【教学课件】第7章Multisim在模拟电子线路中的应用

1、第7章 Multisim在模拟电子线路中的应用,7.1 三极管输出特性曲线测试 7.2 单级共射放大电路 7.3 差动放大电路 7.4 共射放大电路频率特性 7.5 负反馈放大电路 7.6 非正弦波产生电路 7.7 整流与滤波 7.8 正弦波振荡电路 习题,7.1 三极管输出特性曲线测试,三极管输出特性曲线是指以三极管的集电极、发射极之间电压uce作为坐标横轴，以三极管集电极电流ic作为坐标纵轴，改变基极电流ib的大小，测量ic 与uce之间的关系曲线。 在模拟电路中，经常需要测量放大电路的主要器件三极管的输出特性曲线。对此，可以采用传统的逐点测量法测量，电路如图7-1所示。图中，2N2712

2、是一个NPN型三极管，XMM1、XMM2和XMM3是数字万用表，分别用来测量基极电流、集电极电流以及集电极和发射极之间的电压。,图7-1 逐点测量法电路,逐点测量法测量时的步骤如下： (1) 调整电压源V1，使ib=1 mA。 (2) 改变电压源V2，使V2分别取0 V，1 V，2 V，12 V，分别从电流表XMM2和电压表XMM3上读取数据，将以上测得数据在以uce为横轴，ic为纵轴的坐标上逐点描出来，得到一条曲线。,(3) 改变电压源V1，使基极电流ib分别取2 mA、3 mA、4 mA、5 mA，重复(2)，即可得到一组曲线，即三极管输出特性曲线。 由测试过程可以看出，逐点测量法复杂而繁

3、琐。我们不妨利用Multisim仿真分析法 DC Sweep Analysis来测量三极管输出特性曲线。方法如下： (1) 在Multisim电路窗口创建图7-2所示测试电路。,图7-2 三极管输出特性曲线测试电路,(2) 启动Simulate菜单中Analysis下的DC Sweep Analysis命令，打开DC Sweep Analysis对话框。有关参数设置(如何设置参数，请参阅5.2.1节)如下： Source 1中，Source：vv1(因为vv1表示集电极和发射极之间的电压，即uce，在三极管特性曲线中以此作为坐标横轴，故选择vv1为Source1)；Start value：0

4、V；Stop value： 8 V；Increment ：0.01 V(该值越小，显示的曲线越平滑)。,Source 2中，Source：iib(iib表示三极管基极电流，改变基极电流才能测试一组输出特性曲线，故选择iib为Source 2)；Start value：0 V；Stop value：0.0005 mA；Increment：0.0001 mA(该值越小，显示的曲线越平滑)。 Output variables：vvce#branch，这是流过电压源V1的电流，即集电极电流-ic。,(3) 点击图5-13对话框上的Simulate按钮，得到如图7-3所示的曲线。,图7-3 输出曲线图,

5、由于图7-3中输出曲线以集电极电流-ic表示，不符合习惯，故启动Simulate菜单中的Postprocessor命令，将图7-3中的曲线变换成习惯表示法(以ic表示坐标纵轴)。在弹出的Postprocessor对话框中，进行如下设置(有关Postprocessor的参数设置请参阅5.6节)： (1) 分别点击 New Page和New Graph按钮，建立新页“三极管输出特性曲线”和新曲线图。,(2) 选择Analysis Results栏内的“三极管输出特性测试”项下的DC transfer characteristic(dc01)，然后选中Analysis Variables栏中的vvc

6、e#branch变量，点击Copy Variable To Trace按钮，再点击Add Trace按钮，这样，一根dc01.vvce#branch曲线便出现在Traces to plot下部的栏中。 (3) 重复上述步骤，直至dc06.vvce#branch。这是一簇曲线，后处理器每次只能处理一根曲线。 (4) 点击Draw按钮，即可得到图7-4所示的常见形式的三极管输出特性曲线。,图7-4 三极管输出特性曲线,7.2 单级共射放大电路,1. 静态工作点的设置 首先创建图7-5所示电路，运行仿真开关，双击示波器图标，可看到图7-6(a)所示的输出波形。,图7-5 单级共射放大电路,(a),图

7、7-6 共射放大电路输出,(b),图7-6 共射放大电路输出,然后，双击电阻R3图标，改变元件参数至R3=27 kohm，可看到输出波形如图7-6(b)所示。很显然，由于R3增大，三极管基极偏压增大，致使基极电流、集电极电流增大，工作点上移，输出波形出现了饱和失真。 在电路窗口单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中点击show命令，选择show node names。启动Simulate菜单中Analysis下的DC Operating Point命令，在弹出的对话框中的Output variables 页将节点3，4，7作为仿真分析节点。点击Simulat按钮，可获得仿真结果如下：V3=1.815

8、98 V，V4=4.8422 V，V7=1.20401 V。,2. 输入信号的变化对放大电路输出的影响 当图7-5所示电路的输入信号幅值为5 mV时，测得输出波形如图7-7(a)所示。改变输入信号幅值，使其分别为10 mV、15 mV、20 mV，输出将出现不同程度的非线性失真，即输出波形为上宽下窄。当输入信号幅值为21 mV时，输出严重失真，如图7-7(b)所示。由此说明，由于三极管的非线性，图7-5所示共射放大电路仅适合于小信号放大，当输入信号太大时，会出现非线性失真。,图7-7 改变输入时的输出波形,(a),(b),图7-7 改变输入时的输出波形,3. 测量放大电路的放大倍数、输入电阻和

9、输出电阻 放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的重要性能参数，下面利用Multisim仪器库中的数字万用表对它们进行测量。 1) 测试放大倍数 在图7-5所示电路中，双击示波器图标，从示波器上观测到输入、输出电压值，计算电压放大倍数Av = Vo/Vi。,2) 测量输入电阻 在输入回路中接入电压表和电流表(设置为交流AC)，如图7-8所示。运行仿真开关，分别从电压表XMM2和电流表XMM1上读取数据，则Rif = Ui /Ii，测得频率为1 kHz时的输入电阻。,图7-8 输入电阻测试电路,3) 测量输出电阻 根据输出电阻计算方法，将负载开路，信号源短路，在输出回路中接入电压表和电流表(设置

10、为交流AC)，如图7-9所示，从电压表XMM2和电流表XMM1上读取数据，则Rof = Uo/Io，测得频率为1 kHz时的输出电阻。,图7-9 输出电阻测试电路,7.3 差动放大电路,差动放大电路是由两个电路参数完全相同的单管放大电路，通过发射极耦合在一起的对称式放大电路，具有两个输入端和两个输出端。图7-10为一个典型的恒流源差放电路，其中，三极管Q1、Q2构成差放的两个输入管，Q1、Q2的集电极Vc1、Vc2构成差放电路的两个输出端；三极管Q3、Q4构成恒流源电路。,图7-10 恒流源差放电路,静态时，Vi=0，由于电路对称，双端输出电压为0。 差模输入时，Vi1 = -Vi2，Vid

11、=Vi1-Vi2。若采用双端输出，则负载R1的中点电位相当于交流零电位，差模放大倍数Avd与单级放大倍数Avd1、Avd2相同，即Avd= Avd1=-Avd2；若采用单端输出，则Avd= Avd1/2。共模输入时，Vic =Vi1 =Vi2，Vc1 =Vc2，双端输出时输出电压为0，共模放大倍数Avc=0，共模抑制比KCMR=。 本节将通过示波器来验证差放电路的特性，并用参数扫描分析法分析差放电路不对称时对输出的影响。,1. 测试差模放大特性 在Multisim电路窗口连接图7-10所示电路，其中，Vi1=V3、Vi2=0，这是一组任意输入信号，但我们可以将这组任意信号分解为一对差模信号和一

12、对共模信号。双击示波器图标，从示波器观测到单端输出时的输出波形如图7-11(a)所示。由示波器可测得输入电压Vi=10 mV时，输出电压Vo=-45.6 mV，由此可计算出单端输出时差模电压放大倍数Avd=Vo/Vi。因为Avd1，故差放电路对差模信号具有放大特性。,(a),图7-11 差放电路输出波形,(b),图7-11 差放电路输出波形,2. 测试共模抑制特性 在Multisim电路窗口连接图7-12所示电路，其中三极管Q1、Q2的两输入端并接在一起，为共模输入信号。双击示波器图标，从示波器观测到单端输出时的输出波形如图7-11(b)所示。由示波器可测得输入电压Vi=10 mV时，输出电压

13、Vo=-0.975 mV。由此可计算出单端输出时共模电压放大倍数Avc=Vo/Vi。因为Avc1，故差放电路对共模信号具有抑制特性。,图7-12 共模特性测试电路,3. 参数扫描分析 差动放大电路为完全对称电路，当R8与R10不相等时，差动放大电路不再对称，输出会发生什么变化呢？我们不妨用Multisim仿真分析法中的参数扫描分析来观测输出的变化。 启动Simulate菜单中Analysis命令下的Parameter Sweep命令项，在弹出的对话框中进行如下设置：,(1) Analysis Parameter页参数设置如下： Sweep Parameter：Device Parameter；

14、 Device：Resistor； Name：rr8； Parameter：Resistence； Sweep Variation Type：Linear； Start：500; Stop：800; Increment：300。,(2) 点击More按钮，在More option页，Analysis to选Transient analysis。再点击Edit Analysis，设置参数Start time为0，End time为0.002。最后点击Accept按钮。,(3) 点击参数扫描法对话框中的Simulate按钮，即可得到图7-13所示仿真结果。图7-13中，曲线(1)、(4)分别表示R

15、8=0.8 kohm时Vc1、Vc2的输出波形，曲线(2)、(3)分别表示R8=0.5 kohm时Vc1、Vc2的输出波形。 由图7-13可知，电路是否对称对集电极静态电压有影响。R8=0.5 kohm时，电路对称，三极管Q1、Q2具有相同的静态偏置电压；而当R8=0.8 kohm时，电路不对称，三极管Q1、Q2的静态偏置电压明显不同。,图7-13 参数扫描曲线图,为了更直观地观测差放电路不对称时的双端输出波形，可以启动Multisim中的后处理器(Postprocessor)进行处理。在后处理器对话框中设置参数(如何设置，请参阅5.6节)，选择V(1)-V(2)，即可得到图7-14所示的输出

16、波形。曲线(1)、(2)分别表示差放电路对称、不对称时的双端输出波形。由图7-14所示输出波形可以看出，差放电路不对称时，静态双端输出不为0，且交流输出幅度略有减小。,图7-14 差放电路双端输出波形,7.4 共射放大电路频率特性,1. 测试放大电路的低频频率特性 首先创建图7-15所示电路。,图7-15 共射放大电路,(1) 启动Simulate菜单中Analysis命令下AC Analysis命令项，在弹出的AC Analysis对话框中进行如下设置：Frequency Parameters页选择默认设置，Output variables页选择节点4作为输出节点。点击Simulate，即可

17、得到图7-16所示的仿真结果。,图7-16 C3=100 uF时的仿真曲线,(2) 双击图7-15中电容C3图标，使电容C3取值为10 uF，重复(1)，即可得到图7-17所示的仿真结果。,图7-17 C3=10 uF时的仿真曲线,从仿真结果可以看到，旁路电容C3越大，下限频率越低。当f=112.9463 Hz时，C3=10 uF、100 uF时的增益分别为37.3431、193.2325。 以上是仅采用交流分析法进行的仿真分析，如果能将C3=10 uF、100 uF时的频率特性描绘在同一坐标系中，则可以更方便地观测电容的变化对放大器频率特性的影响，以便设计者选择合适的电容值。为此，我们采用M

18、ultisim仿真分析法中的参数扫描分析。步骤如下：,(1) 启动Simulate菜单中Analysis命令下的Parameter Sweep Analysis命令项，在弹出的对话框中，进行如下设置： Sweep Parameter：Device parameter; Device：Capacitor; Name：cc3; Parameter：capacitance; Sweep Variation Type：Linear; Start：10 uF; Stop：100 uF; Increment：90。,(2) 点击More按钮，在More option页中，Analysis to 选AC A

19、nalysis，再点击Edit Analysis，将参数设置为默认值。 (3) 点击Accept按钮，即可得图7-18所示仿真结果。由仿真结果能很清楚地看到，C3对放大电路幅频特性、相频特性的影响。,图7-18 参数分析法仿真结果,2. 测试放大电路的高频频率特性 放大电路的极间电容对放大电路的高频频率特性有影响。为便于观测极间电容对频率特性的影响，我们在三极管的基极、集电极之间并联一个电容C4，连接电路如图7-19所示。然后按照低频频率特性分析步骤，分别观测C4=100 pF、10 pF时的输出波形，得仿真结果分别如图7-20和图7-21所示。由仿真结果可以看到，极间电容越大，上限频率越低。

20、当f=5.0119 MHz时，C3=10 pF、100 pF时的增益分别为87.9773、13.7334。,图7-19 极间电容C4对放大器频率特性的影响,图7-20 C4=100 pF时的仿真曲线,图7-21 C4=10 pF时的仿真曲线,7.5 负反馈放大电路,负反馈放大电路按输出的取样方式可以分为电压反馈和电流反馈，按输入的比较方式可以分为并联反馈和串联反馈。负反馈对放大器性能的影响可以从以下几个方面来分析： (1) 改善了放大器的频率特性，使放大器的上限频率提高，而下限频率降低，从而展开了带宽BWf =(1+AmF)H(式中BWf为负反馈放大电路的带宽，Am为放大器的中频增益，F为反馈

21、系数，H为上限角频率)，但带宽的增加是以牺牲放大倍数为代价的。,(2) 负反馈对放大器输入、输出电阻的影响： 串联负反馈使放大器输入电阻提高，并联负反馈使放大器输入电阻减小； 电流负反馈使放大器输出电阻增大，电压负反馈使放大器输出电阻减小。 (3) 减小了本级放大器自身产生的非线性失真。 (4) 抑制了局部噪声和干扰。,1. 观测负反馈对放大电路输出波形的影响 首先在Multisim电路窗口创建图7-22所示电路，该电路由电阻R4构成电压并联负反馈。,图7-22 并联电压负反馈电路,将输入正弦信号V1设置参数为：频率1 kHz，幅值100 mV；在输出负载R5两端接入一个示波器，适当设置面板上

22、的参数，测得有反馈时的输出波形如图7-23(a)所示；然后，双击电阻R4，设置R4为开路状态，即断开电压并联负反馈，从示波器测得输出波形如图7-23(b)所示。由输出波形可以看出，没有负反馈时，输出波形幅度较大，但出现了明显的失真；而引入负反馈后，输出没有了失真，但幅度减小了。,(a),图7-23 共射电路输出波形,(b),图7-23 共射电路输出波形,2. 观测负反馈对电路放大倍数的影响 在Multisim电路窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中点击show命令，选择show node names，显示电路节点。 启动Simulate菜单中Analysis下的AC Analysis命令，在

23、弹出的对话框中，Frequency Parameters页采用默认设置，Output variables页中选定输出节点6作为分析节点，点击Simulate按钮，仿真结果如图7-24所示。,图7-24 有反馈时的幅频特性,然后，双击电阻R4，设置R4为开路状态，重新测试，测得无反馈时的幅频特性仿真结果如图7-25所示。比较图7-24和图7-25可以看出，有负反馈时放大倍数降低了，但频带得到了扩展。,图7-25 无反馈时的幅频特性,3. 观测负反馈对输入、输出电阻的影响 首先，在图7-22的输入回路中接入电压表和电流表(设置为交流AC)，如图7-26所示，测得输入回路电压和电流，则Rif = U

24、i /Ii。然后，双击电阻R4，设置R4为开路状态，重新测量输入电压和电流，则没有负反馈时的输入电阻Ri= Ui /Ii。由测试结果可以发现：并联负反馈将使放大电路输入电阻减小。,图7-26 输入电阻测试电路,双击电阻R5，设置R5为开路状态，同时在输出端接入电压源和电流表，且使输入回路中信号源短路，如图7-27所示，测得输出回路中电压和电流，则Rof = Uo/Io。然后，双击电阻R4，设置R4为开路状态，重新测量无反馈时的输出回路中的电压和电流，则Ro= Uo/Io。由测试结果可以发现：电压负反馈将使放大器输出电阻减小。,图7-27 输出电阻测试电路,7.6 非正弦波产生电路,当运放连接成

25、负反馈电路时，即可构成运算电路、积分电路、微分电路等，当运放连接成正反馈时，即可构成比较器电路，如图7-28所示。 在图7-28所示比较器中,当V+大于V-时，输出为高电位Voh，当V+小于V-时，输出为低电位Vol。输出翻转时的输入上、下门限电位为,本节将利用运放构成一个非正弦波产生电路，并观测电路参数对输出信号波形的影响。,图7-29 非正弦波产生电路,图7-29所示电路由两级运放U1、U2组成。U1为集成运放的正反馈应用，是一个比较器电路，U2为一个反向积分器电路。比较器的输出作为反向积分器的输入，反向积分器的输出作为比较器的输入。为便于观测输出波形，我们将U1、U2的输出分别加到示波器

26、的A、B两个通道上。双击示波器图标，合理设置示波器参数，即可得到图7-30所示输出波形。,图7-30 非正弦信号产生电路输出波形,若改变图7-29中积分电路参数，使C1=100 nF，重新观测示波器输出波形，得图7-31所示仿真结果。由图7-30和图7-31可以看到，积分电路中电容C1增大后，输出方波、锯齿波的周期变大了。这是因为C1加大后，积分电路输出达到比较器翻转电压的时间延长了。,图7-31 C1=100 nF时的输出波形,若改变图7-29所示电路中电阻R4的大小，使R4=30 kohm，重新观测示波器输出波形，得仿真结果如图7-32所示。由图7-32可以看到，输出方波、锯齿波的周期变小

27、了。这是因为R4增大后，比较器U1的翻转电压下降，积分电路输出电压达到比较器U1的翻转电压的时间缩短了。,图7-32 R4=30 kohm时的输出波形,若改变图7-29所示电路中电阻R4的大小，使R4=10 kohm，重新观测示波器输出波形，可得图7-33所示仿真结果。由图7-33可以看到，输出方波、锯齿波的幅度相等，且输出波形的周期较R4=30 kohm时加大了。这是因为R4减小后，比较器U1的翻转电压增大，积分电路输出电压达到翻转电压的时间延长了。同时，由于R1=R4，因此，上门限、下门限电压大小和输出方波的幅值相等。,图7-33 R1=R4时的输出波形,7.7 整流与滤波,整流、滤波电路

28、利用二极管的单向导电性，把交流电压变换成脉动很小的直流电压，而稳压电路的作用是使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。 首先连接图7-34所示电路，该电路是一个由二极管构成的桥式整流、滤波电路。运行仿真开关，双击示波器图标，即可得到纯电阻负载时的输出波形，如图7-35所示，这是桥式整流电路的整流输出波形。,图7-34 桥式整流滤波电路,图7-35 桥式整流滤波输出,图7-36 桥式整流输出波形,点击“感测开关”J1q，按键盘上的空格键，J1q闭合，从示波器观测到整流滤波输出波形，如图7-36所示。 为便于观察滤波电容对桥式整流、滤波输出的影响，利用Multisim仿真分析法参数

29、扫描分析，对滤波电容C1进行扫描分析，分别取C1=100 uF、500 uF、1000 uF，观测输出波形，得仿真结果如图7-37所示。由图7-37可以看出，C1越大，整流滤波输出幅度越小。,图7-37 参数扫描分析法结果,串联型稳压电路、稳压管稳压电路如图7-38和图7-39所示。运行仿真开关，从示波器观测到稳压管稳压电路输出波形如图7-40所示。由图7-40可知，加上稳压二极管后，输出电压基本稳定在5 V。改变输入交流电压幅值，稳压电路输出基本不变。图7-38所示串联型稳压电路的性能测试留给读者进行。,图7-38 串联型稳压电路,图7-39 稳压管稳压电路,图7-40 稳压输出波形,7.8 正弦波振荡电路,一个反馈电路要产生自激振荡，必须符合两个条件： 反馈为同相反馈，即为零相移； 反馈系数与电压放大倍数的乘积大于1。 RC振荡电路如图7-41所