基于Multisim的差分放大电路仿真分析

　　差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显着特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。Muhisim作为着名的电路设计与仿真软件，它不需要真实电路环境的介入，具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。因此，Multisim被许多高校引入到电子电路实验的辅助教学中，形成虚拟实验和虚拟实验室。通过对实际电子电路的仿真分析，对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有重要意义。
   　　1 Multisim8软件的特点
   　　Muhisim是加拿大IIT(Interactive Image Tech-nologies) 公司在EWB(Electronics Workbench)基础 上推出的电子电路仿真设计软件，Muhisim现有版本为Muhisim2001，Muhisim7和较新版本Muhisim8。它具有这样一些特点：
(1)系统高度集成，界面直观，操作方便。将电路原理图的创建、电路的仿真分析和分析结果的输出都集成在一起。采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实验室的工作台，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。操作方法简单易学。
   　　(2)支持模拟电路、数字电路以及模拟／数字混合电路的设计仿真。既可以分别对模拟电子系统和数字电子系统进行仿真，也可以对数字电路和模拟电路混合在一起的电子系统进行仿真分析。
   　　(3)电路分析手段完备，除了可以用多种常用测试仪表(如示波器、数字万用表、波特图仪等)对电路进行测试以外，还提供多种电路分析方法，包括静态工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析等。
   　　(4)提供多种输入／输出接口，可以输入由PSpice 等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件，并自动形成相应的电路原理图，也可以把Muhisim环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的印刷电路软件PCB进行印刷电路设计。
   　　2  差分放大电路仿真分析
   　　运行Muhisim 8，在绘图编辑器中选择信号源、直流电源、三极管、电阻，创建双端输入双端输出差分放大电路(双入双出差分放大电路)如图1所示，标出电路中的结点编号。
   
   　　该次仿真中，采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管，差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的 虚拟正弦波信号源。设置虚拟晶体管的模型参数BF= 150，RR=300Ω。
   　　2．1 差模放大性能仿真分析
   　　2．1．1 直流分析
   　　直流分析实际上就是确定静态工作点。选择Sim-ulate菜单中的Analysis命令，然后选择Dc OperatingPoint子命令，分析结果如图2所示。
   
   　　用静态工作点分析方法得VBEQ1=UBEQ2=O．69 V，UCEQ1=UCEQ2=V3一V2Δ8．94 V，与题中理论计算结果完全相同。
   　　2．1．2 差模放大倍数分析
   　　加差模信号 ui1，ui2，分别接入电路的左右输入端，电阻R1作为输出负载，则电路的接法属于双入双出。将四通道示波器XSC1的3个通道分别接在信号源ui1和负载R1两端，如图1所示。运行并双击示波器图标XSC1，调整各通道显示比例，得差分放大电路的输入／输出波形如图3所示。
   
   　　用示波器观察和测量输入电压和输出电压值，差模信号单边电压V1△一3．597 mV(5 mV／Div)，单边输出交流幅值约为170．124 mV(500 mV／Div)，所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数AuΔ一170．124／3．597=一47，与单管共射的放大倍数相同，即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。仿真结果与题中理论计算结果相同。
   　　2．2 共模抑制特性仿真分析
   　　2．2．1 共模放大倍数分析
   　　在图1中，将信号源ui2的方向反过来，即加上共模信号，运行并双击示波器图标XSC1，调整A，B通道显示比例，可得如图4所示波形。
   
   　　由图4波形可知，在峰一峰14 mV(有效值为5 mV)的共模信号作用下，输出的峰值极小，峰一峰值为13 mV，因此单边共模放大倍数小于1。且uc1和uc2大小相等，极性相同。所以，在参数对称且双端输出时，共模放大倍数等于0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。显然，仿真结果与理论分析结果一致。
   　　2．2．2 共模抑制比分析
   　　选择Simulate菜单中的Analysis命令，然后选择Transient Analysis子命令，选择结点3，4作为输出，单击Simulate按钮；选择Simulate菜单中的后处理器Postprocessor子命令，在Expression列表框中编辑“V($4)一V($3)”，然后打开Graph选项卡，可画出差分放大电路共模输入双端输出波形，见图5。可见，波形属于噪声信号，且幅值极小，可忽略不计。因此，差分放大电路双端输出时，其共模抑制比KCNR趋于无穷大。如果再将图1所示的电路中发射极电阻R2改为恒流源，重复前面步骤，再分析共模特性，可得出结论：具有恒流源的差分放大电路的共模抑制比KCNR更高。
   
   
   　　3 结 语
   　　应用Multisim8软件对差分放大电路进行仿真分析，结果表明仿真与理论分析和计算结果一致，应用Multisim进行虚拟电子技术实验可以十分方便快捷地获取实验数据，突破了在传统实验中硬件设备条件的限制，大大提高了实验的深度和广度。利用仿真可以使枯燥的电路变得有趣，复杂的波形变得形象生动，并且不受场地(可以在教室、宿舍)，不受时间(课内、课外)的限制，通过教师演示和学生动手设计、调试，不但可以使学生更好地掌握所学的知识，同时提高了学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。