在Multisim（10中建立的差动放大电路应用解析）

在自动控制系统中，往往需要将一些缓慢变化的物理量(如温度、转速)转换成相应的电信号，通过DC放大器进行放大。虽然直接耦合放大电路可以放大交流和DC信号，但是电源电压的波动和晶体管参数随温度的变化会导致电路的“零漂”。差分放大器电路是一种利用电路结构参数对称性有效抑制“零漂”的直流放大器。它具有放大差模信号和抑制共模信号的能力。典型的差分放大器电路由两个参数相同的单管共发射极电路组成。

Multisim 10是美国国家仪器公司(NI公司)推出的功能强大的电子电路仿真设计软件。具有丰富的新型元器件和虚拟仪器，强大的Spice仿真、数据可视化和分析测试功能，可用于模拟、数字、自动控制、射频、单片机等各种电路的原理图设计、仿真分析和功能测试。Multis-im 10为原理图捕捉和交互式仿真提供了一个强大的平台。电路设计和调试、元器件和测试仪器的调用、各种分析方法的使用直观方便，测试参数准确可靠。它是一个优秀的EDA系统，具有广泛的应用前景。以一个典型的差分放大电路为例，主要讨论Multisim 10的各种分析方法在电子电路仿真设计中的应用。

1电路设计图1所示的典型差分放大器电路内置于Multisim 10中。T1和T2都是NPN晶体管(2N2222A)，电流放大系数设置为80。拨动开关J1和J2，将DC或交流信号添加到差分放大器电路的输入端。数字万用表用于测量DC输出电压，示波器用于观察交流输入/输出电压波形，测量探头用于在仿真时实时显示待测支路的电压和电流。

在实际电路中，T1和T2应选择差分晶体管，晶体管的静态电流ICQ不应超过1 mA。两个晶体管共用的发射极电阻Re可以通过ICQ选择，Re不影响差模电压放大，只对共模信号有很强的负反馈作用，因此可以有效抑制“零漂”，稳定静态工作点。因为两个放大器的参数不能完全一致，所以电路被电位器Rp调零。

基极电阻Rb1和Rb2应根据差模输入电阻的要求来选择。选择集电极电阻Rc1、Rc2时，静态工作点应靠近负载线的中点。根据输入和输出端接地连接的不同，差分放大器电路有以下四种不同的连接：双端输入和双端输出，双端输入和单端输出，单端输入和双端输出，单端输入和单端输出。

2静态工作点分析图1差分放大电路静态时，T1和T2的基极电位近似为零，因此电位器Rp两端电位为-UBE(硅管约为-0.7 V)。如果电位计Rp的滑动端位于中点，静态工作点计算如下：

Multisim 10中DC工作点的分析方法是进一步分析电路的基础，主要用于计算电路的静态工作点。此时电路中的交流电源会被置零，电感短路，电容开路。分析静态工作点时，电路的节点号要显示在电路图上(见图1)，选择要分析的节点号。依次执行simulate/analysts/DC工作点分析命令，将图1中的1、2、u01、u02、Iprobe2、Iprobe3设置为输出节点(变量)，得到如图2所示的静态工作点分析结果：Ie=1.48 mA，Ic1=Ic2=0.732 mA，UC1=

3参数扫描分析参数扫描分析用于研究电路中某一元件的参数在一定范围内变化时对电路性能的影响。选择图1中的电阻Re作为参数扫描分析元件，分析其阻值变化对电路输出波形的影响。图1中的差分放大电路设置为交流信号输入模式，正弦波输入信号频率为1 kHz，幅度为150 mV，然后依次执行simulate/analyses/parameter sweep命令，扫描模式设置为线性，电阻re的起始值设置为5k，最终扫描值为7.5k，扫描点数设置为3，输出节点设置为u01，得到图形。当Re=5k时，由于T1管的高静态工作点，输出电压u01饱和且失真。可以看出，Re电阻的变化影响了差分放大电路的静态工作点。

4温度扫描分析温度扫描分析用于研究温度变化对电路性能的影响，相当于不同工作温度下的多次仿真。

图1中的差分放大器电路设置为交流信号输入模式，正弦波输入信号频率为1 kHz，幅度为10 mV。然后依次执行simulate/analyses/temperature sweep命令，扫描方式设置为List，扫描温度设置为0，27，120，输出节点设置为u01，得到图3(b)。随着温度的升高，T1管的输出电压幅值变小。可以看出，温度变化会影响单管放大器电路的静态工作点。

由于温度的变化与T1和T2参数的变化相同，集电极静态电流和电势的变化也相同，所以输出电压u0的变化为零，可以等效为共模信号，所以差分放大电路可以抑制温度变化引起的“零漂”。

5动态参数分析图1中电路的差模电压放大Aud与单管共射电路相同，Aud由输出模式决定，与输入模式无关。

计算双端输出的差模放大倍数，如下所示：

5.1传递函数分析

根据传递函数分析，可以计算出输入源与电路中两个节点的输出电压或一个电流输出变量之间的DC小信号传递函数，也可用于计算输入输出阻抗。

将图1中的电路分别设置为DC差模和DC共模信号输入模式，依次执行simulate/analysts/transfer function analysis命令，设置V3为输入电压源，设置输出节点为u01，得到的传递函数分析结果分别如图4(a)和4(b)所示。从图4测得Aud1=-12.4和Auc1=-0.64，测得的参数与公式(5)和公式(6)的分析结果基本一致。

5.2 DC信号测试

拨动开关J1和J2，并将DC差模信号ui1=0.1V和ui2=-0.1V添加到图1中电路的两个输入端。用数字万用表测得uo1=2.246V，uo2=7.115V。计算Aud=(2.246-7.115)/0.2=-24.345，Aud1=(2.246-4.68)/0.2=-12.17，Aud2=(7.115-4.68)/0.2=12.175。在图1的电路中，DC共模信号ui1=ui2=0.1 V加到两个输入端，用数字万用表测得uo1=uo2=4.616 V。计算auc 1=Auc 2=(4.616-4.68)/0.1=-0.64，Auc为零。DC信号的测试参数与方程(4)(6)的分析结果基本一致。

5.3交流信号测试

单端输出

在图1的电路中，交流差模信号(函数信号发生器的输出端接ui1、，形成单端输入模式)和交流共模信号(函数信号发生器的输出端同时接ui1和ui2)加到两个输入端，正弦波输入信号频率设置为1 kHz，幅度为10 mV。

示波器观察到的差模、共模信号输入波形和单端输出波形如图5所示。用示波器测量，差模单端输出电压幅值约为119mV，Aud2=11.9共模单端输出电压的幅度约为6.4 mV，Auc1=-0.64。单端输出的测试参数与公式(5)和公式(6)的分析结果基本一致。

双端输出

因为Multisim 10提供的示波器不能直接测量uo两端的电压波形，所以需要通过后处理器观察两端的输出电压。在后处理之前，需要对电路进行瞬态分析，然后对瞬态分析结果进行后处理。瞬态分析是一种非线性电路分析方法，可以用来分析电路中某个节点的时域响应。在进行瞬态分析时，Multisim 10会根据给定的时间范围选择一个合理的时间步长，计算出所选节点在每个时间点的输出电压，通常取节点电压波形作为瞬态分析的结果。图1中的电路被设置为AC差模信号输入模式，并且正弦波输入信号被设置为1 kHz的频率和10 mV的幅度。依次执行simulate/analyses/transient analysis(瞬态分析)命令，选取图1电路中节点uo1和uo2的电压作为输出变量，得到如图6所示的瞬态分析结果。可以看出，uo1和uo2大小相等，相位相反。后处理器是对仿真结果进行进一步计算和处理的专用工具。它不仅可以对仿真得到的数据进行各种运算，还可以对多条曲线或数据进行数学运算，并将结果绘制成图形或图表。绘制的结果是“轨迹线”的形式。

依次执行Simulate/Postprocessor命令，选择减去图6瞬态分析结果中两个节点(uo1，uo2)的输出电压，得到的差模信号双端输出电压uo波形如图7所示。从图7可以看出，uo的幅度约为242 mV，计算出的AUD为-24.2。双端输出的测试参数与公式(4)的分析结果基本一致。图1中的电路设置为交流共模信号输入模式。通过瞬态分析和后处理器，共模信号双端输出电压uo的幅值仅为0.062V，Auc=6.210-6。可以看出，差分放大电路对共模信号有很好的抑制作用。

结论Multisim 10具有强大的电路设计和仿真分析功能。以一个典型的差分放大电路为例，利用DC工作点分析和传递函数分析将电路的静态工作点、差模和共模电压放大倍数的仿真数据与真实值进行比较，利用参数扫描和温度扫描分析电路参数变化对输出波形的影响。利用瞬态分析和后处理器分析对实际应用中难以观测到的双端输出电压波形进行了测试，电路各项参数与真实值一致，提高了电路性能。研究表明，利用Multisim 10对电子电路进行计算机仿真设计，不仅参数测试快速、高效、准确，而且可以广泛应用于电气控制、电子信息、通信工程、自动化等各种电路设计领域。