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是一个NPN型三极管 XMM1 XMM
2、2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 1mA 2 改变电压源V2 使V2分别取0V 1V 2V 12V 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2mA 3mA 4mA 5mA 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琐 我们不妨利用Multisim仿真分析法 DCSweepAnalysis来测量三
3、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DCSweepAnalysis命令 打开DCSweepAnalysis对话框 有关参数设置 如何设置参数 请参阅5 2 1节 如下 Source1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 Startvalue 0V Stopvalue 8V Increment 0 01V 该值越小 显示的曲线越平滑 Source2中 Sourc
4、e 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Source2 Startvalue 0V Stopvalue 0 0005mA Increment 0 0001mA 该值越小 显示的曲线越平滑 Outputvariables 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 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
5、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NewPage和NewGraph按钮 建立新页 三极管输出特性曲线 和新曲线图 2 选择AnalysisResults栏内的 三极管输出特性测试 项下的DCtransfercharacteristic dc01 然后选中AnalysisVariables栏中的vvce branch变量 点击CopyVariableToTrace按钮 再点击AddTrace按钮 这样 一根dc01 vvce branch曲线便出现在Tracestoplot下部的栏中 3 重复
6、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 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 27kohm 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
7、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shownodenames 启动Simulate菜单中Analysis下的DCOperatingPoint命令 在弹出的对话框中的Outputvariables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 81598V V4 4 8422V V7 1 20401V 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5mV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10mV 15mV 20mV 输出将出现不同程度的非线性失真 即
8、输出波形为上宽下窄 当输入信号幅值为21mV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
9、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1kHz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1kHz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
10、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 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
11、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 10mV时 输出电压Vo 45 6mV 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
12、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 10mV时 输出电压Vo 0 975mV 由此可计算出单端输出时共模电压放大倍数Avc Vo Vi 因为Avc 1 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ParameterSw
13、eep命令项 在弹出的对话框中进行如下设置 1 AnalysisParameter页参数设置如下 SweepParameter DeviceParameter Device Resistor Name rr8 Parameter Resistence SweepVariationType Linear Start 500 Stop 800 Increment 300 2 点击More按钮 在Moreoption页 Analysisto选Transientanalysis 再点击EditAnalysis 设置参数Starttime为0 Endtime为0 002 最后点击Accept按钮 3 点
14、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R8 0 8kohm时Vc1 Vc2的输出波形 曲线 2 3 分别表示R8 0 5kohm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 5kohm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 8kohm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
15、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ACAnalysis命令项 在弹出的ACAnalysis对话框中进行如下设置 FrequencyParameters页选择默认设置 Outputvaria
16、bles页选择节点4作为输出节点 点击Simulate 即可得到图7 16所示的仿真结果 图7 16C3 100uF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10uF 重复 1 即可得到图7 17所示的仿真结果 图7 17C3 10uF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 9463Hz时 C3 10uF 100uF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 10uF 100uF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
17、适的电容值 为此 我们采用Multisim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ParameterSweepAnalysis命令项 在弹出的对话框中 进行如下设置 SweepParameter Deviceparameter Device Capacitor Name cc3 Parameter capacitance SweepVariationType Linear Start 10uF Stop 100uF Increment 90 2 点击More按钮 在Moreoption页中 Analysisto选ACAnalysis 再点击E
18、ditAnalysis 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 100pF 10pF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 当f 5 0119MHz时 C3 10pF
19、100pF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 20C4 100pF时的仿真曲线 图7 21C4 10pF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
20、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1kHz 幅值100mV 在输出负载R5两端接入一个示波器 适当设置面板上的参数 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
21、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shownodenames 显示电路节点 启动Simulate菜单中Analysis下的ACAnalysis命令 在弹出的对话框中 FrequencyParameters页采用默认设置 Outputvariables页中选定输出节点6作为分析节点 点击S
22、imulate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 Ui 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
23、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
24、 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 100nF 重新观测示
25、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 31C1 100nF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 30kohm 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 32R4 30kohm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 10k
26、ohm 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 30kohm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 33R1 R4时的输出波形 7 7整流与滤波 整流 滤波电路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
27、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 参数扫描分析 对滤波电容C1进行扫描分析 分别取C1 100uF 500uF 1000uF 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
28、 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5V 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所示 R1 C1 R2 C2组成正反馈选频网络 提供零相移 构成同相放大器 通常取R1 R2 C1
29、 C2 R3 R4构成深度负反馈 以获得良好的输出波形 当振荡频率 0 1 RC 时 RC正反馈网络的相移为0 反馈系数最大 等于1 3 为了保证振荡器起振 应有AvFv 1 故Av 3 R3 R4组成负反馈 其电压放大倍数Av R4 R3 R4 所以 要求R3 2R4 图7 41RC振荡电路 正弦波振荡电路有很多形式 本节以RC振荡电路为例分析振荡电路中各元件对输出波形的影响 首先创建图7 42所示电路 图7 42中R1 C1 R2 C2构成正反馈选频网络 R3 R4为集成运放提供负反馈 D1 D2起稳幅的作用 双击示波器图标 合理设置参数 测得输出波形如图7 43所示 移动示波器指针 可测
30、得输出频率 图7 42正弦波振荡电路 图7 43振荡器输出波形 改变图7 42中电阻R3 使R3分别取10kohm和30kohm 观测输出波形 当R3 10kohm时 由于R3 2R4 电路不能起振 而当R3 30kohm时 示波器波形如图7 44所示 比较图7 43和图7 44可以看出 随着R3的增大 起振速度加快 图7 44R3 30kohm时的输出波形 在图7 42中 双击电阻R1和R2图标 改变电阻阻值 使R1 R2 0 5kohm 重新启动仿真开关 从示波器可观测到输出波形如图7 45所示 比较图7 43和图7 45可知 选频网络中电阻减小后 不仅振荡频率加快 而且起振速度加快 图7 45R1 0 5kohm时的输出波形 在图7 42中 双击二极管D1 设置D1为开路状态时 测得输出波形如图7 46所示 由图7 46可知 输出产生了失真 图7 46D1开路时的输出波形 习题 1 创建一个放大电路 观察基极电阻 集电极电阻和负载电阻的变化对电压放大倍数和输出波形的影响 2 创建一个负反馈放大电路 测试多级负反馈对放大电路性能指标的影响 3 用集成运算放大器创建一个迟滞比较器电路 观察元件的变化对迟滞比较器输出参数的影响 4 创建一个线性稳压源电路 观察稳压电路中各元器件参数的变化对稳压电路性能指标的影响 5 创建一个压控方波产生器电路 观察控制电压的变化对方波的影响
