Multisim 在模擬電子技術中的應用-4

第5章Multisim

在模擬電子技術中的應用

本章按照模擬電子技術的主要內容,分別討論半導體器件、基本放大電路、差動放大電路、負反饋放大電路、運算放大器應用電路、放大電路的頻率響應、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半導體器件的特性仿真分析5.1.1半導體二極管特性與應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)結果分析輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）2.二極管開關電路圖5-3二極管開關電路(1)創(chuàng)建電路圖5-4二極管開關電路的電壓波形(2)結果分析電壓源V1波形電壓源V2波形輸出（結點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1.靜態(tài)工作點分析⑵靜態(tài)工作點分析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。從測量結果看，在圖示的測試標尺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）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)影響在測試標尺1處，輸出信號最大幅值為369.423mV，測試標尺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Re1=300Ω時，交流電壓放大倍數(shù)大約只有-7.53左右。可見，射極偏置電阻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)工作點的影響圖5-18溫度掃描分析參數(shù)設置界面圖5-19靜態(tài)工作點溫度掃描分析結果圖5-20瞬態(tài)分析溫度掃描分析結果5.4負反饋放大電路的仿真分析交流負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反饋放大電路的主要性能進行仿真分析。

5.4.1負反饋放大電路動態(tài)特性分析創(chuàng)建電路

圖5-31電壓串聯(lián)負反饋放大電路⑴Q點分析

圖5-32電壓串聯(lián)負反饋放大電路的靜態(tài)工作點⑵負反饋放大電路放大倍數(shù)分析圖5-33電壓串聯(lián)負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負反饋對放大性能的影響⑴負反饋對放大倍數(shù)的影響圖5-34有負反饋時的頻率特性圖5-35無負反饋時的頻率特性⑵負反饋對放大波形失真的影響在圖5-31中，斷開反饋電阻Rf，運行可得無負反饋時輸入輸出電壓波形，如圖5-36所示。圖5-36無反饋時放大電路的輸入輸出電壓波形10mV時的輸入輸出波形30mV時的輸入輸出波形可見，引入負反饋時，輸出波形基本不失真，而同樣電路，同樣輸入信號下，在不引入負反饋時，輸出波形出現(xiàn)正負半波明顯不對稱，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，不加負反饋時放大倍數(shù)較大，但可能出現(xiàn)較大的波形失真，而加上負反饋后，放大倍數(shù)雖然減小，但可大大改善波形失真。⑶負反饋對輸入輸出電阻的影響交流負反饋的四種反饋組態(tài)中，串聯(lián)負反饋可以增大輸入電阻，并聯(lián)負反饋則可以減小輸入電阻。

①在圖5-31電壓串聯(lián)負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①操作，得電流值為：2.174μA，可計算出無串聯(lián)反饋時的輸入電阻為：Ri=4.6k可見，引入串聯(lián)負反饋可以增大交流輸入電阻。④將圖5-31電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端對地短接，去掉負載電阻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測量電壓負反饋電路的輸出電阻

可計算出電壓負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④操作，得電流值為：3.704μA，可計算出無電壓負反饋時輸出電阻為:10mV/3.704μA=2.7kΩ?？梢姡腚妷贺摲答伒拇_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⑵Q點分析

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。運行并雙擊示波器，調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,運行并雙擊示波器圖標XSC2，調整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雙端輸出波形輸入波形（A通道）輸出波形（B通道）當加共模輸入信號，而從單端輸出時，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單端輸出波形輸出波形（B通道）輸入波形（A通道）5.5運算放大電路的仿真分析5.5.1比例運算電路1同相比例運算電路圖5-39同相比例運算電路⑴選擇實際集成運放3554AM、電阻、交流信號源、雙通道示波器等，創(chuàng)建同相比例運算電路，如圖5-39所示。

⑵單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標XSC1，可得如圖5-40所示的輸入輸出波形。圖5-40同相比例運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所示同相比例運算電路的輸出輸入關系為：

⑶調整R2、R3的數(shù)值，或改變信號的幅值及頻率，重復⑵，可得到同樣的仿真結果。當然讀者也可創(chuàng)建反相比例運算電路，進行同樣的仿真分析。5.5.2加法運算電路⑴選擇實際集成運放3554AM、電阻、交流信號源和直流信號源、四通道示波器等，創(chuàng)建反相比例加法運算電路，如圖5-43所示。圖5-43反相比例加法運算電路⑵單擊運行按鈕，并雙擊示波器圖標XSC1，可得電路5-43對應的輸入輸出波形，如圖5-44所示。圖5-44反相比例加法運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算電路的輸出輸入關系為：

⑶調整R1、R2、R3的數(shù)值，重復②可以得到不同比例關系的線性求和運算關系；在一定范圍內改變信號的幅值及頻率，可得到同樣的仿真結果；在一定范圍內改變負載電阻R5，仿真結果顯示不影響輸出輸入關系。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行并雙擊示波器圖標XSC1，可得仿真結果，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積分運算電路選擇運放（比如3554AM、OP07AH等）、直流電源、脈沖信號源、電阻、電容、示波器等，創(chuàng)建積分運算電路，如圖5-48所示。

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

圖5-50微分運算仿真電路圖5-51微分運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,進行參數(shù)設置。圖5-53C3為10μF時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⑵進行交流分析，可得圖5-54所示的頻率特性。

圖5-54C3為100μF時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，以及占空比可調的矩形波等，通常用集成運放來實現(xiàn)。

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