基于Multisim的差分放大电路仿真分析

基于Multisim的差分放大电路仿真分析贺元林（南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京，210016）摘要：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著特征，因而具有良好的温度和噪声特性，是集成运放的重要基础。广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。笔者在这里对长尾式和恒流源式差分放大电路不同特性的特征参量，如共模抑制比、温度特性、传输特性等分别进行仿真分析。运用Multisim进行仿真比较，可以方便观测不同电路的特性特点，有利于根据具体电路的设计指标选择合适的差分电路结构形式。【1】关键词：Multisim；差分放大电路；仿真分析；共模抑制比；传输特性中图分类号：TN707文献标识码：B文章编号：1007-454X（2016）05-016-03AnalysisofDifferentialAmplifierCircuitSimulationBasedonMultisimHeYuanlin(CollegeofElectronicinformationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)Abstract：Differentialamplifiercircuitusingthesymmetryofcircuitparametersandnegativefeedbackeffect,stablestaticworkingpointeffectively,enlargetoinhibitcommon-modedifferentialmodesignalasthecharacteristic,thushasgoodtemperatureandnoisecharacteristics,isanimportantbasisofintegratedoperationalamplifier.Widelyusedinthedirectcouplingcircuitandmeasurementcircuitofinputstage.Hereonthelongtailandconstantcurrentsourcedifferentialamplifiercircuitcharacteristicparametersofdifferentfeatures,suchasthecommonmoderejectionratio,temperaturecharacteristic,transmissioncharacteristicssuchasthesimulationanalysis,respectively.UsingtheMultisimsimulationcomparison,differentcharacteristicsofthecircuitcharacteristicscanbeobserved,isconducivetochooseaccordingtothespecificcircuitdesignindexsuitabledifferentialcircuitstructure.Keywords：Multisim;Thedifferentialamplifiercircuit;Thesimulationanalysis;Commonmoderejectionratio;Transmissioncharacteristics引言差动放大器的特点式结构上具有对称性，静态工作点稳定，对输入差模信号进行放大，对共模信号有很强的抑制能力，这些特点在电子设备中应用广泛。集成运算放大器一般采用差分放大电路作为输入级。差分放大器有两个输入端和两个输出端，电路使用正、单端输入双端输出及单端输入单端输出4中接法。凡双端输出，差模电压放大倍数与单管放大倍数一样，而单端输出时，差模电压放大倍数为双端输出的一半。另外，若电路参数完全对称，则双端输出时的共模放大倍数Ac=0，实际测的共模抑制比KCMR将是一个比较大的数值，KCMR越大，说明电路抑制共模信号的能力越强。借助Multisim进行电路的仿真及性能的分析，能够快速方便的获得电路的各种参数及可以很快的分析出各参数对电路性能的影响。避免在实验室多次实验，极大节约成本。笔者在文中以差分放大电路的简单例子，借助Multisim分析差分放大电路的性能。差分放大电路的仿真分析1差分放大电路特征参量的测量差分放大电路实验电路如图1所示。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关拨向左边时，构成典型的差分放大器。调零电位器Rp用来调节Q1、Q2管的静态工作点，使得输入信号Ui时，双端输出电压Uo=0。R5为两管公用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。当开关K拨向右边时。构成具有恒流源的差分放大器。它用晶体管恒流源代替发射极电阻R5，可以进一步提高差分放大器一直共模信号的能力。差分放大电路的输入信号可以采用直流信号，也可以采用交流信号。本实验由函数信号发生器提供频率f=1kHz的正弦信号作为输入信号。【2】图11.1测量静态工作点将实验电路图1中的开关K拨向左边构成典型差动放大器。（1）调节放大器零点信号源不接入，将放大器输入端A、B与地短接，单击仿真开关进行仿真分析，用直流电压表测量R11两端电压（输出电压）Uo，调节零点电位器Rp，使Uo=0。调节要仔细，尽量做到准确。（2）测量静态工作点零点调好以后，用万用表测量Q1、Q2管各电极电压及射极电阻RE两端电压URE。利用Multisim的直流工作点分析更加方便简洁。从直流分析结果图2中可以看到，三极管Q1基-射电压Ube1Q≈0.62V，集-射电压Uce1Q≈5.24V，Q1管工作在放大区，同样可以分析Q2管也工作在放大区。【3】图21.2测量电压放大倍数（1）双端输入时差模放大倍数【4】在图1中A、B端接入信号频率f=1kHz，幅度为Vp-p=100mv，开关K拨向左边（典型差分放大），利用Simulate/Anayses/TransientAnalysis命令，进行瞬态分析，其中结点选择为10、11，仿真结果如图3所示。图3.典型差分放大（长尾式）双端输入单端输出波形从图3中可以看到，两个输入端10、11输出电压大小相等方向相反，并且叠有直流分量4.60V，其电压峰-峰值大约为7.2976-4.5958=2.7018V。由此可以求出双端输入单端输出时的差模放大倍数为Ad1=2.70180.1=27.01。再利用仿真的后处理器（Postprocessor）命令，进行适当的设置，仿真结果如图4所示，该结果是对两个节点电压V10、V11求差得到的。从图4中可以看到输出直流电压约为0，其峰值为5.3649。故双端输入双端输出时差模放大倍数Ad2=5.36490.1=53.65。图4典型差分放大（长尾式）双端输入双端输出波形再将开关K拨向右边（恒流源式差分放大电路），由同样的方法可以求出双端输入双端输出Ad1ˊ=2.64490.1=26.49，双端输入双端输出放大倍数Ad2ˊ=5.38570.1=53.85。（2）双端输入时共模放大倍数共模输入方式下，信号源的电压幅值仍为100mV，电路其余部分不变。开关K拨向左边时，运行瞬态分析命令，得到长尾式差分放大电路共模输入单端输出的电压波形。由于Multisim环境下，电路元件特性一致。为了能看清长尾式差分放大电路恒流源式对共模信号的抑制情况，这里将电位器Rp调为40%，使电路两边不对称。分析得到长尾式单端输出时AC1=85.2ｘ10-2，双端输出时Ac2=5.2103ｘ10-2。恒流源式单端输出Ac1ˊ=0.6ｘ10-2，双端输出时Ac2ˊ=0.2560ｘ10-2（3）计算共模抑制比对长尾式和恒流源式差分放大电路分别计算双端输出时的共模抑制比。长尾式差放的共模抑制比KCMR=𝐴𝑑2𝐴𝑐2=53.655.2103ｘ10^−2=1.029ｘ103。恒流源式长尾式差放的共模抑制比KCMR=Ad2ˊAc2ˊ=53.850.2560ｘ10^−2=2.103ｘ104。通过以上的分析可知，恒流源式差放共模抑制能力比长尾式（典型差放）强。2差分放大电路特性分析2.1频率特性分析下面的仿真分析均以对称的双端输入双端输出恒流源式差分放大电路为例。选择仿真/交流分析，弹出交流分析对话框中，选择需要分析的节点10，得到10点的幅度特性和相频特性曲线如图5。【5】图52.2温度扫描分析执行仿真/分析/温度扫描分析命令，设置最高温度为100℃，设置10、11节点为输出变量，瞬态分析的结果得到10、11点的输出波形如图6.1，然后使用后处理器对两个波形相见，如图6.2图6.1图6.23结论Multisim能对差分放大电路的性能特点进行很好的仿真分析。通过以上的分析，对差分放大电路性能总结如下：（1）单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管工作在差分状态。（2）单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，从而使输出电压与输入电压反相或同相。（3）双端输出时，差模电路放大倍数基本与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。（4）双端输出时，两管集电极电压的温漂相互抵消，所在理想情况下共模抑制比KCMR为无穷大；单端输出时，由于引入了长尾电阻或恒流三极管便具有很强的共模负反馈，因此仍然能得到较高的共模抑制比来满足工程需要。参考文献[1]熊旭军.基于Multisim的差分放大电路仿真分析[J].2009XiongXujun.BasedonthedifferentialamplifiercircuitsimulationanalysisofMultisim[J].2009[2]臧春华，郑步生.电子设计自动化技术[M].南京:机械工业出版社,2008ZangChunhua,ZhengBusheng.ElectronicDesignAutomation[M].Nanjing,ChinaMachinePress,2008[3]王成华，胡志忠.现代电子技术（模拟部分）[M].南京：北京航空航天大学出版社，2014WangChenghua,HuZhizhong.Themodernelectronictechnologyfoundation(simulation)[M].Nanjing,Beijingunniversityofaeronauticsandastronauticspress.2014[4]康光华，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，1999KangHuaguang,ChenDaqin,Electronictechnologyfoundation(simulation)[M].Beijing,HigherEducationPress,1999[5]赵雅欣.电子线路PSPICE分析与设计.天津：天津大学出版社，1995ZhaoYaxin.ElectroniccircuitPSPICEsoftwareanalysisanddesign.Tianjin:tianjinuniversitypress,1995作者姓名：贺元林单位名称：南京航空航天大学专业：信息工程研究生类别：本科生地址及邮编：南京市御道街29号210016Email：[e-mail]联系电话[phone]