Multisim 10在差動放大電路分析中的應用

　　在自動控制系統中，往往需將一些變化緩慢的物理量(如溫度、轉速的變化)轉換為相應的電信號，並通過直流放大器進行放大處理。直接耦合放大電路雖能放大交、直流信號，但電源電壓的波動，電晶體參數隨溫度變化等因素會導致電路出現「零點漂移」。差動放大電路是一種利用電路結構參數的對稱性有效抑制「零點漂移」的直流放大器，它對差模信號具有放大能力，而對共模信號具有抑制作用。典型差動放大電路由2個參數完全一致的單管共發射極電路組成。

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　　Multisim 10是美國國家儀器公司(NI公司)推出的功能強大的電子電路仿真設計軟體，具有豐富的新型元器件及虛擬儀器、強大的Spice仿真、數據可視化及分析測試功能，可對模擬、數字、自動控制、射頻、單片機等各種電路進行原理圖設計、仿真分析及功能測試。Multis-im 10提供了一個強大的原理圖捕獲和交互式仿真平臺，電路的設計調試、元器件及測試儀器的調用、各種分析方法的使用直觀方便，測試參數精確可靠，是應用廣泛的優秀EDA系統。本文以典型差動放大電路為例，主要探討Multisim 10的多種分析方法在電子電路仿真設計中的應用。

　　1 電路設計

　　在Multisim 10中建立了如圖1所示的典型差動放大電路。T1，T2均為NPN電晶體(2N2222A)，電流放大係數β設置為80。撥動開關J1，J2可選擇在差動放大電路的輸入端加入直流或交流信號。數字萬用表用於測量直流輸出電壓，示波器用於觀測交流輸入/輸出電壓波形，測量探針用於仿真時實時顯示待測支路的電壓和電流。

　　  

 

　　實際電路中T1，T2宜選用差分對管，電晶體的靜態電流ICQ不宜超過1 mA。由ICQ可選取兩管共用的發射極電阻Re，且Re不影響差模電壓放大倍數，僅對共模信號有較強的負反饋作用，因此可以有效地抑制「零點漂移」，穩定靜態工作點。由於兩個放大器的參數不可能完全一致，因此通過電位器Rp對電路進行調零。

　　基極電阻Rb1，Rb2應根據差模輸入電阻的要求選定。選取集電極電阻Rc1、Rc2時應使靜態工作點靠近負載線的中點。根據輸入端和輸出端接「地」情況的不同，差動放大電路有以下4種不同接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。

　　2 靜態工作點分析

　　圖1差動放大電路靜態時因輸入端不加信號，T1，T2的基極電位近似為零，因此電位器Rp兩端的電位均為-UBE(對於矽管約為-0.7 V)，如電位器Rp的滑動端處於中點位置，計算靜態工作點為：

　　  

 

　　Multisim 10中直流工作點分析方法是對電路進行進一步分析的基礎，主要用來計算電路的靜態工作點，此時電路中的交流電源將被置為零，電感短路，電容開路。進行靜態工作點分析時需將電路的節點編號顯示在電路圖上(見圖1)，並需要選擇待分析的節點編號。依次執行Simulate/Analyses/DC Operating Point(直流工作點)分析命令，設置圖1中1，2，u01，u02，Iprobe2，Iprobe3為輸出節點(變量)，得到圖2所示的靜態工作點分析結果：Ie=1.48 mA，Ic1=Ic2=0.732 mA，Uc1=Uc2=4.68 V，所測參數與式(1)～式(3)分析結果基本一致。

　　  

 

　　3 參數掃描分析

　　參數掃描分析用來研究電路中某個元件的參數在一定範圍內變化時對電路性能的影響。選擇圖1中電阻Re為參數掃描分析元件，分析其阻值變化對電路輸出波形的影響。圖1差動放大電路設置為交流信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為150 mV，依次執行Simulate/Analyses/Parametet Sweep(參數掃描)命令，設置掃描方式為Linear(線性掃描)，設置電阻Re掃描起始值為5 kΩ，掃描終值為7.5 kΩ，掃描點數為3，設置輸出節點為u01，得到如圖3(a)所示參數掃描分析結果。當Re=5 kΩ時，由於T1管的靜態工作點偏高，其輸出電壓u01產生了飽和失真。可見，Re阻值的變化影響差動放大電路的靜態工作點。

　　  

 

　　4 溫度掃描分析

　　溫度掃描分析用來研究溫度變化對電路性能的影響，相當於在不同的工作溫度下進行多次仿真。

　　圖1差動放大電路設置為交流信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執行Simulate/Analyses/Tempera-ture Sweep(溫度掃描)命令，設置掃描方式為List(取列表值掃描)，設置掃描溫度為0℃，27℃，120℃，設置輸出節點為u01得到如圖3(b)所示溫度掃描分析結果。隨著溫度的升高，T1管的輸出電壓幅值變小。可見，故溫度變化會影響單管放大電路的靜態工作點。

　　由於溫度的變化與T1，T2參數的變化相同，集電極靜態電流、電位的變化也相等，故輸出電壓u0的變化為零，可將溫度變化等效為共模信號，因此差動放大電路對溫度變化產生的「零點漂移」具有抑制作用。

　　5 動態參數分析

　　圖1電路的差模電壓放大倍數Aud與單管共射電路相同，且Aud由輸出方式決定，而與輸入方式無關。

　　計算雙端輸出差模放大倍數為：

　　  

 

　　5.1 傳遞函數分析

　　依據傳遞函數分析可計算電路中輸入源與兩個節點的輸出電壓或一個電流輸出變量之間的直流小信號傳遞函數，同樣可以用於計算輸入和輸出的阻抗。

　　將圖1電路分別設置為直流差模、直流共模信號輸入方式，依次執行Simulate/Analyses/Transfer Function Analysis(傳遞函數分析)命令，設置V3為輸入電壓源，設置輸出節點為u01，分別得到如圖4(a)，4(b)所示傳遞函數分析結果。由圖4測得Aud1=-12.4，Auc1=-0.64，所測參數與式(5)、式(6)分析結果基本一致。

　　  

 

　　5.2 直流信號測試

　　撥動開關J1，J2，在圖1電路中兩輸入端加入直流差模信號ui1=+0.1V，ui2=-0.1V，通過數字萬用表測得uo1=2.246V，uo2=7.115V。計算Aud=(2.246-7.115)/0.2=-24.345，Aud1=(2.246-4.68)/0.2=-12.17，Aud2=(7.115-4.68)/0.2=12.175。在圖1電路中兩輸入端加入直流共模信號ui1=ui2=0.1 V，通過數字萬用表測得uo1=uo2=4.616 V。計算Auc1=Auc2=(4.616-4.68)/0.1=-0.64，Auc為零。直流信號測試參數與式(4)～式(6)分析結果基本一致。

　　5.3 交流信號測試

　　5.3.1 單端輸出

　　在圖1電路中兩輸入端分別加入交流差模信號(函數信號發生器的輸出端接ui1、地端接ui2，構成單端輸入方式)及交流共模信號(函數信號發生器的輸出端同時接ui1，ui2)，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV。

　　通過示波器觀測差模、共模信號輸入波形和單端輸出波形如圖5所示。由示波器測得：差模單端輸出電壓的幅值約為119mV，Aud2=11.9;共模單端輸出電壓的幅值約為6.4 mV，Auc1=-0.64。單端輸出測試參數與式(5)、式(6)分析結果基本一致。

　　  

 

　　5.3.2 雙端輸出

　　由於Multisim 10提供的示波器不能直接測量uo兩端的電壓波形，因此需通過後處理器對雙端輸出電壓進行觀測。在進行後處理之前需要對電路進行瞬態分析，然後將瞬態分析結果進行後處理。瞬態分析是一種非線性電路分析方法，可用來分析電路中某一節點的時域響應。在進行瞬態分析時，Multisim 10會根據給定的時間範圍，選擇合理的時間步長，計算所選節點在每個時間點的輸出電壓，通常以節點電壓波形作為瞬態分析的結果。圖1電路設置為交流差模信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執行Simulate/An-alyses/Transient Analysis(瞬態分析)命令，選擇圖1電路中節點uo1，uo2的電壓作為輸出變量，得到如圖6所示的瞬態分析結果。可見，uo1，uo2大小相等、相位相反。後處理器(Postprocessor)是專門對仿真結果進行進一步計算處理的工具，不僅能對仿真得到的數據進行各種運算，還能對多個曲線或數據之間進行數學運算處理，並將結果繪製到曲線圖或圖表中，繪製的結果表現為「軌跡線」的形式。

　　依次執行Simulate/Postprocessor(後處理器)命令，選擇對圖6瞬態分析結果中兩個節點(uo1，uo2)輸出電壓進行減法運算，得到的差模信號雙端輸出電壓uo波形如圖7所示。由圖7可測得uo的幅值約為242 mV，計算Aud=-24.2，雙端輸出測試參數與式(4)分析結果基本一致。圖1電路設置為交流共模信號輸入方式，通過瞬態分析和後處理器測得共模信號雙端輸出電壓uo幅值僅為0.062μV，Auc=6.2×10-6。可見，差動放大電路對共模信號具有很好的抑制作用。

　　  

 

　　6 結語

　　Multisim 10具有強大的電路設計和仿真分析功能，以典型差動放大電路為例，利用直流工作點分析和傳遞函數分析對電路的靜態工作點、差模及共模電壓放大倍數的仿真數據和真實值進行比較，利用參數掃描及溫度掃描分析了電路參數變化對輸出波形的影響，利用瞬態分析、後處理器分析對實際應用中難以觀測的雙端輸出電壓波形進行了測試，電路各項參數指標均與真實值相符，提高了電路的設計和分析效率。研究表明，利用Multisim 10進行電子電路計算機仿真設計，不僅速度快，效率高，參數測試精確可靠，而且可廣泛應用於電氣控制、電子信息、通信工程、自動化等各種電路設計領域。