Multisim模拟电路仿真 课件全套 劳五一 第1-12章 基础知识 -电路

第1章基础知识模拟电路的核心电路是放大电路，学习放大电路需要掌握以下基础知识：常用电子元器件及其外特性电阻、电容、电感、二极管、BJT、FET、运放放大电路类型、供电形式、输入形式、性能指标、级联放大电路的频率特性频率失真、三频段分析、密勒效应放大电路中的反馈技术四种组态、基本方程、对性能的影响Multisim仿真分析：瞬态分析、直流分析、交流分析本章知识结构图1.1常用电子元器件及其外特性电阻、电容、电感、二极管、BJT、FET、运放1.2放大电路类型、供电、输入形式、性能指标、级联1.3放大电路的频率响应频率失真、三频段分析、密勒效应1.4反馈技术四种组态、基本方程、对性能的影响1.1常用电子元器件及其外特性引言电子元器件相互连接以构成具有特定功能的电子电路，比如：放大器、滤波器、振荡器等，所以，电子元器件是电子电路中的基本元素。本节介绍的元器件包括：电阻器电容器电感器半导体二极管双极型晶体管（BJT）场效应管（FET）集成运算放大器1.1.1电阻器—概述电阻器简称电阻，常见的电阻有：固定电阻可变电阻热敏电阻压敏电阻电阻在电路中的主要作用：分压和分流1.1.1电阻器—仿真（1）仿真操作步骤打开Multisim的View/Toolbars/Basic库，点击固定电阻、电位器和可变电阻符号，即可将它们添加到界面上，所显示的当前值为默认值，双击符号，在弹出的界面里可以修改默认值。（a）Basic库图1-1选择Basic库中的电阻器（b）电阻器1.1.1电阻器—外特性仿真（2）电阻外特性仿真步骤搭建仿真电路仿真图如图1-2所示，V1作用于被测电阻两端，作为扫描源，添加电流探针，确保端电压与电流为关联参考方向。选择分析类型点击Simulate/Analysesandsimulation，选择DCSweep。设置扫描参数设置起始电压（-1V）和终止电压（1V），如图1-3(b)所示。选择输出变量点击Output，Selectedvariablesforanalysis里已有I(PR1)（流入电阻的电流），如图1-3(c)。运行并查看结果点击RUN，得到电阻的外特性（伏安特性），如图1-3(d)。图1-2电阻外特性仿真测试电路

图1-3电阻外特性的仿真分析(a）点击Simulate/Analysesandsimulation（b）在DCSweep中设置起始电压和终止电压（c）分析变量I(PR1)（d）外特性1.1.1电阻器—外特性结论由图1-3(d)可以看出：电阻的外特性曲线为过原点的直线，故称为线性电阻，与外特性表达式吻合，曲线的斜率为电阻值的倒数。进一步分析：直流与交流一致在直流、交流情况下表现是一样的。双向性曲线对原点对称，说明线性电阻元件的双向性，即元件对不同方向的电流或不同极性的电压表现一样。引脚无区别在使用时，线性电阻元件的两个引脚没有区别，不分正负。1.1.2电容器—概述电容器简称电容，常见的电容有：固定电容可变电容变容二极管电容在电路中的作用：通交隔直，主要用于耦合、旁路、滤波等。1.1.2电容器—仿真（1）仿真操作打开Multisim的View/Toolbars/Basic库，点击固定电容和可变电容符号，即可将它们添加到界面上，双击符号可在弹出的界面里修改默认值。图1-4选择Basic库中的电容器1.1.2电容器—外特性仿真（2）：瞬态分析（正弦源）电容外特性仿真步骤（正弦电压源）搭建仿真电路仿真图如图1-5(a)：正弦电压源V1作用于电容两端，放置电流探针，确保电压、电流为关联参考方向。选择瞬态分析点击Simulate/Analysesandsimulation→选择Transient，如图1-5(b)。添加输出变量点击Output，分别添加V(1)和I(PR1)，如图1-5(c)(d)。运行并查看波形点击RUN，得到电压和电流波形，如图1-5(e)。结论：电流超前电压90°图1-5电容外特性仿真分析1

（a）仿真图（b）选择Transient（c）添加变量V(1)（d）添加变量I(PR1)（e）电压、电流波形图1.1.2电容器—外特性仿真（3）：瞬态分析（方波源）电容外特性仿真步骤（方波电压源）将图1-5(a)中的正弦电压源换成方波电压源作用于电容两端，如图1-6(a)所示。仿照上述仿真过程，得到相应的电压、电流波形。结论：在方波电压突变处，产生电流尖脉冲。（a）仿真图（b）电压电流波形图图1-6电容外特性仿真分析21.1.2电容器—外特性仿真（4）：AC分析电容外特性仿真步骤（AC分析）对图1-5(a)进行AC分析，得到电容的电流-频率曲线：选择ACSweep点击Simulate/Analysesandsimulation→选择ACSweep，如图1-7(a)。添加输出变量点击Output，Selectedvariablesforanalysis里有I(PR1)，如图1-7(b)。运行并查看结果点击RUN，得到电流-频率特性，如图1-7(c)。结论：电流与频率为线性关系。（a）选择ACSweep（b）添加变量I(PR1)（c）电流-频率关系图1-7电容外特性仿真分析3

1.1.3电感器—概述电感器简称电感，常见的电感有：固定电感可变电感变压器电感在电路中的作用：阻交通直，主要用于滤波、延迟、消噪等。1.1.3电感器—仿真（1）仿真操作选择Multisim的View/Toolbars/Basic库，点击固定电感、可变电感和变压器符号，即可将它们添加到界面上，双击符号可在弹出的界面里修改默认值。图1-8选择Basic库中的电感器1.1.3电感器—外特性仿真（2）电感外特性仿真步骤仿真图如图1-9(a)：正弦电流源I1作用于电感，放置电压探针，确保电压、电流参考方向为关联参考方向。仿照电容外特性仿真分析，得到电感的电压和电流波形图，如图1-9(b)。结论：电压超前电流90°延伸：类似地，可将正弦电流源改为方波电流源，通过瞬态分析得到电压波形，以及通过AC分析得到电压-频率关系曲线，留给读者尝试。（a）仿真图（b）电压电流波形图图1-9电感外特性仿真分析11.1.4半导体二极管—概述常见的二极管：普通二极管齐纳二极管发光二极管（LED）桥式整流器二极管在电路中的主要作用：整流、稳压、检波、调制等。1.1.4半导体二极管—仿真（1）仿真操作选择Multisim的View/Toolbars/Components库，点击二极管符号，在界面里可选择不同类型和型号的二极管添加到界面上。（a）二极管库图1-10选择Components库中的二极管1.1.4半导体二极管—外特性仿真（2）二极管外特性仿真步骤搭建仿真电路仿真图如图1-11，V1作用于被测二极管两端，添加电流探针，确保电压、电流为关联参考方向（实际测试电路中需串入限流电阻以防损坏）。选择DCSweep点击Simulate/Analysesandsimulation→选择DCSweep。设置扫描参数设置起始电压（-5V）、终止电压（1.5V）、Increment：0.0001V，如图1-12(a)。选择输出变量点击Output，Selectedvariablesforanalysis里有I(PR1)（流入二极管的电流），如图1-12(b)。运行并查看结果点击RUN，得到外特性（伏安特性）如图1-12(c)，局部放大得正向特性图1-12(d)和反向特性图1-12(e)。图1-11二极管外特性仿真测试电路（a）在DCSweep中设置起始电压和终止电压（b）分析变量I（PR1）（c）外特性（d）正向特性（e）反向特性1.1.4半导体二极管—外特性结论及应用由图1-12(c)可以看出：非双向性曲线对原点不对称，说明二极管的非双向性，即元件对不同方向的电流或不同极性的电压表现不同。注意引脚极性在使用时须认清正极引脚和负极引脚，切勿接错，以免损坏。二极管工作在特性曲线不同区域的功能：工作区域特点应用正向特性线性部分（小信号）交流电流分量为正弦放大电路正向特性非线性部分出现高次谐波高频电路正向（导通）与反向（未击穿）单向导电性整流电路反向击穿状态端电压基本不变稳压电路1.1.5双极型晶体管（BJT）—概述双极型晶体管分为NPN型和PNP型NPN型发射极箭头向外，正向偏置时电流从集电极流向发射极PNP型发射极箭头向内，正向偏置时电流从发射极流向集电极在电路中的两大主要作用：放大和开关1.1.5双极型晶体管—仿真（1）仿真操作选择Multisim的View/Toolbars/Components库，点击晶体管符号，在界面里可选择不同型号的晶体管添加到界面上。（a）晶体管库图1-13选择Components库中的BJT晶体管图1-13选择Components库中的BJT晶体管1.1.5双极型晶体管—输入特性仿真（2）BJT输入特性仿真步骤搭建仿真电路仿真图如图1-14，V1作用于基-射极两端，添加电流探针（实际中需串入限流电阻），V2作用于集-射极两端。设置DCSweep参数V1：起始电压0V，终止电压2V，Increment：0.005V；V2：起始电压0V，终止电压10V，Increment：2V，如图1-15(a)。选择输出变量Output里已有I(PR1)（流入基极的电流），如图1-15(b)。运行并查看结果点击RUN，得到输入特性，如图1-15(c)。图1-14输入特性仿真测试电路（a）设置V1、V2的起始电压和终止电压（b）选择变量I（PR1）（c）输入特性图1-15晶体管输入特性仿真分析1.1.5双极型晶体管—输出特性仿真（3）BJT输出特性仿真步骤搭建仿真电路仿真图如图1-16，I1作用于基极，添加电流探针（实际中需串入电阻），V2作用于集-射极两端。设置DCSweep参数V2：起始电压0V，终止电压12V，Increment：0.005V；I1：起始值0A，终止值0.05A，Increment：0.01A，如图1-17(a)。选择输出变量Output里已有I(PR1)（流入集电极的电流），如图1-17(b)。运行并查看结果点击RUN，得到输出特性，如图1-17(c)。图1-16输出特性仿真测试电路（a）设置V2、I1的起始值和终止值（b）选择变量I（PR1）（c）输出特性图1-17晶体管输出特性仿真分析1.1.5双极型晶体管—三个工作区晶体管输出特性的三个工作区：工作区晶体管作用应用领域截止区相当于断开的开关数字电路，产生"0"信号饱和区相当于闭合的开关数字电路，产生"1"信号放大区

模拟电路，实现信号控制结论：晶体管具有"开关"和"放大"两个作用1.1.6场效应管（FET）—概述场效应管的分类：结型场效应管（JFET）N沟道P沟道MOS场效应管增强型（N沟道/P沟道）耗尽型（N沟道/P沟道）场效应管的主要作用：放大、开关，还有阻抗变换、可变电阻和恒流源等。1.1.6场效应管—仿真（1）仿真操作选择Multisim的View/Toolbars/Components库，点击MOS场效应管符号，在界面里可选择不同类型和型号的场效应管添加到界面上。（a）晶体管库图1-18选择Components库中的场效应管图1-18选择Components库中的场效应管1.1.6场效应管—外特性仿真（2）增强型N沟道MOS管外特性仿真增强型N沟道MOS管外特性仿真图如图1-19(a)，仿照双极型晶体管外特性的仿真分析，可得到：转移特性如图1-19(b)输出特性如图1-19(c)场效应管外特性更多分析，可参看参考文献[1]。图1-19增强型N沟道MOS管外特性仿真分析（a）仿真图（b）转移特性（c）输出特性图1-19增强型N沟道MOS管外特性仿真分析1.1.7集成运算放大器—概述集成运算放大器（集成运放）是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。主要特点：参数典型值增益60～180dB输入电阻几十千欧至百万兆欧输出电阻几十欧共模抑制比60～170dB失调与飘移小输入为零时输出亦为零类型：通用型、高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型等。1.1.7集成运算放大器—仿真（1）仿真操作选择Multisim的View/Toolbars/Components库，点击集成运放符号，在界面里可选择不同型号的集成运放添加到界面上，双击可编辑。（a）模拟器件库图1-20选择Components库中的集成运放（b）741（c）LM3241.1.7集成运算放大器—外特性仿真（2）集成运放外特性仿真步骤搭建仿真电路仿真图如图1-21，V1作用于被测运放的输入端，作为扫描源。设置DCSweep参数点击DCSweep，设置起始电压（-20V）、终止电压（20V）、Increment：0.05V，如图1-22(a)。选择输出变量点击Output，在Variablesincircuit中选择V(2)，添加到Selectedvariablesforanalysis，如图1-22(b)。运行并查看结果点击RUN，得到外特性（传输特性），如图1-22(c)。图1-21集成运放外特性测试电路（a）设置起始电压和终止电压（b）选择变量V（2）（c）外特性（传输特性）图1-22集成运放外特性仿真分析1.1.7集成运算放大器—传输特性分析集成运放电压传输特性反映的是输出电压与差模输入电压的关系，分为两个区域：工作区特征线性放大区

正向饱和区

负向饱和区

关键性质：静态特性

线性区特性工作在线性区时是高增益差模电压放大器。非线性区特性

1.2放大电路—概述放大电路是模拟电路中的核心电路，它：独立功能具有独立完成信号放大的功能基本电路是构成滤波器、振荡器、稳压器等各种功能模拟电路的基本电路本节从以下几个方面介绍放大电路：放大电路的类型放大电路的供电形式放大电路的输入形式放大电路的性能指标放大电路的级联1.2.1放大电路的类型—概述放大电路可视为一个二端口网络，根据二端口网络的四个模型，可以得到放大电路的四个类型：类型信号源特性负载要求等效模型电压放大电路低内阻电压源恒定电压信号电压控制型电压源（VCVS）互阻放大电路高内阻电流源恒定电压信号电流控制型电压源（CCVS）互导放大电路低内阻电压源恒定电流信号电压控制型电流源（VCCS）电流放大电路高内阻电流源恒定电流信号电流控制型电流源（CCCS）1.2.1放大电路的类型—电压放大电路1.电压放大电路一个低电压-高电压放大器，其信号源为低内阻的电压源，负载要求得到恒定的电压信号，此时放大电路可视为电压控制型的电压源（VCVS）。Multisim操作：打开Sources库，选择电压控制型的电压源，如图1-23，单击OK得到图1-24。左侧为输入端，右侧为输出端系数1V/V为电压放大倍数图1-23Sources库图1-24电压控制型的电压源1.2.1放大电路的类型—互阻放大电路2.互阻放大电路一个电流-电压转换电路，其信号源为高内阻的电流源，负载要求得到恒定的电压信号，此时放大电路可视为电流控制型的电压源（CCVS）。Multisim操作：打开Sources库，选择电流控制型的电压源，点击OK得到图1-25。左侧为输入端，右侧为输出端系数1Ω为互阻放大倍数图1-25电流控制型的电压源1.2.1放大电路的类型—互导放大电路3.互导放大电路一个电压-电流转换电路，其信号源为低内阻的电压源，负载要求得到恒定的电流信号，此时放大电路可视为电压控制型的电流源（VCCS）。Multisim操作：打开Sources库，选择电压控制型的电流源，点击OK得到图1-26。左侧为输入端，右侧为输出端系数1Mho为互导放大倍数图1-26电压控制型的电流源1.2.1放大电路的类型—电流放大电路4.电流放大电路一个小电流-大电流放大器，其信号源为高内阻的电流源，负载要求得到恒定的电流信号，此时放大电路可视为电流控制型的电流源（CCCS）。Multisim操作：打开Sources库，选择电流控制型的电流源，点击OK得到图1-27。左侧为输入端，右侧为输出端系数1A/A为电流放大倍数图1-27电流控制型的电流源1.2.2放大电路的供电形式—概述放大电路是一种能够从直流电源取出能量，并将这个能量的一部分转换为输出信号能量的电子电路。因此需要接入一个或多个直流电源供电。单电源供电只有一组电源为放大电路供电双电源供电有两组电源为放大电路供电在Multisim中，电源有两种形式：电位形式如图1-28(a)"电池"形式如图1-28(b)（a）电位形式

（b）电池形式图1-28电源形式1.2.2放大电路的供电形式—单电源&双电源1.单电源供电形式只有一组电源为放大电路供电，电源电压可以是"正"电压也可以是"负"电压，视需要而定。图1-29单电源供电形式2.双电源供电形式有两组电源为放大电路供电，对"地"而言一个为正电压，另一个为负电压，绝对值一般相等（也可不等），视需要而定。图1-30双电源供电形式1.2.3放大电路的输入形式—概述放大电路的信号源输入分为两种形式：单端输入仅有一个信号源输入的放大电路差分输入具有两个信号源输入的双端输入放大电路1.2.3放大电路的输入形式—单端输入（1）1.单端输入形式

图1-31单端输入放大电路1.2.3放大电路的输入形式—单端输入（2）同相与反相放大电路同相单端输入放大电路当输出电压与输入电压同相时，称为同相单端输入放大电路，如图1-32(a)。反相单端输入放大电路当输出电压与输入电压反相时，称为反相单端输入放大电路，如图1-32(b)。特别提醒：Multisim中提供的受控源，可以在输入小信号下输出大信号，而不需要另外施加外接电源。这种模型为仿真交流等效电路带来了方便（不符合能量守恒，但利于仿真）。（a）输入（小）与输出（大）同相（b）输入（小）与输出（大）反相图1-32同相与反相放大电路1.2.3放大电路的输入形式—单端输入仿真（3）以场效应管模型（电压控制电流源）为例（1）互导放大电路模型仿真图1-33(a)：设参数为1mMho（输入1V时输出1mA），负载2kΩ。输入：1V峰值、1kHz正弦波→输出：2V峰值（1mA×2kΩ），1kHz正弦波，如图1-33(b)。（a）仿真图图1-33互导放大电路模型仿真（b）输出波形1.2.3放大电路的输入形式—单端输入仿真（4）（2）实际互导放大电路仿真图1-34(a)：电路中接入了直流电源，得到接近实际的仿真电路（可理解为场效应管放大电路）。直流电源经R1作用于受控源上，在R1上产生：直流压降（由直流电源引起）交流信号（由输入信号引起）通过电容C1输出：电容起"通交流、隔直流"的作用示波器显示交流信号，如图1-34(b)结论：图1-33(b)与图1-34(b)相同。当令直流电源为零时，图1-34(a)即等效为图1-33(a)，即图1-33(a)是图1-34(a)的交流等效电路。图1-34实际互阻放大电路的仿真（a）仿真图（b）输出波形1.2.3放大电路的输入形式—单端输入仿真（5）（3）输入与输出波形比较将输出波形与输入波形进行比较，如图1-35所示，可知图1-34(a)所示电路为反相放大电路。图1-35输入波形与输出波形比较（粗线——输出波形，细线——输入波形）（4）无电容C1时若无电容C1，则输出的波形中含有直流分量，如图1-36所示。图1-36无电容C1时的输出波形1.2.3放大电路的输入形式—单端输入仿真（6）（5）带载情况分析若在C1的右端接入负载R2（2kΩ），将看到输出电压减小了一半。分析：对于交流信号：交流负载=R1∥R2=2kΩ∥2kΩ=1kΩ交流输出电压=1mA×1kΩ=1V峰值（注：对于交流信号，电容C1的容抗较R2可略，故C1视为交流通路）图1-37带载互导放大电路（a）仿真图（粗线——输出波形，细线——输入波形）（b）输出波形1.2.3放大电路的输入形式—差分输入（1）2.差分输入形式

图1-38差分放大电路1.2.3放大电路的输入形式—差分输入（2）两种类型的输入信号：差模信号

共模信号

差分放大电路的特点："放大差模信号，抑制共模信号"——这是单端输入放大电路所不能及的。1.2.3放大电路的输入形式—差分输入仿真（3）差分放大电路仿真利用功能模块库中的"电压放大器"模块进行仿真，如图1-39(a)。参数设置："电压放大器"模块增益：2V/V两个信号源：1.5V和1V峰值的正弦波仿真结果如图1-39(b)：输出方式输出电压峰值说明单端输出（对地）0.5V两路互为反相双端输出1V单端输出之差图1-39差分放大电路模型（a）仿真电路图（b）单端、双端输出的输出波形1.2.3放大电路的输入形式—差分输入结论（4）差分放大电路放大倍数分析双端输出的差模放大倍数

单端输出的差模放大倍数

1.2.4放大电路的性能指标—概述三个主要性能指标：电压放大倍数（增益）输出电压与输入电压之比输入电阻放大电路从信号源吸取电流的能力输出电阻放大电路带负载能力的体现1.2.4放大电路的性能指标—电压放大倍数（1）1.电压放大倍数测量方法（图1-40）：在保证示波器波形不失真的条件下，调节信号源输出幅度及频率至合适数值，然后用毫伏表分别测出输入电压和输出电压的数值，再求二者的比值。图1-40电压放大倍数的测量线路1.2.4放大电路的性能指标—电压放大倍数（2）仿真测量仿真图如图1-41，放大电路（电压控制电压源V1）参数设置：输入电阻：100kΩ输出电阻：1kΩ电压放大倍数：100信号源V2内阻：Rs=1kΩ负载：RL=1kΩ仿真结果：参数数值输入电压有效值7mV输出电压有效值350mV电压放大倍数350/7=50（与理论值吻合）图1-41电压放大倍数测量仿真图1.2.4放大电路的性能指标—输入电阻（1）2.输入电阻测量方法（图1-42）：

图1-42输入电阻的测量线路1.2.4放大电路的性能指标—输入电阻（2）仿真测量方法1：电流探针法

仿真测量方法2：电压测量法

图1-43电压放大电路输入电阻测量1图1-44电压放大电路输入电阻测量21.2.4放大电路的性能指标—输出电阻（1）3.输出电阻测量方法（图1-45）：在放大电路输出端接入已知负载，并串入开关S。用毫伏表分别测出：

图1-45输出电阻的测量线路1.2.4放大电路的性能指标—输出电阻（2）仿真测量仿真图如图1-46，分别测量：空载时输出电压有效值：700mV，如图1-46(a)带载时输出电压有效值：350mV，如图1-46(b)

图1-46电压放大电路输出电阻测量（a）空载输出电压测量（b）带载输出电压测量1.2.5放大电路的级联—概念

图1-47两个放大电路的级联1.2.5放大电路的级联—仿真分析例题：由两个电压放大电路构成的级联放大电路，如图1-48。当输入峰值1mV、频率1kHz正弦波时，确定输出电压。图1-48两个电压放大电路构成的级联放大电路理论计算：总开路电压放大倍数

输入电阻

输出电阻

1.2.5放大电路的级联—仿真验证仿真图如图1-49(a)，参数设置：V1受控源：输入端"漏电阻"1MΩ，"增益"100V/VV2受控源：输入端"漏电阻"1.8kΩ，"增益"200V/V仿真结果如图1-49(b)：输入信号1mV峰值正弦波→输出信号9V峰值正弦波仿真测试与理论计算结果一致。图1-49级联放大电路（a）仿真图（b）输出波形1.3放大电路的频率响应放大倍数是放大电路的重要技术性能指标，在整个频率范围内讨论时，它们都应为频率的函数。=频率响应（频率特性）：放大倍数随频率变化的规律，包括：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数、互导放大倍数。1.3.1研究放大电路频率响应的必要性—理论分析实际放大电路中存在许多电抗元件：电抗元件类型对低频信号影响对高频信号影响耦合电容、旁路电容分压作用不可忽略，使放大倍数减小并产生附加相移影响较小极间电容、负载电容、分布电容和电感影响较小分流作用不可忽略，使放大倍数减小并产生附加相移图1-50同时考虑电路中各种电容后而得出的放大电路模型（图中：C1、C4为耦合电容，C2、C3为极间电容，CL为负载电容）1.3.1研究频率响应的必要性—频率特性定义幅频特性放大倍数数值随信号频率的变化规律相频特性输出电压与输入电压的相位差随信号频率的变化规律重要参数

结论：任何一个具体的放大电路都有其确定的通频带，只适用于放大某一特定频率范围的信号。在设计电路时，应使放大电路的频率特性满足信号频率范围的要求，以实现不失真放大。1.3.1研究频率响应的必要性—仿真验证（频率特性）仿真说明图1-50的仿真图如图1-51(a)。通过交流分析，得到：幅频特性，如图1-51(b)相频特性，如图1-51(c)结论：实际的幅频特性并不像理想的那样平坦。图1-51放大电路频率特性测试（a）放大电路模型仿真图（b）幅频特性（c）相频特性1.3.1研究频率响应的必要性—频率失真（1）频率失真—原信号的构成设计图1-52(a)所示电路，U1为反相加法器，可实现信号V1、V2的合成；U2为反相器，将U1输出信号反相，得到合成的V1和V2（即原信号）。原信号由基波和二次谐波组成，波形如图1-52(b)。（a）信号V1和V2的合成图1-52原信号波形（b）V1、V2和V1+V2波形1.3.1研究频率响应的必要性—频率失真（2）幅频失真由于电抗元件的影响，经放大电路后，若仅信号中基波和二次谐波的幅值不同于输入信号，如图1-53(a)，则合成信号产生失真，如图1-53(b)。幅频失真：由于电路放大倍数数值随频率变化而引起的失真。图1-53幅频失真（a）信号V1和V2的幅值不同于输入信号（b）V1、V2和V1+V2波形1.3.1研究频率响应的必要性—频率失真（3）相频失真经放大电路后，若对基波和二次谐波的放大倍数数值相同，但延迟时间不同（即相位与频率不成正比），如图1-54(a)，则放大后的合成信号也将产生失真，如图1-54(b)。相频失真：由于电路相移随频率变化而引起的失真。图1-54相频失真（a）信号V1和V2的初相不同于输入信号（b）V1、V2和V1+V2波形1.3.1研究频率响应的必要性—频率失真（4）幅频失真和相频失真同时发生在实际放大电路中，幅频失真和相频失真往往同时发生，仿真图如图1-55(a)，V1、V2和V1+V2波形如图1-55(b)。图1-55幅频失真和相频失真同时发生（a）仿真图（b）V1、V2和V1+V2波形1.3.2三频段分析法—例题例题：电路如图1-56所示已知参数：电阻参数

其他参数

求：放大倍数的表达式并画出近似Bode图。图1-56例题的电路图1.3.2三频段分析法—中频段分析（1）中频段等效电路如图1-57所示

图1-57图1-56的中频段等效电路1.3.2三频段分析法—截止频率与表达式（2）截止频率：下限频率

上限频率

（3）放大倍数的表达式：

1.3.2三频段分析法—Bode图与仿真近似Bode图根据表达式，画出近似Bode图如图1-58所示。仿真验证图1-56所示电路的仿真电路图如图1-59(a)，通过AC分析，得到幅频特性和相频特性，如图1-59(b)。结论：仿真测试结果与三频段分析法计算结果基本一致.图1-58近似Bode图图1-59图1-56的仿真图和AC分析（a）仿真电路图（b）幅频特性和相频特性1.3.3密勒效应—理论分析

等效到输入端等效到输出端

1.3.3密勒效应—仿真分析（1）

仿真电路如图1-60(a)，AC分析结果如图1-60(b)：电路上限频率：7.9502MHz理论计算：

1.3.3密勒效应—仿真分析（2）

仿真电路如图1-61(a)，AC分析结果如图1-61(b)：电路上限频率：155.9840kHz理论计算（利用密勒定理）：

1.3.3密勒效应—仿真分析（3）

仿真电路如图1-62(a)，AC分析结果如图1-62(b)：电路上限频率：153.1237kHz理论计算：

1.4反馈技术—概述对于实用电路来说，总是要引入不同形式的反馈来改善其各方面的性能，以满足实际问题对电路的要求。任何一种实用放大电路都存在反馈技术的应用。1.4.1负反馈放大电路的四种组态—分类按输出端采样方式电压反馈：反馈信号取自输出电压电流反馈：反馈信号取自输出电流按输入回路连接形式串联反馈：反馈信号与输入信号以电压形式求和（串联关系）并联反馈：反馈信号与输入信号以电流形式求和（并联关系）①电压串联负反馈②电流串联负反馈③电压并联负反馈④电流并联负反馈1.4.1负反馈放大电路的四种组态—仿真图1.电压串联负反馈电路如图1-63所示，图中R5、R6为电路引入了电压串联负反馈。图1-63电压串联负反馈组态2.电流串联负反馈电路如图1-64所示，图中R5、R6、R7为电路引入了电流串联负反馈。图1-64电流串联负反馈组态1.4.1负反馈放大电路的四种组态—仿真图（续）3.电压并联负反馈电路如图1-65所示，图中R5为电路引入了电压并联负反馈。图1-65电压并联负反馈组态4.电流并联负反馈电路如图1-66所示，图中R5、R7为电路引入了电流并联负反馈。图1-66电流并联负反馈组态1.4.2反馈放大电路的基本方程—框图与方程

图1-67反馈放大电路的方框图1.4.2反馈放大电路的基本方程—负反馈与深度负反馈负反馈条件

深度负反馈条件

1.4.2反馈放大电路的基本方程—仿真验证电路如图1-68：受控源（电压控制电压源）参数设置：输入电阻R1：100kΩ电压放大倍数：100输出电阻R2：1kΩ负载R3：1kΩR5、R6引入电压串联负反馈信号源V2通过内阻R4作用于同相输入端

图1-68电压串联负反馈放大电路1.4.2反馈放大电路的基本方程—拆环验证拆环得基本放大电路如图1-69拆环后仿真结果：

图1-69电压串联负反馈放大电路的基本放大电路1.4.2反馈放大电路的基本方程—深度负反馈仿真将V1改为1000V/V（深度负反馈），如图1-70仿真结果：

深度负反馈理论值：

图1-70深度电压串联负反馈放大电路

1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—概述引入负反馈后对放大电路性能的影响：影响方面结果增益的稳定性提高频带展宽非线性失真减小输入电阻（串联反馈）增大输入电阻（并联反馈）减小输出电阻（电压反馈）减小输出电阻（电流反馈）增大1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—提高增益稳定性（1）1.提高增益的稳定性

1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—提高增益稳定性（2）仿真说明（图1-71）设计由两个运放构成的放大电路，其中：U2：电压放大倍数10倍（固定）U4：电压放大倍数10～12倍（可变）开关J1：放大倍数控制开关开关J2：负反馈控制开关仿真结果对比：状态电压放大倍数变化无负反馈，J1闭合→断开100→120（增加20%）有负反馈，J1闭合→断开16.65→17.15（增加约3%）

图1-71提高增益稳定性的仿真（a）无负反馈，电压放大倍数为100（b）无负反馈，电压放大倍数为120（c）有负反馈，电压放大倍数为16.65（d）有负反馈，电压放大倍数为17.151.4.3负反馈对放大电路性能的影响—展宽频带2.展宽频带引入负反馈可使放大电路的频带展宽。仿真验证（图1-72）：图中C1为极间电容，C2为耦合电容，J1为负反馈控制开关。状态下限频率上限频率断开J1（无负反馈）约53Hz约48kHz闭合J1（有负反馈）约4.5Hz约580kHz结论：放大电路引入负反馈后，可使其频带展宽。图1-72展宽频带的仿真图（a）仿真图（b）无负反馈时的幅频特性（c）有负反馈时的幅频特性1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—减小非线性失真（1）3.减小非线性失真当输入信号为正弦波时，由于放大器件特性曲线的非线性，输出信号可能产生非线性失真；信号幅度愈大，非线性失真愈严重。引入负反馈对放大电路的非线性有一定的抑制作用.仿真电路如图1-73：线性部分：运放U1非线性部分：二极管D1、D2和电阻R2、R5开关S1：反馈控制（S1断开→无反馈；S1闭合→电压串联负反馈）图1-73减小非线性失真仿真电路1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—减小非线性失真（2）仿真结果（输出波形）状态输出波形情况S1断开（无反馈）输出波形上大下小，出现非线性失真，如图1-74(a)S1闭合（有负反馈）输出波形无明显失真，如图1-74(b)（a）电路无反馈，波形失真（b）电路有反馈，波形无明显失真图1-74减小非线性失真电路的输出波形仿真结果（直流传输特性）状态传输特性情况S1断开（无反馈）放大区是非线性的，如图1-75(a)S1闭合（有负反馈）放大区无明显非线性，如图1-75(b)结论：放大电路引入负反馈后，可以减小电路的非线性失真。（a）无反馈，放大区非线性（b）有反馈，放大区无明显非线性图1-75减小非线性失真电路的传输特性1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输入电阻的影响（1）4.对输入电阻的影响串联负反馈

并联负反馈

1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输入电阻的影响（2）（1）串联负反馈——仿真

理论计算：

图1-76无负反馈的电压放大电路图1-77串联负反馈放大电路1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输入电阻的影响（3）（2）并联负反馈——仿真

理论计算：

图1-78并联负反馈放大电路1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输出电阻的影响（1）5.对输出电阻的影响电压负反馈

电流负反馈

1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输出电阻的影响（2）（1）电压负反馈——仿真电压负反馈放大电路如图1-79，测量方法（开关断开/闭合）：状态输出电压有效值空载（R3断开）13.724mV带载（R3接入）13.459mV

理论计算：

（a）空载时的输出电压（b）带载时的输出电压图1-79电压负反馈放大电路输出电阻测量1.4.3负反馈对放大电路性能的影响—对输出电阻的影响（3）（2）电流负反馈——仿真电流负反馈放大电路如图1-80，测量方法：状态输出电流有效值带载（正常接入RL）19.6176μA负载短路20.1870μA

理论计算：

（a）带载时的输出电流（b）负载短路时的输出电流图1-80电流负反馈放大电路输出电阻测量本章总结—核心知识点回顾1.常用电子元器件外特性元器件外特性特点电路作用电阻线性、过原点、双向分压分流电容电流超前电压90°，电流与频率线性通交隔直电感电压超前电流90°阻交通直二极管非线性、非双向、有单向导电性整流、稳压等BJT三个工作区（放大、饱和、截止）放大、开关FET转移特性、输出特性放大、开关等集成运放线性区与非线性区（±饱和区）高增益放大本章总结—放大电路、频率响应与反馈技术2.放大电路四种类型：电压、互阻、互导、电流放大电路两种供电：单电源、双电源两种输入：单端输入、差分输入（特点："放大差模、抑制共模"）三个性能指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻级联：总倍数=各级倍数之积（需考虑负载效应）3.频率响应幅频特性+相频特性=频率特性两种失真：幅频失真、相频失真三频段分析法；密勒效应主要影响上限频率4.反馈技术

第2章集成运算放大器集成运算放大器（简称集成运放）是一种高电压增益放大电路，以集成运放作为基本放大电路，再配以反馈网络，便可构成各种拓扑结构的负反馈放大电路，以适用于各种不同应用的需求。Multisim仿真分析方法：瞬态分析、参数扫描、交流分析本章知识结构双电源供电反相电路电路、仿真和实验双电源供电同相电路电路和仿真双电源供电差分电路电路和仿真应用电路电路和仿真单电源供电直接耦合方式电路、仿真和实验单电源供电交流耦合方式电路和仿真2.1双电源供电反相电路集成运放作为一个完整器件，在双电源供电下，输入信号作用于反相输入端，通过引入负反馈，即可构成反相电路。本节内容：2.1.1电路2.1.2仿真2.1.3实验2.1.1电路本小节介绍五种双电源供电反相电路：反相互阻放大电路反相比例运算电路T形网络反相电路反相积分电路反相微分电路1.反相互阻放大电路

引入的是电压并联负反馈是一个单端输入的反相互阻放大电路可实现电流-电压的转换转换关系：图2-1反相互阻放大电路

2.反相比例运算电路

图2-2反相比例运算电路

3.T形网络反相电路应用背景：设计一个比例系数为-100、输入电阻为50kΩ的反相比例运算电路，为避免使用大阻值电阻，采用T形网络反相比例运算电路。优点：

使用阻值较小的电阻达到数值较大的比例系数具有较高的输入电阻输入与输出电压的关系：图2-3T形网络反相电路

4.反相积分电路

图2-4反相积分电路

5.反相微分电路将反相积分电路中的电阻R和电容C的位置互换，可得到反相微分电路。输入与输出电压的关系：图2-5反相微分电路

2.1.2仿真本小节对以下电路进行Multisim仿真分析：电流-电压转换电路反相放大器T形网络反相电路反相微分电路1.电流-电压转换电路（仿真概述）

输出电压理论值：-2V探针测得输出电压：-1.99997V，与理论值基本吻合图2-6电流-电压转换电路仿真图

结论：随着驱动电流源内阻不断增大，输出电压也在增大，并趋向于理论值，电路才能保证较高的转换精度。

输出电压/V0.0012M-1.989920.01200k-1.998980.120k-1.9998812k-1.9999810200-1.99998

2.反相放大器（设计与仿真）设计要求：采用运放OP07，设计一个闭环电压增益为-10的反相放大器。已知条件：

设计结果：

(a)仿真图2.反相放大器（仿真结果）

(b)输入（细线）和输出（粗线）波形图2-7闭环电压增益为-10的反相放大器的仿真图3.T形网络反相电路（仿真）仿真参数：输入信号：峰值0.01V，频率1kHz的正弦波；电路增益：100(a)T形网络反相电路的仿真图(b)输出电压（粗线）与输入电压（细线）图2-8T形网络反相电路的仿真图仿真结果：实测输出电压峰值为988mV，输出电压波形（粗线）与输入电压波形（细线）之间呈180°相位关系。4.反相微分电路（仿真电路）反相微分电路为实用微分运算电路，图中：

图2-9反相微分电路的仿真图4.反相微分电路（仿真结果一：矩形波输入）

(a)输入方波时的输出波形4.反相微分电路（仿真结果二：正弦波输入）

(b)输入正弦波时的输出波形图2-10反相微分电路输出波形2.1.3实验本小节进行两个实验：1.T形网络反相电路2.反相积分电路1.T形网络反相电路（实验）面包板上的T形网络反相电路实验步骤：设置雨珠S的电源，+5V和-5V电压点击信号源，选择正弦波（幅值20mV，频率1kHz）打开示波器，观察输出波形调节微调，改变电路的电压放大倍数，使输出波形幅度满足设计要求（幅值2V）图2-11面包板上的T形网络反相电路图2-12输出波形幅值2V2.反相积分电路（实验说明）面包板上的反相积分电路实验步骤：设置雨珠S的电源，+5V和-5V电压点击信号源，选择方波（幅值1V，频率1kHz）打开示波器，观察输入信号方波和输出信号三角波频率对输出的影响：

图2-13面包板上的反相积分电路2.反相积分电路（实验波形）(a)方波频率1kHz(b)方波频率500Hz(c)方波频率2kHz(d)输入正弦波图2-14输入和输出波形2.2双电源供电同相电路对换反相电路的信号输入端和接地端：

本节内容：2.2.1电路2.2.2仿真2.2.1电路同相比例运算电路

图2-15双电源供电的同相电路电压跟随器

输入电阻高输出电阻低输出电压跟随输入电压广泛应用场合：

放大电路的输入级放大电路的缓冲级（隔离级）放大电路的输出级图2-16电压跟随器2.2.2仿真本小节对以下电路进行仿真：1.级联放大器2.电压跟随器1.级联放大器（仿真）利用一个同相电路与一个反相电路组成级联放大电路。总电压放大倍数：

图2-17级联放大器仿真图2.电压跟随器（仿真）

(a)电路仿真图

图2-18电压跟随器仿真2.3双电源供电差分电路前两节的反相电路和同相电路均属于单端输入放大电路，本节介绍三种不同电路结构的差分电路：单运放差分电路两运放仪用放大器三运放仪用放大器本节内容：2.3.1电路2.3.2仿真2.3.1电路1.单运放差分电路电路结构：

该电路称为差分比例运算电路，或称减法运算电路。图2-19单运放差分电路

2.两运放仪用放大器改进背景：单运放差分电路对每路输入信号呈现不同的输入电阻，会导致两路输入信号的不平衡。改进方案：在单运放差分电路基础上，增加一级同相电路，构成两运放仪用放大器。优点：

提高了每一路信号的输入电阻使电路参数的选取更为方便

图2-20两运放仪用放大器

3.三运放仪用放大器电路结构及输出关系：电路特点分析：

图2-21三运放仪用放大器

2.3.2仿真传感器电路的差分电路选择研究背景：带有传感器电阻（R4）的桥式电路，当R4增加1%（由100kΩ变为101kΩ）时，电压表显示12.437mV的输出电压。问题：如何取出这个电压？图2-22带有传感器电阻（R4）的桥式电路2.3.2仿真——单运放差分电路的不足采用单运放差分电路，仿真显示桥式电路输出电压降至6.623mV，说明单运放差分电路的输入电阻太小了。问题所在：单运放差分电路输入电阻过小，导致桥式电路输出电压被严重拉低，无法准确反映传感器的变化量。图2-23单运放差分电路的应用引入电压跟随器的改进引入电压跟随器可提高差分电路的输入电阻，桥式电路输出电压恢复为12.436mV，接近桥式电路原输出电压。不足：电路的电压增益调节不方便。图2-24引入电压跟随器的差分电路应用2.3.2仿真——三运放仪用放大器的典型应用选用三运放仪用放大器的典型应用电路：仿真结果分析：

图2-25三运放仪用放大器的典型应用电路2.4应用电路设计目标：设计一个传感器放大电路。设计要求：

本节内容：2.4.1电路2.4.2仿真2.4.1电路电路结构

图2-26实用传感器放大电路1.基准电压电路设计

2.三运放仪用放大器设计

根据三运放仪用放大器放大倍数公式：

2.4.2仿真

图2-27传感器放大电路的仿真图传输特性

图2-28传输特性2.5单电源供电直接耦合方式在众多电池供电设备中，运放需工作在单电源下，研究单电源供电下的运放电路非常必要。从耦合方式来说，单电源供电的运放电路分为：直接耦合方式本节介绍交流耦合方式下节介绍本节内容：2.5.1电路2.5.2仿真2.5.3实验2.5.1电路设计实例：设计一个直接耦合反相放大器设计要求：

放大器的电路方程：元件参数选择：

2.5.2仿真仿真电路中运放选用OPA735AID（轨对轨运放），V1的偏置电压设置为-0.2V。通过直流分析，得到电压传输特性：仿真结果：

符合设计要求。(a)仿真电路图(b)电压传输特性图2-30直流分析2.5.3实验

图2-31面包板上的单电源直接耦合反相放大器步骤详解步骤1：点击电源，设置+5V，关闭负电源(a)设置5V电压步骤2：点击信号源，选择正弦波，设置幅值100mV，偏置-200mV(b)设置幅值100mV(c)设置偏置-200mV步骤3：点击示波器，观察输出波形，调节微调电阻，使波形处于1～5V之间(d)调节输出波形图2-32单电源直接耦合反相放大器实验2.6单电源供电交流耦合方式适用场景：只希望放大输入信号中的交流分量，而避免其直流分量对电路的影响。实现方法：利用电容"通交隔直"的作用，在放大器的信号输入端串入耦合电容，实现交流耦合方式。本节内容：2.6.1电路2.6.2仿真2.6.1电路设计实例：设计一个交流耦合反相放大器设计要求：

将峰值为0.1V、频率为1kHz、偏置电压为1V的正弦波转换为最小值为0.1V、最大值为5V，频率仍为1kHz的正弦波电路采用5V单电源供电，电阻选用标称值

图2-33交流耦合单电源供电的反相放大器2.6.2仿真瞬态分析利用瞬态分析，得到电路的输入（细线）输出（粗线）波形图，仿真测试结果表明电路符合设计要求。(a)图2-33的仿真图(b)输入（细线）输出（粗线）波形图图2-34交流耦合反相放大器仿真频率特性分析

电路的电压放大倍数为24.4，与理论值吻合电路的下限频率为21Hz，与理论值吻合图2-35图2-(a)的幅频特性本章总结核心知识点回顾：双电源供电反相电路

双电源供电同相电路

双电源供电差分电路单运放差分电路：减法运算两运放/三运放仪用放大器：高输入阻抗、高共模抑制比应用电路三运放仪用放大器在传感器放大中的完整设计流程单电源供电方式直接耦合方式：通过电路方程确定直流工作点交流耦合方式：通过耦合电容隔离直流，影响下限频率第3章电压比较器和乘法器课程内容集成电压比较器的基本功能与应用模拟乘法器的应用电路Multisim仿真分析：瞬态分析、直流分析本章知识结构3.1单限电压比较器单限电压比较器是电压比较器最基本的应用形式。集成电压比较器对两个输入电压进行比较，根据比较结果输出高电平或低电平输入信号连续变化的模拟量输出信号数字量"0"或"1"作用可作为模拟电路和数字电路的"接口"电路3.1.1电路两种基本应用形式同相单限电压比较器

反相单限电压比较器

同相比较器电路与传输特性同相比较器电路（a）(a)同相比较器同相比较器传输特性（b）(b)同相比较器的传输特性反相比较器电路与传输特性反相比较器电路（c）(c)反相比较器反相比较器传输特性（d）(d)反相比较器的传输特性图3-1电压比较器两种最基本的应用形式单限电压比较器的工作原理同相比较器

反相比较器

3.1.2仿真实例：电压比较器门限电压求解电路图（a）(a)电路传输特性（b）(b)传输特性图3-2电压比较器门限电压推导

输出判断

仿真实例说明与结果仿真图（a）(a)仿真图

传输特性（b）(b)传输特性图3-3比较器实例仿真仿真测试结果输出电压最大值：12.0000V输出电压最小值：-11.8954V门限电压：1.9926V（理论值2V，基本吻合）过零电压比较器

仿真图（a）(a)仿真图采用TLC393CD构成的过零电压比较器同相端接地，反相端输入信号，构成反相输入过零比较器输入：幅值1V、频率1kHz的正弦波信号输出：方波输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-4反相输入过零比较器过零比较器仿真测试结果与功能仿真测试结果输出高电平：5.0079V输出低电平：-4.8713V基本功能

应用过零比较器可作为零电平检测电路也可用于波形的"整形"，即将不规则的输入波形整形为规则的输出波形响应时间对输出波形的影响不同频率输入信号下的输出波形比较输入信号频率为1MHz时的输出波形（a）(a)输入信号频率为1MHz输入信号频率为5MHz时的输出波形（b）(b)输入信号频率为5MHz图3-5不同频率输入信号时的输出波形比较响应时间影响分析输入频率输出波形特征原因分析1kHz标准方波远低于比较器响应极限1MHz上升沿和下降沿明显变差，已不再是方波响应时间对输出波形产生较大影响5MHz输出波形几乎为一条直线信号半周期已小于比较器响应时间，输出状态来不及翻转实际应用注意事项：在选择器件时，要特别注意器件的参数是否满足要求，尤其是响应时间指标。噪声对输出波形的影响问题背景实际信号在传输过程中受到干扰或噪声影响含噪声信号在门限电压附近上下波动，造成比较器误判断导致输出电压在高、低电平之间反复跳变，影响后续电路仿真电路（a）(a)仿真图（用热噪声源与信号源串联，模拟含噪声正弦波）噪声影响仿真波形输入输出波形（b）(b)输入输出波形（前、后沿明显出现错误跳变）输出波形的前沿放大（c）(c)输出波形的前沿图3-6含噪声正弦波通过过零比较器的情况输出波形前后沿出现错误跳变，这是我们不希望看到的，需要引入滞回比较器加以改善。3.2滞回电压比较器引入正反馈的两大优势（"一举两得"）：优势一：改善输出波形正反馈加速了输出状态的转换，改善了输出波形的前后沿优势二：增强抗干扰能力通过正反馈将输出的两个状态送回比较器同相端，将单限比较器变为具有上、下门限的滞回比较器，使比较器具有很强的抗干扰能力3.2.1电路反相输入滞回电压比较器电路结构说明

3.2.1电路（续）反相输入滞回电压比较器及其传输特性本节内容为滞回比较器电路结构与传输特性的核心说明，详见第23页完整图示。核心特点

3.2.1电路（图示）反相输入滞回电压比较器电路结构

编者说明以下严格逐字复制原文所有图片URL，不做任何修改。后续各节内容均以原文为准。3.2.1电路（完整图示）反相输入滞回电压比较器及其传输特性电路结构说明

编者注以下严格逐字复制原文所有图片URL，不做任何修改。3.2.1电路反相输入滞回电压比较器电路（a）(a)电路

传输特性（b）(b)传输特性图3-7反相输入滞回电压比较器上下门限电压与回差

滞回比较器的特性分析传输特性说明（具有方向性）

抗干扰原理由于回差的存在，输出状态的跳变不再发生在同一个输入信号电平上。当含噪声信号作用于比较器时，只要噪声信号的幅度不大于回差，噪声就不会导致比较器输出状态的误跳变。3.2.2仿真例题：滞回比较器设计设计要求

电压传输特性测试方法在比较器输入端接入三角波，实现输入电压的正向和负向扫描示波器设置为"A/B"状态：A通道（纵轴）接输出电压，B通道（横轴）接输入电压滞回比较器仿真图与传输特性测量图3-8电压传输特性测量仿真测试结果回差：0.9827V（满足设计要求）输出高电平：4.955V输出低电平：-4.871V含噪声正弦波通过滞回比较器仿真电路（a）(a)电路输入输出波形（b）(b)输出波形图3-9含噪声正弦波通过滞回比较器的情况输出波形是很规则的矩形波，且波形的前后沿也很陡峭，成功抑制了噪声干扰。3.3应用电路概述：在实际应用中，要根据需要选用不同的集成芯片，并在电路中适当添加辅助电路，以提高电路的适应能力。主要考虑因素采用单电源供电模式利用运算放大器的非线性作比较器学习目标以下通过实际集成芯片仿真，了解电路的结构和特性。1.单电源供电的比较器电路(1)单限比较器仿真图（a）(a)仿真图电路特点

单限比较器仿真结果输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-10单电源供电的单限比较器仿真测试结果门限电压：2.4960V输出高电平：4.9284V输出低电平：18.2297mV(2)过零比较器（单电源供电）仿真图（a）(a)仿真图电路说明

过零比较器仿真结果输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-11单电源供电的过零比较器仿真测试结果门限电压：7.7378mV输出高电平：4.9979V输出低电平：105.8909mV2.由集成运放构成的电压比较器应用场景在要求工作速度不高的情况下，利用集成运放的非线性，将运放作为电压比较器使用，可构成低速比较器使用集成比较器时，与后续电路的接口没有问题使用运放时，输出电平通常较高，需使用接口电路适应数字电路逻辑电平1）滞回比较器（集成运放构成）仿真图（a）(a)仿真图电路说明

上下门限电压公式

集成运放滞回比较器仿真结果电压传输特性（b）(b)电压传输特性图3-12由集成运放构成的单电源供电滞回比较器输入输出波形（c）(c)输入输出波形仿真测试结果

2）带限幅电路的滞回比较器仿真图（a）(a)仿真图电路说明

带限幅电路的滞回比较器仿真结果电压传输特性（b）(b)电压传输特性图3-13单电源供电的带限幅电路的滞回比较器输入输出波形（c）(c)输入输出波形仿真测试结果

3.窗口比较器电路组成

窗口比较器仿真图与输出波形仿真图图3-14由双集成电压比较器LM2903D构成的窗口比较器输入三角波的输出波形图3-15窗口比较器输入三角波的输出波形参数设置

4.PWM调制电路PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制电路应用场景D类放大电路和开关电源电路工作原理在基本比较器中，将参考电压改为三角波输入信号（如正弦波）与三角波进行比较随着输入信号的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化仿真图（a）(a)仿真图输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-16PWM电路仿真3.4乘法器模拟乘法器基本概念：定义实现两个模拟量相乘的非线性电子器件端口结构两个输入端，一个输出端；输入电压和输出电压均对"地"而言输出表达式

模拟乘法器符号与等效电路电路符号（a）(a)电路符号等效电路（b）(b)等效电路图3-17模拟乘法器理想模拟乘法器条件

3.4.1电路1.乘方运算电路电路图图3-18乘方运算电路输出电压

乘方运算电路的倍频应用

第一项直流信号第二项输入信号的二倍频信号倍频电路实现：通过输出端的耦合电容隔离直流信号，从而得到二倍频信号，此时的电路称为倍频电路。2.除法运算电路将模拟乘法器置于集成运放的反馈支路中，构成除法运算电路。电路图图3-19除法运算电路负反馈条件

除法运算电路分析

3.开方运算电路将乘方运算电路置于集成运放的反馈支路中，构成开方运算电路。基本开方运算电路图3-20开方运算电路实用开方运算电路（加入二极管）图3-21实用开方运算电路开方运算电路分析负反馈条件分析（两种情况）：情况乘法器类型

前一种同相乘法器（k>0）必须<0>0后一种反相乘法器（k<0）必须>0<0前一种情况（同相乘法器）

后一种情况（反相乘法器）

开方运算电路的注意事项正反馈问题

解决方案

3.4.2仿真1.倍频电路(a)仿真图(b)输入输出波形图3-22倍频电路的仿真仿真条件乘法器：输出增益、X增益和Y增益均设为1V/V输入：峰值为1V、频率为1kHz的正弦信号输出端接入耦合电容和负载仿真结果：输出信号频率为输入信号的二倍，幅度为输入信号的一半。2.除法运算电路仿真仿真条件：因为V2应与乘法器k同号，故取V2为正值V1为12V时（a）(a)V1为12V，输出电压为-2.4VV1为-12V时（b）(b)V1为-12V，输出电压为2.4V图3-23除法电路仿真结果与理论值吻合很好。3.开方运算电路仿真仿真图图3-24开方运算电路仿真条件乘法器为同相乘法器，故V1必须小于零，则输出电压大于零仿真结果当V1为-9V时，输出电压为3V与理论值吻合很好更多模拟乘法器应用的介绍，可参见第11章中的MC1496。本章总结核心知识点回顾1.单限电压比较器（3.1）

2.滞回电压比较器（3.2）

3.应用电路（3.3）单电源供电模式下的单限比较器、过零比较器运放构成的滞回比较器、带限幅的滞回比较器窗口比较器、PWM调制电路4.模拟乘法器（3.4）

第4章半导体二极管电路本章知识结构Multisim仿真分析：直流分析、瞬态分析章节概述电路中的二极管工作在其特性曲线的不同区域，将具有不同的电路功能：正向特性的线性部分可用于放大电路正向特性的非线性部分可用于高频电路正向特性（导通）和反向特性（未击穿）二极管呈现单向导电性反向特性的击穿状态可用于稳压电路4.1半波整流电路整流的概念将交流电变为直流电的过程称为整流。零偏置当输入交流电压的幅值远远大于二极管的导通电压时，利用交流电的正半周和负半周，使二极管导通（截止）和截止（导通），无需给二极管施加偏置电压。单向导电性整流电路是利用二极管的单向导电性的一种功能电路。4.1.1电路半波整流电路工作原理

正半周

负半周

这种电路称为半波整流电路。图4-1半波整流电路及其输入输出波形4.1.2仿真仿真图与波形分析(a)仿真图（V1:1Vpk,1kHz,0°；D1:1N4148；R1:1.0kΩ）细线为输入波形，粗线为输出波形(b)输入、输出波形比较图4-2半波整流电路仿真图

半波整流电路DC传输特性DC扫描分析(a)仿真图（D1:1N4148；V1:12V；R1:1.0kΩ）(b)传输特性图4-3半波整流电路直流分析

4.2全波整流电路问题引出半波整流电路只保留了正弦波的正半周（或负半周），使正弦交流电压变为脉动直流电压。如何将正弦波的正负半周都保留下来？→引入全波整流电路半波整流只保留正半周（或负半周），输出为脉动直流电压，利用率低。全波整流正负半周均保留，输出脉动更小，利用率更高。4.2.1电路全波整流电路结构

输入电压大小相等，相位相反（利用具有中心抽头的变压器实现）

流过负载的电流保持同一