微分電路的設(shè)計與仿真

1、（報告提交日期： 2014年8月）- 22 -目錄摘 要：- 1 -Abstract:- 1 -1 引 言- 3 -2 微分電路- 5 -2.1 電路組成- 5 -2.2基本微分運算電路- 5 -2.3 微分運算電路的缺點及其改進- 6 -3 技術(shù)支持與分析.-7- 3.1 軟件概述- 7 -3.2理論分析- 7 -3.3實驗分析（Multisim2001平臺）- 8 -3.2補償作用2- 9 -3.3 瞬態(tài)分析- 10 -4 仿真分析- 11 -4.1 電路及其網(wǎng)表- 11 -4.4波形分析- 14 -4.2直流分析- 16 -5 總結(jié)- 18 -參 考 文 獻- 19 -附錄一- 20 -

2、致 謝- 22 -微分電路的設(shè)計與仿真 摘 要：集成運放作用通用性很強的有源器件，它的信號運算、處理和測量等方面都有廣泛應(yīng)用。作為最基本的運算放大電路，微分電路在波形變換、信號測量、有源濾波及相位校正等專門技術(shù)中具有重要作用。本文介紹了微分電路的結(jié)構(gòu)。從理論分析運算放大器組成的微分電路的頻率特性,用Multisim2001仿真平臺進行實驗、分析、論證。闡述電路參數(shù)進行適當(dāng)改變,可以改善微分電路的性能。用Pspice仿真軟件對其電阻分別為0、1K、2.5K和5K時進行瞬態(tài)仿真，得出其輸出電壓波形，由此清楚地看到電阻的補償作用。關(guān)鍵詞：微分電路 頻率特性 補償作用 瞬態(tài)分析 輸出電壓波形 Pspi

3、ce Multisim2001 The Design and Simulation of Differential CircuitAbstract: As a commonly used source components, the operational amplifier (Op Amp) is widely be used in signal processing operation and Measuring. Differential circuit is the most fundamental of integrated operational amplifiers. It ha

4、s important value in Waveform transform, signal measurement, active filtering and phase correction.This paper describes the structure of the differential circuits. From the frequency characteristic of the differential circuit composed of an operational amplifier theoretical analysis using simulation

5、 platform Multisim2001 experiment analysis demonstrated. Circuit parameters described appropriately changed, can improve the performance of the differential circuit. Pspice simulation software with its resistance was 0,1 K, when 2.5K and 5K be transient simulation, the output voltage waveform obtain

6、ed, thus clearly see the compensation of resistance.Keyword: differential circuit, frequency characteristics ,compensation, transient analysis, sinusoidal output waveform, PSpice Multisim20011 引 言集成電路1是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容、和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)

7、構(gòu)；集成電路分成了處理數(shù)字信號的數(shù)字集成電路和處理模擬信號的模擬集成電路兩類。集成運算放大器是一種高增益、高品質(zhì)、直接耦合的多級電壓放大器，外接少數(shù)幾個元件便可對模擬信號做出各種運算和處理。而用運算放大器實現(xiàn)對輸入信號的微分運算是運算放大器的典型應(yīng)用之一。在模擬及脈沖數(shù)字電路中，常常用到由電阻尺和電容C組成的RC電路，在這些電路中，電阻R和電容C的取值不同、輸入和輸出關(guān)系以及處理的波形之間的關(guān)系，產(chǎn)生了RC電路的不同應(yīng)用形式；微分電路、積分電路、耦舍電路、濾波電路及脈沖分壓器。2-3微分電路是將輸入電壓對時間微分、并將與其值成正比的電壓輸出的電路。常用于正弦-余弦變換4、三角波-矩形波變換、交

8、流放大器及反饋控制的微分補償5等。用運算放大器組成基本微分電路, 是運算放大器線性應(yīng)用中的一種形式, 在電路中通過模擬形式實現(xiàn)數(shù)學(xué)中微分運算。由于數(shù)學(xué)中微分運算是理想式, 不受其它影響, 而實際電路受工作頻率、電阻、電容等參數(shù)影響6。在以往實驗條件下很難看出電路參數(shù)變化對電路性能影響, 特別是頻率變化。在Multisim2001仿真平臺上進行分析、驗證和調(diào)整參數(shù)容易快速實現(xiàn), 使設(shè)計微分電路效果更好。在理想微分電路中，輸入電壓產(chǎn)生階躍變化、脈沖式大幅值干擾都會使得集成運放內(nèi)部的放大管進入飽和或者截止?fàn)顟B(tài)，致使信號消失，管子還不能脫離原狀態(tài)回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，電路不能正常工作；同時，由于反

9、饋網(wǎng)絡(luò)為滯后環(huán)節(jié)，它與集成運放內(nèi)部滯后環(huán)節(jié)相疊加，容易滿足自激蕩條件，從而使電路不穩(wěn)定。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)已滲透到電子線路設(shè)計的各個領(lǐng)域，包括電路圖生成、邏輯模擬、電路分析、優(yōu)化設(shè)計、最壞情況分析、印刷板設(shè)計等。而以CAD為基礎(chǔ)的電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)已滲透到電子系統(tǒng)和專用集成電路設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。模擬集成電路的仿真工具，是眾多EDA工具的一個重要組成部分。由于模擬電路在性能上的復(fù)雜性和電路結(jié)構(gòu)上的多樣性，對仿真工具的精度、可靠性、收斂性以及速度都有相當(dāng)高的要求。國際上公認(rèn)的模擬電路通用仿真工具是美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開發(fā)的Spice程序。而Mul

10、tisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具。本文利用PSpice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）和Multisim軟件進行仿真。由于它們強大的功能，在全世界的電工、電子工程界得到廣泛應(yīng)用。在電路系統(tǒng)仿真方面是其他軟件無法比擬的，是一個多功能的電路模擬試驗平臺。2 微分電路2.1 電路組成為實現(xiàn)輸出電壓和輸入電壓的各種運算關(guān)系，運算電路中的集成運放應(yīng)工作在線性區(qū)，因而電路中必須引入負(fù)反饋，且為了穩(wěn)定輸出電壓，均引入電壓負(fù)反饋。而由于集成運放優(yōu)良的指標(biāo)參數(shù)，引入的反饋均為深度負(fù)反饋。因此，

11、集成運放電路是利用反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運算。微分電路輸入電壓uI通過電電容C作用于集成運放的反相輸入端，故輸出電壓uO與uI反相。同時，輸入端通過電阻R2接地。電路中通過電阻Rf引入負(fù)反饋。2.2基本微分運算電路3基本微分電路如圖1所示圖1根據(jù)集成運放“虛短”和“虛斷” 的原則， ，為“虛地”，電容兩端電壓 。因而 （1）輸出電壓 （2）輸出電壓與輸入電壓的變化率成比例，即輸出與輸入成微分關(guān)系7。2.3 微分運算電路的缺點及其改進在圖1所示電路中，輸入電壓產(chǎn)生階躍變化、脈沖式大幅值干擾都會使得集成運放內(nèi)部的放大管進入飽和或者截止?fàn)顟B(tài)，致使信號消失，管子還不能脫離原狀態(tài)回到放大區(qū)，出

12、現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，電路不能正常工作；同時，由于反饋網(wǎng)絡(luò)為滯后環(huán)節(jié)，它與集成運放內(nèi)部滯后環(huán)節(jié)相疊加，容易滿足自激蕩條件，從而使電路布穩(wěn)定。為解決上述問題，一般在輸入端串聯(lián)一個電阻R1,以限制輸入電流，也就限制了R上的電流；在反饋電阻R上并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以限制輸出電壓幅值，保證集成運放中的放大管始終工作在放大區(qū)；在R上并聯(lián)小容量電容C1，起相位補償作用，提高電路的穩(wěn)定性。3.技術(shù)支持與分析3.1 軟件概述10用于模擬集成電路仿真的Spice程序，是由美國加州伯克利分校于1972年首次推出，它是用FORTRAN語言編寫的。1975年正式推出實用化版本。從問世以來，版本不斷更新，1985年，伯克利分校將Sp

13、ice重新用C語言改寫，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行效率上都有很大改善。本文采用的是MicroSim公司的PSpice軟件。它在保持了Spice原有功能的基礎(chǔ)上，在輸入圖形處理、算法的可靠性和收斂性、仿真速度、模擬功能擴展以及模型參數(shù)庫和宏模型庫等方面都有所改善和補充10。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具。適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力?？蓪崿F(xiàn)器件建模及仿真、電路的結(jié)構(gòu)及仿真、系統(tǒng)的組成及仿真、儀器儀表原理及制造仿真。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的撲捉和功能強

14、大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計與驗證。3.2理論分析由運算放大器組成的基本微分電路如圖2圖2利用運算放大器虛地的概念，實現(xiàn)了輸入、輸出微分運算。如果輸入是正弦信號，即ui = sinwt，則微分電路輸出信號： uo =-RCwcscwt = RCwsin(wt-900) （3）可見uo的幅度將隨ui的頻率增加呈線性增加，相位滯后900。但是由于基本微分電路uo duidt對輸入電壓的而變化特別敏感，其抗干擾能力差，很可能出現(xiàn)噪聲淹沒輸出信號。一旦輸入信號突變，相當(dāng)于w很大，此時，RC環(huán)節(jié)具有相位移作用，它的和運算放大器內(nèi)部電路的相位滯后作用在一起容易引起自激振蕩。3.3實驗分析

15、（Multisim2001平臺）按基本微分電路圖、2參數(shù)得到幅頻特性和相頻特性：圖3用示波器觀察ui與uo 波形，圖、4為f =5KHz;圖、5為f=10KHz，uo的幅度隨ui的頻域增加呈線性增加，而且ui 超前uo900，圖6與圖5比較雖然幅度增加, 但相位ui 滯后uo，uo波形失真，如果f =80KHzuo 幅度會比f =15KHz uo幅度明顯減小, 幅度明顯減小，相位ui 滯后uo，uo波形失真。圖4圖5圖6從ui與uo幅頻特性和相頻特性及用示波器觀察ui 與uo 波形分析, 說明了基本微分電路的輸入與輸出微分關(guān)系，uo =-ifR = -RCdudt只有在頻率比較低時才成立, 頻

16、率較高時不成立。3.2補償作用2在負(fù)反饋放大電路中一般有超前補償和滯后補償兩種補償方式。超前補償是指改變負(fù)反饋放大電路在環(huán)路增益為0 dB點的相位，使之超前，破壞其自激振蕩。超前補償通常是將補償電容加在反饋回路上。滯后補償有簡單滯后補償、RC滯后補償和密勒效應(yīng)補償三種方式。簡單滯后補償是在電路中找出產(chǎn)生fH1的那級電路，加補償電路。RC滯后補償則是在級間加入R和C串聯(lián)電路，不僅消除自激振蕩，而且使帶寬損失有所改善。密勒效應(yīng)補償是將補償電容或補償電阻和電容跨接在放大電路的輸入端和輸出端，以減小補償電容的容量，更好的起到補償作用8。集成運放是直接耦合多級放大電路，具有很好的低頻特性，它的各級半導(dǎo)體

17、的極間電容將影響它的高頻特性。由于輸入級和中間級均有很高的電壓增益，所以盡管結(jié)電容數(shù)值很小，但晶體管發(fā)射結(jié)等效電容或場效應(yīng)管g-s間等效電容卻很大，致使上限頻率很低。為了防止集成運放引入負(fù)反饋后產(chǎn)生自激振蕩，通常在內(nèi)部電路中加頻率補償。通常，集成運放內(nèi)部頻率補償多為簡單滯后補償（密勒補償）或超前補償，用以改變其頻率響應(yīng)。這樣在引入負(fù)反饋且反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻網(wǎng)絡(luò)時電路一定不會產(chǎn)生自激振蕩，并具有足夠穩(wěn)定性。微分電路是一種基本運算電路。運算電路中有集成運放并引入了負(fù)反饋，因而微分電路將會產(chǎn)生自激振蕩。然而，微分電路的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)并不是純電阻網(wǎng)絡(luò)，而是R和C組成的反饋網(wǎng)絡(luò)。為了消除自激振蕩，一般在微分電

18、路輸入端電容C上串聯(lián)一個小值電阻R1,起到補償作用9。3.3 瞬態(tài)分析9有電感或電容儲能元件的電路，它的儲能元件在通電和斷電的瞬間會和電路穩(wěn)態(tài)時得參數(shù)不一樣。分析這些元件在開關(guān)閉合與斷開時瞬間電壓電流參數(shù)的過程叫瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析，它可以在給定激勵信號（或沒有任何激勵）的情況下，計算電路的時域響應(yīng)。瞬態(tài)分析有以下特點：（1）瞬態(tài)分析不用考慮各種參數(shù)隨時間的變化；（2）仿佛時間定格在那里。你能得到這時的各種物理參數(shù)（這一瞬時的）；（3）瞬態(tài)分析把隨時間變化是非復(fù)雜的事物在時間上定格，然后對其分析，總結(jié)規(guī)律，最后再應(yīng)用到隨時間的變化上，得到總體的變化規(guī)律。PSpice可對大信號非

19、線性電子電路進行瞬態(tài)分析，也就是求電路的時域響應(yīng)。它可在給定激勵信號情況下，求電路輸出的時間響應(yīng)、延遲特性；也可在沒有任何激勵信號的情況下，求振蕩波形、振蕩周期等。瞬態(tài)分析運用最多，也最復(fù)雜，而且是計算機資源耗費最高的部分11-12。4 仿真分析4.1 電路及其網(wǎng)表微分運算電路如圖7，運放A選用µA741（µA741詳情見附錄一）。本文將對其進行以下四種情況進行PSpice的瞬態(tài)分析，得出其輸出電壓波形，并觀察電阻R1的補償作用。圖7情況一：電阻R1=0，輸入信號VI幅度為1V，周期為40ms的三角波，其網(wǎng)表文件如下，電路圖如圖8。網(wǎng)表：* source ZHAOV_V1

20、IN 0 +PULSE -0.5 0.5 0 20M 20M 1P 40MC_C1 IN N00084 0.1U X_U3 N00087 N00084 N00100 N00113 OUT uA741R_Rf N00084 OUT 1MEG V_V2 0 N00113 -12VV_V3 N00100 0 12VR_R2 0 N00087 1MEG 圖8情況二：電阻R1=1K，輸入信號不變。其網(wǎng)表如下，電路圖如圖4。網(wǎng)表：電路圖如圖9。* sourceR1=1KV_V1 IN 0 C_C1 IN N00084 0.1U X_U3 N00087 N00084 N00100 N00113 OUT uA

21、741R_Rf N00084 OUT 1MEG V_V2 0 N00113 -12VV_V3 N00100 0 12VR_R2 0 N00087 1MEG+PULSE -0.5 0.5 0 20M 20M 1P 40M圖9情況三：電阻R1=2.5K，輸入信號不變。其網(wǎng)表如下，電路圖如圖10。網(wǎng)表：* sourceR1=2.5KV_V1 IN 0 C_C1 IN N00084 0.1U R_Rf N00084 OUT 1MEG V_V2 0 N00113 -12VV_V3 N00100 0 12VR_R2 0 N00087 1MEG X_U3 N00087 N00084 N00100 N0011

22、3 OUT uA741+PULSE -0.5 0.5 0 20M 20M 1P 40M圖10情況四：電阻R1=5K，輸入信號不變。其網(wǎng)表如下，電路圖如圖11。網(wǎng)表：* sourceR1=5KV_V1 IN 0 C_C1 IN N00084 0.1U R_Rf N00084 OUT 1MEG V_V2 0 N00113 -12VV_V3 N00100 0 12VR_R2 0 N00087 1MEG X_U3 N00087 N00084 N00100 N00113 OUT uA741+PULSE -0.5 0.5 0 20M 20M 1P 40M圖114.4波形分析微分電路中輸入信號為幅度為1V，

23、周期為40ms的三角波的輸入電壓波形如圖12所示。由圖可知輸入電壓為標(biāo)準(zhǔn)三角波，輸入正常，不會影響電路得到理論的輸出電壓波形方波。圖12（1）R1=0K時，電路如圖9。此時電路沒有在輸入端串聯(lián)電阻，為基本微分電路。通過瞬態(tài)分析得到如圖13所示的輸出電壓波形。從圖中可看出，由于反饋網(wǎng)絡(luò)的滯后環(huán)節(jié)與運放內(nèi)部滯后環(huán)節(jié)的疊加，輸出方波電壓時在高低電平起始端產(chǎn)生了自激振蕩。此振蕩近似為阻尼振蕩，20ms到60ms這個周期內(nèi)，振蕩第一個波峰峰值為11.558V而無振蕩部分的振幅幅值為4.9881V，振蕩振幅幅值約等于無振蕩振幅幅值的一倍，且由圖可知此振蕩頻率很高，致使輸出的電壓不能得到理論中所應(yīng)得到的方波

24、。圖13R1=0K時輸出電壓波形圖（2）R1=1K時，電路圖如圖9。通過軟件進行瞬態(tài)分析得到如圖14所示的輸出電壓波形。從圖中可以看到，20ms到60ms這個周期內(nèi)，振蕩第一個波峰峰值為9.1763V而無振蕩部分的振幅幅值為5.0094V，振蕩振幅幅值比R1=0K時明顯減小，此時的產(chǎn)生的振蕩頻率也降低了很多，無振蕩時間相對增加。圖14 R1=1K時輸出電壓波形圖（3）R1=2.5K時，電路圖如圖10。通過瞬態(tài)分析得到如圖15所示的輸出電壓波形。從圖中可看出，20ms到60ms這個周期內(nèi)，振蕩第一個波峰峰值為5.6888V而無振蕩部分的振幅幅值為5.0000V，此時電路的輸出電壓波形已基本為方波

25、，自激振蕩很微小。圖15 R1=2.5K時輸出電壓波形圖（4）R1=5K時，電路圖如圖11。通過瞬態(tài)分析得到如圖16所示的輸出電壓波形。在20ms到60ms這個周期內(nèi)，波形上升時間為1.933ms,下降時間為3.637ms，與圖10中波形上升時間0.821和下降時間0.758相比可知道此時輸出電壓波形出現(xiàn)了失真現(xiàn)象。不能稱其為方波。由此可知R1在大小為2.5K左右時具有消除自激振蕩的作用。超過這一值將出現(xiàn)失真現(xiàn)象，電路將失去微分運算功能。同時，比較R1=0K，1K，2.5K和5K輸出電壓波形中無正當(dāng)部分幅值可知，在加上電阻R1后，微分電路將會產(chǎn)生運算誤差。圖16 R1=5K時輸出電壓波形圖4.

26、2直流分析由4.1可知R1=2.5K時電路實現(xiàn)輸出電壓對輸入電壓的微分運算。以下是針對R1=2.5K的微分電路進行直流分析。（1） 節(jié)點電壓NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE(IN)-.5000 (OUT) 65.48E-06 (N04385) -.0797 (N04393) 12.0000(N04399 -12.0000 (N04451) -.0797 (N04483)-.5000 (X_U1.6)-7.678E-09(X_U1.7) 69.47E-06 (X_U1.8)69.47E-06 (X_U1.9)0.0000 (X

27、_U1.10)-.6873 (X_U1.11) 11.9600 (X_U1.12) 11.9600(X_U1.13) -.6735 (X_U1.14) -.6735(X_U1.53) 11.0000 (X_U1.54) -11.0000(X_U1.90) 79.73E-06 (X_U1.91) 40.0000(X_U1.92) -40.0000 (X_U1.99) 0.0000 （2） 電壓電源狀況NAME CURRENT V_V2 1.337E-03 V_V3 -1.337E-03 V_V1 0.000E+00 X_U1.vb -7.678E-14 X_U1.vc 1.100E-11 X_U

28、1.ve 1.100E-11 X_U1.vlim 7.973E-08 X_U1.vlp -4.000E-11X_U1.vln -4.000E-11（3） 消耗功率TOTAL POWER DISSIPATION 3.21E-02 WATTSJOB CONCLUDED5 總結(jié)本次課程設(shè)計做的是微分電路的設(shè)計與仿真，通過PSpice的瞬態(tài)分析，得到了微分電路其電阻R1分別為0、1K、2.5K和5K時的輸出電壓波形。觀察20ms到60ms之間各電阻輸出電壓波形可以發(fā)現(xiàn)：理想微分電路存在明顯的自激振蕩，而R1為2.5K自激振蕩已經(jīng)很微小。由此說明在這種環(huán)境下R1為2.5K左右可以實現(xiàn)微分電路功能。但在實際過程中，在加上電阻R1后，微分電路將會產(chǎn)生運算誤差，所以在設(shè)計電路時，盡量使用積分電路代替微分電路。通過這次設(shè)計，我對微分電路以及PSpice的瞬態(tài)分析有了更深的了解?；疚⒎蛛娐? 只能在頻率比較低時, 并且輸入和輸出信號幅度在運放傳輸特性線性范圍內(nèi)才能成立。在基本微分電路基礎(chǔ)上輸入端串一個小電阻, 反饋支路中并一個小電容, 能改善微分電路性能。參 考 文 獻1 華成英，童詩白主編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高的教育出版社，20062 吳援明，唐軍. 模擬電路分析與設(shè)計基礎(chǔ)M. 北京：科學(xué)出版社，20073 乜國荃. RC電路及應(yīng)用J. 青