響在測試標尺在測試標尺1處，輸出信號最大幅值為處，輸出信號最大幅值為369.423mV，測試標尺，測試標尺2處輸入信號最大幅值為處輸入信號最大幅值為-4.753mV。交流電壓放大倍數(shù)約等于。交流電壓放大倍數(shù)約等于-77.7，附加相移大約，附加相移大約20.1s。當。當Re1=300時，交流電壓放時，交流電壓放大倍數(shù)大約只有大倍數(shù)大約只有-7.53左右?？梢?，射極偏置電阻左右。可見，射極偏置電阻Re1對放大對放大倍數(shù)的影響較大。倍數(shù)的影響較大。 電壓放大失真分析電壓放大失真分析圖圖5-15 輸出電壓波形頂部

6、失真輸出電壓波形頂部失真輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）3. 輸入輸出電阻測量輸入輸出電阻測量Rb25.1kRL5.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12VRe1100 XMM1XMM2圖圖5-16 放大電路的輸入電阻測量放大電路的輸入電阻測量輸入電阻測量輸出電阻測量輸出電阻測量Rb25.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12VRe1100 XMM1XMM2圖圖5-17

7、 放大電路的輸出電阻測量放大電路的輸出電阻測量4. 溫度對靜態(tài)工作點的影響溫度對靜態(tài)工作點的影響圖圖5-18溫度掃描分析參數(shù)設置界面溫度掃描分析參數(shù)設置界面圖圖5-19 靜態(tài)工作點溫度掃描分析結果靜態(tài)工作點溫度掃描分析結果圖圖5-20 瞬態(tài)分析溫度掃描分析結果瞬態(tài)分析溫度掃描分析結果5.4 負反饋放大電路的仿真分析負反饋放大電路的仿真分析交流負反饋對放大電路性能的改善主要表現(xiàn)在：交流負反饋對放大電路性能的改善主要表現(xiàn)在： 穩(wěn)定放大倍數(shù)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；改變輸入電阻和輸出電阻；改變輸入電阻和輸出電阻；擴展頻帶，改善放大電路頻率特性；擴展頻帶，改善放大電路頻率特性；減小非線性失真等。減小非線性失真等

8、。本節(jié)利用本節(jié)利用Multisim的仿真分析方法對負反饋放大電路的主要性的仿真分析方法對負反饋放大電路的主要性能進行仿真分析。能進行仿真分析。 5.4.1 負反饋放大電路動態(tài)特性分析負反饋放大電路動態(tài)特性分析創(chuàng)建電路創(chuàng)建電路 Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k RL3k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V130mV 10kHz 0Deg VCC12V265140XSC1ABExt Trig+_+_VCC73圖圖5-31 電壓串聯(lián)負反饋放大電路電壓串聯(lián)負反饋放大電路Q點分析

9、點分析 圖圖5-32 電壓串聯(lián)負反饋放大電路的靜態(tài)工作點電壓串聯(lián)負反饋放大電路的靜態(tài)工作點負反饋放大電路放大倍數(shù)分析負反饋放大電路放大倍數(shù)分析圖圖5-33 電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入輸出波形電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）5.4.2 負反饋對放大性能的影響負反饋對放大性能的影響 負反饋對放大倍數(shù)的影響圖圖5-34 有負反饋時的頻率特性有負反饋時的頻率特性圖圖5-35 無負反饋時的頻率特性無負反饋時的頻率特性負反饋對放大波形失真的影響負反饋對放大波形失真的影響在圖5-31中，斷開反饋電阻Rf，運行可得無負反饋時輸入輸出電壓波形，如圖5-36所示。 圖圖5

10、-36 無反饋時放大電路的輸入輸出電壓波形無反饋時放大電路的輸入輸出電壓波形10mV時的輸入輸出波形30mV時的輸入輸出波形 可見，引入負反饋時，輸出波形基本不失真，而同樣電可見，引入負反饋時，輸出波形基本不失真，而同樣電路，同樣輸入信號下，在不引入負反饋時，輸出波形出現(xiàn)正路，同樣輸入信號下，在不引入負反饋時，輸出波形出現(xiàn)正負半波明顯不對稱，即出現(xiàn)了明顯的非線性失真（上部的波負半波明顯不對稱，即出現(xiàn)了明顯的非線性失真（上部的波形），放大倍數(shù)明顯增大。也就是說，不加負反饋時放形），放大倍數(shù)明顯增大。也就是說，不加負反饋時放大倍數(shù)較大，但可能出現(xiàn)較大的波形失真，而加上負反饋后，大倍數(shù)較大，但可能出

11、現(xiàn)較大的波形失真，而加上負反饋后，放大倍數(shù)雖然減小，但可大大改善波形失真。放大倍數(shù)雖然減小，但可大大改善波形失真。 負反饋對輸入輸出電阻的影響負反饋對輸入輸出電阻的影響交流負反饋的四種反饋組態(tài)中，串聯(lián)負反交流負反饋的四種反饋組態(tài)中，串聯(lián)負反饋可以增大輸入電阻，并聯(lián)負反饋則可以減小輸入電阻。饋可以增大輸入電阻，并聯(lián)負反饋則可以減小輸入電阻。 在圖在圖5-31電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端串接一交流電電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端串接一交流電表，如圖表，如圖5-37所示。所示。 Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k

12、RL3k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V110mV 10kHz 0Deg VCC12VXSC1ABExt Trig+_+_XMM1XMM2圖圖5-37 測量串聯(lián)反饋電路的輸入電阻測量串聯(lián)反饋電路的輸入電阻斷開反饋電阻斷開反饋電阻Rf，重復，重復操作，得電流值為：操作，得電流值為：2.174A，可，可計算出無串聯(lián)反饋時的輸入電阻為：計算出無串聯(lián)反饋時的輸入電阻為：Ri=4.6k可見，引入串聯(lián)負反饋可以增大交流輸入電阻?？梢?，引入串聯(lián)負反饋可以增大交流輸入電阻。將圖將圖5-31電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端對地短接，去電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端對地短

13、接，去掉負載電阻掉負載電阻RL，在輸出端接一交流信號源，并接上電壓表、，在輸出端接一交流信號源，并接上電壓表、電流表，如圖電流表，如圖5-38所示。所示。Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V110mV 10kHz 0Deg VCC12VXMM1XMM2圖圖5-38測量電壓負反饋電路的輸出電阻測量電壓負反饋電路的輸出電阻 可計算出電壓負反饋放大電路的輸出電阻為：可計算出電壓負反饋放大電路的輸出電阻為：10mV/51.47A=194。 斷開反

14、饋電阻斷開反饋電阻Rf，重復，重復操作，得電流值為：操作，得電流值為：3.704A，可計算出無電壓負反饋時輸出電阻為可計算出無電壓負反饋時輸出電阻為 :10mV/3.704A=2.7k?？梢?，引入電壓負反饋的確可以減小輸出電阻?？梢姡腚妷贺摲答伒拇_可以減小輸出電阻。 5.3 差分放大電路的仿真分析差分放大電路的仿真分析5.3.1差模放大性能仿真分析差模放大性能仿真分析靜態(tài)工作點分析靜態(tài)工作點分析R11k R21k R310k V15mV 1kHz 0Deg V25mV 1kHz 0Deg VCC12VVEE-12VQ1BJT_NPN_VIRTUALQ2BJT_NPN_VIRTUALR510

15、k 12R610k 3VEE0R410k VCCXSC2ABExt Trig+_+_60547圖圖5-24 雙入單出差分放大電路雙入單出差分放大電路 創(chuàng)建電路 圖圖5-25 差分放大電路的靜態(tài)工作點差分放大電路的靜態(tài)工作點 Q點分析點分析 2. 差模放大倍數(shù)分析差模放大倍數(shù)分析圖圖5-26 差分放大電路的輸入輸出波形差分放大電路的輸入輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）電路改畫為雙入雙出方式，創(chuàng)建如圖電路改畫為雙入雙出方式，創(chuàng)建如圖5-27所示仿真電路。所示仿真電路。運行并雙擊示波器，調(diào)整各通道顯示比例可得圖運行并雙擊示波器，調(diào)整各通道顯示比例可得圖5-28所所示波形圖。示波形圖。 R

16、11k R21k R310k V15mV 1kHz 0Deg V25mV 1kHz 0Deg VCC12VVEE-12VQ1BJT_NPN_VIRTUALQ2BJT_NPN_VIRTUALR510k R610k R410k XSC2ABExt Trig+_+_圖圖5-27 雙入雙出差分放大電路雙入雙出差分放大電路圖圖5-28 雙入雙出差分放大電路的輸入輸出波形雙入雙出差分放大電路的輸入輸出波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）5.3.2 共模抑制特性分析共模抑制特性分析在圖在圖5-27中，將中，將V2信號源方向反過來，即加上共模信號信號源方向反過來，即加上共模信號vIC=v1,運行并雙擊示波

17、器圖標運行并雙擊示波器圖標XSC2，調(diào)整，調(diào)整A、B通道顯示通道顯示比例比例,有有5-29所示波形。所示波形。 圖圖5-29 差分放大電路輸入共模信號時雙端輸出波形差分放大電路輸入共模信號時雙端輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）當加共模輸入信號，而從單端輸出時，可得圖當加共模輸入信號，而從單端輸出時，可得圖5-30所示的輸所示的輸入輸出波形。入輸出波形。 圖圖5-30 差分放大電路輸入共模信號時單端輸出波形差分放大電路輸入共模信號時單端輸出波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）5.5運算放大電路的仿真分析運算放大電路的仿真分析5.5.1比例運算電路比例運算電路1 同相比例運算電路同

18、相比例運算電路V12 V 100 Hz 0Deg R11k R32k VCC15VVSS-15VR21k U23554AM65721R41k XSC1ABExt Trig+_+_圖圖5-39 同相比例運算電路同相比例運算電路選擇實際集成運放選擇實際集成運放3554AM、電阻、交流信號源、雙通道、電阻、交流信號源、雙通道示波器等，創(chuàng)建同相比例運算電路，如圖示波器等，創(chuàng)建同相比例運算電路，如圖5-39所示。所示。 單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標XSC1，可得如圖，可得如圖5-40所示的輸入輸出波形。所示的輸入輸出波形。圖圖5-40 同相比例運算電路的輸入輸出波形同相比

19、例運算電路的輸入輸出波形輸入波形（B通道）輸出波形（A通道）3123RRuuio圖圖5-39所示同相比例運算電路的輸出輸入關系為：所示同相比例運算電路的輸出輸入關系為： 調(diào)整調(diào)整R2、R3的數(shù)值，或改變信號的幅值及頻率，重復的數(shù)值，或改變信號的幅值及頻率，重復，可得到同樣的仿真結果。當然讀者也可創(chuàng)建反相比例運算電路，可得到同樣的仿真結果。當然讀者也可創(chuàng)建反相比例運算電路，進行同樣的仿真分析。進行同樣的仿真分析。5.5.2 加法運算電路加法運算電路選擇實際集成運放選擇實際集成運放3554AM、電阻、交流信號源和直流信、電阻、交流信號源和直流信號源、四通道示波器等，創(chuàng)建反相比例加法運算電路，號源、

20、四通道示波器等，創(chuàng)建反相比例加法運算電路，如圖如圖5-43所示。所示。V15 V 100 Hz 0Deg Vcc15VR1 10k R2 10k R310k R43.3k R510k V23 V XSC1ABCDGTU13554AM65721VEE-15V圖圖5-43 反相比例加法運算電路反相比例加法運算電路單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標XSC1，可得電路，可得電路5-43對應的輸入輸出波形，如圖對應的輸入輸出波形，如圖5-44所示。所示。圖圖5-44 反相比例加法運算電路的輸入輸出波形反相比例加法運算電路的輸入輸出波形輸出信號（C通道 ）輸入信號V2（B通道）輸

21、入信號V1（A通道） 圖圖5-43所示反相比例加法運算電路的輸出輸入關系為：所示反相比例加法運算電路的輸出輸入關系為： 21223113vvvRRvRRuo調(diào)整調(diào)整R1、R2、R3的數(shù)值，重復的數(shù)值，重復可以得到不同比例關系可以得到不同比例關系的線性求和運算關系；在一定范圍內(nèi)改變信號的幅值及頻的線性求和運算關系；在一定范圍內(nèi)改變信號的幅值及頻率，可得到同樣的仿真結果；在一定范圍內(nèi)改變負載電阻率，可得到同樣的仿真結果；在一定范圍內(nèi)改變負載電阻R5，仿真結果顯示不影響輸出輸入關系。，仿真結果顯示不影響輸出輸入關系。 5.5.3 電壓跟隨器和比較器電路電壓跟隨器和比較器電路電壓跟隨器：選擇集成運放、

22、直流電源、交流信號源、電壓跟隨器：選擇集成運放、直流電源、交流信號源、示波器等，創(chuàng)建電壓跟隨器電路，如圖示波器等，創(chuàng)建電壓跟隨器電路，如圖5-45所示。所示。 U13554AM65721V15 V 100 Hz 0Deg VCC12VVSS-12VR1Key = A 5k 50%XSC1ABExt Trig+_+_圖圖5-45 電壓跟隨器仿真電路電壓跟隨器仿真電路電壓比較器：選擇比較器（比如電壓比較器：選擇比較器（比如LM139AD）、直流電源、）、直流電源、交流信號源、示波器等，創(chuàng)建單限比較器電路，如圖交流信號源、示波器等，創(chuàng)建單限比較器電路，如圖5-46所示。所示。V110 V 100 H

23、z 0Deg VCC15VVCC15VVSS-15VR1Key = A 100k 50%R25.1k R3600 D11Z6.8XSC1ABCDGTU13554AM65721圖圖5-46 電壓比較器仿真電路電壓比較器仿真電路運行并雙擊示波器圖標運行并雙擊示波器圖標XSC1，可得仿真結果，輸入輸出仿，可得仿真結果，輸入輸出仿真波形如圖真波形如圖5-47所示。所示。 通道A，輸入波形通道B，輸出波形通道C，限幅輸出波形圖圖5-47 電壓比較器的輸入輸出波形電壓比較器的輸入輸出波形5.5.4 積分運算電路積分運算電路選擇運放（比如選擇運放（比如3554AM、OP07AH等）、直流電源、等）、直流電源

24、、脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建積分運算電路，脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建積分運算電路，如圖如圖5-48所示。所示。 當參數(shù)合適時，該積分運算電路可以完成方波到三角波的當參數(shù)合適時，該積分運算電路可以完成方波到三角波的轉換功能。轉換功能。 U13554AM65721R11k R21k C10.1uF VCC15VVSS-15VR310k V31kHz 10 V R410k V15 V XSC1ABExt Trig+_+_圖圖5-48 積分運算仿真電路積分運算仿真電路圖圖5-49 積分運算電路的輸入輸出波形積分運算電路的輸入輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）5.5.5

25、 微分運算電路微分運算電路選擇運放選擇運放3554AM（或（或OP07AH等）、直流電源、脈沖信等）、直流電源、脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建實用微分運算電路，號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建實用微分運算電路，如圖如圖5-50所示。所示。 U13554AM65721R1 1k R2 1k C10.1uF V31kHz 10 V V15 V R31k VCC5VVSS-15VXSC1ABExt Trig+_+_圖圖5-50微分運算仿真電路微分運算仿真電路圖圖5-51 微分運算電路的輸入輸出波形微分運算電路的輸入輸出波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）5.6 放大電路的頻率響應仿真分析

26、放大電路的頻率響應仿真分析 選擇晶體管、電阻、電容、電源等，創(chuàng)建圖選擇晶體管、電阻、電容、電源等，創(chuàng)建圖5-52所示的所示的共射放大電路。共射放大電路。 R125k R24.7k R35.1k R41k R55.1k C110uF C210uF C310uF VCC15VV13mV 10kHz 0Deg 0VCCQ12N2712321XSC1ABExt Trig+_+_540圖圖5-52 共射放大電路頻率分析共射放大電路頻率分析選擇菜單命令選擇菜單命令Simulate/Analyses/ AC Analysis,進行參數(shù)設置。進行參數(shù)設置。圖圖5-53 C3為為10F時共射放大電路的頻率特性時共射放大電路的頻率特性將旁路電容將旁路電容C3參數(shù)改為參數(shù)改為100F，重復，重復進行交流分析，進行交流分析，可得圖可得圖5-54所示的頻率特性。所示的頻率特性。 圖圖5-54 C3為為100F時共射放大電路的頻率特性時共射放大電路的頻率特性采用采用Multisim仿真分析法中的參數(shù)掃描分析。仿真分析法中的參數(shù)掃描分析。 圖圖5-55 參數(shù)掃描分析法仿真結果參數(shù)掃描分析法仿真結果5.7.2 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路常用的非正弦波主要有矩形波和三角波，以及占空比可調(diào)常用的非正弦波主要有矩形波和三角波，以及占空比可調(diào)的矩形波