基于Multisim的恒流源式差分放大電路分析

彭志華,彭延峰,寧艷桃,郭燕春

(南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院,湖南衡陽 421001)

基于Multisim的恒流源式差分放大電路分析

彭志華,彭延峰,寧艷桃,郭燕春

(南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院,湖南衡陽 421001)

以Multisim為平臺分析恒流源式差分放大電路。使用虛擬電壓表、電流表、示波器、函數(shù)發(fā)生器等虛擬元件,仿真分析恒流源式差分放大電路的工作特性,并演示Multisim中虛擬儀器及各種分析方法的使用。對差分放大器中各三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)和差模電壓放大倍數(shù)的仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算相符。

Multisim;恒流源式差分放大電路;仿真分析;靜態(tài)工作點(diǎn);差模電壓放大倍數(shù)

0 引言

21世紀(jì)以來,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)不可缺少的工具。利用EDA工具進(jìn)行電子電路的計(jì)算機(jī)分析、仿真和電子電路設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越廣泛[1]。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的電子線路仿真軟件 EWB(Electronics Work-bench,虛擬電子工作平臺)的升級版。Multisim為用戶提供了一個(gè)集成一體化的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。利用Multisim,建立電路、仿真分析和結(jié)果輸出在一個(gè)集成菜單中可以全部完成。其仿真手段切合實(shí)際,元器件和儀器與實(shí)際情況非常接近。Multisim元件庫中不僅有數(shù)千種電路元器件可供選用,而且與目前較常用的電路分析軟件 PSpice提供的元器件完全兼容[2]。Multisim提供了豐富的分析功能,其中包括電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析和離散傅里葉分析等多種工具。本文以Multisim為工作平臺,深入分析了恒流源式差分放大電路。利用Multisim可以實(shí)現(xiàn)從原理圖到 PCB布線工具(如 Electronics Workbench的Ultiboard)的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸,且界面直觀,操作方便[3]。

1 電路設(shè)計(jì)

通常情況下,直接耦合放大電路有一個(gè)缺點(diǎn),即零點(diǎn)漂移,嚴(yán)重時(shí)使放大器無法正常工作。為了解決這一問題,可采用差分放大電路。差分放大電路的基本形式有三種:簡單形式、長尾式和恒流源式。差分放大電路是構(gòu)成多級直接耦合放大電路的基本單元電路。靜態(tài)時(shí)恒流源式差分放大電路如圖 1所示[4]。其中,R1=510Ω,R2=21 kΩ,R3= 21 kΩ,R4=510Ω,R5=3 kΩ,R6=6-kΩ,R7=13 kΩ,PP1=330Ω,三極管Q1、Q2、Q3的型號均為2N2222A(三極管基射極間的電壓為0.7 V,放大倍數(shù)為80)。

圖1 靜態(tài)時(shí)恒流源式差分放大電路

2 理論分析

在靜態(tài)時(shí),忽略Q3的基極電流,那么 R7上的電壓為直流電源V1和V2之和,經(jīng)過電阻 R6和 R7分壓后得到[5]

電阻 R5上的電壓為:

恒流管Q3的靜態(tài)電流為:

由于三個(gè)放大管的參數(shù)對稱,則它們的靜態(tài)電流和電壓分別為

因溫度為300 K時(shí),VT恒為26 m V,則

在恒流源式差分放大電路中,三極管Q3代替長尾電阻。當(dāng)集電極電壓VCE變化時(shí),集電極電流基本保持不變,三極管c,e極之間的等效動(dòng)態(tài)電阻很大。因此,三極管Q3相當(dāng)于一個(gè)很大的長尾電阻 Re,從而可以獲得很強(qiáng)的共模負(fù)反饋,同時(shí)又不要求很高的負(fù)電源電壓。

由于恒流管所引入的是共模負(fù)反饋,當(dāng)加入差模輸入信號時(shí),兩個(gè)放大管的集電極電流一個(gè)將增加,另一個(gè)將減少,二者總和保持不變,它們的發(fā)射極電位保持不變,相當(dāng)于一個(gè)固定電壓。因此,在交流通路中,恒流管可看作短路。

在兩個(gè)三極管集電極之間加入9.4 kΩ的負(fù)載電阻 R9,則差模電壓增益Aud為

3 仿真分析

圖2為恒流源式差分放大器的靜態(tài)分析電路。靜態(tài)時(shí),在指示元件庫中選擇電壓表和電流表,與各個(gè)三極管的輸入輸出相連,可直觀得出各個(gè)三極管的靜態(tài)電壓和靜態(tài)電流。

圖2 恒流源式差分放大器的靜態(tài)分析電路

圖3 恒流源式差分放大器的輸入輸出仿真分析電路

4 結(jié)語

由以上分析可知,Multisim中的仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分接近。利用 EDA工具軟件M uhisim進(jìn)行電子技術(shù)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué),改變了利用電子元器件、儀器等物質(zhì)手段的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)和創(chuàng)新精神,為以后從事電子技術(shù)方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。因此,把Multisim仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,充分發(fā)揮各種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢,能讓學(xué)生在理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中更多地受益。

圖4 恒流源式差分放大器的輸入輸出仿真分析結(jié)果

[1] 黃蒙,彭良玉.仿真軟件在復(fù)雜電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,24:69-71.

[2] 熊偉,侯傳教,梁青,等.M ultislm7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-20.

[3] 孫筠.Multisim應(yīng)用于電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].科技信息,2007,27:201-202.

[4] 黃培根,奚慧平.Multisim7&與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2004:60-62.

[5] 康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社,1999:231-241.

(責(zé)任編校:李高峰)

Analysis of Constant Current Source Differential Amplifier Circuit Based on Muhisim

PENG Zhi-hua,PENG Yan-feng,NING Yan-tao,GUO Yan-chun

(School Of Mathematics and Physics,University of South China,Hengyang 421001,China)

In this paper,constant current source differential amplifier circuit is analyzed based on Multisim.With virtual instruments including voltmeters,ammeters,scilloscopes,and function generators,the paper describes the working characteristics of constant current source differential amplifier circuit.Furthermore,the virtual instruments and analytic methods in Multisim are demonstrated.The simulation results for the quiescent point and differential mode voltage amplification factor are in agreement with theoretical calculations.

Multisim;constant current source differential amplifier circuit;simulation analysis; quiescent point;differential mode voltage amplification factor

TM 13

A

1672-349X(2010)06-0044-02

2010-10-10

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010FJ4092);南華大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2007yjg06)

彭志華(1962-),男,博士,副教授,主要從事電路仿真與設(shè)計(jì)、納米材料電磁特性的研究。