基于Multisim的差分放大电路仿真分析

2009-07-28 08:49:11来源: 现代电子技术

  差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用,有效地稳定静态工作点,以放大差模信号抑制共模信号为显著特征,广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐,特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法,难以理解,因而一直是模拟电子技术中的难点。Muhisim作为著名的电路设计与仿真软件,它不需要真实电路环境的介入,具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。因此,Multisim被许多高校引入到电子电路实验的辅助教学中,形成虚拟实验和虚拟实验室。通过对实际电子电路的仿真分析,对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有重要意义。

  1 Multisim8软件的特点

  Muhisim是加拿大IIT(Interactive Image Tech—nologies) 公司在EWB(Electronics Workbench)基础 上推出的电子电路仿真设计软件,Muhisim现有版本为Muhisim2001,Muhisim7和较新版本Muhisim8。它具有这样一些特点:
(1)系统高度集成,界面直观,操作方便。将电路原理图的创建、电路的仿真分析和分析结果的输出都集成在一起。采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。操作方法简单易学。

  (2)支持模拟电路、数字电路以及模拟/数字混合电路的设计仿真。既可以分别对模拟电子系统和数字电子系统进行仿真,也可以对数字电路和模拟电路混合在一起的电子系统进行仿真分析。

  (3)电路分析手段完备,除了可以用多种常用测试仪表(如示波器、数字万用表、波特图仪等)对电路进行测试以外,还提供多种电路分析方法,包括静态工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析等。

  (4)提供多种输入/输出接口,可以输入由PSpice 等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件,并自动形成相应的电路原理图,也可以把Muhisim环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的印刷电路软件PCB进行印刷电路设计。

  2  差分放大电路仿真分析

  运行Muhisim 8,在绘图编辑器中选择信号源、直流电源三极管、电阻,创建双端输入双端输出差分放大电路(双入双出差分放大电路)如图1所示,标出电路中的结点编号。

双端输入双端输出差分放大电路

  该次仿真中,采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管,差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的 虚拟正弦波信号源。设置虚拟晶体管的模型参数BF= 150,RR=300Ω。

  2.1 差模放大性能仿真分析

  2.1.1 直流分析

  直流分析实际上就是确定静态工作点。选择Sim-ulate菜单中的Analysis命令,然后选择Dc OperatingPoint子命令,分析结果如图2所示。

差模放大电路静态工作点

  用静态工作点分析方法得VBEQ1=UBEQ2=O.69 V,UCEQ1=UCEQ2=V3一V2Δ8.94 V,与题中理论计算结果完全相同。

  2.1.2 差模放大倍数分析

  加差模信号 ui1,ui2,分别接入电路的左右输入端,电阻R1作为输出负载,则电路的接法属于双入双出。将四通道示波器XSC1的3个通道分别接在信号源ui1和负载R1两端,如图1所示。运行并双击示波器图标XSC1,调整各通道显示比例,得差分放大电路的输入/输出波形如图3所示。

差分放大电路的输入

  用示波器观察和测量输入电压和输出电压值,差模信号单边电压V1△一3.597 mV(5 mV/Div),单边输出交流幅值约为170.124 mV(500 mV/Div),所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数AuΔ一170.124/3.597=一47,与单管共射的放大倍数相同,即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。仿真结果与题中理论计算结果相同。

  2.2 共模抑制特性仿真分析

  2.2.1 共模放大倍数分析

  在图1中,将信号源ui2的方向反过来,即加上共模信号,运行并双击示波器图标XSC1,调整A,B通道显示比例,可得如图4所示波形。

差分放大电路共模信号输入输出波形

  由图4波形可知,在峰一峰14 mV(有效值为5 mV)的共模信号作用下,输出的峰值极小,峰一峰值为13 mV,因此单边共模放大倍数小于1。且uc1和uc2大小相等,极性相同。所以,在参数对称且双端输出时,共模放大倍数等于0,说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。显然,仿真结果与理论分析结果一致。

  2.2.2 共模抑制比分析

  选择Simulate菜单中的Analysis命令,然后选择Transient Analysis子命令,选择结点3,4作为输出,单击Simulate按钮;选择Simulate菜单中的后处理器Postprocessor子命令,在Expression列表框中编辑“V($4)一V($3)”,然后打开Graph选项卡,可画出差分放大电路共模输入双端输出波形,见图5。可见,波形属于噪声信号,且幅值极小,可忽略不计。因此,差分放大电路双端输出时,其共模抑制比KCNR趋于无穷大。如果再将图1所示的电路中发射极电阻R2改为恒流源,重复前面步骤,再分析共模特性,可得出结论:具有恒流源的差分放大电路的共模抑制比KCNR更高。

差分放大电路共模输入双端输出波形

  3 结 语

  应用Multisim8软件对差分放大电路进行仿真分析,结果表明仿真与理论分析和计算结果一致,应用Multisim进行虚拟电子技术实验可以十分方便快捷地获取实验数据,突破了在传统实验中硬件设备条件的限制,大大提高了实验的深度和广度。利用仿真可以使枯燥的电路变得有趣,复杂的波形变得形象生动,并且不受场地(可以在教室、宿舍),不受时间(课内、课外)的限制,通过教师演示和学生动手设计、调试,不但可以使学生更好地掌握所学的知识,同时提高了学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。

关键字:Multisim  差分放大电路  仿真分析  差模信号  共模信号

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0728/article_1623.html
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