在自動控制系統(tǒng)" title="自動控制系統(tǒng)">自動控制系統(tǒng)中,，往往需將一些變化緩慢的物理量(如溫度,、轉(zhuǎn)速的變化)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，并通過直流放大器進(jìn)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,，晶體管參數(shù)隨溫度變化等因素會導(dǎo)致電路出現(xiàn)“零點漂移”,。差動放大電路" title="差動放大電路">差動放大電路是一種利用電路結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)完全一致的單管共發(fā)射極電路" title="單管共發(fā)射極電路">單管共發(fā)射極電路組成。
Multisim" title="Multisim">Multisim 10是美國國家儀器公司(NI公司)推出的功能強(qiáng)大的電子電路仿真設(shè)計軟件,，具有豐富的新型元器件及虛擬儀器,、強(qiáng)大的Spice仿真、數(shù)據(jù)可視化及分析測試功能,，可對模擬,、數(shù)字,、自動控制、射頻,、單片機(jī)等各種電路進(jìn)行原理圖設(shè)計,、仿真分析及功能測試。Multis-im 10提供了一個強(qiáng)大的原理圖捕獲和交互式仿真平臺,，電路的設(shè)計調(diào)試,、元器件及測試儀器的調(diào)用、各種分析方法的使用直觀方便,，測試參數(shù)精確可靠,，是應(yīng)用廣泛的優(yōu)秀EDA系統(tǒng)。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(shè)計中的應(yīng)用,。
1 電路設(shè)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晶體管(2N2222A)，電流放大系數(shù)β設(shè)置為80,。撥動開關(guān)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(shù)字萬用表用于測量直流輸出電壓,，示波器用于觀測交流輸入／輸出電壓波形,，測量探針用于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,，晶體管的靜態(tài)電流ICQ不宜超過1 mA。由ICQ可選取兩管共用的發(fā)射極電阻Re,，且Re不影響差模電壓放大倍數(shù),，僅對共模信號有較強(qiáng)的負(fù)反饋作用，因此可以有效地抑制“零點漂移”,，穩(wěn)定靜態(tài)工作點,。由于兩個放大器的參數(shù)不可能完全一致，因此通過電位器Rp對電路進(jìn)行調(diào)零,。
基極電阻Rb1,，Rb2應(yīng)根據(jù)差模輸入電阻的要求選定。選取集電極電阻Rc1,、Rc2時應(yīng)使靜態(tài)工作點靠近負(fù)載線的中點,。根據(jù)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(tài)工作點分析
圖1差動放大電路靜態(tài)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(對于硅管約為-0．7 V),，如電位器Rp的滑動端處于中點位置,，計算靜態(tài)工作點為：
Multisim 10中直流工作點分析方法是對電路進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)，主要用來計算電路的靜態(tài)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(jìn)行靜態(tài)工作點分析時需將電路的節(jié)點編號顯示在電路圖上(見圖1),，并需要選擇待分析的節(jié)點編號。依次執(zhí)行Simulate／Analyses／DC Operating Point(直流工作點)分析命令,，設(shè)置圖1中1,，2，u01,，u02,，Iprobe2，Iprobe3為輸出節(jié)點(變量),，得到圖2所示的靜態(tài)工作點分析結(jié)果：Ie=1．48 mA,，Ic1=Ic2=0．732 mA，Uc1=Uc2=4．68 V,，所測參數(shù)與式(1)～式(3)分析結(jié)果基本一致,。
3 參數(shù)掃描分析
參數(shù)掃描分析用來研究電路中某個元件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時對電路性能的影響。選擇圖1 中電阻Re為參數(shù)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(shè)置為交流信號輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號頻率為1 kHz,、幅值為150 mV,，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Parametet Sweep(參數(shù)掃描)命令，設(shè)置掃描方式為Linear(線性掃描),，設(shè)置電阻Re掃描起始值為5 kΩ,，掃描終值為7．5 kΩ，掃描點數(shù)為3,，設(shè)置輸出節(jié)點為u01,，得到如圖3(a)所示參數(shù)掃描分析結(jié)果。當(dāng)Re=5 kΩ時,，由于T1管的靜態(tài)工作點偏高,，其輸出電壓u01產(chǎn)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(tài)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(dāng)于在不同的工作溫度下進(jìn)行多次仿真,。
圖 1差動放大電路設(shè)置為交流信號輸入方式,，設(shè)置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV,，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Tempera-ture Sweep(溫度掃描)命令,，設(shè)置掃描方式為List(取列表值掃描)，設(shè)置掃描溫度為0℃,，27℃,，120℃，設(shè)置輸出節(jié)點為u01得到如圖3(b)所示溫度掃描分析結(jié)果,。隨著溫度的升高,，T1管的輸出電壓幅值變小?？梢?，故溫度變化會影響單管放大電路的靜態(tài)工作點。
由于溫度的變化與T1,，T2參數(shù)的變化相同，集電極靜態(tài)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(chǎn)生的“零點漂移”具有抑制作用,。
5 動態(tài)參數(shù)分析
圖1電路的差模電壓放大倍數(shù)Aud與單管共射電路相同，且Aud由輸出方式?jīng)Q定,，而與輸入方式無關(guān),。
計算雙端輸出差模放大倍數(shù)為：
5．1 傳遞函數(shù)分析
依據(jù)傳遞函數(shù)分析可計算電路中輸入源與兩個節(jié)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(shù)，同樣可以用于計算輸入和輸出的阻抗,。
將圖1電路分別設(shè)置為直流差模,、直流共模信號輸入方式，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Transfer Function Analysis(傳遞函數(shù)分析)命令,，設(shè)置V3為輸入電壓源,，設(shè)置輸出節(jié)點為u01，分別得到如圖4(a),，4(b)所示傳遞函數(shù)分析結(jié)果,。由圖4測得 Aud1=-12．4,，Auc1=-0.64，所測參數(shù)與式(5),、式(6)分析結(jié)果基本一致,。
5．2 直流信號測試
撥動開關(guān)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(shù)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(shù)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(shù)與式(4)～式(6)分析結(jié)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(shù)信號發(fā)生器的輸出端接ui1,、地端接ui2，構(gòu)成單端輸入方式)及交流共模信號(函數(shù)信號發(fā)生器的輸出端同時接ui1,，ui2),，設(shè)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(shù)與式(5),、式(6)分析結(jié)果基本一致。
5．3．2 雙端輸出
由于Multisim 10提供的示波器不能直接測量uo兩端的電壓波形,，因此需通過后處理器對雙端輸出電壓進(jìn)行觀測,。在進(jìn)行后處理之前需要對電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，然后將瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行后處理,。瞬態(tài)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(jié)點的時域響應(yīng)。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時,，Multisim 10會根據(jù)給定的時間范圍,，選擇合理的時間步長,，計算所選節(jié)點在每個時間點的輸出電壓，通常以節(jié)點電壓波形作為瞬態(tài)分析的結(jié)果,。圖1電路設(shè)置為交流差模信號輸入方式,，設(shè)置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV,，依次執(zhí)行Simulate／An-alyses／Transient Analysis(瞬態(tài)分析)命令,，選擇圖1電路中節(jié)點uo1，uo2的電壓作為輸出變量,，得到如圖6所示的瞬態(tài)分析結(jié)果,。可見,，uo1,，uo2大小相等、相位相反,。后處理器(Postprocessor)是專門對仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步計算處理的工具,，不僅能對仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算，還能對多個曲線或數(shù)據(jù)之間進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理,，并將結(jié)果繪制到曲線圖或圖表中,，繪制的結(jié)果表現(xiàn)為“軌跡線”的形式。
依次執(zhí)行 Simulate／Postprocessor(后處理器)命令,，選擇對圖6瞬態(tài)分析結(jié)果中兩個節(jié)點(uo1,，uo2)輸出電壓進(jìn)行減法運(yùn)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(shù)與式(4)分析結(jié)果基本一致,。圖1電路設(shè)置為交流共模信號輸入方式,，通過瞬態(tài)分析和后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(jié)語
Multisim 10具有強(qiáng)大的電路設(shè)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(shù)分析對電路的靜態(tài)工作點,、差模及共模電壓放大倍數(shù)的仿真數(shù)據(jù)和真實值進(jìn)行比較，利用參數(shù)掃描及溫度掃描分析了電路參數(shù)變化對輸出波形的影響,，利用瞬態(tài)分析,、后處理器分析對實際應(yīng)用中難以觀測的雙端輸出電壓波形進(jìn)行了測試,，電路各項參數(shù)指標(biāo)均與真實值相符，提高了電路的設(shè)計和分析效率,。研究表明,，利用Multisim 10進(jìn)行電子電路計算機(jī)仿真設(shè)計，不僅速度快,，效率高,，參數(shù)測試精確可靠，而且可廣泛應(yīng)用于電氣控制,、電子信息,、通信工程、自動化等各種電路設(shè)計領(lǐng)域,。