Multisim 在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用-4

第5章Multisim

在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用

本章按照模擬電子技術(shù)的主要內(nèi)容,分別討論半導(dǎo)體器件、基本放大電路、差動(dòng)放大電路、負(fù)反饋放大電路、運(yùn)算放大器應(yīng)用電路、放大電路的頻率響應(yīng)、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。5.1半導(dǎo)體器件的特性仿真分析5.1.1半導(dǎo)體二極管特性與應(yīng)用二極管限幅電路圖5-1二極管限幅電路(1)創(chuàng)建電路圖5-2二極管限幅電路的電壓波形(2)結(jié)果分析輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）2.二極管開關(guān)電路圖5-3二極管開關(guān)電路(1)創(chuàng)建電路圖5-4二極管開關(guān)電路的電壓波形(2)結(jié)果分析電壓源V1波形電壓源V2波形輸出（結(jié)點(diǎn)1）波形5.2單管放大電路的仿真分析5.2.1單管放大電路仿真分析圖5-11單管放大電路圖5-12單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)1.靜態(tài)工作點(diǎn)分析⑵靜態(tài)工作點(diǎn)分析⑴創(chuàng)建電路圖5-13單管放大電路的輸入輸出波形⑶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)圖5-13所示。從測量結(jié)果看，在圖示的測試標(biāo)尺1處，輸入信號幅值為-5.441mV，輸出信號幅值為104.148mV。輸出電壓沒有失真，電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui=-104.148/5.441=-19.14.

⑴電壓放大倍數(shù)測量圖5-14圖5-14（Re1=0時(shí)）輸入輸出電壓波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）2.電壓放大倍數(shù)⑵電阻Re1對放大倍數(shù)影響在測試標(biāo)尺1處，輸出信號最大幅值為369.423mV，測試標(biāo)尺2處輸入信號最大幅值為-4.753mV。交流電壓放大倍數(shù)約等于-77.7，附加相移大約20.1μs。當(dāng)Re1=300Ω時(shí)，交流電壓放大倍數(shù)大約只有-7.53左右?？梢姡錁O偏置電阻Re1對放大倍數(shù)的影響較大。

⑶電壓放大失真分析圖5-15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.輸入輸出電阻測量圖5-16放大電路的輸入電阻測量⑴輸入電阻測量⑵輸出電阻測量圖5-17放大電路的輸出電阻測量4.溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響圖5-18溫度掃描分析參數(shù)設(shè)置界面圖5-19靜態(tài)工作點(diǎn)溫度掃描分析結(jié)果圖5-20瞬態(tài)分析溫度掃描分析結(jié)果5.4負(fù)反饋放大電路的仿真分析交流負(fù)反饋對放大電路性能的改善主要表現(xiàn)在：

①穩(wěn)定放大倍數(shù)；②改變輸入電阻和輸出電阻；③擴(kuò)展頻帶，改善放大電路頻率特性；④減小非線性失真等。本節(jié)利用Multisim的仿真分析方法對負(fù)反饋放大電路的主要性能進(jìn)行仿真分析。

5.4.1負(fù)反饋放大電路動(dòng)態(tài)特性分析創(chuàng)建電路

圖5-31電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路⑴Q點(diǎn)分析

圖5-32電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)⑵負(fù)反饋放大電路放大倍數(shù)分析圖5-33電壓串聯(lián)負(fù)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(fù)反饋對放大性能的影響⑴負(fù)反饋對放大倍數(shù)的影響圖5-34有負(fù)反饋時(shí)的頻率特性圖5-35無負(fù)反饋時(shí)的頻率特性⑵負(fù)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(yùn)行可得無負(fù)反饋時(shí)輸入輸出電壓波形，如圖5-36所示。圖5-36無反饋時(shí)放大電路的輸入輸出電壓波形10mV時(shí)的輸入輸出波形30mV時(shí)的輸入輸出波形可見，引入負(fù)反饋時(shí)，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(fù)反饋時(shí)，輸出波形出現(xiàn)正負(fù)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(fù)反饋時(shí)放大倍數(shù)較大，但可能出現(xiàn)較大的波形失真，而加上負(fù)反饋后，放大倍數(shù)雖然減小，但可大大改善波形失真。⑶負(fù)反饋對輸入輸出電阻的影響交流負(fù)反饋的四種反饋組態(tài)中，串聯(lián)負(fù)反饋可以增大輸入電阻，并聯(lián)負(fù)反饋則可以減小輸入電阻。

①在圖5-31電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端串接一交流電表，如圖5-37所示。

圖5-37測量串聯(lián)反饋電路的輸入電阻②斷開反饋電阻Rf，重復(fù)①操作，得電流值為：2.174μA，可計(jì)算出無串聯(lián)反饋時(shí)的輸入電阻為：Ri=4.6k可見，引入串聯(lián)負(fù)反饋可以增大交流輸入電阻。④將圖5-31電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端對地短接，去掉負(fù)載電阻RL，在輸出端接一交流信號源，并接上電壓表、電流表，如圖5-38所示。圖5-38測量電壓負(fù)反饋電路的輸出電阻

可計(jì)算出電壓負(fù)反饋放大電路的輸出電阻為：10mV/51.47μA=194Ω。⑤斷開反饋電阻Rf，重復(fù)④操作，得電流值為：3.704μA，可計(jì)算出無電壓負(fù)反饋時(shí)輸出電阻為:10mV/3.704μA=2.7kΩ?？梢?，引入電壓負(fù)反饋的確可以減小輸出電阻。

5.3差分放大電路的仿真分析5.3.1差模放大性能仿真分析靜態(tài)工作點(diǎn)分析圖5-24雙入單出差分放大電路⑴創(chuàng)建電路圖5-25差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)⑵Q點(diǎn)分析

2.差模放大倍數(shù)分析圖5-26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5-27所示仿真電路。運(yùn)行并雙擊示波器，調(diào)整各通道顯示比例可得圖5-28所示波形圖。

圖5-27雙入雙出差分放大電路圖5-28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共模抑制特性分析在圖5-27中，將V2信號源方向反過來，即加上共模信號vIC=v1,運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC2，調(diào)整A、B通道顯示比例,有5-29所示波形。

圖5-29差分放大電路輸入共模信號時(shí)雙端輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）當(dāng)加共模輸入信號，而從單端輸出時(shí)，可得圖5-30所示的輸入輸出波形。圖5-30差分放大電路輸入共模信號時(shí)單端輸出波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）5.5運(yùn)算放大電路的仿真分析5.5.1比例運(yùn)算電路1同相比例運(yùn)算電路圖5-39同相比例運(yùn)算電路⑴選擇實(shí)際集成運(yùn)放3554AM、電阻、交流信號源、雙通道示波器等，創(chuàng)建同相比例運(yùn)算電路，如圖5-39所示。

⑵單擊運(yùn)行按鈕，并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，可得如圖5-40所示的輸入輸出波形。圖5-40同相比例運(yùn)算電路的輸入輸出波形輸入波形（B通道）輸出波形（A通道）圖5-39所示同相比例運(yùn)算電路的輸出輸入關(guān)系為：

⑶調(diào)整R2、R3的數(shù)值，或改變信號的幅值及頻率，重復(fù)⑵，可得到同樣的仿真結(jié)果。當(dāng)然讀者也可創(chuàng)建反相比例運(yùn)算電路，進(jìn)行同樣的仿真分析。5.5.2加法運(yùn)算電路⑴選擇實(shí)際集成運(yùn)放3554AM、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(yùn)算電路，如圖5-43所示。圖5-43反相比例加法運(yùn)算電路⑵單擊運(yùn)行按鈕，并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，可得電路5-43對應(yīng)的輸入輸出波形，如圖5-44所示。圖5-44反相比例加法運(yùn)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）輸入信號V1（A通道）

圖5-43所示反相比例加法運(yùn)算電路的輸出輸入關(guān)系為：

⑶調(diào)整R1、R2、R3的數(shù)值，重復(fù)②可以得到不同比例關(guān)系的線性求和運(yùn)算關(guān)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(jié)果；在一定范圍內(nèi)改變負(fù)載電阻R5，仿真結(jié)果顯示不影響輸出輸入關(guān)系。5.5.3電壓跟隨器和比較器電路⑴電壓跟隨器：選擇集成運(yùn)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5-45所示。

圖5-45電壓跟隨器仿真電路⑵電壓比較器：選擇比較器（比如LM139AD）、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5-46所示。圖5-46電壓比較器仿真電路運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，可得仿真結(jié)果，輸入輸出仿真波形如圖5-47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5-47電壓比較器的輸入輸出波形5.5.4積分運(yùn)算電路選擇運(yùn)放（比如3554AM、OP07AH等）、直流電源、脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建積分運(yùn)算電路，如圖5-48所示。

當(dāng)參數(shù)合適時(shí)，該積分運(yùn)算電路可以完成方波到三角波的轉(zhuǎn)換功能。圖5-48積分運(yùn)算仿真電路圖5-49積分運(yùn)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微分運(yùn)算電路選擇運(yùn)放3554AM（或OP07AH等）、直流電源、脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建實(shí)用微分運(yùn)算電路，如圖5-50所示。

圖5-50微分運(yùn)算仿真電路圖5-51微分運(yùn)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(yīng)仿真分析⑴選擇晶體管、電阻、電容、電源等，創(chuàng)建圖5-52所示的共射放大電路。

圖5-52共射放大電路頻率分析⑵選擇菜單命令Simulate/Analyses/ACAnalysis,進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。圖5-53C3為10μF時(shí)共射放大電路的頻率特性⑶將旁路電容C3參數(shù)改為100μF，重復(fù)⑵進(jìn)行交流分析，可得圖5-54所示的頻率特性。

圖5-54C3為100μF時(shí)共射放大電路的頻率特性⑷采用Multisim仿真分析法中的參數(shù)掃描分析。

圖5-55參數(shù)掃描分析法仿真結(jié)果5.7.2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)的矩形波等，通常用集成運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。

1矩形波發(fā)生電路⑴矩形波發(fā)生器可通過一個(gè)RC積分電路和滯回比較器來實(shí)現(xiàn)。

圖5-62矩形波發(fā)生電路圖5-63矩形波發(fā)生器的輸入輸出波形輸出波形（B通道）電容C2上的積分波形（A通道）5.8濾波器電路特性的仿真分析根據(jù)濾波器通帶頻率的不同可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器五種。5.8.1