Multisim在模拟电子技术中的应用-4

1、第第5章章 Multisim 在模拟电子技术中的应用在模拟电子技术中的应用 本章按照模拟电子技术的主要内容本章按照模拟电子技术的主要内容, ,分别讨论分别讨论半导体器件、基本放大电路、差动放大电路、负半导体器件、基本放大电路、差动放大电路、负反馈放大电路、运算放大器应用电路、放大电路反馈放大电路、运算放大器应用电路、放大电路的频率响应、振荡电路、滤波电路和稳压电源电的频率响应、振荡电路、滤波电路和稳压电源电路的仿真方法和仿真过程。路的仿真方法和仿真过程。5.1半导体器件的特性仿真分析半导体器件的特性仿真分析5.1.1半导体二极管特性与应用半导体二极管特性与应用二极管限幅电路二极管限幅电路V16

2、 V 50 Hz 0Deg R11k D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALV23 V V33 V XSC1ABExt Trig+_+_图图5-1 二极管限幅电路二极管限幅电路(1)创建电路图图5-2 二极管限幅电路的电压波形二极管限幅电路的电压波形(2)结果分析输入波形（A通道） 输出波形（B通道）2. 二极管开关电路二极管开关电路V1200 Hz 5 V V2100 Hz 5 V D11N1200CD21N1200CR11k VCC5VVCC0XSC1ABCDGT0321图图5-3 二极管开关电路二极管开关电路(1)创建电路图图5-4 二极管开关电路的电压波形二极管开

3、关电路的电压波形(2)结果分析电压源V1波形电压源V2波形输出（结点1）波形5.2单管放大电路的仿真分析单管放大电路的仿真分析5.2.1单管放大电路仿真分析单管放大电路仿真分析Rb25.1kRL5.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12V321Re1100 8100VCCXSC1ABExt Trig+_+_540图图5-11 单管放大电路单管放大电路图图5-12 单管放大电路的静态工作点单管放大电路的静态工作点1. 静态工作点分析静态工作点分析静态工作点分析 创建电路 图图5-13

4、单管放大电路的输入输出波形单管放大电路的输入输出波形输入输出波形输入输出波形 输入波形（A通道）输出波形（B通道）2. 电压放大倍数电压放大倍数图图5-13所示。从测量结果看，在图示的测试标尺所示。从测量结果看，在图示的测试标尺1处，输入信处，输入信号幅值为号幅值为-5.441mV，输出信号幅值为，输出信号幅值为104.148 mV。输出电压。输出电压没有失真，电压放大倍数没有失真，电压放大倍数Au = Uo/Ui = -104.148/5.441 = -19.14. 电压放大倍数测量电压放大倍数测量图5-14 图图5-14 （Re1=0时）输入输出电压波形时）输入输出电压波形输出波形（B通道

5、）输入波形（A通道）2. 电压放大倍数电压放大倍数电阻电阻Re1对放大倍数影响对放大倍数影响在测试标尺在测试标尺1处，输出信号最大幅值为处，输出信号最大幅值为369.423mV，测试标尺，测试标尺2处输入信号最大幅值为处输入信号最大幅值为-4.753mV。交流电压放大倍数约等于。交流电压放大倍数约等于-77.7，附加相移大约，附加相移大约20.1s。当。当Re1=300时，交流电压放时，交流电压放大倍数大约只有大倍数大约只有-7.53左右。可见，射极偏置电阻左右。可见，射极偏置电阻Re1对放大对放大倍数的影响较大。倍数的影响较大。 电压放大失真分析电压放大失真分析图图5-15 输出电压波形顶部

6、失真输出电压波形顶部失真输入波形（A通道）输出波形（B通道）3. 输入输出电阻测量输入输出电阻测量Rb25.1kRL5.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12VRe1100 XMM1XMM2图图5-16 放大电路的输入电阻测量放大电路的输入电阻测量输入电阻测量输出电阻测量输出电阻测量Rb25.1kRc5.1kRb127kRs1.0kRe21.0kQ22N1711C110uFC210uFC310uFV110mV 2kHz 0Deg VCC12VRe1100 XMM1XMM2图图5-17

7、 放大电路的输出电阻测量放大电路的输出电阻测量4. 温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响图图5-18温度扫描分析参数设置界面温度扫描分析参数设置界面图图5-19 静态工作点温度扫描分析结果静态工作点温度扫描分析结果图图5-20 瞬态分析温度扫描分析结果瞬态分析温度扫描分析结果5.4 负反馈放大电路的仿真分析负反馈放大电路的仿真分析交流负反馈对放大电路性能的改善主要表现在：交流负反馈对放大电路性能的改善主要表现在： 稳定放大倍数；稳定放大倍数；改变输入电阻和输出电阻；改变输入电阻和输出电阻；扩展频带，改善放大电路频率特性；扩展频带，改善放大电路频率特性；减小非线性失真等。减小非线性失真等

8、。本节利用本节利用Multisim的仿真分析方法对负反馈放大电路的主要性的仿真分析方法对负反馈放大电路的主要性能进行仿真分析。能进行仿真分析。 5.4.1 负反馈放大电路动态特性分析负反馈放大电路动态特性分析创建电路创建电路 Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k RL3k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V130mV 10kHz 0Deg VCC12V265140XSC1ABExt Trig+_+_VCC73图图5-31 电压串联负反馈放大电路电压串联负反馈放大电路Q点分析

9、点分析 图图5-32 电压串联负反馈放大电路的静态工作点电压串联负反馈放大电路的静态工作点负反馈放大电路放大倍数分析负反馈放大电路放大倍数分析图图5-33 电压串联负反馈放大电路的输入输出波形电压串联负反馈放大电路的输入输出波形输入波形（A通道）输出波形（B通道）5.4.2 负反馈对放大性能的影响负反馈对放大性能的影响 负反馈对放大倍数的影响图图5-34 有负反馈时的频率特性有负反馈时的频率特性图图5-35 无负反馈时的频率特性无负反馈时的频率特性负反馈对放大波形失真的影响负反馈对放大波形失真的影响在图5-31中，断开反馈电阻Rf，运行可得无负反馈时输入输出电压波形，如图5-36所示。 图图5

10、-36 无反馈时放大电路的输入输出电压波形无反馈时放大电路的输入输出电压波形10mV时的输入输出波形30mV时的输入输出波形 可见，引入负反馈时，输出波形基本不失真，而同样电可见，引入负反馈时，输出波形基本不失真，而同样电路，同样输入信号下，在不引入负反馈时，输出波形出现正路，同样输入信号下，在不引入负反馈时，输出波形出现正负半波明显不对称，即出现了明显的非线性失真（上部的波负半波明显不对称，即出现了明显的非线性失真（上部的波形），放大倍数明显增大。也就是说，不加负反馈时放形），放大倍数明显增大。也就是说，不加负反馈时放大倍数较大，但可能出现较大的波形失真，而加上负反馈后，大倍数较大，但可能出

11、现较大的波形失真，而加上负反馈后，放大倍数虽然减小，但可大大改善波形失真。放大倍数虽然减小，但可大大改善波形失真。 负反馈对输入输出电阻的影响负反馈对输入输出电阻的影响交流负反馈的四种反馈组态中，串联负反交流负反馈的四种反馈组态中，串联负反馈可以增大输入电阻，并联负反馈则可以减小输入电阻。馈可以增大输入电阻，并联负反馈则可以减小输入电阻。 在图在图5-31电压串联负反馈放大电路的输入端串接一交流电电压串联负反馈放大电路的输入端串接一交流电表，如图表，如图5-37所示。所示。 Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k

12、RL3k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V110mV 10kHz 0Deg VCC12VXSC1ABExt Trig+_+_XMM1XMM2图图5-37 测量串联反馈电路的输入电阻测量串联反馈电路的输入电阻断开反馈电阻断开反馈电阻Rf，重复，重复操作，得电流值为：操作，得电流值为：2.174A，可，可计算出无串联反馈时的输入电阻为：计算出无串联反馈时的输入电阻为：Ri=4.6k可见，引入串联负反馈可以增大交流输入电阻。可见，引入串联负反馈可以增大交流输入电阻。将图将图5-31电压串联负反馈放大电路的输入端对地短接，去电压串联负反馈放大电路的输入端对地短

13、接，去掉负载电阻掉负载电阻RL，在输出端接一交流信号源，并接上电压表、，在输出端接一交流信号源，并接上电压表、电流表，如图电流表，如图5-38所示。所示。Q1BJT_NPN_VIRTUALRb1270k Rc13k Re1500 Re21.2k Rf10k Rc22.7k Q2BJT_NPN_VIRTUALC110uF C21uF C31uF V110mV 10kHz 0Deg VCC12VXMM1XMM2图图5-38测量电压负反馈电路的输出电阻测量电压负反馈电路的输出电阻 可计算出电压负反馈放大电路的输出电阻为：可计算出电压负反馈放大电路的输出电阻为：10mV/51.47A=194。 断开反

14、馈电阻断开反馈电阻Rf，重复，重复操作，得电流值为：操作，得电流值为：3.704A，可计算出无电压负反馈时输出电阻为可计算出无电压负反馈时输出电阻为 :10mV/3.704A=2.7k。可见，引入电压负反馈的确可以减小输出电阻。可见，引入电压负反馈的确可以减小输出电阻。 5.3 差分放大电路的仿真分析差分放大电路的仿真分析5.3.1差模放大性能仿真分析差模放大性能仿真分析静态工作点分析静态工作点分析R11k R21k R310k V15mV 1kHz 0Deg V25mV 1kHz 0Deg VCC12VVEE-12VQ1BJT_NPN_VIRTUALQ2BJT_NPN_VIRTUALR510

15、k 12R610k 3VEE0R410k VCCXSC2ABExt Trig+_+_60547图图5-24 双入单出差分放大电路双入单出差分放大电路 创建电路 图图5-25 差分放大电路的静态工作点差分放大电路的静态工作点 Q点分析点分析 2. 差模放大倍数分析差模放大倍数分析图图5-26 差分放大电路的输入输出波形差分放大电路的输入输出波形输入波形（A通道）输出波形（B通道）电路改画为双入双出方式，创建如图电路改画为双入双出方式，创建如图5-27所示仿真电路。所示仿真电路。运行并双击示波器，调整各通道显示比例可得图运行并双击示波器，调整各通道显示比例可得图5-28所所示波形图。示波形图。 R

16、11k R21k R310k V15mV 1kHz 0Deg V25mV 1kHz 0Deg VCC12VVEE-12VQ1BJT_NPN_VIRTUALQ2BJT_NPN_VIRTUALR510k R610k R410k XSC2ABExt Trig+_+_图图5-27 双入双出差分放大电路双入双出差分放大电路图图5-28 双入双出差分放大电路的输入输出波形双入双出差分放大电路的输入输出波形输出波形（B通道）输入波形（A通道）5.3.2 共模抑制特性分析共模抑制特性分析在图在图5-27中，将中，将V2信号源方向反过来，即加上共模信号信号源方向反过来，即加上共模信号vIC=v1,运行并双击示波

17、器图标运行并双击示波器图标XSC2，调整，调整A、B通道显示通道显示比例比例,有有5-29所示波形。所示波形。 图图5-29 差分放大电路输入共模信号时双端输出波形差分放大电路输入共模信号时双端输出波形输入波形（A通道）输出波形（B通道）当加共模输入信号，而从单端输出时，可得图当加共模输入信号，而从单端输出时，可得图5-30所示的输所示的输入输出波形。入输出波形。 图图5-30 差分放大电路输入共模信号时单端输出波形差分放大电路输入共模信号时单端输出波形输出波形（B通道）输入波形（A通道）5.5运算放大电路的仿真分析运算放大电路的仿真分析5.5.1比例运算电路比例运算电路1 同相比例运算电路同

18、相比例运算电路V12 V 100 Hz 0Deg R11k R32k VCC15VVSS-15VR21k U23554AM65721R41k XSC1ABExt Trig+_+_图图5-39 同相比例运算电路同相比例运算电路选择实际集成运放选择实际集成运放3554AM、电阻、交流信号源、双通道、电阻、交流信号源、双通道示波器等，创建同相比例运算电路，如图示波器等，创建同相比例运算电路，如图5-39所示。所示。 单击运行按钮，并双击示波器图标单击运行按钮，并双击示波器图标XSC1，可得如图，可得如图5-40所示的输入输出波形。所示的输入输出波形。图图5-40 同相比例运算电路的输入输出波形同相比

19、例运算电路的输入输出波形输入波形（B通道）输出波形（A通道）3123RRuuio图图5-39所示同相比例运算电路的输出输入关系为：所示同相比例运算电路的输出输入关系为： 调整调整R2、R3的数值，或改变信号的幅值及频率，重复的数值，或改变信号的幅值及频率，重复，可得到同样的仿真结果。当然读者也可创建反相比例运算电路，可得到同样的仿真结果。当然读者也可创建反相比例运算电路，进行同样的仿真分析。进行同样的仿真分析。5.5.2 加法运算电路加法运算电路选择实际集成运放选择实际集成运放3554AM、电阻、交流信号源和直流信、电阻、交流信号源和直流信号源、四通道示波器等，创建反相比例加法运算电路，号源、

20、四通道示波器等，创建反相比例加法运算电路，如图如图5-43所示。所示。V15 V 100 Hz 0Deg Vcc15VR1 10k R2 10k R310k R43.3k R510k V23 V XSC1ABCDGTU13554AM65721VEE-15V图图5-43 反相比例加法运算电路反相比例加法运算电路单击运行按钮，并双击示波器图标单击运行按钮，并双击示波器图标XSC1，可得电路，可得电路5-43对应的输入输出波形，如图对应的输入输出波形，如图5-44所示。所示。图图5-44 反相比例加法运算电路的输入输出波形反相比例加法运算电路的输入输出波形输出信号（C通道 ）输入信号V2（B通道）输

21、入信号V1（A通道） 图图5-43所示反相比例加法运算电路的输出输入关系为：所示反相比例加法运算电路的输出输入关系为： 21223113vvvRRvRRuo调整调整R1、R2、R3的数值，重复的数值，重复可以得到不同比例关系可以得到不同比例关系的线性求和运算关系；在一定范围内改变信号的幅值及频的线性求和运算关系；在一定范围内改变信号的幅值及频率，可得到同样的仿真结果；在一定范围内改变负载电阻率，可得到同样的仿真结果；在一定范围内改变负载电阻R5，仿真结果显示不影响输出输入关系。，仿真结果显示不影响输出输入关系。 5.5.3 电压跟随器和比较器电路电压跟随器和比较器电路电压跟随器：选择集成运放、

22、直流电源、交流信号源、电压跟随器：选择集成运放、直流电源、交流信号源、示波器等，创建电压跟随器电路，如图示波器等，创建电压跟随器电路，如图5-45所示。所示。 U13554AM65721V15 V 100 Hz 0Deg VCC12VVSS-12VR1Key = A 5k 50%XSC1ABExt Trig+_+_图图5-45 电压跟随器仿真电路电压跟随器仿真电路电压比较器：选择比较器（比如电压比较器：选择比较器（比如LM139AD）、直流电源、）、直流电源、交流信号源、示波器等，创建单限比较器电路，如图交流信号源、示波器等，创建单限比较器电路，如图5-46所示。所示。V110 V 100 H

23、z 0Deg VCC15VVCC15VVSS-15VR1Key = A 100k 50%R25.1k R3600 D11Z6.8XSC1ABCDGTU13554AM65721图图5-46 电压比较器仿真电路电压比较器仿真电路运行并双击示波器图标运行并双击示波器图标XSC1，可得仿真结果，输入输出仿，可得仿真结果，输入输出仿真波形如图真波形如图5-47所示。所示。 通道A，输入波形通道B，输出波形通道C，限幅输出波形图图5-47 电压比较器的输入输出波形电压比较器的输入输出波形5.5.4 积分运算电路积分运算电路选择运放（比如选择运放（比如3554AM、OP07AH等）、直流电源、等）、直流电源

24、、脉冲信号源、电阻、电容、示波器等，创建积分运算电路，脉冲信号源、电阻、电容、示波器等，创建积分运算电路，如图如图5-48所示。所示。 当参数合适时，该积分运算电路可以完成方波到三角波的当参数合适时，该积分运算电路可以完成方波到三角波的转换功能。转换功能。 U13554AM65721R11k R21k C10.1uF VCC15VVSS-15VR310k V31kHz 10 V R410k V15 V XSC1ABExt Trig+_+_图图5-48 积分运算仿真电路积分运算仿真电路图图5-49 积分运算电路的输入输出波形积分运算电路的输入输出波形输入波形（A通道）输出波形（B通道）5.5.5

25、 微分运算电路微分运算电路选择运放选择运放3554AM（或（或OP07AH等）、直流电源、脉冲信等）、直流电源、脉冲信号源、电阻、电容、示波器等，创建实用微分运算电路，号源、电阻、电容、示波器等，创建实用微分运算电路，如图如图5-50所示。所示。 U13554AM65721R1 1k R2 1k C10.1uF V31kHz 10 V V15 V R31k VCC5VVSS-15VXSC1ABExt Trig+_+_图图5-50微分运算仿真电路微分运算仿真电路图图5-51 微分运算电路的输入输出波形微分运算电路的输入输出波形输出波形（B通道）输入波形（A通道）5.6 放大电路的频率响应仿真分析

26、放大电路的频率响应仿真分析 选择晶体管、电阻、电容、电源等，创建图选择晶体管、电阻、电容、电源等，创建图5-52所示的所示的共射放大电路。共射放大电路。 R125k R24.7k R35.1k R41k R55.1k C110uF C210uF C310uF VCC15VV13mV 10kHz 0Deg 0VCCQ12N2712321XSC1ABExt Trig+_+_540图图5-52 共射放大电路频率分析共射放大电路频率分析选择菜单命令选择菜单命令Simulate/Analyses/ AC Analysis,进行参数设置。进行参数设置。图图5-53 C3为为10F时共射放大电路的频率特性时共射放大电路的频率特性将旁路电容将旁路电容C3参数改为参数改为100F，重复，重复进行交流分析，进行交流分析，可得图可得图5-54所示的频率特性。所示的频率特性。 图图5-54 C3为为100F时共射放大电路的频率特性时共射放大电路的频率特性采用采用Multisim仿真分析法中的参数扫描分析。仿真分析法中的参数扫描分析。 图图5-55 参数扫描分析法仿真结果参数扫描分析法仿真结果5.7.2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路常用的非正弦波主要有矩形波和三角波，以及占空比可调常用的非正弦波主要有矩形波和三角波，以及占空比可调的矩形波