模擬電路Multisim軟件仿真教程

1、第13章Multisim模擬電路仿真本章Multisim10電路仿真軟件,本章節(jié)講解使用Multisim進(jìn)行模擬電路仿真的根本方法.目錄1. Multisim軟件入門2. 二極管電路3. 根本放大電路4. 差分放大電路5. 負(fù)反應(yīng)放大電路6. 集成運(yùn)放信號(hào)運(yùn)算和處理電路7. 互補(bǔ)對(duì)稱OCL功率放大電路8. 信號(hào)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換電路9. 可調(diào)式三端集成直流穩(wěn)壓電源電路13.1 Multisim用戶界面及根本操作13.1.1 Multisim用戶界面在眾多的EDA仿真軟彳中,Multisim軟件界面友好、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用,受到電類設(shè)計(jì)開發(fā)人員的青睞.Multisim用軟件方法虛擬電子元器件及儀器儀表,

2、將元器件和儀器集合為一體,是原理圖設(shè)計(jì)、電路測(cè)試的虛擬仿真軟件.Multisim來源于加拿大圖像交互技術(shù)公司InteractiveImageTechnologies,簡(jiǎn)稱IIT公司推出的以Windows為根底的仿真工具,原名EWBIIT公司于1988年推出一個(gè)用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件日ectronicsWorkBench電子工作臺(tái),簡(jiǎn)稱EWB,以界面形象直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用而得到迅速推廣使用.1996年IIT推出了EWB5.0版本,在EWB5.X版本之后,從EWB6.0版本開始,IIT對(duì)EWBS行了較大變動(dòng),名稱改為Multisim多功能仿真軟件.IIT后被美國(guó)

3、國(guó)家儀器NI,NationalInstruments公司收購(gòu),軟件更名為NIMultisim,Multisim經(jīng)歷了多個(gè)版本的升級(jí),已經(jīng)有Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9、Multisim10等版本,9版本之后增加了單片機(jī)和LabVIEW虛擬儀器的仿真和應(yīng)用.下面以Multisim10為例介紹其根本操作.圖13.1-1是Multisim10的用戶界面,包括菜單欄、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、主工具欄、虛擬儀器工具欄、元器件工具欄、仿真按鈕、狀態(tài)欄、電路圖編輯區(qū)等組成局部.標(biāo)準(zhǔn)工具,涉w住-*1"-I:.的國(guó)煤1|*>-riUwLrf-?l&q

4、uot;nhIigltlflB-ilkmhlIf彷息開關(guān)3grgJjjojMpdfUaaora毋?包22人/4u包電路圖編輯區(qū)圖13.1-1Multisim10用戶界面其中,Multisim10可進(jìn)行個(gè)性化界面設(shè)置,提供兩套電氣元器件符號(hào)標(biāo)準(zhǔn):菜單欄與Windows應(yīng)用程序相似,如圖13.1-2所示.匿FieEdt切l(wèi)ewPlaceMCUSmtiateTransferlookReportsOptionsWndowHet串顯放單彷與元產(chǎn)用刈希件樸示片由卬這生口覽助元憶制件報(bào)發(fā)假設(shè)仿分岐傳*式件甚折軟花節(jié)件占drf傳導(dǎo)坡戊據(jù)圖13.1-2Multisim菜單欄Options菜單下的GlobalPr

5、eferences和SheetPropertiesANSI:美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì),美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),默認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn),本章采用默認(rèn)設(shè)置;DIN:德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì),歐洲標(biāo)準(zhǔn),與中國(guó)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一致.工具欄是標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序風(fēng)格.標(biāo)準(zhǔn)工具欄：:視圖工具欄：圖13.1-3是主工具欄及按鈕名稱,圖13.1-4是元器件工具欄及按鈕名稱,圖13.1-5是虛擬儀器工具欄及儀器名稱.Lb圜,如當(dāng)R%-,口力f-1T3便用的元器件列表修改l二二r三a注釋文#創(chuàng)世swbwtd注能文件后處理器白形記錄儀無落件結(jié)輯肥據(jù)年治理趨世孑表格檢規(guī)窗設(shè)計(jì)工耳軸圖13.1-3Multisim王工具欄丁放置總線S0Y_£riHe

6、機(jī)電兀器件高頻X器件.一聲歌外用電潞條項(xiàng)元器件放雷功率元件顯示摸塊宏合元器件其它教字器件CT4OS元器件TTL元善件P運(yùn)算放大落<放置鬲停法林放注二機(jī)旨*意本無器件士放段也深圖13.1-4Multisim元器件工具欄工測(cè)二王,探W針儀器Tnktmn才示波器A以Hm示波器A以Flnr數(shù)字萬用表Atu.1口nr函數(shù)發(fā)生£I呷伯敝字巡邏伏矢頻網(wǎng)通德字信輯輯案至瑞絡(luò)道圖領(lǐng)號(hào)分轉(zhuǎn)特分分分示儀率發(fā)析換代析析析波極生儀杈分儀儀儀器器析儀用波器功率表函數(shù)發(fā)生器萬用也圖13.1-5Multisim虛擬儀器工具欄工程治理器位于Multisim10工作界面的左半局部,電路以分層的形式展示,主要用于層

7、次電路的顯示,3個(gè)標(biāo)簽為：Hierarchy:對(duì)不同電路的分層顯示,單擊“新建按鈕將生成Circuit2電路；Visibility:設(shè)置是否顯示電路的各種參數(shù)標(biāo)識(shí),如集成電路的引腳名；ProjectView:顯示同一電路的不同頁(yè).13.1.2 Multisim仿真根本操作Multisim10仿真的根本步驟為:1 .建立電路文件2 .放置元器件和儀表3 .元器件編輯4 .連線和進(jìn)一步調(diào)整5 .電路仿真6 .輸出分析結(jié)果具體方式如下：1.建立電路文件具體建立電路文件的方法有：翻開Multisim10時(shí)自動(dòng)翻開空白電路文件Circuitl,保存時(shí)可以重新命名菜單File/New工具欄New按鈕快捷鍵

8、Ctrl+N2.放置元器件和儀表Multisim10的元件數(shù)據(jù)庫(kù)有：主元件庫(kù)(MasterDatabase),用戶元件庫(kù)(UserDatabase),合作元件庫(kù)(CorporateDatabase),后兩個(gè)庫(kù)由用戶或合作人創(chuàng)立,新安裝的Multisim10中這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是空的.放置元器件的方法有：菜單PlaceComponent元件工具欄：Place/Component在繪圖區(qū)右擊,利用彈出菜單放置快捷鍵Ctrl+W放置儀表可以點(diǎn)擊虛擬儀器工具欄相應(yīng)按鈕,或者使用菜單方式.以晶體管單管共射放大電路放置+12V電源為例,點(diǎn)擊元器件工具欄放置電源按鈕(PlaceSource),得到如圖13.1-6

9、所示界面.圖13.1-6放置電源修改電壓值為12V,如圖13.1-7所示.BifiitalFdtctXLabelDisp3VaiieFmdtPin帛|giant"ItagsM12p3圖13.1-7修改電壓源的電壓值同理,放置接地端和電阻,如圖13.1-8所示.KnInnt*上門-口門nrrrt：rT<e1aCirapEcciil-!=SwwmliwQsup*£«cvnF*.irbHoiWRJCiuRCES$vgLi皿,$0®-5IBttL_CUHREHT_5.gmHIFOLLHlL憫UA峙皿即UfD.MFtdHipniniurimHFwp«

10、;KiWUi/TfpgHjpetHLM.PtT鑰PC.PMH0£n>HHEE=t蟠EggrHREE_PIW；E_WVEjTt-Fm4EnVDOMEjWtQhBTgRepF|a«w.I*I“iwTFE觸亞麗皿.HATEDL喟RUM.日RM.-EpA/rrcM薨TWIBFURKH就HOH.lHEAR.IF1REJJCfDnsjwigRp事KKD4P$YW5iBMWE晤|麻匕制的1r&AuqrnnCrm»IhIdOl.當(dāng)6dnD4“iI甲UPw|制品I3H.網(wǎng)HMfl*:or£cr*-r-nr11.bjJk牌底?ZTctewnfiGI5-圖13.

11、1-8放置接地端左圖和電阻右圖圖13.1-9為放置了元器件和儀器儀表的效果圖,其中左下角是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,右上角是雙通道示波器.圖13.1-9放置元器件和儀器儀表3 .元器件編輯(1)元器件參數(shù)設(shè)置雙擊元器件,彈出相關(guān)對(duì)話框,選項(xiàng)卡包括：Label：標(biāo)簽,Refdes編號(hào),由系統(tǒng)自動(dòng)分配,可以修改,但須保證編號(hào)唯一性Display:顯示Value:數(shù)值Fault:故障設(shè)置,Leakage漏電；Short短路；Open開路；None無故障(默認(rèn))Pins:引腳,各引腳編號(hào)、類型、電氣狀態(tài)(2)元器件向?qū)?ComponentWizard)對(duì)特殊要求,可以用元器件向?qū)Ь庉嬜约旱脑骷?一般是在已有元

12、器件根底上進(jìn)行編輯和修改.方法是：翻開菜單Tools/ComponentWizard,根據(jù)規(guī)定步驟編輯,用元器件向?qū)Ь庉嬌傻脑骷胖迷赨serDatabase(用戶數(shù)據(jù)庫(kù))中.4 .連線和進(jìn)一步調(diào)整連線：(1)自動(dòng)連線：?jiǎn)螕羝鹗家_,鼠標(biāo)指針變?yōu)椤笆中?移動(dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)引腳或?qū)Ь€,單擊,那么連線完成,當(dāng)導(dǎo)線連接后呈現(xiàn)丁字交叉時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)在交叉點(diǎn)放節(jié)點(diǎn)(Junction);(2)手動(dòng)連線：?jiǎn)螕羝鹗家_,鼠標(biāo)指針變?yōu)椤笆中魏?在需要拐彎處單擊,可以固定連線的拐彎點(diǎn),從而設(shè)定連線路徑；(3)關(guān)于交叉點(diǎn),Multisim10默認(rèn)丁字交叉為導(dǎo)通,十字交叉為不導(dǎo)通,對(duì)于十字交叉而希望導(dǎo)通的情況,可以

13、分段連線,即先連接起點(diǎn)到交叉點(diǎn),然后連接交叉點(diǎn)到終點(diǎn)；也可以在已有連線上增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)(Junction),從該節(jié)點(diǎn)引出新的連線,添加節(jié)點(diǎn)可以使用菜單Place/Junction,或者使用快捷鍵Ctrl+J.進(jìn)一步調(diào)整：(1)調(diào)整位置：?jiǎn)螕暨x定元件,移動(dòng)至適宜位置；(2)改變標(biāo)號(hào)：雙擊進(jìn)入屬性對(duì)話框更改；(3)顯示節(jié)點(diǎn)編號(hào)以方便仿真結(jié)果輸出：菜單Options/SheetProperties/Circuit/NetNames,選擇ShowAll;(4)導(dǎo)線和節(jié)點(diǎn)刪除：右擊/Delete,或者點(diǎn)擊選中,按鍵盤Delete鍵.圖13.1-10是連線和調(diào)整后的電路圖,圖13.1-11是顯示節(jié)點(diǎn)編號(hào)后的

14、電路圖.圖13.1-10連線和調(diào)整后的電路圖二(a)顯不'節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)話框(b)顯不'節(jié)點(diǎn)編號(hào)后的電路圖圖13.1-11電路圖的節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示5 .電路仿真根本方法：按下仿真開關(guān),電路開始工作,Multisim界面的狀態(tài)欄右端出現(xiàn)仿真狀態(tài)指示;雙擊虛擬儀器,進(jìn)行儀器設(shè)置,獲得仿真結(jié)果圖13.1-12是示波器界面,雙擊示波器,進(jìn)行儀器設(shè)置,可以點(diǎn)擊Reverse按鈕將其背景反色,使用兩個(gè)測(cè)量標(biāo)尺,顯示區(qū)給出對(duì)應(yīng)時(shí)間及該時(shí)間的電壓波形幅值,也可以用測(cè)量標(biāo)尺測(cè)量信號(hào)周期.圖13.1-12示波器界面右圖為點(diǎn)擊Reverse按鈕將背景反色6 .輸出分析結(jié)果使用菜單命令Simulate/Ana

15、lyses,以上述單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析為例,步驟如下:菜單Simulate/Analyses/DCOperatingPoint選擇輸出節(jié)點(diǎn)1、4、5,點(diǎn)擊ADDSimulate圖13.1-13靜態(tài)工作點(diǎn)分析13.2 二極管及三極管電路13.2.1 二極管參數(shù)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)構(gòu)成的一種非線性元件.典型的二極管伏安特性曲線可分為4個(gè)區(qū)：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)、反向擊穿區(qū),二極管具有單向?qū)щ娦?、穩(wěn)壓特性,利用這些特性可以構(gòu)成整流、限幅、鉗位、穩(wěn)壓等功能電路.半導(dǎo)體二極管正向特性參數(shù)測(cè)試電路如圖13.2-1所示.表13.2-1是正向測(cè)試的數(shù)據(jù),從仿真數(shù)據(jù)可以看出：二

16、極管電阻值不是固定值,當(dāng)二極管兩端正向電壓小,處于“死區(qū),正向電阻很大、正向電流很小,當(dāng)二極管兩端正向電壓超過死區(qū)電壓,正向電流急劇增加,正向電阻也迅速減小,處于“正向?qū)▍^(qū).圖13.2-1二極管正向特性測(cè)試電路表13.2-1二極管正向特性仿真測(cè)試數(shù)據(jù)Rw10%20%30%50%70%90%Vd/mV299496544583613660Id/mA0.0040.2480.6841.5292.8607.286rd=Vd/Id歐姆74750200079538121490.58半導(dǎo)體二極管反向特性參數(shù)測(cè)試電路如圖13.2-2所示.RWin%K昨A.100VU11-DC1eflO9D-4z-U2：:DC

17、1DMG：D1：八1N414810.000U3：DC1DMC-i圖13.2-2二極管反向特性測(cè)試電路表13.2-2是反向測(cè)試的數(shù)據(jù),從仿真數(shù)據(jù)可以看出：二極管反向電阻較大,而正向電阻小,故具有單向特性.反向電壓超過一定數(shù)值*r,進(jìn)入“反向擊穿區(qū),反向電壓的微小增大會(huì)導(dǎo)致反向電流急劇增加.表13.2-2二極管反向特性仿真測(cè)試數(shù)據(jù)Rw10%30%50%80%90%100%Vd/mV100003000049993799828018080327Id/mA00.0040.0070.04335197rd=Vd/Id(歐姆)OO7.5E67.1E61.8E62290.9407.813.2.2 二極管電路分析

18、仿真實(shí)驗(yàn)二極管是非線性器件,引入線性電路模型可使分析更簡(jiǎn)單.有兩種線性模型：(1)大信號(hào)狀態(tài)下的理想二極管模型,理想二極管相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān)；(2)正向壓降與外加電壓相比不可忽略,且正向電阻與外接電阻相比可以忽略時(shí)的恒壓源模型,即一個(gè)恒壓源與一個(gè)理想二極管串聯(lián).圖13.2-3是二極管實(shí)驗(yàn)電路,由圖中的電壓表可以讀出：二極管導(dǎo)通電壓Von=0.617V;輸出電壓Vo=-2.617V.U1O.fiUTDClUMO圖13.2-3二極管實(shí)驗(yàn)電路(二極管為IN4148)利用二極管的單向?qū)щ娦?、正向?qū)ê笃鋲航蹈竞愣ǖ奶匦?可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的限幅,圖13.2-4(a)是二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路.V1和V2

19、是兩個(gè)電壓源,根據(jù)電路圖,上限幅值為:V1+Von,下限幅彳1為：-V2-Von.在Vi的正半周,當(dāng)輸入信號(hào)幅值小于(V1+Von)時(shí),D1、D2均截止,故Vo=Vi;當(dāng)Vi大于(V1+Von)時(shí),D1導(dǎo)通、D2截止,Vo=V1+Von4.65V;在Vi的負(fù)半周,當(dāng)|Vi|<V2+Von時(shí),D1、D2均截止,Vo=Vi;當(dāng)|Vi|>(V2+Vori)時(shí),D2導(dǎo)通、D1截止,Vo=-(V2+Von)-2.65V.圖13.2-4(b)是二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路的仿真結(jié)果,輸出電壓波形與理論分析根本一致.(a)二極管雙向限幅仿真電路(b)輸出電壓波形圖13.2-4二極管雙向限幅實(shí)驗(yàn)電路13

20、.2.3 三極管特性測(cè)試選擇虛擬晶體管特性測(cè)試儀IV-AnalysisXIV1,雙擊該圖標(biāo),彈出測(cè)試儀界面,進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置,如圖13.2-5所示,點(diǎn)擊Sim_Param按鈕,設(shè)置集射極電壓Vce的起始范圍、基極電流Ib的起始范圍,以及基極電流增加步數(shù)Num_Steps對(duì)應(yīng)特性曲線的根數(shù),單擊仿真按鈕,得到一簇三極管輸出特性曲線.右擊其中的一條曲線,選擇showselectmarts,那么選中了某一條特性曲線,移動(dòng)測(cè)試標(biāo)尺,那么在儀器界面下部可以顯示對(duì)應(yīng)的基極電流Ib、集射極電壓Vce、集電極電流Ic.根據(jù)測(cè)得的Ib和Ic值,可以計(jì)算出該工作點(diǎn)處的直流電流放大倍數(shù)根據(jù)測(cè)得的建和4%,可以計(jì)算出交流

21、電流放大倍數(shù)XIV1圖13.2-5用晶體管特性測(cè)試儀測(cè)量三極管特性13.3 單管根本放大電路13.3.1 共射放大電路仿真實(shí)驗(yàn)放大是對(duì)模擬信號(hào)最根本的處理,圖13.3-1是單管共射放大電路NPN®三極管的仿真電路圖.圖13.3-1單管共射放大電路NPN®三極管進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析,采用菜單命令析節(jié)點(diǎn)及電壓或電流變量,如圖Simulate/Analysis/DCOperatingPoint,在對(duì)話框中設(shè)置分13.3-2所示.圖13.3-3是直流工作點(diǎn)分析結(jié)果.圖13.3-2直流工作點(diǎn)分析對(duì)話框圖13.3-3直流工作點(diǎn)分析結(jié)果當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)適宜,并且參加適宜幅值的正弦信號(hào)時(shí),可以得

22、到根本無失真的輸出,如圖13.3-4所示.圖13.3-4單管共射放大電路輸入輸出波形但是,持續(xù)增大輸入信號(hào),由于超出了晶體管工作的線性工作區(qū),將導(dǎo)致輸出波形失真,如圖13.3-5"O£cill&&cape-XSCl(a)所示,圖13.3-5(b)是進(jìn)行傅里葉頻譜分析的結(jié)果,可見輸出波形含有高次諧波分量.kGrapherViewFileEdit悵wTgls：FiJtmprMVD.-度ClIOrAkXKII84冊(cè)煙1|giawpe雙I|frer附eJ上單管注射放大電路niIiFourierAnalysisFcwr*rAws4T2-TITrn*±hama

23、ijkQIWE0.WflV5mi例出口巧可S.CW-255.DT?nVU.WQV工黜y工昭YEMv.IEkI.Trggfir-TrmeiMaeSteus'&y-HXpwWiffl-YjTW|5A|1B|5«|1®mV.&vVpsiliCflflAC|.跖(7Ciw產(chǎn)E5|3V-Chv甘州Big|fl-ac|o5c-jaTrwe#nr''ir.'iLt¥*J-ype7%N<w|Aug|3FreqneiKY(HO(a)輸出波形失真(b)傅里葉頻譜分析結(jié)果圖13.3-5增大輸入后的失真輸出波形及其頻譜分析結(jié)果靜態(tài)工作

24、點(diǎn)過低或者過高也會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真,如圖13.3-6所示,由于基極電阻Rb過小,導(dǎo)致基Vo-Vcc-icRc,大的集電極極電流過大,靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū),集電極電流也因此變大,輸出電壓電流導(dǎo)致整個(gè)電路的輸出電壓變小,因此從輸出波形上看,輸出波形的下半周趨于被削平了,屬于飽和失真.MSC1圖13.3-6減小Rb后的失真輸出波形13.3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路仿真實(shí)驗(yàn)1 .場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性指漏-源電壓vDS固定時(shí),柵-源電壓vGS對(duì)漏極電流iD的限制特性,即iD=f(VGS)|vdsinstant,根據(jù)圖13.3-7搭建N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性實(shí)驗(yàn)電路,單擊Multisim10

25、菜單"Simulate/Analyses/DCSweep."選擇直流掃描分析功能,在彈出的對(duì)話框"AnalysisParameters"中設(shè)置所要掃描的直流電源vGS,并設(shè)置起始和終止值、步長(zhǎng)值,在“Output選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)2的電壓V2為分析節(jié)點(diǎn),由于源極電阻RS=1夏,所以電壓V2的數(shù)值等于源極電流,也等于漏極電流iDo由圖13.3-7(b)可知,N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管2N7002的開啟電壓VGS(由)定2V.*lOam0N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性DCTiiiiissfci,Cliaictciistii401mill£覘七m-ncd.1.

26、也目也,0挈就好鼾國(guó)電口lDak|ctLiICTrxriLf4rClitric*itiliac:(a)仿真電路(b)轉(zhuǎn)移特性仿真結(jié)果£督下A13wgjsVokage(V)圖13.3-7場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性直流掃描分析2 .場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路圖13.3-8是場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路仿真實(shí)驗(yàn)電路圖,調(diào)整電阻Rg1和Rg2構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)可以改變VGSQ,從而改變電壓放大倍數(shù).此外,改變電阻Rd、Rs也可改變輸出電壓.(a)仿真電路(b)輸入和輸出電壓波形圖13.3-8場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路仿真3 3.4放大電路指標(biāo)測(cè)量13.4.1 輸入電阻測(cè)量萬用表可以測(cè)量交直流電壓、交直流電流、電阻、電路中兩個(gè)

27、節(jié)點(diǎn)之間的分貝損耗,不需用戶設(shè)置量程,參數(shù)默認(rèn)為理想?yún)?shù)(比方電流表內(nèi)阻為0),用戶可以修改參數(shù).點(diǎn)擊虛擬儀器萬用表(Multimeter),接入放大電路的輸入回路,本例中將萬用表設(shè)置為交流,測(cè)得的是有效值(RMS值).由于交流輸入電阻要在適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)上測(cè)量,所以直流電源要保存.由圖13.4-1可見,測(cè)得輸入回路的輸入電壓有效值為3.536mV,電流為2.806科A,輸入電阻Vi3.536R='=1.260kC.ii2.806在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)物電路的輸入電阻測(cè)量要采用間接測(cè)量方法,這是由于實(shí)際的電壓表、電流表都不是理想儀器,電流表內(nèi)阻不是0,而電壓表內(nèi)阻不是無窮大.(a)輸入電阻

28、測(cè)量電路總ultimeterR.,取3.536mV(b)電壓、電流測(cè)量結(jié)果圖13.4-1放大電路輸入電阻測(cè)量電路圖13.4-2輸出電阻13.4.2 輸由電阻的測(cè)量采用外加鼓勵(lì)法,將信號(hào)源短路,負(fù)載開路,在輸出端接電壓源,并測(cè)量電壓、電流,如圖所示.由圖13.4-2可見,測(cè)得輸出回路的鼓勵(lì)電壓有效值為707.106mV,電流為517.861科A,cVo707.106Ro=1.365kQ.io517.8610210uFC12N2222-63<7-一,.(a)輸出電阻測(cè)量(b)電壓、電流測(cè)量結(jié)果圖13.4-2放大電路輸出電阻測(cè)量電路圖13.4.3 幅頻特性的測(cè)量可以用示波器測(cè)量放大電路的增益,

29、以電阻分壓式共射放大電路為例,圖13.4-3(a)是測(cè)量電壓放大倍數(shù)的電路圖,圖13.4-3(b)是示波器輸出波形.移動(dòng)測(cè)試標(biāo)尺可以讀出輸入輸出波形幅值,進(jìn)而計(jì)算出電壓放大倍數(shù),但是,可以發(fā)現(xiàn),標(biāo)尺處于不同位置計(jì)算出的結(jié)果不同,僅可作為估計(jì)值,此外,輸出波形與輸入波形相比,存在一定相移,不是理想的反相,即發(fā)生了相移,相移大小與頻率有關(guān),這就是該放大電路的相頻特性.除了用示波器進(jìn)行放大倍數(shù)測(cè)量的方法.還有兩種方法：掃描分析法和波特儀測(cè)量法.(b)圖13.4-3分壓式共射放大電路放大倍數(shù)的測(cè)量1.掃描分析法由菜單Simulate/Analyses/ACAnalysis,彈出ACAnalysis交流

30、分析對(duì)話框,如圖13.4-4所示,選項(xiàng)卡FrequencyParameters中設(shè)置Startfrequency起始頻率,本例設(shè)為1Hz、Stopfrequency終止頻率,本例設(shè)為10GHZ、Sweeptype掃描方式,本例設(shè)為Decade,十倍頻掃描、Numberofpointsperdecade每十倍頻的采樣點(diǎn)數(shù),默認(rèn)為10、Verticalscale縱坐標(biāo)刻度,默認(rèn)是Logarithmic,即對(duì)數(shù)形式,本例選擇Linear,即線性坐標(biāo),更便于讀出其電壓放大倍數(shù).在Output選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)5的電壓V5為分析變量,按下Simulate仿真按鈕,得到圖13.4-4b所示的頻譜圖,包括幅頻

31、特性和相頻特性兩個(gè)圖.在幅頻特性波形圖的左側(cè),有個(gè)紅色的三角塊指示,說明當(dāng)前激活圖形是幅頻特性,為了詳細(xì)獲取數(shù)值信息,按下工具欄的Show/HideCursors按鈕,那么顯示出測(cè)量標(biāo)尺和數(shù)據(jù)窗口,移動(dòng)測(cè)試標(biāo)尺,那么可以讀取詳細(xì)數(shù)值,如圖c和d所示.同理,可激活相頻特性圖形,進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量.1'Giaptie-irTiew_|f1fX)(a)ACAnalysis對(duì)話框DCFJhillWkIviLiDQAQkK電電匚鹿的國(guó)鼻；.“磔律t就困43放大電疏幅頻特性測(cè)量AC.-UiakgLsIDkLFJFjE-uencyIjizIIX10kLFJJDCFJFirqucnq(I國(guó)SU+h“口L*0

32、*ACAMlKflS-b被分析節(jié)點(diǎn)的幅頻和相頻特性"GKuphfeTitv性口肘段鼻o小原小冷卻請(qǐng)國(guó)o10kIMFrtqwiucy(Hz)IMMg放大電路幅頻特性測(cè)量ACJAualv?is山印劃打匆#0.25曾)妙的一fdX11.0000也604.5051mx236-6234k雄127,2004dx36,62Z4H：12S.59SB1/dx27.30571Ji/dy7,S992：lnwinx1.0000KI3KXlOi.OOOOGkniny12B.9505nmaxy127.2021offsetk0.0000offsety0.00D0V(5)(c)用測(cè)試標(biāo)尺讀取詳細(xì)數(shù)值(d)頻響數(shù)據(jù)圖

33、13.4-4掃描分析法進(jìn)行放大電路幅頻特性測(cè)量2.波特儀測(cè)量法波特儀(BodePlotter)也稱為掃頻儀,用于測(cè)量電路的頻響(幅頻特性、相頻特性),將波特儀連接至輸入端和被測(cè)節(jié)點(diǎn),如圖13.4-5(a)所示,雙擊波特儀,獲得頻響特性,圖13.4-5(b)是幅頻響應(yīng),圖13.4-5(c)是相頻響應(yīng).IFa±T-Q：.HIO11PRsjo(a)波特儀測(cè)試頻響電路圖BodePlotter-IEPl*4.8»fikHz127.000767+In(7_+(TOutf?一(b)幅頻特性測(cè)試結(jié)果(c)相頻特性測(cè)試結(jié)果圖13.4-5掃描分析法進(jìn)行放大電路幅頻特性測(cè)量波特儀的面板設(shè)置：(1

34、)Mode：模式選擇,點(diǎn)擊Magnitude獲得幅頻響應(yīng)曲線,選擇Phase獲得相頻響應(yīng)曲線;(2)水平和垂直坐標(biāo)：點(diǎn)擊Log選擇對(duì)數(shù)刻度,點(diǎn)擊Lin選擇線性刻度；(3)起始范圍：F文本框內(nèi)填寫終了值及單位,I文本框內(nèi)填寫起始值及單位.13.5差動(dòng)放大電路13.5.1 差動(dòng)放大電路仿真電路直接耦合是多級(jí)放大的重要級(jí)間連接方式,對(duì)直流信號(hào)、變化緩慢的信號(hào)只能用直接耦合,但隨之而來的是零點(diǎn)漂移問題,影響電路的穩(wěn)定,解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是采用差動(dòng)放大電路,在電子設(shè)備中常用差動(dòng)放大電路放大差摸信號(hào),抑制溫度變化、電源電壓波動(dòng)等引起的共模信號(hào).圖13.5-1是差動(dòng)放大電路仿真電路,是由兩個(gè)相同的共射放

35、大電路組成的,當(dāng)開關(guān)J1撥向左側(cè)時(shí),構(gòu)成了一個(gè)典型的差動(dòng)放大電路,調(diào)零電位器Rw用來調(diào)節(jié)Q1、Q2管的靜態(tài)工作點(diǎn),使得輸入信號(hào)為0時(shí),雙端輸出電壓(即電阻R上的電壓)為0.當(dāng)開關(guān)J1撥向右側(cè)時(shí),構(gòu)成了一個(gè)具有恒流源的差動(dòng)放大電路,用恒流源代替射極電阻Re,可以進(jìn)一步提升抑制共模信號(hào)的水平.差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)既可以是交流信號(hào),也可以是直流信號(hào).圖13.5-1中,輸入信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器提供,函數(shù)發(fā)生器(FunctionGenerator)可以產(chǎn)生正弦波、三角波、矩形波電壓信號(hào),可設(shè)置的參數(shù)有：頻率、幅值、占空比、直流偏置,頻率范圍很寬(0.001PHz1000THz).差動(dòng)放大電路需要一正一負(fù)兩

36、個(gè)電壓源,實(shí)際中不存在負(fù)的電壓源,將正極接地,那么電壓源的負(fù)極可以提供負(fù)的電壓,因此,根據(jù)圖中的接法可以提供正負(fù)電壓源.差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端,因此電路組態(tài)有雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出4種,但凡雙端輸出,差摸電壓放大倍數(shù)與單管情況下相同,但凡單端輸出,差摸電壓放大倍數(shù)為單管情況下的一半.圖13.5-1差動(dòng)放大電路仿真電路13.5.2 差動(dòng)放大電路的調(diào)零調(diào)零是指差動(dòng)放大器輸入端不接入信號(hào),調(diào)整電路參數(shù)使兩個(gè)輸出端到達(dá)等電位.圖13.5-2中是調(diào)整電位器Rw使節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4的電壓相同,這時(shí)可認(rèn)為左右兩側(cè)的電路已經(jīng)對(duì)稱,調(diào)零工作完成.圖中的電壓讀數(shù)也是兩個(gè)三極管的集電極靜態(tài)

37、工作電壓.iT6.398VAjprII-學(xué)XHM20RdlOkfl13Rh16ioknoKey=Space012N38592000Rc210kO5Rb2-VA-10kO2H38593CMM1-A-4-J_V212V圖13.5-2差動(dòng)放大電路的調(diào)零13.5.3 差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)采用菜單命令Simulate/Analysis/DCOperatingPoint,選擇節(jié)點(diǎn)仿真可以獲得靜態(tài)工作點(diǎn)指標(biāo),下面采用另一種方法,將電流表和電壓表接入仿真電路,獲得更直觀的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量結(jié)果,如圖13.5-3所示.15>Rc1U2dcujooaaU3DC10MQU1Q1DC力09口5kfiR50曲拓的

38、,OQOKey=Sp<iceRc2lOkfl025Rh2Wv-WkO2N3A59TIft92N3S59孫312圖13.5-3差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量13.5.4 差模增益和共模增益測(cè)量1 .差模電壓增益雙端輸入雙端輸出情況下的差摸電壓放大倍數(shù)是輸出端電壓差除以輸入端電壓差.為獲得較大電壓增益,將仿真電路的參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整,測(cè)量電路如圖13.5-4所示.函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為輸出正弦波,頻率1kHz,幅值5mV"+端和“-端接入差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端,CO啾接地.用電壓表測(cè)量輸入端的電壓差,注意雙擊電壓表,將測(cè)量模式Mod®改為交流AQ模式.由圖中測(cè)量數(shù)據(jù),輸入端電壓差

39、為7.071mV,輸出端電壓差為308.991mV,雙入雙出模式時(shí)的差摸308.991mV仆7電壓增曲為Aud=之43.7.7.071mV當(dāng)開關(guān)J1撥向右側(cè)時(shí),以恒流源代替射極電阻,那么差摸電壓增益增加到Ad=316.654mV定44.8.7.071mV仿真可發(fā)現(xiàn),負(fù)載電阻RL對(duì)增益值影響很大,此外,調(diào)零電阻Rw基極電阻Rb1、Rb2、集電極電阻Rc1、Rc2均有影響.xnn?XFGlMju-4-41守守waveformsSignalOptionskHzFrequency1DutyCycle片nplitude5Offset0StRlw/FlT»nnp+CofnrnonE帥Rc210k

40、ft圖13.5-4雙入雙出差動(dòng)放大電路的差摸增益測(cè)量2 .共模電壓增益將兩輸入端短接,CO啾接地,構(gòu)成共模輸入方式,如圖13.5-5所示.調(diào)整輸入信號(hào)頻率為1kHz,幅值為1mV在負(fù)載電阻兩端接萬用表,測(cè)得輸出電壓為6pV左右,“皮的數(shù)量級(jí)為10-12,幾乎為零.可見,差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制效果.1C10MRh1-VWiknR65100R7士510001J1Key=Space外Rb2_L2-VV2kn2N2222XMM22N22221Mn圖13.5-5雙入雙出差動(dòng)放大電路的共摸增益測(cè)量13.6集成運(yùn)放電路由分立元件構(gòu)成的電路具有電子設(shè)計(jì)上靈活性大的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是功耗大、穩(wěn)定性差、可

41、靠性差,此外,設(shè)計(jì)本身較復(fù)雜.集成電路采用微電子技術(shù)構(gòu)成具有特定功能的電路系統(tǒng)模塊,與分立元件構(gòu)成的電路相比,性能有了很大提升,電子設(shè)計(jì)也更為簡(jiǎn)單.集成運(yùn)算放大器是高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、直接耦合的線性放大集成電路,功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性高.可以通過外圍元器件的連接構(gòu)成放大器、信號(hào)發(fā)生電路、運(yùn)算電路、濾波器等電路.以集成運(yùn)放科A741為例,圖13.6-1是科A741的管腳示意圖及實(shí)物照片.圖13.6-1集成運(yùn)放科A741管腳示意圖及實(shí)物照片13.6.1比例放大電路用aA741組成同相比例放大電路,仿真電路圖如圖13.6-2所示.根據(jù)同相比例電路的增益公式,Rf圖13.6-2的電壓增益

42、應(yīng)為：Avf=1+=3.RXSC1(a)同相比例放大電路TimeChamieJ_AChannelJ57.257ms鼎S.M2rrtV工費(fèi)V5S.7JBg弱B,皿eY-2.WSV1.481ms4.SWVS565y3-tpnnT2-Ext.TriggefChanrlA匚Ham產(chǎn)島Scale|2V/DivSeiJt11m.'OiMSuitp56»KpositionpYpoBrtkm卜Ypositdu|DA<m|用用設(shè)3|AC|0|DC_ACj_0jDC_JTr»W*rEdB>TV|FB|En|Level|oIVTyp*Mm|加州刎*(b)輸入、輸出電壓波形圖1

43、3.6-2集成運(yùn)放科A741構(gòu)成的同相比例放大電路從波形上看,輸入、輸出同相位,用測(cè)試標(biāo)尺測(cè)量幅值,可發(fā)現(xiàn)輸出與輸入的比例為3,在一定范圍內(nèi)調(diào)整負(fù)載電阻,波形根本不變,說明該電路帶負(fù)載水平強(qiáng).同理,可以進(jìn)行反相比例放大電路的仿真,圖13.6-3是集成運(yùn)放科A741構(gòu)成的反相比例放大電路,Rf、一其電壓增益應(yīng)為：Av=-=-2,這與Ri示波器讀數(shù)一致.圖13.6-3集成運(yùn)放科A741構(gòu)成的反相比例放大電路及波形由仿真可見,由運(yùn)算放大器構(gòu)成比例放大電路的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)容易、性能穩(wěn)定、帶負(fù)載水平強(qiáng).13.6.2有源濾波電路根據(jù)濾波電路中有無有源元件可將濾波器電路分為無源濾波器和有源濾波器,無源濾

44、波器由無源元器件電阻、電容、電感構(gòu)成電路網(wǎng)絡(luò),但其濾波特性隨著負(fù)載的變化而變化,負(fù)載效應(yīng)明顯,不能滿足很多應(yīng)用場(chǎng)合的要求,有源濾波器那么通過運(yùn)放電路提升輸入阻抗,降低輸出阻抗而大大減少了負(fù)載效應(yīng).簡(jiǎn)單的有源濾波器是在無源濾波器輸出端接一個(gè)由運(yùn)放電路構(gòu)成的電壓跟隨器或同相比例放大器,使得濾波的同時(shí)可以放大信號(hào),并且提升帶負(fù)載水平.圖13.6-4是簡(jiǎn)單的二階低通有源濾波電路,運(yùn)放U1和電阻Rf、R3構(gòu)成同相比例放大電路,放大倍數(shù)為入=1+旦=2,電阻R1、電容C1、電阻R2、電容C2組成的RC網(wǎng)絡(luò)是二階低通濾波電路,其1 1特征頻率為f0=3-338.79Hzo信號(hào)源是幅值為1V的交流電壓源.2二

45、RC2二471031010用菜單命令Simulate/Analyses/ACAnalysis對(duì)其進(jìn)行交流分析,頻率范圍設(shè)置為1Hz1MHz掃描類型Sweeptype選擇Decade,縱坐標(biāo)VerticalScale選擇Linear,Output選項(xiàng)卡中選擇節(jié)點(diǎn)4作為分析節(jié)點(diǎn),單擊Simulate按鈕,可得到其頻率特性,如圖13.6-5所示.RflOkft圖13.6-4簡(jiǎn)單二階低通有源濾波電路R3-VW10kfl由頻率特性可以看出：最大輸出為1.9996V,截止頻率為對(duì)應(yīng)1.9996/J2=1.414V即增益下降3dB的頻率,約為125.4003Hz標(biāo)尺2處,而在特征頻率處標(biāo)尺1處,338.29

46、89Hz,幅值已下降至672.8329mV,可見,實(shí)際的截止頻率遠(yuǎn)小于特征頻率.為縮小二者的差異,可引入正反應(yīng)增大特征頻率處的幅值,這就是所謂的壓控電壓源二階低通濾波器.圖13.6-5簡(jiǎn)單二階低通有源濾波電路的頻率特性將電容C1的下端直接接在濾波器輸出端,構(gòu)成圖13.6-6所示的壓控電壓源二階低通濾波器,其頻率特性如圖13.6-7所示.圖13.6-6壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階彳氐通濾波A.CFrequenrry(Hz)Selected口覲sttlMAnalysiE圖13.6-7壓控電壓源二階低通濾波電路的頻率特性可以看出,特征頻率處的幅值有所增大,在特征頻率處測(cè)量標(biāo)尺1,338.2989Hz幅值增大為1.9857V,截止頻率為1.414V所對(duì)應(yīng)的頻率,在測(cè)量標(biāo)尺2處幅彳1為1.3912,對(duì)應(yīng)頻率為439.2605Hz,二者差距由約213Hz縮小至約100Hz,特征頻率和截止頻率差距大大縮小了.品質(zhì)因數(shù)