离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计

1、离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计The Design of the Low-noise Ultralow-Current Amplifier for Ion Mobility Spectrometry 系（院）名称： 电子信息与电气工程系 专业班级： 电子信息工程专业 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 副教授 2009 年 5 月目录摘要：I AbstractII引言1第一章 离子迁移谱简介21.1离子迁移谱的特点21.2 IMS技术发展趋势2第二章 总体设计42.1设计思想42.2方案论证42.3器件选型52.4 AD549的引脚及特性参数6第三章 详细设计103.1电路设计10

2、3.2部分反馈时电路原理图14第四章 仿真结果分析174.1仿真软件简介174.2 Muhisim仿真184.3有分压电路时244.3.1分别讨论分压系数n取不同值时的仿真情况244.3.2分压系数n取20时274.2.3分压系数n取40时28结论32致谢33参考文献34离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计 专业：电子信息工程 学生姓名：樊成攀指导教师：姚琏 职称：副教授 摘要：在离子迁移谱（Ion mobility spectrometry，IMS）中，低噪声微电流放大器处于系统前端位置，高性能微电流放大器在离子迁移谱等分析仪器中显得尤为重要。低噪声微电流放大器对微弱信号的采集与放大起着决定性

3、作用。对于输入信号是PA级的微电流信号，首先要求低噪声微电流放大器有V/A 的放大能力，普通放大很难达到此要求；另外要求放大器的时间常数T小于等于50us，因为放大电路的时间常数越大，电路的通频带会变窄，导致分辨率下降。为了满足放大倍数与提高分辨率的需要，研制合适的宽频带、高性能的低噪声微电流放大器，已经成为离子迁移谱系统设计中的重点技术之一。设计过程中对全反馈放大器与部分反馈放大器的时间常数做了比较，仿真结果表明，部分反馈式放大电路的时间常数比全反馈式放大电路的时间常数要小，从而展宽了电路通频带，有效地提高了放大器的分辨率。通过Multisim仿真软件，对所设计的全反馈式放大器与部分反馈式放

4、大器的仿真与测试，从测试结果选择出了通频带较宽的低噪声微电流放大器。通过仿真的方式来看出时间常数变小后输出波形改善情况。关键词：离子迁移谱；通频带；部分反馈；微电流放大器；MultisimThe Design of the Low-noise Ultralow- Current Amplifier for Ion Mobility Spectrometry Abstract: In Ion Mobility Spectrometry (Ion mobility spectrometry, IMS), the low-noise Ultralow -current amplifier is in

5、 front-end position of the system ,so high-performance Ultralow-current amplifier appears particularly important in Ion Mobility Spectrometry. Low-noise Ultralow -current amplifier plays a decisive role to enlarge and collection for Ultralow signal. As the input signal level is a signal ultralow-cur

6、rent, first of all, low-noise Ultralow -current amplifier are ablity to enlarge at V / A and an Ordinary amplifier is very hard to meet the requirement ; In addition ,the requirements of the amplifier time constant T are less than or equal 50us, because the amplifier time constant T are greater, the

7、 circuit wideband are narrower, resulting the circuits resolution are decreased. Therefore, developing a low-noise Ultralow-current amplifier with a suitable wideband, high-performance , has become a one of the core technology in system design in order to meet the needs and improve amplifiers resolu

8、tion. In the design process, the simulation results show that some feedback amplifiers time constant is smaller than full feedback amplifier which is broadening wideband circuit and improving the resolution of the amplifier effectively. The circuit designed for two kind of circuit is simulated and t

9、ested by the multisim simulation software. According to the test results ,the low-noise Ultralow-current amplifier with more wideband can be selected from the results . Multisim simulation can be seen through: the amplifier output waveform will be better when the time constant becoming smaller. Key

10、words: Ion Mobility Spectrometry; wideband;some feedback;Ultralow-current amplifier; Multisim引言离子迁移谱（Ion mobility spectrometry，IMS）特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如化学战剂 毒品、爆炸物、和大气污染物 等，已经广泛地应用在机场安检和战地勘查，并在环境监测、工业生产等方面有应用。随着IMS技术在各个领域越来越广泛的应用需求，高性能微电流放大器在离子迁移谱等分析仪器中具有很重要的作用。放大电路是IMS的关键部件，其性能对整个系统的影响很大。转换系数和抗干扰性

11、能影响检出限和灵敏度；时间常数过大，会导致信号展宽、分辨率下降.目前常见的放大器不能满足IMS的要求，主要问题在于噪声系数和时间常数不能满足要求。所以高性能、高稳定性放大器的研制很有必要。通过多方面分析与比较后，确定用AD549LH作为离子迁移谱中的低噪声微电流放大器设计中的核心部件，最终满足低噪声微电流放大器设计中放大倍数为A=108109VA、T<=50s、输出10mV技术参数的要求。在离子迁移谱中，低噪声微电流放大器处于检测信号的输入端，高性能微电流放大器在检测与放大信号方面有举足轻重的地位，同样在离子迁移谱分析仪器中显得尤为重要。在对微弱信号的采集与放大起着主要作用。另外还要求噪

12、声信号的增益控制在S/N=20dB以及时间常数T=50us。将采集到的微弱信号放大倍，提供足够的幅度，为后级电路的正常运行提供前提条件。低噪声微电流放大器的性能是离子迁移谱系统的核心之一，为了提高放大器的分辨率、展宽通频带基，采用了特种放大器AD549LH芯片为核心设计的低噪声微电流放大器能解决这个问题。由于电子工程师仿真工作室（Electronics Workbench，EWB）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。另外，Mult

13、isim 是一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件，Multisim电子电路全功能模拟测试仿真软件，是一套完整的系统设计工具。基于EWB、multisim这些软件的特点，对模拟电路与数字电路中所学电路的可行了仿真与测试，通过对电路的分析与软件的使用，可以提高实际操作及以所学知识的运用能力。因此通过模拟仿真的方式来看出时间常数变小后输出波形改善情况。第一章 离子迁移谱简介1.1离子迁移谱的特点离子迁移谱(IMS)最初是作为化学实验室分析技术发展起来的。近年来，这一技术日臻完善，目前已经应用在多个领域，其中包括国家军事领域的化学战剂监测，各级安全部门的爆炸物监测，海关和机场人口安检部门对毒

14、品、麻醉剂等违禁物品的监测以及环境监测部门对有毒有害气体的监测。随着应用范围的拓宽，IMS技术引起了世界各国专家的研究兴趣，因此使得这一技术不断得到更新和发展。海军未来新型舰艇的发展方向是装备集体防护系统或有限区域集体防护系统，以解决在核生化作战条件下的防护问题。舰艇集体防护系统的对多种类型毒剂探测报警仪器是舰艇防化作业环节中重要的一环，因为它要为防护指明时机，即在适当的时机启动或关闭防护系统，并为舰艇洗消、救护指明方向和提供依据。离子迁移谱是一种气相分析技术，用于分析化学已有30多年的历史，但直到最近几年才取得真正的进展，并进入实用的阶段，成为对痕量有机化合物进行有效而灵敏分析的重要方法之一

15、川。它的检测原理是首先将样品分子电离形成产物离子，产物离子随之注入均匀电场中迁移。离子的迁移率和其质量、尺寸和所带电荷有关，不同物质形成的产物离子的迁移率不同，通过漂移电场的漂移时间也不同，根据不同的漂移时间，区分物质种类，从而完成有机化合物的测量。在化学战剂、毒品和爆炸物探测以及环境监测等领域中都有广泛的应用。另外，离子迁移谱仪作为气相色谱仪或液相色谱仪的检测部件也很有价值，已成为分析化学中常用的分析仪器之一。1.2 IMS技术发展趋势目前，常见的IMS电离技术包括放射源电离、光电离、脉冲放电电离、火焰电离、电晕放电电离以及表面电离。在IMS技术中，最常用的电离技术是放射源电离，而最常用的放

16、射源是63Ni 放射源。放射源电离的最大优点在于结构设计简单，不需要配备外部电源和附加的电路，因此不会发生功能故障。但放射源电离也有它本身固有的缺点，这是因为其电离能较高，对绝大多数化学物质都能电离，会导致离子迁移谱的选择性较差。光电离较常用的是紫外光电离，可以有选择性地电离相关物质，这样就可以增强IMS的抗干扰能力，简化数据处理程序。但是，由于光电离需要配备外部电源，这就使离子迁移谱仪结构复杂化，增加了仪器的故障率。但从整体性能上看，光电离源无疑是IMS电离源的发展方向。另外，最新研制的表面电离技术由于其自身的优势，如体积小、选择性好、可控性强等，虽然目前还没有定型的产品，但可作为人们今后的

17、关注方向。近些年来，IMS监测仪器还被用来进行环境、火灾、水污染、食品以及化工厂中的有毒气体等监测。IMS还可以对木材进行检测，剥了树皮的各种木材混在一起是很难分辨的，但是可以利用不同木材发出的气体，使用IMS轻而易举地将它们辨别开来。可以在化学战剂监测仪的基础上，改变内置数据库，满足对特殊环境监测的需要。30多年来IMS技术的理论和检测技术都已经有了很大的发展，在各个领域的应用也越来越广泛，在某些领域的应用已经日趋成熟，并开始向性能的改进及小型化方向发展。但IMS仪器也存在一定的问题，比如在某些领域或场合它的选择性不是太好，进行定量分析比较困难。提高放大器的选择性与带宽问题急需解决。第二章

18、总体设计2.1设计思想离子迁移谱系统中，低噪声微电流放大器处于系统前端位置。在对微弱信号的采集与放大的过程中起着决定性作用。首先要求低噪声微电流放大器有V/A 的放大能力；另外还要求噪声信号的增益控制在S/N=20dB以及时间常数T50us。T50us是指低噪声微电流放大器在放大微弱电流信号的过程中尽可将失真降到最低，且保证将采集到的微弱信号放大倍，以驱动后序电路的正常工作，因此高性能微电流放大器在离子迁移谱等分析仪器中显得尤为重要。为了更准确地反映采集到的信号，要求更进一步地提高放大器的性能，基于这个目的，本设计采用了特种芯片AD549LH而设计的。与普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减

19、小统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面放大系统的信号，保证系统工作的正常运行。低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且对于整个系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。因此，研制合适的宽频带、高性能、更低噪声的放大器，已经成为离子迁移谱系统设计中的核心技术之一。2.2方案论证由于本设计对放大电路的放大倍数要求极高，故普通放大器不能满足放倍数的需要，所以根据参数要求，本设计采用集成放大电路。另外集成运放可以很抑制零点漂移。但若采用多级集成运放的形式,各级的静态工作点相互影响,前一级的静态工作点的变化将会影响到后面各级的静态工作点,由于各级的放大作用,第一级的微弱信号变化,经多级放大

20、后在输出端也会产生很大变化。当输入电压为零时,输出电压偏离零值的变化称为“零点漂移”。多级集成运放放大电路的调零问难以解决。但单级集成运算放大电路的输入级是采用差动电路，能够较强的抑制“零点漂移”。另外多级放大电路性能还有另一特点：多级电路频率特性的总带宽小于各级电路的带宽。根据以上分析本，低噪声微电流放大器的设计确立采用单级运放的形式。然而为了将时间常数尽可能降低，本设计大体确立了两种方案：全部反馈与带来分压系数n的部分反馈电路形式。2.3器件选型按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。1 通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价

21、格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2 高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1G1T,Ib为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA31

22、30、CA3140等。3低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。其中，除了普通型运算放大器以外其余高阻型运算放大器、低温漂型运算放大器、高速型运算放大器、低功耗型运算放大器、高压大功率型运算放大器四种均属特种运算放大器。低噪声微电流放大器处于离子迁移谱前端，它的性能的好坏，直接影响信号的检测质量，是离子迁移谱的核心组件。所以对微电流放大器的性能要求极高，采用普

23、通型运算放大器组成的微电流放大电路不能满足各项技术指标要求。鉴于本设计的输入信号为pA级的微电流源，以及电路的放大倍数 V/A、时间常数T=50us、输出10mV等要求。根据这些要求在此我采用特种运算放大器，AD549LH就是典型的特种运算放大器。以下对AD549LH的产品描述：AD549是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。该技术可以制造与具有极低输入电流的JFET并与双极性电路隔离的集成运放。输入级具有1015的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。AD549适用于低输入电流和低输入偏置电压的场合。它特别适合用作

24、各种电流输出的传感器，如光电二极管、光电倍增管以及氧气传感器等的前置放大器。该产品也可用作精密积分器或低衰减采样保持器。AD549的封装与标准FET和静电计运算放大器兼容，因此用户花少量成本即可对系统升级，提高已有系统的性能。AD549有TO-99密封封装。金属外壳与8管脚相连，使得金属外壳与同样电压的输入终端独立连接，达到降低外壳泄漏的目的。AD549具有四种性能等级。其中J、K和L型号的温度范围是0到70。S型号专用于军事，其温度范围：-55到125。AD549的输入电流在整个共模输入电压范围内都得到保证，其输入失调电压和漂移由激光分别调节到0.25mV和5V/(AD549K)；1mV和2

25、0V/(AD549J)。700A的最大静态电流使输入电流和偏置电压的热效应降到最低。模拟性能包括1MHz的均匀增益带宽和3V/s的压摆率。当输入为10V时，建立时间是5s 到0.01%。2.4 AD549的引脚及特性参数该AD549采用的99气密封装共8个管脚 ，使金属外壳可以独立连接到一个点，在同潜在的输入端子，可尽量减少杂散泄漏的情况。AD549L H的典型性能特征：如下图所示图2.4.1 AD549LH引脚图表一 AD549的主要特性参数参数AD549K最小 典型 最大AD549L最小 典型 最大单位输入偏置电流共模输入，VCM=0V共模输入，VCM=±10V共模输入TMAX，

26、VCM=0V75 10075 1004.2301.340 6040 602.8200.85fAfApAfApA输入电压噪声f=0.1Hz 10Hzf=10Hzf=100Hzf=1kHzf=10kHz4 690603535490603535Vp-pnV/nV/nV/nV/输入电流噪声f=0.1Hz 10Hzf=10kHz0.50.160.360.11fA rmsfA/输入阻抗差模VDFF =±1共模VCM =±101013110150.81013110150.8pFpF开环增益V0±10V,RL=10kV0±10V,RL=10k, TMIN/TMAXV0=

27、±10V,RL=10kV0=±10V,RL=10k, TMIN/TMAX300 1000300 800100 25080 200300 1000300 800100 25080 200V/mVV/mVV/mVV/mV输入电压范围差模电压共模电压共模抑制比V=+10V,-10VTMIN/TMAX ±20-10 +1090 10080 90 ±20-10 +1090 10080 90VVdBdB电源供给额定性能工作静态电流 ±15±5 ±18 0.60 0.70 ±15±5 ±18 0.60 0 .

28、70VVmA温度范围工作，额定性能存储0 +70-65 +1500 +70-65 +150封装选择TO-99(H-08A)芯片AD549KHAD549LH2.4.1 3AD549使用注意事项1.电路板设计注意事项在放大器信号和电源线之间应有大于1015的绝缘阻抗，以获得低输入电流。然而标准的PCB材料不具备如此高的绝缘阻抗，因此输入线应与具有足够大电阻系数的绝缘材料相连（Teflon ，）。为保持其电阻系数，绝缘体的表面应保持干净。选择绝缘材料时，除了大容量和高表面电阻系数，还要考虑其他性能。由于表面水膜层会大大减小绝缘性，防止吸水也很重要。同样需要考虑的因素还有压电效应（机械压力产生电子激发

29、）和静电效应（摩擦产生电子）。由于这些机理产生的电子不平衡将表现为寄生泄漏电流。2.失调电压的补偿 AD549的输入失调电压可通过平衡管脚1和5来调整，见图五。用这种方式补偿输入失调电压将引入一个附加的输入失调电压漂移，大小为每毫伏2.4V/。AD549K、AD549L和AD549J的最大附加漂移分别是0.6V/、1.2V/和2.4V/。图六所示方法可用于放大器用作反向器的场合。这种方法在放大器负输入终端和电源间引入一个参考电压。放大器的输入失调电压漂移不受影响。但电源电压的波动将引起失调电压漂移。图2.4.2标准失调电压补偿电路 图2.4.3 用作反向器时的失调电压补偿电路3.开环频率响应如

30、图2.4.4所示:图2.4.4开环频率响应4. AD549LH的最大额定参数表二AD549LH的最大额定参数参数额定值电源电压±18 V内部功耗500 mW输入电压±18 V输出短路持续时间未定义差分输入电压+VS 和 VS工作温度范围0°C - +70°C若电源电压小于± 18伏，则绝对最大输入电压等于电源电压。超过上述各项绝对最大额定值的条件下可能造成永久性损坏设备。若运放长时间工作在绝对最大额定条件下可能会影响器件的可靠性。第三章 详细设计3.1电路设计全反馈时电流模型运算放大器电路形式如图3.1：图3.1.1全反馈时电流模型运算放大器

31、公式（1）根据参数要求，输入电流信号幅值为pA，放大倍数为A108109VA，SN20dB,T<=50s，输出10mV。则我们可选择输入为10 pA的方波作为电流源，考虑到10pA级的电流幅度大小，为了更容易得到10pA的电流源，通过戴维宁定理换算可知：用电压源与电阻串联的方式来获得10pA的信号源。等效电路如下： 图3.1.2电流源等效图根据可据原理图可知，要想得到A108109VA的放大倍数，由公式（1）可知的馈电阻为1G，由实验可知，当反馈电阻阻值为1G时，携带0.05pF的极间电容。由以上分析可得为1G时的电路模型如图3.1.3所示：图3.1.3 全反馈电路图输入电压Us通过电阻

32、Rs作用于集成运放的反相输入端，帮输出电压Uo与Us反相。电阻跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻R3接地，R3为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为Us=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，所以R3=Rs/Rf。图3.1.3全反馈电路属于低频网络，根据低阶网络的分析方法可知，图3.1.3的低频网络等效为图3.1.4图3.1.4含有一阶微分的低频网络9.9M，但取9.9M时，用示波器显示输出形为断续情况，当取9.8M时,当输入幅度为10pA、周期为1ms的方波时输出为连续波形。=1G，=0.05pF 在一

33、个周期内的取值为：i(t)= 根据等效电路图可得出一阶微分方程如下：公式（2）即可得知出一阶微分方程：（1）+=i(t) 公式（3）即： 公式（4）（2）求一阶微分方程的特征方程：S+1=0 公式（5）S= 公式（6）令=则S=故原方程的齐次解为 公式（7）原方程的特解为：分两种情况（1）输入信号在上升沿时，公式（8）由初值得，电容C两端电压初实值为0最后得 公式（9）原方程在上升沿的完全解为 公式（10）代入已知条件得=V=V 公式（11）其中=0.05s=50s=50ms (2)激励在下降沿时即原方程右边为0故设，因为B=0，所以所以原方程的下降沿的完全解为 公式（12）初始条件为：电容C

34、两端初始电压为 公式（13） 公式（14）将已知条件代如得=V=V， 公式（15）其中，时间常数=0.05s=50s=50ms 公式（16）结论：根据公式（11）、公式（15）可知，当电路的时间常数发生变化时电路的稳定性也将发生变化，电路中响应的变化将达到最大变化幅度的63%左右，而当t达到时间常数的（35）倍时，响应已十分接近终值Uo(t)。若时间大于（35 ）时，响应几乎不再变化，可以认为已达到后来一种稳态，所以对一阶网络，公式（11）、公式（15）中的Tn可取为Tn=(35) ，可见电路时间常数的大小决定了响应衰减的快慢，不同时，响应变化的情况不同。当时间常数越大电路中储能元件的惯性也就

35、越大，系统要达到稳定状态需要时间越长，稳定性性较差并且电路的通频带。当越小时电路趋于稳态的速度也就越快，即当输入信号为方波时，输出信号的波形越趋于方波，输出波形的上升沿与下降沿越陡峭。从第五章将的仿真结果可以看出当时间常数=50uS时，信号经过放大器后发生了失真。所以为了展宽通电路的通频带，必须减小电路的时间常数。3.2部分反馈时电路原理图根据4.1节的理论分析可知，电路输出信号波形的失真主要源自于反馈电阻本身极间电容所导致的，由反馈电阻的极间参数，故不能去除，只能通过降低反馈电阻的阻值来减少极间电容，以此来减少极间电容对低电噪声微电流放大器的影响，来改善低噪声微电流放大器的性能，提高通频带；

36、保证放大倍数的不降低并且在放大过程中所带来的失真。当减小反馈电阻的阻值时其极间电容也随之变化，故设计出带有分压系数的低噪声微电流放大器电路，电路原理图如3.2.1所示：图3.2.1部分反馈电路原理图图3.2.2由R1与R2构成分压电路，取为系数，由于R1与R2的阻值较小，可看成是纯线性电路，当改变R1与R2的取值时，信号在经过线性电路时只有幅度上的变化而没有相位上变化，依此原理可设计出分压系数n取不同值时的低噪声微电流放大电路同理图3.2.2部分反馈电路可等效为一阶网络如下所示：图3.2.2部分反馈电路原理图的等效图由于在此电路中输出电压与成线性关系，故： 公式（17）设 公式（18） 公式（

37、19） 公式（20） 公式（21） 公式（22）根据AD549LH的最大输出电流可知，可将R1与R2的取值定为.n= 的取值范围约为1100 公式（23） 公式（24）已知=1G， 公式（25）从理论上分析，只需满足n与的乘积等于1G即可满足，即通过系数n 的变化可控制反馈电阻的大小.以下为n取不同值的比较，以及AD54LH输出波形图，从中选出使电路输出性能最佳的参数值.（1）当n=10时，由公式（18）、公式（21），即=(n-1) 公式（26），令=100=100K公式（27），则=100公式（28），公式（29），所以得：，0.05pF=0.05pF公式（30）=1009=900K公式（

38、31），= = = 100M公式（32）F 0.005pF 公式（33）=1000.005S = 0.5uS2)当n=20时，=19100=1.9 = 1.9M； 公式（34） = 50M公式（35）=F=0.0025pF公式（36）=191000.0025S=0.00475uS3）当n=40时，100=10039=3.9M 公式（37） = 25M 公式（38）=F=0.00125pF 公式（39）=100390.00125S=0.004875uS4）当n=60时，=100 = 5.9M 公式（40） 16.7M公式（41）=F 0.00083pF 公式（42）=16.70.00083S=0

39、.013861uS5）当n=100时，=100 9.9M 公式（43） 10M 公式（44）=F 0.0005pF 公式（45）=9.90.0005S=0.00495uS第四章 仿真结果分析4.1仿真软件简介设计过程中，仿真软件在设计的过程中也很重要，此次的电路设计的过程中主要涉及到了EWB和Multisim件，做以下简单介绍.电子工程师仿真工作室（Electronics Workbench，EWB）是一种功能强大的模拟与数字混合仿真软件.该软件是加拿大交互图像技术有限公司（Interactive Image Technologies Ltd.）在20世纪80年代末推出的EDA软件ELECTR

40、ONICS WORKBENCH EDA（以下简称EWB），但在国内开始使用却是近几年的事，现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0（在国内曾见过6.0的演示版，注：EWB5.0也可以在WINDOWS3.1环境下使用，但需安装WING32工具），相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电

41、路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形.EWB的兼容性也较好EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench. EW

42、B是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用.EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能.SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件.EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果.

43、（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法.（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据.（5）EWB是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法.Multisim 是一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件，Multisim电子电路全功能模拟测试仿真软件，是一套完整的系统设计工具，其强大功能包含：元器件编辑、选取、放置；电路图编辑、绘制；电路工作状况测试；电路特性分析；电路图报表输出打印；档案转入/出；PCB文件转换功能；结合SPICE、VHDL、V

44、erilog共同仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能；计划及团队设计功能； VHDL及Verilog设计与仿真；FPGACPLD组件合成；它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、等突出优点，Multisim的仿真和电路分析功能是其他电路设计软件所不能比的，因此引起了广大电子设计工作者的关注，并迅速得到了推广使用。4.2 Muhisim仿真根据电路原理图画出仿真电路图，反馈为1G时的仿真电路图如图4.2.1零输入电路图VCC、VSS为放大器提供正负对称双电源，Rf=1G无调零时路为其中R5、R6、Rp构成调零电路；Rf、Cf构成反馈网络其中Cf为反馈电阻Rf 所携带的极间电容；随R

45、f取值不同而发生变化，当Rf越大则Cf越大，Rf越小时Cf也就相应减小，根据实验可知，当Rf 为1G时其极间电容为0.05pF。Us、Rs构成信号源；其中电容C1 、C2构成为去耦电容，减少电源对放大器的噪声影响。图4.2.1零输入电路图经仿真结果分析，当反馈为1G时，图4.2.1零输入电路图的仿真结果如图4.2.2所示，未经调零时Uo=50.532mV。图4.2.2零输入时电路仿真图一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。一方面实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。在室温（）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成

46、运放的输出电压为零，在输入端中的补偿电压叫做失调电压，另一方面由于本电路的反馈电阻为，具有极高的反馈系数，通过示波器观查可得出如下输出波形，此时电路的零输响应为Uo1=50.532mV。为改善放大电路的静态特性，所以特别加入了调零电路，调零电路由电阻R6、R5与Rp构成。调零原理：由于本电路的反馈电阻为的极高电阻，即使当输入信号为0时，输出为+50.532mV的直流误差电压，通过查询AD549LH引脚分布图可知：pin 8空脚，pin 1 与 pin 5 为 AD549LH的零输入时引起输出误差电压的平衡调节引脚，多次实验证明，通过调节pin 1 与pin 5 之间的调节很难达到此电路的内部平

47、衡，且在调试的过程中，发现调节这两个引脚之间的电位关系对集成运的输出几乎没有影响。所以为了简化电路，可将pin1 与pin 5悬空不作处理，这种做法并不影响此放大电路的静态特性。根据上述分析，若想改善电路的静态特性，必须再做其它处理。经过理论分析可知：因为输入信号为零时输出端有输出，说明AD549LH的输入级即差分电路不是完全的对称；为减小零输入时引起输出误差且不影响有信号输入时运放的电路特性，故采用从同相端输入电源信号，以此来改变此电路的静态特性。由上述原理可知，经过Multisim 仿真实验最后得出：采用双电源供电方式，零输入时的低噪声微电流放大器如下图所示加调零电路后的电路如图4.2.3

48、所示：图4.2.3调零后电路图经过n次调试与仿真，最后确立了调零电路以及参数：R5=R6=10M，调节电阻Rp=10K，最后调试出最小输出电压Uo2= 2.404mV。调零后电路图的仿真结果如图4.2.4所示图4.2.4调零后电路图的仿真结果通过仿真结果可看出经调零后Uo= 经调零后，放大器的静态特性改善了许多。 21.02，由此可知经过调零之后，该零输入时的低噪声微电流放大器在静态时的精度原来的21倍。图4.2.3调零后的完整电路为图4.2.5图4.2.5调零后完整电路通过Multisim 仿真，仿真结果如图4.2.6所示图4.2.6 仿真结果从上图可以看出当输入信号频率为1khz,幅值为1

49、00uV时，输出信号有较大的失真，原因电路的反馈电阻值太大。当电容值为零时，电路的时间常数=RC为零，经过实验可知当反馈电阻为1G时携带约为0.05pF的极间电容，正是由于极间电容的存在，然而对于一个有电抗的电路，没有相移是不可能性，因为有电抗就意味着存在电以的储存与释放，电路中就必然会有惯性，也就不可避免地有输出信号相对于输入信号的相位滞后，即使得电流放大器的反馈网络的时间常数 变大，电容为储能原件，具有充发电效应，正是由于电容的存在，使得原反馈网络为纯电阻反馈变成了一阶微分式的反馈网络，使得输入方波信号在经过放大器后，上升沿与下降沿的幅度变缓，信号经过放大器后发生了失真。根据公式（11）、

50、公式（15）可知，当电路的时间常数发生变化时电路的稳定性也将发生变化，电路中响应的变化将达到最大变化幅度的63%左右，而当t达到时间常数的（35）倍时，响应已十分接近终值Uo(t)。若时间大于（35 ）时，响应几乎不再变化，可以认为已达到后来一种稳态，所以对一阶网络，公式（11）、公式（15）中的Tn可取为Tn=(35)，可见电路时间常数的大小决定了响应衰减的快慢，不同时，响应变化的情况不同。当时间常数越大电路中储能元件的惯性也就越大，系统要达到稳定状态需要时间越长，稳定性性较差并且电路的通频带。当越小时电路趋于稳态的速度也就越快，即当输入信号为方波时，输出信号的波形越趋于方波，输出波形的上升

51、沿与下降沿越陡峭。从第五章中的仿真结果中可以看出，当时间常数=50uS时，放大器输出波形失真较大。所以为了展宽通电路的通频带，必须减小电路的时间常数 。4.3有分压电路时根据公式（18）、公式（23）、公式（24）可知，改变R1、R2的电阻值时，分压系数n随之改变化，由Rf、Cf构成的反馈网络也发生改变，电路的时间常数=Rf * Cf的值也随着发生变化。当时间常数电路的稳定性也将发生变化，电路中响应的变化将达到最大变化幅度的63%左右，而当t达到时间常数的（35）倍时，响应已十分接近终值Uo(t)。若时间大于（35 ）时，响应几乎不再变化，可以认为已达到后来一种稳态，所以对一阶网络，公式（11

52、）、公式（15）中的Tn可取为Tn=(35) ，可见电路时间常数的大小决定了响应衰减的快慢，不同时，响应变化的情况不同。当时间常数越大电路中储能元件的惯性也就越大，系统要达到稳定状态需要时间越长，稳定性性较差并且电路的通频带。当越小时电路趋于稳态的速度也就越快，即当输入信号为方波时，输出信号的波形越趋于方波，输出波形的上升沿与下降沿越陡峭。从第五章将的仿真结果可以看出当时间常数=50uS时，信号经过放大器后发生了失真。所以为了展宽通电路的通频带，必须减小电路的时间常数。据此设计出了带有分压电路的微电流放大器，可减小时间常数，提高电路的通频带。4.3.1分别讨论分压系数n取不同值时的仿真情况分压

53、系数n=10无调零时的仿真电路如图4.3.11图4.3.11n=10无调零时的仿真电路从示波器上数据表明Uo=54.981mV, 如图4.3.12所示：图4.3.12无调零时示波器输出波形图经过调零电路调零后电路如图4.3.13所示：图4.3.13 n=10有调零时电路图观察示波器波形可知，Uo=459.728uV，如图4.3.14所示：图4.3.14：调零后放大器的输出波形在有调电路的基础上加入信号源可得到，当分压系数n=10时的仿真电路图，如图4.3.15所示：图4.3.15 分压系数n=10时的仿真电路图由示波器显示可知，输出波形Uo如图4.3.16所示：如图4.3.16分压系数n=10时的放大器输出波形图4.3