第二章 模拟电路

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Multisim & Ultiboard 11.0
电路设计和虚拟仿真
李海燕
张榆锋
吴俊 李威威
电子工业出版社
Designed by OVALTELENT
1
第二章
模拟电路的Multisim
虚拟仿真
基本元器件特性的测试
放大电路的测试分析 信号运算电路的仿真分析 滤波,整流电路的仿真分析
2
15
2. 放大电路的测试分析
在实际的工作电路中,控制信号往往都是一 些很微弱的信号,这时就需要将信号进行放大, 使其具有足够的能量,驱动负载进行工作,这种 将输入的微弱信号加以放大的电路就是放大电路。 可以实现放大功能的电路主要有两种,分立元件 放大电路和集成运算放大电路。这部分,我们就 利用 Multisim 对阻容耦合放大电路、多级放大 电路、负反馈放大电路和差分放大电路的主要性 能指标以及电路特性进行仿真分析。
XIV1
1 D1
1 A K 2
1 2 3
2
二极管VI特性曲线的测试 6
1N4002
打开IV分析面板,进行相关设置。按下F5快 捷键,启动仿真,可以看到IV分析仪输出的曲线 如图所示。
IV分析仪 输出二极 管的伏安 特性曲线 7
三极管伏安特性的测试 半导体三极管也是电子线路中经常用到的一 种半导体器件,广泛的应用于各种信号放大电路 和开关电路中。三极管由 2 个 PN 结组成,按照 PN 结的不同构造,将半导体三极管分为NPN型和PNP 型。 三极管是一种非线性器件,其特性可以用伏 安特性曲线来描述。三极管的伏安特性曲线反应 了三极管的工作性能,是分析三极管电路的基本 依据。
0
V1 12 V
测试阻容放大电路的电压放大倍数
22
这里,我们用到了函数信号发生器和双踪示 波器。关于这两种仪器的设置和使用方法请参考 书上的相关内容。这里测试电压放大倍数的结果 如图所示。
在数值显示区内,可 以看到两个波形的幅 度值,由两个波形的 幅度值,便可以计算 出该放大电路的电压 放大倍数。 放大器电压放大倍数 的测试结果 23
15
0 V2 12 V
0 DC 10MOhm
0
0.000
-
A -
0.495m
V
U3 DC 10MOhm
R7 10kΩ
12 A3 R5 1kΩ 14
差分放大电路静态 工作点的测试 36
按下 F5 快捷键,启动仿真,可以看到电压表和 电流表上显示出当前测试点的测量值,
R2 10k¦ ¸ A1
+ -
R3 10k¦ ¸ A2
26
在多级放大电路中,直接与信号源相连接的 为输入端,直接与负载相连接的是输出端,中间 的部分叫做中间级。输入级与中间级之间的电路 叫做前置级,前置电路的主要任务是放大电压。 经过前置级的放大,输入到输出端电压信号已经 比较大了,因此输出级的任务主要是功率放大。
27
两个单级放大电路间相连的方式成为耦合, 实现两个单级放大电路之间连接的电路叫做耦合 电路。耦合电路能够保证各级有合适的静态工作 点,保证耦合电路的接入不引起信号的失真,耦 合电路上信号的损失尽可能的小。这里,我们分 析的两级放大电路就是用耦合的方式构成的,电 路图如下图所示。
21
XSC1 XFG1
A + _ + B _ Ext Trig + _
7 5 R1 5.1k¦ ¸ 6 C2 Rp 200k¦ ¸ 50% Key=A C1 10uF 1 2 R2 24k¦ ¸ R4 1k¦ ¸ C3 10uF 3 10uF Q1 R5 10k¦ ¸ 2N2222A 4 R3 3k¦ ¸
4
Multisim中的IV特性分析仪是用来测量一些 基本原器件的伏安特性曲线的仪器,这些基本元 器件包括晶体二极管、PNP晶体管、NPN晶体管、 PMOS和NMOS器件。IV分析仪的仪器面板如图所示。
IV分析源自文库工作 面板 5
可以看出,IV分析仪的面板由显示区、元器 件选择区、电流选项区、电压选项区和连接方法 区。各个区的功能请参考书本上的内容。在熟悉 了IV分析仪的面板之后,我们就设计电路,用IV 分析仪来测试二极管的福安特性曲线。利用IV分 析仪测试二极管的伏安特性曲线的电路如图所示。
13
这里,我们利用 Multisim 来对 N 沟道型场效 应管的伏安特性曲线进行测试,测试的电路如图 所示。
XIV1
1 2 3
3 2
3 G
D 1 S 2
1
Q1
2N3370
场效应管伏安特性曲线测试 14
设置测试的电压区间为( 0:0.1:10V ),启 动仿真,可以看如图所示的输出结果。
IV 分析仪输出场效应管的福安特性曲线
+ -
2 R6 47kΩ
3 DC 1e-009Ohm
0.000
A
4 DC 1e-009Ohm
0.000
A
3
二极管伏安特性的测试 晶体二极管由PN结构成,因此晶体二极管的 特性就是PN结的特性。PN结的最主要特性就是单 向导电性,也就是当PN结加上不同极性的电压时, 二极管可以呈现出不同的工作特性。伏安特性是 指加在二极管上的电压与流过二极管的电流之间 关系,伏安特性曲线是描述晶体二极管的一种数 学模型。
IV分析仪 输出三极 管的伏安 特性曲线 10
为了更清楚的看出三极管的伏安特性曲线的 走势,我们利用 Multisim 中提供的一种分析方 法——直流扫描分析来进行分析。测试的电路图 如图所示。
1 Q1
3 2
3
2 2
2
B
E
1
1
I1 20mA 0
2N2222
1
1
2
V2 5V
C
1
直流扫描分析测试三极管伏 安特性曲线 11
R4 1kΩ
C4 10µ F
两级放大电路
29
这里,我们利用波特仪分析两级放大电路的 幅频特性和相频特性,波特分析仪的设置和使用 方法请参考书上的内容。将波特仪的输入输出端 接入电路的输入输出端,按下F5启动仿真,观察 输出波形。这了利用波特仪输出放大电路的幅频 和相频特性如下图所示。
30
波特仪输出放大电路的幅频特性和相频特性
28
R5 100kΩ R1 5.1kΩ R3 3kΩ C2 Rp 200kΩ 70% Key=A C1 10µ F 10µ F Q1
R7 3kΩ C3
Rp1 200kΩ 65% Key=B
10µ F Q2 R9 10kΩ 2N2222A
2N2222A
R6 24kΩ
R8 1kΩ
C5 10µ F
R2 24kΩ
31
再利用双踪示波器测试该放大电路的输入输 出波形,并测量其电压放大倍数。将双踪示波器 的输入端分别接到放大电路的输入输出端,设置 相关参数,按下F5快捷键,启动仿真,观察输出 波形,如下图所示。
32
双踪示波器的输出波形
33
差分放大电路仿真分析 前面的两个放大电路都存在一个问题,就是 在工作的时候存在零点漂移的现象,当零点漂移 现象严重的时候,放大电路的性能就会受到严重 的影响。差分放大电路在解决这一问题上具有很 大的优势,因此很有必要了解差分放大电路的相 关工作特性。这里我们就用Multisim对差分放大 电路进行仿真分析。差分放大电路如下图所示。
R3 3k¦ ¸ 3 C2 10uF Q1 R5 10k¦ ¸ 2N2222A 2 V1 12 V 4
R2 24k¦ ¸
R4 1k¦ ¸
C3 10uF
0
测试阻容放大电路的静态工作点
18
静态工作点测试对话框
这里,我们使用 静态工作点分析方法 ( DC Operating Point ) 来 测 试 该 电 路的静态工作点。在 Simulate 菜 单 下 的 Analysis 中选择静态 工作点测试,弹出一 个对话框,如图所示。
0 5.1k¦ ¸ XMM1
C3 10uF
测试输入电阻 的电路 24
设计好如上图所示的电路,按下 F5 快捷键, 启动仿真,打开两个万用表的面板,观察万用表 的读数,然后利用公式
Ui Ri R U s Ui
就可以计算出放大器的输入电阻。输出电路 的测试方法和输入电阻的测试方法一样,这里就 不做详细的解释。
8
在二极管伏安特性曲线的测试中,我们利用 了IV分析仪来进行测试,IV分析仪输出了二极管 的伏安特性曲线。这里,我们依旧利用IV分析仪 来测试 NPN 型三极管的伏安特性曲线。测试的电
路图如图所示。
XIV1
2 32
B
3
E
C
1 2 3
1 Q1
2N2222
三极管VI特性曲线的测试 9
1
设置好了IV分析仪的相关参数之后,按下F5 快捷键,启动仿真,就可看到IV分析仪输出的三 极管的伏安特性曲线,如图所示。
0.000
A
1 Q1 6 U1
+
5 Q2 7 U2 2N2222A R4 510¦ ¸
+ -
0.013u
-
V
R1 510¦ ¸
R8 2N2222A 1kΩ 9 Key=A 50% 8 11 Q3 13 2N2222A 10 DC 1e-009Ohm
+ +
DC 10MOhm
0.013u
V
V1 12 V
首先我们利用 Multisim 提供的虚拟电流表和 电压表测试电路中相关节点的电流和电压值,然 后就可以计算差分放大电路的静态工作点。测试 的电路如图所示。
R2 10k¦ ¸ A1
+ -
R3 10k¦ ¸ A2
+ -
2 R6 47kΩ
3 DC 1e-009Ohm
0.000
A
4 DC 1e-009Ohm
c. 输出电阻的测量 测量完了该电路的电压放大倍数,下来,我 们测试该电路的输入输出电阻。测试输入电阻的 电路如图所示。
XFG1 5 R1 5.1k¦ ¸ 6 C2 Rp 200k¦ ¸ 50% Key=A 8 R6 7 C1 10uF XMM2 1 3 10uF Q1 R5 10k¦ ¸ 2N2222A 2 R2 24k¦ ¸ R4 1k¦ ¸ V1 12 V 4 R3 3k¦ ¸
1. 基本元器件的测试
在电子电路的设计中,有一些常用的器件, 例如二极管、三极管、晶体管等,了解它们的构 成和工作特性对学习模拟电路和设计电子电路有 很大的帮助。这部分,我们将通过 Multisim 软 件设计相关电路,对这些基本原器件的相关特性 进行测试和验证。通过这些电路设计和学习,可 以进一步熟悉 Multisim 11.0 的使用方法,掌握 一些基本仪器的使用技巧和一些基本的分析方法。
25
两级放大电路仿真分析 前面一部分对阻容耦合放大电路进行了仿真 分析,但是在很多场合,由于源信号都非常微弱, 单独一级的放大器并不能完成信号的放大任务。 此时,就需要对信号进行多级放大,才能在输出 负载上输出足够的电压和功率。常用的多级放大 电路为两级放大电路,这部分,我们利用 Multisim对两级放大电路的相关特性和指标进行 仿真分析。
1
1
设置直流扫描分析的相关选项:电流 ( 0:0.005:0.02mA ),电压( 0:0.05:5V )。启 动仿真,可以看到输出结果如图所示。
直流扫描测试三 极管伏安特性曲 线的分析结果 12
场效应管伏安特性的测试 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流 大小的半导体器件,这种器件具有体积小、耗电 量小、寿命长、输入阻抗高、噪声低、热稳定性 好抗辐射能力强等很多优点,因此得到了广泛的 应用。 场效应管根据其结构的不同分为结型场效应 管和绝缘栅型场效应管,又根据不同的构造分为 N沟道型和P沟道型场效应管。
19
选择电路中需要测试的节点,单击Simulate, 就可以完成静态工作点的测试。如图所示。
静态工作点测试输出结果
20
b. 电压放大倍数测试 前面测试了阻容耦合放大电路的静态工作点, 这里,我们测量该电路的电压放大倍数。电压放 大倍数的测试可以转换为输入波形和输出波形幅 度的测试,所以只需要用示波器测量输入和输出 波形的幅度值,就可以确定放大器的电压放大倍 数。测试的电路如下图所示。
16
阻容耦合放大电路 阻容耦合放大电路由电阻、电容和三极管等 元器件构成。这里,我们主要测试该电路的静态 工作点、电压放大倍数、输出电阻等指标。 a. 静态工作点的测试 测试其静态工作点的电路如下图所示。
17
XMM1
5
R1 5.1k¦ ¸ 6 Rp 200k¦ ¸ 50% Key=A C1 10uF 1
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2 R2 10k¦ ¸ 3 Q1 6 R1 510¦ ¸ 0 R8 2N2222A 1kΩ 9 Key=A 50% 8 11 Q3 R3 10k¦ ¸ 1 Q2 7 2N2222A R4 510¦ ¸ 0 R6 47kΩ
15
2N2222A 4 R5 1kΩ 14 R7 10kΩ
差分放大电路
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