《电子设计自动化》课件第5章

第5章Proteus在模拟电子技术中的应用5.1半导体二极管的特性与应用5.2单管放大电路的仿真分析5.3差分放大电路的仿真分析5.4负反馈放大电路的仿真分析5.5运算电路的仿真分析5.6振荡电路的仿真分析5.7功率放大电路的仿真分析5.8直流电源的仿真分析本章小结

本章详细介绍模拟电子中主要电路的仿真分析。

本章内容共分八节，分别讨论了二极管的应用以及单管放大电路、差分放大电路、反馈放大电路、运算放大电路、振荡电路、功率放大电路和直流电源的仿真分析。深入、广泛地探讨了Proteus在各种模拟电路中的实用仿真技术。

通过本章的学习，读者可较快掌握用Proteus仿真分析模拟电子电路的一般方法和步骤。内容提要

5.1.1二极管开关电路的仿真分析

二极管有导通与截止两个状态，可当作开关使用，因此用二极管可构成开关电路(二极管构成的与逻辑电路)，如图5-1所示。5.1半导体二极管的特性与应用

图5-1二极管开关电路分析步骤：

(1)创建电路：在元器件库中选择二极管D1、D2和电阻；单击信号发生器选择模式按钮“ ”，在其对象选择器中选择数字时钟源(DCLOCK)D1(k)、D2(k)，并分别设置其频率为100Hz、50Hz；单击终端模式按钮“ ”，在其对象选择器中选择直流电压(POWER)。创建的二极管开关电路如图5-1所示。

(2)输入输出波形测量：用四通道示波器分别测量两个输入端和一个输出端的电压波形。

(3)仿真分析：单击仿真按钮，弹出示波器操作界面，得到输入输出波形，如图5-2所示。

波形从上到下依次为D1(k)、D2(k)和输出电压波形。从波形来看，输出与输入之间符合与逻辑关系。图5-2二极管开关电路的输入输出波形5.1.2二极管限幅电路的仿真分析

在电子技术中，用二极管可构成限幅电路，当输入信号为正弦电压时，用两只二极管可对输入信号的正负半周进行限幅。

(1)创建电路：在元器件库中选择交流电压源V1(50Hz、5V)、直流电压源V2和V3、二极管D1和D2、电阻R1，创建二极管限幅电路，如图5-3所示。

图5-3二极管限幅电路

(2)电压测量：用示波器的A、B通道分别测量输入/输出电压的波形。

(3)仿真分析：单击仿真按钮，弹出示波器的操作界面，得到输入输出电压波形，如图5-4所示。由输出波形可知，D1和V2、D2和V3构成了限幅环节，改变V2的值可改变输出电压的下限幅值，而改变V3的值可改变输出电压的上限幅值。图5-4二极管限幅电路的输入输出波形

单管放大电路是放大电路的基础，也是模拟电子技术的基础。放大电路要实现信号的不失真放大，必须设置合适的静态工作点；单管放大电路放大的对象是低频小信号，因此，即便静态工作点设置合适，如果输入信号的幅值过大，也会造成输出信号失真。电压放大倍数、输入电阻、输出电阻是分析放大电路的核心指标。5.2单管放大电路的仿真分析5.2.1单管共射放大电路的仿真分析

本节以单管共射放大电路为例，通过仿真分析其静态工作点、电压放大倍数、输入输出电阻，掌握在Proteus中模拟电路的基本分析方法。

1．静态工作点分析

分析步骤：

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻、电容等，创建单管共射放大电路，如图5-5所示。信号源V1为1kHz、5mV。

图5-5单管共射放大电路(Q点测量)

(2)放置电压探针。如图5-5所示，在晶体管的基极、集电极和发射极分别放置电压探针R2(1)、R1(1)和Q1(E)。

(3)仿真分析。单击仿真按钮，可知晶体管的基极、集电极和发射极的电位分别为1.956V、5.513V、1.294V，则VBE

=

0.662V、VCE

=

4.219V，据此可看出晶体管处于放大状态。

2．电压放大倍数分析

(1)有旁路电容。选择示波器，将其A、B通道分别接放大电路的输入、输出端，如图5-6所示。单击仿真按钮，弹出示波器操作界面，将A通道的刻度设置为2mV/div、B通道的刻度设置为0.2V/div，则单管放大电路的输入输出波形(有旁路电容)如图5-7所示。

图5-6单管共射放大电路(电压放大倍数测量)图5-7单管共射放大电路的输入输出波形(有旁路电容)由图5-7可知，输入信号与输出信号反相，放大倍数超过100倍。

(2)无旁路电容。将图5-6中的旁路电容C2断开，单击仿真按钮，弹出示波器操作界面，将A通道和B通道的刻度设置为2mV/div，则单管放大电路的输入输出波形(无旁路电容)如图5-8所示。

由图5-8可知，输入信号的幅值为5mV、输出信号的幅值为12mV，放大倍数为2.4倍。其原因是旁路电容C2断开后，发射极所接电阻R4对放大倍数的影响较大，这符合共射放大电路的基本原理。图5-8单管共射放大电路的输入输出波形(无旁路电容)

3．输入输出电阻分析

(1)输入电阻分析。在共射放大电路的输入回路接交流电压表和交流电流表，如图5-9所示。设置交流电压表的显示范围为“毫伏”，交流电流表的显示范围为“微安”，如图

5-10所示。单击仿真按钮，测得输入电压为3.54mV，输入电流为2.22μA，则输入电阻Ri

=

Ui/Ii

=

1.59kΩ。

图5-9单管共射放大电路的输入电阻分析图5-10交流电流表属性设置对话框

注：使用交流电流表时，默认显示范围为“安培”，本处输入电流很小，要设置为“微安”；交流电压表的设置亦如此。

交流电压表和交流电流表测量的均为交流有效值。

本处测量的输入电阻是在合适的静态工作点上测量得到的，因此直流电源要保留。

(2)输出电阻分析。输出电阻的测量采用外加电压法，将输入信号置零(输入端短路处理)，负载电阻开路，并在输出端接电压源V1、交流电压表、交流电流表，如图5-11所示。单击仿真按钮，测得电压为7.07mV，电流为1.5μA，则得到输出电阻Ro

=

U/I

=

4.71kΩ。

图5-11单管共射放大电路的输出电阻分析5.2.2单管共集放大电路和单管共基放大电路的分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻、电容等，创建单管共集放大电路，如图5-12所示。信号源V1为1kHz、5mV。

图5-12单管共集放大电路

(2)静态工作点分析。静态工作点分析同单管共射放大电路。

(3)输入输出信号测量。选择示波器，将其A、B通道分别接放大电路的输入、输出端，如图5-12所示。单击仿真按钮，弹出示波器的操作界面，调整扫描时间和A、B通道的显示比例，得到输入输出信号波形，如图5-13所示。图5-13单管共集放大电路的输入输出波形由图5-13可知，输入输出波形基本重合，可见共集放大电路的输出信号与输入信号同相，且放大倍数近似等于1，因此共集放大电路又称为射极跟随器。

(4)输入输出电阻测量。在放大电路的输入端接交流电压表和交流电流表，如图5-14所示。单击仿真按钮，测得输入电压为3.49mV，输入电流为0.04μA，则输入电阻Ri

=

Ui/Ii

=

87.25kΩ。

图5-14单管共集放大电路的输入电阻测量用外加电压法可测量输出电阻，输出电阻的测量电路如图5-15所示。单击仿真按钮，测得电压为7.07mV，电流为0.31μA，则得到输出电阻Ro

=

U/I

=

22.8Ω。

由仿真分析可看出，与共射放大电路相比，共集放大电路的输入电阻比共射放大电路要大，输出电阻很小，因此共集放大电路的带载能力强。

图5-15单管共集放大电路的输出电阻测量电路

(5)共基放大电路分析。按前述步骤(1)、(2)、(3)、(4)可分析共基放大电路的静态工作点、输入输出信号波形、输入输出电阻等参数。共基放大电路的分析请读者自己完成。在对三种放大电路进行分析的过程中，应着重比较三种放大电路在电压放大倍数、输入输出信号的相位关系、输入输出电阻等参数方面的异同点，进而加深对三种放大电路的理解。

在集成运放的输入级通常采用差分放大电路，利用差分放大电路参数的对称性可有效克服温漂。差分放大电路的基本原理是放大差模信号而抑制共模信号，若将差模信号当作有用信号，则共模信号可理解为干扰信号，是要抑制的对象。本节以典型差分放大电路为例，仿真分析其对差模信号的放大作用和对共模信号的抑制效果，进而加深对差分放大电路原理的理解。5.3差分放大电路的仿真分析5.3.1差模信号的放大作用分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻等，创建差分放大电路(双入单出、输入信号为差模信号)，如图5-16所示。信号源V1为1kHz、10mV，接在差分放大电路的左、右输入端子之间，输入信号为差模信号。

图5-16差分放大电路(双入单出、输入信号为差模信号)

(2)输入输出信号测量。将示波器的A、B通道分别接差分放大电路的输入、输出端，调整示波器的扫描时间及显示比例(通道A：5mV/div，通道B：0.2V/div)，单击仿真按钮，得到输入输出信号波形(对差模信号的放大)，如图5-17所示。从图中可看出，放大倍数约为40，且输入输出反相。因此，若以晶体管Q1的集电极作输出，则差分放大电路的左边输入端为反相端，右边输入端为同相端，如图5-16所示。图5-17差分放大电路的输入输出波形(对差模信号的放大)5.3.2共模信号的抑制效果分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻等，创建差分放大电路(双入单出、输入信号为共模信号)，如图5-18所示。信号源V1和V2均为1kHz、10mV，分别接入差分放大电路的左、右输入端子，输入信号为共模信号。

图5-18差分放大电路(双入单出、输入信号为共模信号)

(2)输入输出信号测量。将示波器的A、B通道分别接差分放大电路的输入、输出端，调整示波器的扫描时间及显示比例(通道A：5mV/div，通道B：5mV/div)，单击仿真按钮，得到输入输出信号波形(对共模信号的抑制作用)，如图5-19所示。从图中可看出，放大倍数约为0.35。因此，对差分放大电路而言，若输入为共模信号，则放大倍数小于1，即对共模信号有很强的抑制作用。图5-19差分放大电路的输入输出波形(对共模信号的抑制作用)

说明：同样结构与参数的差分放大电路，对差模信号有放大作用(放大倍数约为40)，对共模信号有抑制效果(放大倍数约为0.35)。

对共模信号的抑制作用，主要是电阻R4(如图5-18所示电路)引起的效果。仿真时，在保证有合适静态工作点的前提下，改变该电阻的大小，可以观察其对共模信号放大倍数的影响。

将电路的输出量通过一定的方式回送到输入端，进而影响净输入量，这种作用称为反馈。当放大电路引入负反馈后，可以改善放大电路在某些方面的性能。本节以两级放大电路为例，通过仿真，观测引入负反馈前后对放大电路性能的影响。5.4负反馈放大电路的仿真分析5.4.1负反馈对放大倍数的影响

(1)创建电路(未引入反馈)。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻、电容等，创建两级放大电路未引入反馈，如图5-20所示。信号源V1为1kHz、10mV，第一级为共射放大电路，第二级为共极放大电路。

图5-20两级放大电路(未引入反馈)

(2)输入输出信号测量(未引入反馈)。将示波器的A、B通道分别接两级放大电路的输入、输出端，调整示波器的扫描时间及显示比例(通道A：5mV/div，通道B：0.5V/div)，单击仿真按钮，得到输入输出信号波形(未引入反馈)，如图5-21所示。从图中可看出，放大倍数约为73.5，且输入输出反相。图5-21两级放大电路的输入输出波形(未引入反馈)

(3)创建电路(引入负反馈)。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻、电容等，创建两级放大电路，并引入负反馈(R9为反馈电阻，反馈组态为电压并联负反馈)，如图5-22所示。信号源V1为1kHz、10mV。

图5-22两级放大电路(引入负反馈)

(4)输入输出信号测量(引入负反馈)。将示波器的A、B通道分别接两级放大电路的输入、输出端，调整示波器的扫描时间及显示比例(通道A：2mV/div，通道B：10mV/div)，单击仿真按钮，得到输入输出信号波形，如图5-23所示。从图中可看出，放大倍数约为46.6，且输入输出反相。图5-23两级放大电路的输入输出波形(引入负反馈)

说明：在同样的信号源激励下(V1为1kHz、10mV)，引入负反馈后，输入信号的幅值下降较多(可比较图5-21和图5-23的输入信号波形)，原因是反馈电路与输入端并联，使输入电阻减小，导致输入信号减小。

引入负反馈后，放大倍数下降。未引入反馈时，放大倍数约为73.5；引入负反馈后，放大倍数为46.6。5.4.2负反馈对输入输出电阻的影响

1．未引入反馈时输入电阻的测量

在放大电路的输入端接交流电压表和交流电流表，并分别将其显示范围设置为“毫伏”和“微安”，如图5-24所示。单击仿真按钮，测得输入电压为5.79mV，输入电流为1.28μA，则输入电阻Ri

=

Ui/Ii

=

4.52kΩ。

图5-24两级放大电路的输入电阻测量(未引入反馈)

2．引入负反馈后输入电阻的测量

在负反馈放大电路的输入端接交流电压表和交流电流表，并分别将其显示范围设置为“毫伏”和“微安”，如图5-25所示。单击仿真按钮，测得输入电压为0.35mV，输入电流为6.74μA，则输入电阻Ri

=

Ui/Ii

=

51.9Ω。

图5-25两级放大电路的输入电阻测量(引入负反馈)

3．未引入反馈时输出电阻的测量

用外加电压法可测量输出电阻，输出电阻的测量电路(未引入反馈)如图5-26所示。单击仿真按钮，测得电压为7.07mV，电流为79.2μA，则得到输出电阻Ro

=

U/I

=

89.2Ω。

图5-26两级放大电路的输出电阻测量(未引入反馈)

4．引入负反馈后输出电阻的测量

输出电阻的测量电路(引入反馈)如图5-27所示。单击仿真按钮，测得电压为7.07mV，电流为793μA，则得到输出电阻Ro

=

U/I

=

8.92Ω。

图5-27两级放大电路的输出电阻测量电路(引入负反馈)

说明：电路引入的负反馈组态为电压并联负反馈，和引入反馈前相比，输入电阻减小，输出电阻减小。

引入负反馈后输入电阻、输出电阻减小的幅度并不相等，其原因是该电路不是深度负反馈。读者在仿真分析时，不能完全按照深度负反馈来进行计算。

读者可按前面的分析思路，对其他组态的负反馈电路进行仿真分析。5.4.3负反馈对放大电路频率特性的影响

1．未引入反馈时的放大电路频率响应分析

(1)添加信号源与电压探针。在两级放大电路的输入端加正弦信号源(INPUT：10mV、1kHz)，输出端加电压探针OUTPUT，如图5-28所示。

(2)添加频率分析图表。单击图表分析模式按钮“

”，在对象选择器中选择“FREQUENCE”，在仿真电路编辑区用鼠标拖拽出频率分析图表，如图5-29所示。图5-28两级放大电路(未引入反馈)图5-29频率分析图表

(3)图表属性设置。双击分析图表，弹出频率分析图表属性设置对话框，如图5-30所示。按图中所示设置，单击OK按钮，即完成图表属性设置。

(4)添加分析结点。在分析图表中选择右击菜单命令AddTraces，弹出添加分析结点对话框，如图5-31所示。单击“OK”按钮，即选择了分析结点。

注：右下角若选择“Left”，则为分析OUTPUT的幅频特性；右下角若选择“Right”，则为分析OUTPUT的相频特性。图5-30频率分析图表属性设置对话框图5-31添加分析结点对话框

(5)频率响应图表分析。在分析图表中选择右击菜单命令SimulateGraph，则执行频率响应分析，分析结果如图5-29所示。由分析结果可看出，放大电路(如图5-28所示)的通频带为100Hz～100kHz。

2．引入负反馈后的频率响应分析

(1)添加信号源与电压探针。在负反馈放大电路的输入端加正弦信号源(INPUT：10mV、1kHz)，输出端加电压探针OUTPUT，如图5-32所示。

(2)负反馈放大电路的频率响应。负反馈放大电路的频率响应如图5-33所示。由分析结果可看出，负反馈放大电路的通频带为100Hz～4MHz。图5-32负反馈放大电路图5-33负反馈放大电路的频率响应

说明：分析频率响应的图表时，分析的是输出结点(OUTPUT)随频率变化的关系，但必须选择参考结点(INPUT)，这在图表属性设置时体现，如图5-30所示。输入信号不能选择元器件库中的正弦信号源，而要选择信号源模式下的正弦信号源。

放大电路引入负反馈后，通频带展宽很多(未引入反馈的通频带为100Hz～100kHz，引入负反馈后的通频带为100Hz～4MHz)。

运算电路以集成运放为核心，电路的输出与输入之间可实现各种运算，如比例运算、加减运算、求和运算、积分与微分运算、指数与对数运算等。本节选用典型的运算电路，介绍仿真分析过程与方法。5.5运算电路的仿真分析5.5.1反相比例运算电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻等，创建反相比例运算电路，如图5-34所示。正弦信号源INPUT为1kHz、1V。

(2)输入输出信号测量。输入输出信号可采用示波器进行测量，也可用图表分析法进行分析，本处采用后者。分析图表为模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析结点为输入信号(INPUT)和输出信号(OUTPUT)，分析时间为0～2ms(在图表中显示两个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-35所示。从分析结果可看出，输出信号与输入信号反相，输出信号的幅值是输入信号幅值的4倍。

图5-34反相比例运算电路图5-35反相比例运算电路的输入输出波形

(3)频率响应分析。选用频率分析图表(FREQUENCEANALYSIS)，分析结点为“OUTPUT”，参考结点为“INPUT”。反相比例运算电路的频率响应分析结果如图5-36所示。将频率分析图表放大后可看出，该电路的上限截止频率为188kHz，且在该频率下输出信号与输入信号的相位差为136°(见图5-36底部的状态栏)。因此，该电路的通频带为0～188kHz。图5-36反相比例运算电路的频率响应分析结果

说明：如图5-36所示，运算电路的下限截止频率为0，这是因为集成运放采用直接耦合方式。

集成运放构成的放大电路，其通频带随放大倍数的改变而变化。放大倍数越大，通频带越窄；放大倍数越小，通频带越宽(对图5-34所示的反相比例运算电路而言，放大倍数为4时，通频带为0～188kHz；放大倍数为2时，通频带为0～323kHz)。这与理论分析得出的放大电路的增益带宽积基本保持一致。读者可通过改变电阻来观测电路的频率响应情况。5.5.2同相比例运算电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻等，创建同相比例运算电路，如图5-37所示。正弦信号源INPUT为1kHz、1V。

(2)输入输出信号测量。输入输出信号的测量采用图表分析法进行。分析图表为模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析结点为输入信号(INPUT)和输出信号(OUTPUT)，分析时间为0～1ms(在图表中显示一个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-38所示。从分析结果可看出，输出信号与输入信号同相，输出信号的幅值是输入信号幅值的2倍。图5-37同相比例运算电路图5-38同相比例运算电路的输入输出波形

(3)频率响应分析。选用频率分析图表(FREQUENCEANALYSIS)，分析结点为“OUTPUT”，参考结点为“INPUT”。同相比例运算电路的频率响应分析结果如图5-39所示。对频率分析图表进行放大后可看出，该电路的上限截止频率为483kHz，且在该频率下输出信号与输入信号的相位差为-45.2°(见图5-39底部的状态栏)。因此，该电路的通频带为0～483kHz。图5-39同相比例运算电路的频率响应分析结果5.5.3加减运算电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻等，创建减法器运算电路，如图5-40所示。正弦信号源INPUT1为1kHz、1V，正弦信号源INPUT2为1kHz、3V。

(2)输入输出信号测量。输入输出信号的测量采用图表分析法进行。分析图表为模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析结点为输入信号(INPUT1、INPUT2)和输出信号(OUTPUT)，分析时间为0～1ms(在图表中显示一个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-41所示。从分析结果可看出，输出信号(中间位置的曲线)为两个输入信号的差值，即实现了减法运算。

图5-40减法器运算电路图5-41减法器运算电路的输入输出波形

(3)频率响应分析。选用频率分析图表(FREQUENCEANALYSIS)，分析结点为“OUTPUT”，参考结点为“INPUT1或INPUT2”。减法器运算电路的频率响应分析结果如图5-42所示。对频率分析图表放大后可看出，该电路的上限截止频率为284kHz，且在该频率下输出信号与输入信号的相位差为150°(见图5-42底部的状态栏)。因此，该电路的通频带为0～284kHz。

图5-42减法器运算电路的频率响应分析结果5.5.4积分运算电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻、电容等，创建积分运算电路，如图5-43所示。脉冲信号源INPUT为1kHz、±5V。为防止在该频率下增益过大，在反馈电容两端并联电阻R3(10kΩ)。利用积分运算电路，可实现信号的波形变换以及移相功能。图5-43积分运算电路

(2)输入输出信号测量。输入输出信号的测量采用图表分析法进行。分析图表为混合分析图表(MIXEDANALYSIS)，分析结点为输入信号(INPUT)和输出信号(OUTPUT)，分析时间为0～10ms(在图表中显示10个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-44所示。从分析结果可看出，输出信号为输入信号的积分。输入信号为脉冲信号，输出信号为三角波信号，实现了波形的变换。图5-44积分运算电路的输入输出波形(输入为脉冲源)

说明：改变输入信号的频率，可看到输出波形发生变化。当输入信号频率较低(如50Hz)时，即便电路参数配置合理(理论分析可将输入的脉冲信号转换为三角波输出)，也会出现输出三角波顶部饱和现象，这是低频增益过大所致。

提高输入信号频率(1kHz)，且在反馈电容两端并联电阻R3，仿真时即可消除输出波形的顶部饱和现象。

当输入信号为正弦信号(1kHz、1V)，经积分运算以后，输出信号还为正弦信号，但输出的相位超前输入信号90°，实现了信号的移相功能。输入输出信号的波形(输入为正弦波)如图5-45所示。在输入信号幅值不变的情况下，输出信号的幅值随输入信号频率的增加而减小。图5-45积分运算电路的输入输出波形(输入为正弦波)

(3)频率响应分析。选用频率分析图表(FREQUENCEANALYSIS)，分析结点为“OUTPUT”，参考结点为“INPUT”。积分运算电路的频率响应分析结果如图5-46所示。从幅频特性曲线可看出，总体趋势为增益随输入信号频率的增加而减小；从相频特性曲线可看出，中频区输出信号与输入信号的相位差为90°，低频区在90°的基础上超前，高频区在90°的基础上滞后。仿真结果符合积分运算电路的特性。图5-46积分运算电路的频率响应分析结果5.5.5微分运算电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻、电容等，创建微分运算电路，如图5-47所示。脉冲信号源INPUT为10kHz、±5V。利用微分运算电路，可实现信号的波形转换以及信号的移相功能。

图5-47微分运算电路

(2)输入输出信号测量。输入输出信号的测量采用图表分析法进行。分析图表为混合分析图表(MIXEDANALYSIS)，分析结点为输入信号(INPUT)和输出信号(OUTPUT)，分析时间为0～1ms(在图表中显示10个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-48所示。从分析结果可看出，输出信号为输入信号的微分。输入信号为脉冲信号，输出信号为尖峰脉冲信号，实现了波形的变换。

说明：将电阻R3移除，由于微分电路的高频增益太大，因此会产生自激振荡。

改变电阻R3的大小，可改变输出尖峰脉冲的幅值。当R3减小时，输出尖峰脉冲的幅值会增大。图5-48微分运算电路的输入输出波形(输入为脉冲源)

当输入为正弦信号，输出也为正弦信号时，可实现信号的移相功能，输出信号滞后输入信号90°。其输入输出结果如图5-49所示。

(3)频率响应分析。微分运算电路的频率响应分析可参照积分运算电路进行，请读者自行分析。图5-49微分运算电路的输入输出波形(输入为正弦信号源)

利用振荡电路可产生各种波形，如正弦波、矩形波及三角波等。放大电路要产生振荡输出波形，需引入正反馈。本节以正弦波振荡电路、矩形波振荡电路以及三角波发生电路为例，介绍其仿真分析过程。5.6振荡电路的仿真分析5.6.1正弦波振荡电路的仿真分析

1．由集成运放构成的RC桥式振荡电路

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻、电容等，创建RC桥式振

荡电路，如图5-50所示。C1、R4及C2、R5组成串并联电路，既作为选频网络又兼有正反馈作用；运放741、电阻R3和RV1组成反相比例放大电路。

图5-50RC桥式振荡电路

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。仿真开始时，将电位器RV1的滑动端移至最右边，让电路起振。此时，电路的放大倍数大于3，振荡输出波形出现失真，如图5-51所示。将电位器RV1的滑动端向左边移动，使电路的放大倍数等于3，振荡输出波形基本不失真，如图5-52所示。图5-51RC振荡电路的输出波形(失真)图5-52RC振荡电路的输出波形(不失真)

2．由分立元件构成的正弦波振荡电路(电容三点式振荡电路)

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、晶体管、电阻、电容、电感等，创建电容三点式振荡电路，如图5-53所示。晶体管Q1与偏置电阻组成放大电路，C2、C3、C4和L2组成选频网络，C5为耦合电容并形成正反馈。

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。仿真开始时，移动电位器RV1的滑动端，让电路起振。调整示波器的扫描时间(20μs/div)及显示比例(通道A：0.5V/div)，单击仿真按钮，得到振荡输出信号波形，如图5-54所示。从图中可看出，按显示比例和扫描时间，输出正弦波的幅值约为0.85V，周期约为65μs。

图5-53电容三点式振荡电路图5-54电容三点式振荡电路的输出波形

说明：创建仿真电路时，晶体管集电极电阻使用电位器RV1(10kΩ)。仿真分析时，移动电位器的滑动端使电路起振。若该电阻用固定电阻，则电路不容易振荡。

用示波器测量时要用交流耦合(相当于电容耦合，起到隔直耦交的作用)，这样可方便得到正弦信号。

调整选频网络(由L2和C4构成)的元器件参数，可改变输出正弦波的频率，这与理论分析一致。5.6.2矩形波振荡电路的仿真分析

(1)创建电路。选择信号源、直流电压源、集成运放、电阻、电容等，创建矩形波振荡电路，如图5-55所示。电阻R2和RV1形成正反馈，电阻R3和电容C1构成充放电回路，由反相端电位和同相端电位进行比较决定输出。该电路利用电容C1的充电和放电引起振荡，电容的充放电频率决定输出信号的频率。

图5-55矩形波振荡电路

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。仿真开始时，移动电位器RV1的滑动端，让电路起振。矩形波振荡电路的电容的充放电波形和输出电压波形如图5-56所示。图5-56矩形波振荡电路的电容充放电波形和输出电压波形

说明：反馈电阻要用可调电阻而不能用固定电阻，否则不容易起振。

调整电位器RV1，即改变同相端电位，也即改变阈值电压的大小，输出信号的频率随之改变。

改变电阻R3或C1的参数，则改变充放电电路的时间常数，电容的充放电频率随之改变，输出矩形波的频率也会改变。

电路的输出端可接双向稳压管，以限制输出电压的幅值。

读者在对该电路进行仿真分析时可参照以上几点进行。

(3)占空比可调的矩形波发生电路。创建占空比可调的矩形波发生电路，如图5-57所示。用D1、D2和RV2使电容的充电和放电经过不同的回路，移动电位器RV2的滑动端，可调整电容充电和放电的时间常数，以改变输出矩形脉冲的占空比。

单击仿真按钮，得到占空比可调的矩形波振荡电路的电容的充放电波形和输出电压波形，如图5-58所示。

图5-57占空比可调的矩形波振荡电路图5-58占空比可调的矩形波振荡电路的电容充放电波形和输出电压波形5.6.3三角波发生电路的仿真分析

(1)创建电路。选择直流电压源、集成运放、电阻、电容等，创建三角波发生电路，如图5-59所示。

集成运放U1及RV1组成比较电路，集成运放U2、R1、C1组成积分电路，电路的输出经R2形成正反馈。U1的输出为矩形波，经积分电路输出(U2的输出)为三角波。

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。仿真开始时，移动电位器RV1的滑动端，让电路起振。U1和U2的输出波形如图5-60所示。

图5-59三角波发生电路图5-60三角波U1和U2发生电路的输出波形

说明：如图5-59所示，改变RV1、R2的阻值，可调整输出三角波电压的幅值。

调节R2、RV1、R1的阻值和C1的容量，可改变三角波的频率。

改变积分电路的正向积分时间常数和反向积分时间常数，即可改变输出三角波的上升和下降的斜率，进而得到锯齿波发生电路。电路创建时，可通过在R1与集成运放U2的反向端之间串接反并联二极管和电位器的组合来实现。5.6.4集成函数发生器ICL8038的应用

ICL8038是集成函数发生器，是可同时产生矩形波、正弦波和三角波的专用集成电路。本处介绍其基本应用(输出固定频率的波形)和扩展应用(输出波形的频率可调)。

1．用ICL8038产生固定频率的波形

(1)创建电路。选择直流电压源、ICL8038、电阻、电容等，创建ICL8038基本应用电路(输出固定频率波形)，如图5-61所示。R3为上拉电阻(方波输出为集电极开路输出)，R1与R2的阻值相等，因此输出矩形波的占空比为50%。

图5-61ICL8038基本应用电路(输出固定频率波形)

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。ICL8038函数发生器的输出波形如图5-62所示。示波器A、B和C通道分别接方波输出、正弦波输出和三角波输出，调整示波器的扫描时间(100μs/div)及显示比例(通道A：2V/div，通道B：1V/div，通道C：1V/div)。从图中波形可看出，输出波形的周期约为295μs。图5-62ICL8038函数发生器的输出波形

说明：

ICL8038的“11”脚直接接地时，输出波形失真较大。

R1与R2的阻值相等，输出矩形波的占空比为50%。若R1与R2的阻值不相等，输出矩形波的占空比不是50%，仿真时可将电阻R2用电位器替代，调整电位器的阻值即可调整输出波形的占空比。

2．用ICL8038产生频率可调的波形

(1)创建电路。选择直流电压源、ICL8038、电阻、电容等，创建ICL8038的扩展应用电路(输出波形频率可调)，如图5-63所示。

图5-63ICL8038的扩展应用电路(输出波形频率可调)

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。ICL8038函数发生器的输出波形如图5-64所示。移动电位器RV1的滑动端，可调节输出波形的频率。当滑动端向左边移动时，输出波形频率增加；当滑动端向右边移动时，输出波形频率减小(用SWEEP引脚的电压控制输出波形的频率，该引脚电压增加时频率减小)。图5-64ICL8038函数发生器的输出波形

在实用电路中，要求放大电路的输出级输出一定的功率，以驱动负载。能够向负载提供足够信号功率的电路称为功率放大电路，简称功放。功率放大电路既不单纯追求输出高电压，也不单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压一定的情况下，输出尽可能大的功率。本节以推拉互补输出功率放大电路(OCL功放)为例，介绍其仿真分析的过程和方法。5.7功率放大电路的仿真分析

1．基本OCL功率放大电路仿真分析

(1)创建电路。选择功率管TIP31、TIP32(40W)，直流电压源，信号源，并在输出端添加电压探针，创建OCL功率放大电路，如图5-65所示。图5-65OCL功率放大电路

(2)仿真分析。输入输出信号的测量采用图表分析法进行。分析图表为模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析结点为输入信号(VIN)和输出信号(VOUT)，分析时间为0～20ms(在图表中显示2个周期的波形)。对输入输出信号的分析结果如图5-66所示。从分析结果可看出，输出信号的幅值比输入信号的幅值略小，近似等于输入信号的幅值(因负载从功率管的发射极输出)，但存在交越失真(因Q1、Q2导通时需要导通压降)。图5-66OCL功率放大电路的输入输出波形图5-65所示电路的输出失真情况也可通过傅