1、0101020203030404单管放大电路的分析仿真集成电路中的应用仿真有源滤波器的设计与仿真运算电路中的应用仿真0505反馈电路中的应用和仿真 单管共射放大电路是放大电路的基本形式，也是模拟电子技术这门课的重点和难点。要在放大电路中实现输出信号的不失真放大，必须设置合适的静态工作点。放大电路的适用范围是低频小信号，电压增益、输入电阻和输出电阻是分析放大电路的动态指标。建立如图1所示的单管共射放大电路为例，应用Multisim12对其进行静态工作点和动态指标的分析仿真。图1 单管共射放大电路静态工作点分析1）执行菜单命令Simulation/Analysis，在列出的可操作分析类型中选择DC
2、 Operating Point，则出现直流工作点分析对话框，如图2所示。图2 静态工作点分析对话框2）在弹出的对话框中的Output Variables选项卡中选择1、2、4结点作为仿真分析结点。单击Simulate按钮，得到在图示参数下的静态工作点的分析结果，如图3所示。图3 静态工作点 从结果来看，集电极电流ICQ=1.40mA，放大电路的Uce=V4V1=7.814622.97120=4.84342V，电源电压为12V，可见该电路的静态工作点合适。电压放大倍数测量 单击Simulate下的Run按钮，双击示波器XSC1，得到如图4所示的输入输出波形。图4 输入输出波形 从图4可以看出，
3、在图的测试线1处，当输入信号电压幅值为4.996mV时，输出信号幅值为-93.019mV，并且输出电压没有失真，电压放大倍数Au=Uo/Ui=-93.019/4.996=-18.62，还可以从图中看到输入信号和输出信号相位差为180o，即输入信号和输出信号反相。输入电阻测量1）删除虚拟双踪示波器，在放大电路的输入回路接电流表XMM1和电压表XMM2。2）在放大器的输入端串接一个1k的电阻R7作为信号源的内阻，3）双击虚拟电流表，将它切换在交流电流档，双击虚拟电压表，将它切换在交流电压档，开启仿真开关，测得的数据如图5所示，电压为3.007mA，电流为528.017nA，那么输入电阻为Ri=Ui
4、/Ii=5.69k。图5 输入电阻测量输出电阻测量1）输出电阻的测量采用外接激励法，将图1电路中的信号发生器XFG1短路，负载R6开路。2）在输出端接电压源、电压表和电流表。3）双击虚拟电流表，将它切换在交流电流档，双击虚拟电压表，将它切换在交流电压档，开启仿真开关，测得的数据如图6所示，电压为707.106mV，电流为252.721uA，那么输出电阻为Ro=Uo/Io=2.80k。图6 输出电阻测量 这里以反相比例放大集成电路为例，介绍利用Multisim12进行集成运放的仿真。如图7所示，电路中的运放采用理想的虚拟集成运放，输入电压Vi通过R1作用于运放的反相端，R2跨接在运放的输出端和反
5、相端之间，同相端接地。图7 反相比例放大器R110kR220kU1OPAMP_3T_VIRTUALV11 V XMM1 运行仿真按钮，得到的结果如图8。可见，通过反相放大，输出电压放大了2倍，并且输出与输入为反相关系，与理论计算一致。图8 反相比例放大结果 使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电路称为滤波电路。集成运放的开环增益和输入阻抗高，输出阻抗低，构成滤波器后具有一定的电压放大和缓冲作用，因此在这主要讨论在Multisim12中用集成运放构成的有源滤波器，下面以一阶有源低通电路为例来仿真和分析滤波电路。如果在一级无源RC低通滤波电路的基础上加上一个同相比例放大器，使之与负载很好的隔
6、离起来，就构成了一个简单的一阶有源低通滤波器，如图9所示。其中，RC电路的主要作用是确定电路的截止频率，即选频作用，截至频率为f0=1/RC。集成运放主要起到放大作用和提高带负载的能力。图9 一级有源RC低通滤波电路 单击Simulate，双击示波器图标，电路的输入与输出波形如图10所示。在图中可以观测到输入波形幅度为987.165mV和4.324V，计算得电压放大倍数为4.380。图10 一级有源RC低通滤波电路波形 双击波特图测试仪XBP1，得到低通滤波器的幅频特性如图11所示，相频特性如图12所示。图11 幅频特性 图12 相频特性 在图11中移动数字的图标，移动红色的游标1到达使一阶有
7、源低通滤波电路的电压放大倍数下降3dB的位置处，该处即为一阶有源低通滤波电路的上限截止频率。在图中显示为161.995kHz。在图12中，移动红色的游标1到达频率为161.995kHz的位置，观测此时的相频响应特性。从图中可以看出，一阶有源低通滤波电路虽然可以滤掉较高频率的输入信号，但是其滤波性能不好。因为图中高频段发生衰减时其曲线的斜率比较小，衰减的程度比较缓慢，电路以-20dB/10倍频的幅度下降。因此，可以采用二阶有源低通滤波电路来滤除高频成分。集成运算放大器是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗、功耗低、可靠性高的线性器件，并且引入深度负反馈后可以在很宽的信号频率范围内实现各种数学运
8、算电路，同时它还可以应用在对信号进行处理的电路中，如信号的变换、测量和产生，在这些应用中经常利用其理想模型进行分析。下面以比例运算电路为例介绍Multisim 12.0在线性电子电路中的应用。选择理想集成运放、电阻、交流信号源和双踪示波器等，创建同相比例运算电路，如图13所示。图13 同相比例放大电路 单击运行按钮，双击示波器图标XSC1，得到如图14所示的输入输出波形。从波形上可以看到输入输出同相位，调整幅值测试线1或者2，1处显示输入信号幅值999.411mV，输出信号幅值为3.998V，输出输入比值为4。由同相比例运算理论计算出电路的输出输入关系关系为Vo/Vi=1+R3/R2=4，可见
9、仿真结果与理论计算相符合。如果在一定的范围内调整负载电阻R4，输出波形的形状和幅值不会变化，可见该电路具有较强的带负载能力。图14 同相比例放大电路波形 反馈在电子电路中应用极为普遍，它对电路的各种性能和参数指标有重大的影响。按照极性的不同，反馈分为负反馈和正反馈两种，它们在电子电路中所起的作用不同。在所有实用的放大电路中都要适当的引入负反馈，用以改善放大电路的性能，如稳定放大倍数、改善输入电阻和输出电阻、扩展频带改善放大电路的频率特性、抑制非线性失真等。正反馈会造成放大电路的工作不稳定，但在波形产生或振荡电路中要引入正反馈，以构成自激振荡的条件。下面以负反馈放大电路为例介绍Multisim1
10、2.0的应用。选择信号源（输入信号的频率为10kHz、峰值为20mV的正弦波）、直流电压源、三极管、电阻、电容等创建负反馈电路，如图15所示。Rf引入电压串联负反馈，反馈网络由Rf和Re1组成。图15 负反馈放大电路Rb1270kRc13kRL3kRe21.2kRc22.7kRe1500C110FC210FC310FXFG1XSC1ABExt Trig+_+_VCC12VQ1Q2VCC724XMM1XMM230Rf10.0k56XBP1INOUT1801）分析静态工作点 选择simulate菜单下的Analysis命令，然后选择DC Operating Point命令，分析静态工作点，选择节点
11、2、4、5、6、7作为输出结点分析，结果如图16所示。测得Q2集电射极电压Uce=V(5)-V(7)=6.13V，可见工作点合适。图16 负反馈放大电路静态工作点2）放大倍数 运行仿真按钮，单击双踪示波器，得到波形如图17所示。在图标1处，输入电压为A通道19.989mV，输出电压B通道为3 4 7.5 6 8 m V，电 压 放 大 倍 数：Af=u o/u i=1 7.4，而1/F=Re1+Rf/Re1=21，当深度负反馈时，认为Af=1/F是可以的。图17 负反馈放大电路波形 为了观察负反馈对放大倍数的影响，双击波特图仪图标XBP1，如图18所示，可以看到下限频率50.501Hz，增益为
12、24.691dB。图18 负反馈放大电路幅频特性 按照同样的方法对没有反馈时的电路仿真，即将Rf去掉。结果下限频率为312.252Hz，增益为42.104dB，如图19所示。图19 无负反馈放大电路幅频特性 由此可见，有负反馈时，放大倍数降低了，而频带却展宽了。3）负反馈对输入电阻的影响 在电压串联负反馈的输入端串接一个电流表、并接一个电压 表，仿 真 结 果 如 图 2 0 所 示。输 入 电 阻Rif=14.142mV/1.144uA12.36k。图20负反馈放大电路测量输入电阻 按照同样的方法对去掉反馈电阻的放大电路进行仿真，结果 测 得 的 电 流 变 化 为 2.8 3 3 u A，
13、那 么 输 入 电 阻 为14.142mV/2.833uA4.99k。可见引入串联负反馈可以增大输入电阻。4）负反馈对输出电阻的影响 将放大电路的输入端对地短接，去掉负载电阻RL，在输出端接一个交流信号源（频率10kHz、峰值20mV），并且串接电流表，并接电压表，如图21。在电压串联负反馈的输入端串接一个电流表、并接一个电压表，运行仿真。图21 测量负反馈输出电阻电路 运行仿真按钮，双击XMM1和XMM2图标，得到如图22所示。输出电阻为14.142mV/78.749uA179.6k。断开反馈电阻，重复上一步的操作，得到电流值为5.237uA，那么输出电阻为2.70k。可见引入电压负反馈可以减小输出电阻。图22负反馈放大电路测量输出电阻
