Mutisims9在模拟电路中的应用解析.docx

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Mutisims9在模拟电路中的应用解析

第4章Mutisims9在模拟电路中的应用

模拟电路是电子专业学习专业课的基础，主要内容包括了半导体器件如：

二极管、三极管、晶闸管等的工作原理，分立放大电路、集成运算放大器以及滤波电路的分析和设计等主要内容。

在本章中，将结合上述内容来介绍9的使用方法，以便帮助读者在熟练使用9的基础上，快速地使用9来分析和设计电路。

4．1常用半导体器件

4．1．1．二极管仿真测量

9在元件库中提供了几百种不同型号的二极管。

二极管传统的测试方法有电压电流表和万用表测试法、晶体管图示仪测试法，在9中也同样可以用虚拟电压电流表和虚拟万用表法及IV分析仪法测试二极管。

1．用虚拟电流、电压表测量二极管

在电路工作窗口中建立如图4-1所示的二极管测量电路。

这是PN结或二极管加正向电压的特性演示左侧为3D理想二极管，右侧为真实二极管1N4148。

先通过A、B键使J1、J2两个开关打开，单击Simulate按钮，开始仿真，按下A键，电压表U1显示D1极管两端的正向压降，电流表U2显示流过D1二极管的正向电流。

按下B键，电压表U3显示二极管IN4148两端的正向压降，电流表U4显示流过二极管IN4148的正向电流。

正向压降较小，正向电流较大，称为二极管的正向导通。

数据如图4-1中电表所示。

图4-1二极管加正向电压仿真电路

将图4-1中的二极管反向连接，将电压表改接（电压表内阻会引起测量误差），就组成图4-2所示二极管加反向电压电路。

对PN结或二极管加反向电压做仿真演示，数据如图4-2中电表所示。

反向压降很大，反向电流极小，称为二极管的反向截止。

图4-2二极管加反向电压仿真电路

按照图4-1和图4-2电路，多次改变电阻R1、R2的阻值，可测量到一组电压与电流的数值，用这些数据在坐标纸上可描绘出一条曲线，这就是二极管的特性曲线。

2．用IV分析仪测量二极管

IV分析仪可以很方便地测量常用半导体器件的伏安特性，图4-3是IV法测二极管伏安特性电路，其左图中的二极管为3D理想二极管，右图中的二极管为真实二极管IN4148。

双击IV分析仪图标，打开分析仪面板。

按下述方法进行设置：

Components栏，选择Diode；CurrentRange（A）区，选择Log，设定适当的电流范围；VoltageRange（V）区，选择Log，设定适当的电压范围。

打开仿真开关，即可观察到二极管的正向特性曲线。

拖动读数指针，可以测出具体数据。

如图4-4所示。

图4-3IV分析仪测量二极管

图4-4IV分析仪面板及测量的二极管特性曲线

4．1．2．三极管仿真测量

1．用虚拟万用表测量三极管

图4-5是用虚拟万用表测晶体三极管。

用万用表的电阻挡，对比各电极间的正反向电阻，可以测量晶体管，通常使用指针式万用表。

打开仿真开关，前4个图用于判断基极b和确定晶体管的类型，后两个图用于判定集电极c和发射极e，还可以估测放大倍数。

实际测量时：

①首先判定基极b。

具体方法是：

先将万用表的某一表笔固定接晶体管的某一管脚，用另一表笔分别接另外两支管脚，测它们的电阻，如果测得的数值都很大或都很小（如图中万用表XMMI、XMMZ的读数或XMM3、XMM4的读数）；再将表笔交换，重复上述测量，证实测得的数值与先前的测量完全相反，那么，可断定这支管脚是b。

②如果红表笔接b时测得

图4-5用虚拟万用表测三极管

的数值大，黑表笔接b时测得的数值小，则断定此晶体管是NPN型的。

③先假定另外两支管脚中的某一支是C，则按第5种接法测量c、e之间的电阻，再在c、e间接一个几十千欧的电阻，重复测量，看电阻值的变化。

如果第一次像万用表XMM5一样数值很大，第二次像XMM6那样数值较大，可判定这一假设是正确的。

1．用IV分析仪测量三极管

图4-6是IV法测量晶体管的伏安特性。

左侧3只为3D理想管，右侧3只为真实管。

2N2222A、ZSA1015和BSP149是常见的几种晶体管。

按图4-6所示建立测量电路，双击IV分析仪的图标，按下述进行设置：

Components栏：

第l、4台IV仪选择BJTNPN，第2、5台IV仪选择BJTPNP，第3、6台IV仪选择NMOS。

CurrentRange（A）区和VoltageRange（V）区均选择Lin，F和I值均不需设定。

打开仿真开关，即可以对比观察它们的伏安特性，如图4-7所示，拖动读数指针还可以进行精确测量。

图4-6IV法测量晶体管伏安特性

图4-7IV法测量NPN管伏安特性曲线

4．2放大电路分析

放大电路是构成模拟电子电路的基本单元，分析电子电路首先要从它的基本单元着手。

4．2．1．单管放大电路仿真测量

晶体管单管放大电路是最常见的低频小信号放大电路，它的实质是利用小信号来控制大信号。

放大器是电子器件中不可缺少的部分，而晶体管单管放大电路是学习大信号放大器的基础。

根据晶体管单管放大电路的组成原理，在Multisim9的电路窗口中建立如图4-8所示的放大电路。

对于此电路可以进行如下的常见的电路分析方法。

图4-8单管共发射极放大电路

1．直流工作点分析

单击Simulate/Analysis/DCOperationPointAnalysis，在弹出的对话框中将全部电压节点都作为输出节点，单击Simulate按钮，开始仿真。

结果如图4-9所示。

图4-9单管共发射极放大电路直流工作点分析

2．动态分析

（1）瞬态分析

瞬态分析是电路的响应在激励的作用下在时间域内的函数波形。

在这里利用示波器来观测晶体管单管放大电路的输入输出信号波形的比较。

结果如图4-10所示。

在图4-10中，可以看到晶体管单管放大电路的输入与输出之间，在相位上基本是反相的关系，但是存在一定的相位误差。

图4-10单管共发射极放大电路瞬态分析

（2）交流分析

交流分析就是对电路的交流频率响应分析。

单击Simulate/Analysis/ACAnalysis，将节点＄4和＄5作为输出节点，其余保持默认设置。

交流分析的结果如图4-11所示。

图4-11单管共发射极放大电路交流分析

在交流分析的幅频和相频响应曲线中，只是简单地列出了晶体管单管放大电路的响应曲线，如果想知道比较确定的游标数值，可以单击图

中的按钮。

本例中，晶体管单管放大电路的输入与输出的相位差大约为18.8º。

3．放大倍数的分析

放大倍数是单管放大电路的重要的参数指标，表征了小信号对大信号控制能力的强弱。

在图4-8中加入相应的测量仪表，如图4-12所示。

图4-12单管共发射极放大电路放大倍数的分析

从图4-12中的仪表U2和U3中，可以大概地估算单管放大电路的放大倍数为100左右。

在本例中，R2是滑动变阻器。

9中的滑动变阻器使用十分方便，在Multisim9的元件库中添加滑动变阻器后，其默认值为总阻值的50％，如果想要在运行中随时方便地改变滑动受阻器的阻值，可以采用下述办法：

在电路窗口中双击滑动变阻器的符号，弹出如图4-13所示的对话框。

这个对话框与前面遇到的其他元件的对话框基本一致。

该对话框中的Label、Display、PinInfo、Variant4个选项卡与前述的完全一致，只有Value选项卡与其他元件不同。

在Value选项卡中，Keys下拉列表框用于设置控制滑动变阻器变化的快捷键，其中有阿拉伯数字和英文字母等选项。

Increment选项用于设置步进增量，可以设置任意值。

本例中，为了仿真运行方便，设置控制R3阻值变化的快捷键为A键，而Increment项保持默认设置：

5%。

在仿真运行过程中，可以不断地按Space键，以改变滑动变阻器的阻值。

在观察两个电压表中读数的变化的同时，双击虚拟示波器以观察波形的变化。

如果波形出现饱和或截至失真，则需要重新调整R3，直至波形不失真为止。

按Shift+A可反向调整滑线变阻器R3。

图4-13元件设置对话框

4．输入电阻和输出电阻的求解

在一般的模拟电子线路的分析中，输入电阻和输出电阻的求解需要画出交流等效电路后，利用电路分析中的知识求解。

但是，Multisim9为用户提供了快捷的方式，使用户能够迅速、方便地求解出输入电阻和输出电阻。

对图4-12单管共发射极放大电路进行仿真，得到图中所示的输入交流电压、交流电流和输出交流电压的有效值。

根据输入电阻的定义：

，可以立即计算出输入电阻的数值。

输出电阻的计算稍显复杂，根据输出电阻的定义：

。

其中，U。

为单管放大电路负载开路时的输出电压，而UL是单管放大电路接入负载时的输出电压。

所以图4-12中的交流电压表U3应该先测量电阻R5断开时的电压，然后接入电阻R5，再继续测量。

两次测量的结果按照上述公式计算，即可得到输出电阻的数值。

5．放大器频率特性测量

放大器的频率特性是放大器的一个重要指标，是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率

之间的关系曲线。

通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的0.707AV时所对应的频率分别称为下限频率

和上限频率

，则通频带

。

放大器的频率特性测量有两种方法，一种是通过前面介绍的交流分析得到的结果。

在如图4-11所示的交流分析响应曲线上，可以看到输出幅度随频率变化的情况，根据频率特性的概念，利用游标可分别找到上下限的截止频率。

第二种是使用仪表库中的波特图示仪进行测量。

将的波特图示仪按图4-14所示接入放大器电路中，双击波特图示仪图标，打开分析仪面板，按下述方法进行设置：

Mode栏，选择Magnitude（幅频特性）；Horizontal区，选择Log；Vertical区，选择Log。

设定适当的水平扫描频率范围和垂直幅度衰减范围。

打开仿真开关，即可观察到如图4-15特性曲线。

拖动游标指针，可以测出具体数据。

图4-14放大器频率特性测量

图4-15利用波特图示仪测量放大器的频率特性

对于同一个仿真电路而言，对其进行交流分析和采用虚拟仪器分析的效果是等效的。

无论是用那种方法观测仿真结果，其数据都是真实可靠的。

4．2．2．定制放大电路

在4.2.1中，已经介绍了对己知电路的性能分析方法，在Multisim9中还提供了根据用户需要定制单管放大电路的功能，用户可以根据实际参数自行设计各种参数值不同的单管放大电路。

单击Tools/CEBJTAmplifierWizard，在弹出的对话框中可以按照事先选定的参数来完成设置，如图4-16所示。

图4-16定制共射单管放大电路对话框

在图4-16中，共有5个选项区。

（l）BJTSelection区：

用于进行晶体管自身重要参数的设置。

●BetaoftheBJT：

设置晶体管的单管放大倍数。

其数值将可能改变Multisim9的元件模型值。

●SaturatedVbe：

设置基极和发射极在饱和导通时的导通饱和电压。

对于半导体器件来说，一般都设置为0.7V左右。

（2）AmplifierSpecification区：

用于进行信号源自身参数的设置。

●Peakinputvoltage：

设置交流信号源的峰值电压。

●Inputsourcefrequency：

设置输入的交流激励源的频率值。

●Inputsourceresistance：

设置输入的交流激励源的内阻的大小。

（3）QuiescentPointSpecification区：

用于静态工作点的选择设置，共有3个单选项。

●Collectorcurrent：

设置静态工作点的集电极电流ICQ。

●Collector-emitorvoltage：

设置静态工作点的集电极和发射极的电压差值VceQ。

●Outputvoltage．Swing：

设置输出电压的变化幅度。

以上3个选项为单选项，选中任何一个后，都将屏蔽其他选项。

Multisim9根据图4-16中的静态工作点稳定电路的ICQ和VceQ等参数的计算方法，当用户选定其中一个选项后，自动计算出其他两个单选项的值。

为了方便起见，通常选择Collectorcurrent或Collector-emitorvoltage的值来定义静态工作点，从而定制电路。

（4）LoadResistanceandPowerSupply区：

用于负载电阻和直流源的参数设置。

●Powersupplyvoltage：

设置提供直流偏置的直流电源的大小。

●Loadresistance：

设置负载电阻的大小。

（5）AmplifierCharacteristics区：

用于放大特性的结果显示。

●Signalvoltagegain：

显示电压放大倍数。

其他参数设定完后自动显示。

●Signalcurrentgain：

显示电流放大倍数。

●Maximumvoltagegain：

显示最大电压放大倍数。

在本例中，按照图4-16中所示的参数定制一个晶体管单管共射放大电路。

参数设置完毕后，单击Verify按钮，以便检验图4-16中所设置的参数是否符合电子线路的基本要求。

如果存在参数设置不当的问题，Multisim9将会弹出新的对话框指出参数设置不合理，并简要提示改进方法。

如果参数设置合理，用户就可以单击BuildCircuit按钮，然后，新的电路将随着鼠标的移动出现在电路窗口中，单击鼠标，完成放置。

按照图4-16设置的单管共射放大电路如图4-17所示。

图4-17定制的单管共射放大电路

同样，可以对图4-17中的定制电路进行静态和动态性能的分析。

4．2．3Multwim9的电路后处理功能

Multisim9提供了专门用于对仿真结果进行后处理的功能，可以将待观测的参数值用公式编辑出来，显示在Multisim9中。

单击Simulate/Postprocessor，弹出如图4-18所示的对话框。

图4-18后处理程序对话框

在图4-18所示的对话框中，共有Expression和Graph两个选项卡，现在分别—一介绍如下。

Expression选项卡：

用于编辑输出参数用节点电压或支路电流表示的数学表达式。

其中各参数含义如下所述。

（l）SelectSimulationResult：

用于列出进行过电路仿真分析的电路名称以及分析的项目和次数。

本例中，电路名为电路1的仿真电路进行了瞬态分析。

ac02表示仿真分析的次数。

使用Multisim9的后处理功能之前，首先要进行某种仿真分析，本例选择瞬态分析来分析图4-17所示的电路。

（2）Variables：

将图4-17所示的电路中节点＄1、＄3、＄4、＄5、＄6在瞬态分析中设置为输出节点后，这些节点将自动出现在Variables下拉列表框中。

（3）Functions：

设置某种数学运算。

在Functions下拉列表框中，给出了编辑代数和逻辑表达式所必需的各类运算符号。

在本例中，如果想将节点＄4列入表达式，则在Variables项中，首先选中v（＄4），然后单击下方的CopyVariabletoEquation按钮，则下方的Expressions框中出现v（＄4），用同样的方法将其他节点和运算符号列入Expressions框中，图4-18中表达式左边的常数，需要通过单击表达式所在的行来输入。

编辑完表达式后，单击Add按钮，将刚才所编辑的表达式保存起来。

然后，开始下一个表达式的编辑。

Delete按钮用于将不需要的表达式删除。

图4-19所示为Graph选项卡。

图4-19Graph选项卡

（l）Page框：

用于决定是否显示后处理的结果。

单击Pape框右侧的Add按钮，出现如图4-19所示的情形。

其中，Display项用于设置是否显示后处理的结果。

（2）Diagrams框：

Type项用于设置后处理的结果的显示模式，有Graph和Chart两种模式，单击Type项下面的选项设置，就可以进行设置。

所有的设置完成后，单击图4-19中的Calculate按钮，则弹出如图4-20所示的结果。

图4-20后期处理曲线

该图形反映的是在进行交流分析后，单管共射放大电路的输出曲线经过数学运算后所得的增益特性曲线。

在图4-20中，单击

按钮，则出现如图4-21所示的界面。

图4-21后期处理数据表

在图4-21中显示了比较多的数据。

它们分别是图4-20中游标1和游标2移动到图4-20中的某点时所对应的X轴和y轴的值。

x1和y1是游标1所对应的数值。

X2和y2是游标2所对应的数值。

当游标1移动到图4-20所示的位置时（图4-21中的x1已经给出了所在位置的x轴数值），所对应的y轴的数值，即表达式的值也已经给出。

同样，游标2移动到图4-20所示的位置时（图4-21中的x2已经给出了所在位置的x轴数值），所对应的y轴的数值，即表达式的值也已经给出。

dx表示x2与x1的横坐标的差值。

移动游标1和游标2可以快速地读出图4-20中的任意坐标数值。

4．3反馈放大电路分析

反馈在电子线路中至关重要，它的存在对于电路的各种性能和参数指标都有重大的影响。

按照反馈的种类区分，反馈可以分为正反馈和负反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈、交流反馈和直流反馈。

这些不同的反馈对电路的稳定工作和特性起到了重要的作用。

例如：

负反馈能够使放大电路的放大倍数的稳定性提高；负反馈还能够展宽频带；串联负反馈使输入电阻增大，电压负反馈能使输出电阻减小等。

4．3．1电压串联负反馈电路

在电路工作区建立如图4-22所示的电路。

该电路是电压串联负反馈电路。

图4-22电压串联负反馈放大电路

在图4-22中，负反馈支路增加开关J1，该开关受到空格键的控制。

当开关J1断开时，不存在反馈。

当J1闭合后，接入负反馈。

通过观察接入负反馈和不接入负反馈交流分析的波形对比，以及读到的数据，可以明显地看出，引入电压串联负反馈后，电路的电压放大倍数下降、频带展宽。

使用4.2.1节介绍的方法，还可以得出输入电阻的数值变大，输出电阻的数值减小。

得出的结论是：

牺牲放大器的放大倍数，提高了放大器的性能，这是希望看到的情形。

图4-23是接入负反馈和不接入负反馈所做的交流分析结果，左图为不接入负反馈的交流分析数据，右图为接入负反馈的交流分析数据。

两组数据均是在测量上下限截止频率时的数据。

读者可根据两组数据做出定量的分析。

图4-23交流分析数据

4．3．2电流并联负反馈电路

图4-24是电流并联负反馈电路，由集成电路组成的电流并联负反馈电路，也可以用上述方法进行各种观察和测量，但是必须用两台示波器，因为输出信号与输入信号不共地。

图4-24电流并联负反馈电路

4．4差分放大电路分析

差分放大电路是基本的直接耦合放大电路，利用两只参数相同的晶体管和相同的集电极电阻，可以获得较高的共模抑制比。

长尾式差分放大电路在不减小差模放大倍数的前提下，大幅度提高共模抑制比。

该电路还有输入阻抗高，稳定性好的特点，是高性能的直接耦合放大电路，通常用在放大电路的输入级。

在电路窗口构建长尾式差分放大电路如图4-25所示，XSC1为四通道虚拟示波器。

图4-25长尾式差分放大电路

图4-26和图4-27分别为图4-25所示长尾式差分放大电路的直流静态工作点分析和瞬态分析结果。

图4-26直流静态工作点分析结果

图4-27瞬态分析结果。

4．5运算放大电路分析

在模拟电路的各种运算电路中，需要输出和输入的模拟信号之间存在一定的数学运算关系。

由于集成运算放大器的放大倍数很高，并且引入深度负反馈后可以实现各种性能良好的数学运算电路，所以在分析线性电子线路中的运算电路时，经常引入集成运算放大器并将其视为理想的元器件。

常用的运算电路有加、减法等基本运算电路，积分和微分运算电路以及模拟乘法器等，下面简要介绍Multisim9在线性电子线路的运算电路中的应用。

4．1．1比例运算电路

比例运算电路的输出电压和输入电压之间存在着比例运算关系，常用的比例运算电路有同相比例运算电路和反相比例运算电路。

本小节中，主要介绍反相比例运算电路。

在电路窗口中建立如图4-28所示的仿真电路，并在输入和输出端连接交流电压表以及示波器以观察测量结果。

在如图4-28所示的电路中，可以认为集成运算放大器工作于线性区。

因此，对于图4-28所示的反相比例放大电路而言，可以利用虚断和虚短的特性来分析其功能。

对于理想运算放大器而言，其放大倍数可以认为是无穷大，运算放大器的输入电流为零，所以可把两个输入端看做为虚开路；理想运算放大器的两个输入端之间的电压近似相等（U5＝U6），所以可把两个输入端之间看做虚短路。

经过上述分析，可以知道对于图4-28所示的电路，其电压放大倍数为

。

单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-28所示的结果。

其输出与输入的关系为10倍，并且从波形看到输入与输出反相。

图4-28比例运算电路

4．1．2基本运算电路

利用集成运算放大器，不仅可以进行比例运算，还可以进行加、减、乘、除等四则运算。

1．反相比例求和电路

如图4-29所示为集成运算放大器组成的反相输入求和运算电路。

同上例中的反相比例运算放大器一样，集成运放工作于线性区。

其中，“＋”、“一”两个输入端均有虚短和虚断两个特性。

因此，可以非常容易地推算出输入电压Ui与输出电压Uo的关系为：

根据图4-29中给定的电阻值可以很容易地得出输出电压为-1.6V；从电压表的读数中也可以证实这一点。

图4-29比例求和电路

2．加减比例求和电路

图4-30是加减比例求和电路，在运算放大器的正、负输入端分别输入两组直流电压信号。

该电路的输入电压Ui与输出电压Uo的关系为：

因为电路中R1=R2=R3=R4=R5，所以，

。

根据图4-30中给定的电阻值，由上式计算出

，仿真得到的输出电压为-0.498V，两者结果相符。

图4-30加减比例求和电路

3．积分运算电路

积分电路是应用很广泛的模拟信号运算电路，它可以产生各种波形。

用电容器替换反相比例运算电路中的反馈电阻，就可构成积分运算电路。

在9的电路窗口中建立如图4-31所示的电路。

在输入信号源上串联一个常闭开关S1，在电容两端并一个常开开关J1，J1开关用于电容放电。

接通Simulate按钮前，S1处于断开状态，J1处于接通状态。

单击Simulate按钮，开始仿真。

单击Space键，使S1闭合J1断开，电路开始做积分运算。

图4-32为积分电路的积分波形。

图4-31积分电路

图4-32示波器上的积分曲线

4．微分运算电路

微分运算是积分运算的逆运算，而将积分电路中的反馈电容和电阻交换位置，即可以由积分运算电路变为微分运算电路。

因此，可以很方便地得到图4-33所示的微分运算电路。

这里采用Multisim9的瞬态分析来观测最终的仿真结果。

图5－44的微分电路信号输入端的电阻用于去除高频干扰。

单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-34所示的结果。

将信号发生器设置为频率为1kHz、电压幅度为l0mV的方波电压，根据微分运算的法则，将得到正/负脉冲。

图4-33微分运算电路

图4-34微分电路输出波形

4．1．3创建子电路

在实际中，经常将两个或两个以上的集成运算放大器联级使用。

比如图4-35所示的电路。

随着集成运算放大器级数的增多，在的仿真电路窗口中的元器件会越来越多，从而造成元器件之间的连线非常密集，一旦出错，检查起来很麻烦。

图4-35的二级集成运算放大器电路的电路功能和电路结构非常类似。

这样，利用Multisim9提供的子电路创建