Mul基础电路及其仿真 5

第11章模拟集成电路内部电路仿真工具：Multisim瞬态分析观察电路在时域中的动态响应直流分析测量电路的静态工作点与传输特性交流分析分析电路的频率响应与增益带宽11.1LF351集成运算放大器集成运算放大器是一种具有高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，应用极为广泛。尽管品种繁多，内部电路各有特色，但电路结构具有共同之处。对于电压模式运算放大器，通常由以下四部分组成：组成部分功能说明输入级一般由BJT、JFET或MOSFET组成差分电路中间级由一级或多级放大电路组成，提高整个电路的电压增益输出级一般由互补电压跟随器组成，提高带负载能力偏置电路一般由多路电流源电路构成，为各级电路提供合适的静态电流辅助电路：过载保护电路、高频补偿电路、电平移动电路等11.1.1LF351内部电路LF351又称为Bi-FET运算放大器（由双极型晶体管和结型场效应管组成）LF351内部电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分构成，采用Bi-FET工艺，将JFET输入级与BJT后级电路相结合，实现高输入阻抗与高增益的统一。图11-1LF351的内部电路1.输入级组成

功能

JFET差分输入

BJT射极跟随

2.中间级和输出级中间级

输出级

3.偏置电路基准电压电路

电流源结构

主偏置电路

4.保护电路

LF351与741的比较特性Bi-FET（LF351）BJT运放（741）输入级JFET差分输入级BJT差分输入级后续电路与741几乎完全一样标准BJT结构输入阻抗

Bi-FET(LF351)的输入阻抗比BJT运放(741)大几个数量级，这正是此种运放的优势所在。11.1.2LF351仿真LF351内部电路仿真图采用Multisim搭建，包含完整的输入级、中间级、输出级及偏置电路，通过示波器XSC1观测输出波形。仿真参数已在图中标注。图11-2LF351内部电路仿真图仿真电路构成注意事项器件实现方式说明

静态调整步骤

⚠️

注意：整个调整过程要仔细耐心，注意有的电流之间相互有影响，要反复调整方能达到最终目的。静态调零与静态测试(1)静态调零调整增量设为1%进行粗调当调至98%时，输出电压有明显变化

直到输出电压为微伏量级，调零结束⚠️

注意：整个调整过程要仔细耐心，注意有的电流之间相互有影响，要反复调整方能达到最终目的。(2)静态测试（输入置零）测试点测试值

246μA

21.9μA

77.2μA动态测试——开环频响通过AC扫描，观察频响曲线：图11-3开环频响曲线仿真测试结果开环电压增益零频差模开环电压增益：200.7966k（106dB）单位增益带宽约1.2288MHz动态测试——开环传输特性通过DC扫描，观察电路传输特性：图11-4开环传输特性测试结果参数测量值输出电压正向摆幅14.0788V输出电压负向摆幅-13.4726V闭环特性——同相放大器电路配置

构成11倍同相放大器用示波器可观察到11V峰值的正弦波。图11-5同相放大器闭环频响曲线图11-6闭环频响曲线闭环频响特性说明闭环后，电路在低频段增益约为20dB（对应11倍电压增益），在约100kHz处开始下降，上限频率约为100kHz，体现了增益带宽积守恒的特性。闭环增益越低，带宽越宽，增益带宽积保持不变。11.2LM393集成电压比较器电压比较器的基本功能：对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平。特性说明输入信号连续变化的模拟量输出信号数字量"0"或"1"角色模拟电路和数字电路的"接口"电路应用领域：信号处理和检测电路、模/数转换、各种非正弦波的发生和变换电路等11.2.1LM393内部电路LM393集成电压比较器内部电路由输入级差分比较器、中间级共射电路和集电极开路输出级构成，配合多路电流镜偏置电路，实现高速、高精度的电压比较功能。图11-7LM393集成电压比较器内部电路LM393各级电路功能输入级

中间级

输出级

多路电流镜电路功能晶体管功能

多路电流镜核心，使电流受外界因素变化影响小，保证比较器工作稳定

提高比较器的响应速度（以同相输入端为例）输入为低电平时

输入为高电平时

效果：传输特性更为陡峭，响应速度提高11.2.2LM393仿真

图11-8LM393内部电路仿真图1.静态测试&2.传输特性静态测试将两个输入端均接地，测出的静态值已在仿真图中标出。传输特性测试方法

图11-9传输特性3.偏置电路稳定性验证电源电压稳定性测试测试条件电源电压由±5V变为±6V（变化20%）测试结果

结论

偏置电路仿真分析（单独仿真）

仿真条件电源电压变化

5V→10V（+100%）163μA→203μA（+24.54%）

5V→10V（+100%）69μA→75.9μA（+10%）

5V→10V（+100%）167μA→207μA（+23.95%）

5V→10V（+100%）71.6μA→78.7μA（+9.9%）图11-10偏置电路仿真图结论：LM393的偏置电路在电源电压变化时是很稳定的。4.应用电路——子电路封装封装功能利用封装功能将仿真的LM393内部电路封装为一个子电路（电路中包含了±15V电源），便可方便地搭建应用电路。封装优势封装后的子电路可像标准器件一样调用，简化应用电路的搭建过程，提高仿真效率。典型应用过零电压比较器、反相滞回比较器等应用电路均可基于封装后的LM393子电路快速搭建。(1)过零电压比较器图11-11过零电压比较器仿真图图11-12过零电压比较器输出波形(2)反相滞回比较器设计参数

图11-13反相滞回比较器仿真图反相滞回比较器传输特性通过DC扫描得到传输特性：图11-14反相滞回比较器传输特性仿真测量结果（与理论设计值基本吻合）参数测量值输出低电平-6.6382V输出高电平6.6024V上门限电压47.3mV下门限电压-48.6mV反相滞回比较器输入输出波形在输入端加入幅度为100mV的正弦波信号，可非常清晰地看到滞回特性：图11-15输入和输出波形滞回特性说明

11.3μPC1651集成宽带放大器μPC1651是一种利用负反馈来展宽频带的集成宽带放大器。11.3.1μPC1651内部电路基本特征采用单电源5V供电

图11-16μPC1651集成宽带放大器的内部电路原理图μPC1651电路结构分析基本结构：两级共射电路两个负反馈负反馈类型组成元件作用电流并联负反馈

稳定静态工作点，展宽带宽有源电压串联负反馈

稳定静态工作点，展宽带宽核心思想：通过加深反馈，以降低增益为代价，提高电路的上限频率。11.3.2μPC1651仿真图11-17μPC1651的仿真电路图仿真方案分两步进行，了解两个负反馈的作用：第一步：只有电流并联负反馈起作用，测试增益与带宽第二步：两个负反馈同时起作用，对比增益与带宽的变化(1)只有电流并联负反馈起作用通过AC分析得到幅频特性曲线：图11-18只有电流并联负反馈起作用仿真测试结果源电压增益约143上限频率49.2421MHz电流增益输出电流峰峰值：1.42mA，输入电流峰峰值：137μA，电流增益：10.4(2)两个负反馈同时起作用通过AC分析得到幅频特性曲线：图11-19两个负反馈同时起作用仿真测试结果参数测量值源电压增益约9.6电压增益约10.9上限频率1.0821GHz结论：仿真测试值比较接近理论计算值。两个负反馈同时作用后，增益大幅降低，但上限频率从49MHz提升至1GHz以上。11.4CA3040集成宽带放大器CA3040是一种采用组合电路来展宽频带的集成宽带放大器。11.4.1CA3040内部电路CA3040采用共集-共射-共基组合电路结构，通过差分输入级与射极跟随器输出级的组合，实现宽带放大功能。图11-20CA3040内部电路原理图CA3040电路结构说明输入级

偏置电路

输出级

结构特点：CA3040为双端输入-双端输出结构11.4.2CA3040仿真晶体管BC549BP的参数：CJE改为0.8pF，CJC改为1pF。CA3040内部电路仿真图在Multisim中搭建，通过修改晶体管结电容参数以更好地模拟高频特性。图11-21CA3040内部电路仿真图1.静态测试将两个输入端接地，分别测量两个输出端的直流电压值：测试项实测值

3V

1.12mA恒流管电流3.63mA

1.81mA二极管两端电压1.28V

5.13mA

571μA与理论值基本吻合。2.动态测试输出波形：在输入端加入幅度25mV、频率30MHz正弦信号：(a)输出波形(b)传输特性图11-22输出波形和传输特性频响曲线（AC扫描）(a)幅频特性(b)相频特性图11-23频响曲线参数仿真测试结果电压增益42.7488上限频率58.5602MHz11.5CA3080集成跨导运算放大器跨导运算放大器（OTA）基本概念OTA定义OperationalTransconductanceAmplifier（跨导运算放大器）输入信号电压输出信号电流放大能力

输入输出关系OTA是一种电压电流混合模式电路。11.5.1CA3080内部电路

图11-24CA3080的内部电路CA3080各部分功能组成功能

组成差分跨导输入级

分别组成三个Wilson电流镜

提高电流镜输出电阻，改善电流镜输出特性

提高电路速度互导增益与偏置电流的关系

11.5.2CA3080仿真CA3080内部电路仿真图及封装图在Multisim中搭建，封装后可方便地用于各类OTA应用电路的仿真验证。图11-25CA3080内部电路仿真图和封装图1.OTA电压放大器典型OTA电压放大器电路图11-26OTA电压放大器电压增益公式

OTA电压放大器——参数设置偏置电流设置电源电压：±15V

仿真结果带宽约78MHz中频增益28.3dB图11-27OTA电压放大器的幅频特性

2.正交振荡器电路组成：仅由两个跨导放大器和两个电容构成(a)仿真图电路特点结构极为简洁，仅需两个OTA和两个电容可产生两路相差90°的正弦振荡信号

正交振荡器——理论分析电路的s域方程整理得：

说明电路可以产生等幅正弦振荡。

正交振荡器——正交特性

仿真参数与振荡频率

振荡频率理论值

(b)输出波形图11-28OTA正交振荡器3.二阶带通滤波器电路构成：在正交振荡器基础上增加第三个OTA（X3）图11-29二阶带通滤波器电路特点在正交振荡器基础上引入第三个OTA作为输入信号源中心频率、Q值和带宽均可通过调节各OTA的偏置电流独立控制中心频率增益恒为1回转器（构成原理）图11-30回转器工作原理

基本功能：实现阻抗的倒置，称之为回转器。

回转器——模拟电感模拟电感谐振回路

回转器将电容"变换"为等效电感，避免了集成电路中难以实现大电感的问题。

电流源（或电压源）图11-31电流源（或电压源）从B点流出的电流等效电路

(a)电流源(b)电压源图11-32图11-31的等效电路二阶带通滤波器——传输函数(a)以电流源的等效电路(b)以电压源的等效电路图11-33图11-29的等效电路

二阶带通滤波器——参数计算与二阶带通滤波器标准传输函数比较：参数公式中心频率

Q值

带宽

中心频率增益

图11-34图11-29电路的幅频特性仿真测试结果中心频率

带宽BW=280kHzQ值Q=6.25与理论值基本吻合11.6LM386集成功率放大器LM386是一种常用的音频集成功率放大器。主要优点电压增益可调增益范围20～200，灵活适应不同应用需求电源电压范围大适用于多种供电环境，使用灵活自身功耗低静态电流小，适合电池供电场合外接元件少最简应用仅需极少外围元件总谐波失真小音频输出质量高，适合音频放大应用11.6.1LM386内部电路LM386有8个引脚：引脚编号功能6

4地3信号同相输入端2信号反相输入端5信号输出端7旁路电容端1、8增益调整端图11-35LM386内部电路LM386电路结构与增益分析电路结构：由差分电路、共射电路和互补输出电路构成的三级放大电路（与通用型集成运放相似）负反馈

静态输出电压约为电源电压的一半电压放大倍数公式电压放大倍数调整范围：20～200

11.6.2LM386仿真LM386内部电路仿真图在Multisim中搭建，通过调整引脚1、8之间的外接元件，可改变电路增益，验证LM386的各项性能指标。图11-36LM386内部电路仿真图1.静态仿真图11-37静态测试

电源电流4.11mA

3.66V2.动态——增益测试

(a)最小增益（1、8脚开路）图(a)增益为20输出电压峰峰值826mV电压放大倍数

(b)最大增益（1、8脚接33μF电容）图(b)增益为200输出电压峰峰值7.83V电压放大倍数

图11-38增益测试动态——带宽测试图11-39幅频特性

仿真结果带宽约为350kHz动态——传输特性图11-40传输特性将输入换为直流源，通过DC扫描，得到传输特性。横轴为输入电压（InputVoltage），纵轴为输出电压（OutputVoltage），可观察到线性放大区与饱和区的完整传输特性曲线。11.6.3LM386实验图11-41用分立元件在面包板上插接的LM386内部电路用分立元件在面包板上插接LM386内部电路，用万用表和雨珠S进行实验。通过面包板搭建LM386内部电路，可以深入理解集成电路内部各单元的工作原理，并通过实际测量验证仿真结果.1.静态实验实验步骤步骤1万用表置电流挡（最大挡），+12V串入万用表电流挡后接电路电源端（以触碰方式接入）步骤2观察万用表指针摆动：若摆动幅度很大，说明总电流很大，需检查电路（输出级偏置或短路）步骤3适当调整输出级偏置，使输出级集电极电流在几毫安（7mA）左右步骤4测量输出端对地直流电压，应为电源电压的一半（6V）(a)总电流测试(b)输出端对地电压图11-42静态测试2.动态实验——放大倍数图11-43放大倍数测试在雨珠S上测量：设置正弦波幅值200mV，打开信号源，观测输出波形。实测结果：电压放大倍数约为4.4/0.2=22倍2.动态实验——幅频特性图11-44幅频特性测试点击网络分析仪，设置参考基准（RelativetoRef），横轴为对数坐标，运行后看到幅频特性。通过网络分析仪可直观观察到放大器在不同频率下的增益变化，验证带宽特性与仿真结果的一致性。11.7MC1496乘法器概述利用模拟乘法器可以方便地实现多种电路功能：幅度调制对载波信号进行幅度调制，实现AM信号双边带调制抑制载波的双边带调幅（DSB）检波同步检波，恢复原始调制信号混频实现频谱搬移，改变载波频率11.7.1MC1496内部电路图11-45MC1496内部电路MC1496是一款广泛应用的模拟乘法器集成电路，其内部电路由多个差分放大器和电流源组成，实现四象限乘法运算。MC1496电路结构与特性电路结构

组成多路比例电流源

外接电阻输出电压与输入电压关系

11.7.2MC1496仿真图11-46MC1496内部电路仿真图将MC1496内部电路封装，可得到集成的MC1496模拟乘法器。通过对内部电路进行仿真分析，验证各单元电路的工作状态，为后续调幅、检波、混频等应用电路的仿真奠定基础。1.调幅电路图11-47调幅电路仿真图电路仿真

调幅电路仿真结果输出波形(a)输出波形频谱分析(b)频谱分析图11-48图11-47的仿真结果调幅系数计算

1.4461V

0.3793V调幅系数m≈58.4%（与理论值吻合）频谱图显示：载波能量占总输出能量绝大部分，调制信号频谱等距列于载波信号两侧。2.同步检波图11-49同步检波器仿真电路图11-50同步检波器输入输出波形电路配置本地振荡加入50kHz本地振荡调幅信号源1kHz调制在50kHz上的调幅信号源滤波电路输出端加RC滤波电路3.双边带调幅（DSB）图11-51DSB调制电路仿真图抑制载波的双边带调幅电路注：将图11-47中电位器调至50%也可得到双边带调制信号；本图为不需要负电源的一种接法。DSB仿真结果输出波形(a)输出波形频谱分析(b)频谱分析图11-52图11-51仿真结果结论：载波功率得到了很好的抑制。（由于电路元件参数一致性很好，平衡电位器不需调整。）DSB解调制作DSB波信号源子电路（将图11-封装）后，搭建DSB解调电路：图11-53DSB解调器仿真电路图11-54DSB解调输入输出波形4.倍频电路图11-55倍频电路仿真图图11-56倍频电路输入输出波形结论：输出波形频率为输入波形的两倍。5.混频电路图11-57混频电路仿真图电路配置本振信号30kHz正弦波调幅信号载波28kHz，调制信号100Hz正弦波混频电路仿真结果混频原理：输出应为载波2kHz、调制信号仍为100Hz正弦波的调幅信号（频谱搬移）图11-58混频电路输入输出波形(a)输入信号图11-59频谱分析(b)输出信号结论：低频调制信号分量没有发生明显变化，而载频频率降低了，实现了频谱搬移。11.8LM78xx稳压器集成稳压电路分类串联调整式通过串联调整管实现稳压，三端集成稳压器属于此类开关式通过开关管的通断控制实现稳压，效率较高三端集成稳压器串联调整式中最为方便，有固定输出和可调输出两种，有正输出和负输出两大类。本节介绍LM78Lxx系列三端固定正输出集成稳压器11.8.1LM78xx内部电路组成原理框图图11-60LM78Lxx三端稳压器的组成原理框图内部电路图11-61LM78Lxx内部电路原理框图与内部电路对应关系功能模块对应器件启动电路

基准电压电路

电流源电路

误差放大电路

过热保护电路

过流保护电路

安全工作区保护

11.8.2LM78xx仿真图11-62LM78Lxx内部电路仿真图

静态工作点负载电流100mA

520μA基准电压3.35V

98.3μA1.启动电路仿真(1)启动电路正确连接，执行仿真输出电压为5V

输出电压为532μV

2.电流源和基准电压电路将输入电压由7V改为14V：参数7V时14V时

520μA521μA基准电压3.35V3.35V

98.3μA111μA

基准电压温度补偿(a)基准电压温度补偿基准电压温度补偿电路通过合理设计，使基准电压在较宽温度范围内保持稳定，提高稳压器的温度特性。3.误差放大和电流调整电路电路（Q10、R7构成）工作分析：条件

输入电压7V118μA378μA114μA输入电压14V120μA572μA111μA反馈机制分析主反馈（负反馈）

局部反馈（正反馈）

最终结果使输出电压稳定在5V，与自动控制原理中的复合控制方法一致（减小/消除稳态误差）。4.过热保护(b)电路过热保护对电路进行温度扫描：温度达30°C输出电压开始下降（<5V）温度约175°C输出电压仅几十毫伏，电路进入过热保护状态5.电流限制和安全区保护电流限制负载电阻

输出电压输出电流50Ω38.4pA5V—10Ω679μA3.67V367mA负载特性(c)电路负载特性安全区保护(d)电路安全区保护图11-63仿真结果输入电压为48V时，输出电压开始下降，说明Q13已进入安全区保护状态。11.9LM555集成时基电路概述555时基电路是一种集模拟功能与逻辑功能于一身的中规模集成电路。类型特点双极型驱动能力较强MOS型功耗低、工作电压低应用只需适当配接少量元件，即可构成：单稳电路多谐振荡电路史密特电路11.9.1LM555内部电路图11-64555内部电路图双极型555时基电路的内部电路555时基电路内部由比较器、RS触发器、缓冲器、放电管和电压参考电路等模块组成，各模块协同工作实现时基功能。555简化原理框图图11-65555简化原理框图电路组成模块组成晶体管比较器C1

比较器C2

RS触发器

缓冲器A

放电管

电压参考电路

555时基电路基本逻辑关系表11-1555时基电路的基本逻辑关系阈值输入触发输入复位输出放电管——00导通

11截止

10导通

1不变不变11.9.2LM555仿真仿真分析方法：从原理框图、单元电路、整体电路三个方面进行仿真分析1.原理框图仿真多谐振荡器仿真图（由555内部框图与外围元件构成）：两个电压比较器LM139、RS触发器数字集成电路4043、输出缓冲和反相集成电路4041、放电管2N3904理论值输出波形周期：1ms，占空比：80%仿真实测周期1.0226ms，占空比79.72%（与理论值基本吻合）(a)仿真电路图(b)输出波形图11-66555时基电路内部框图仿真2.单元电路仿真——比较器C1

输出为"1"（12V）

输出为"0"（84.2mV）(a)仿真电路(b)传输特性图11-67比较器C1单元电路仿真——比较器C2

输出为"1"（4.12V）

输出为"0"（85.3mV）(a)仿