正確運用Multisim器件模型仿真NE5532最大輸出幅值

潘曉明, 龔 軍, 汪小燕

(華中科技大學 電子信息與通信學院， 武漢 430074)

0 引 言

目前很多高校已將電子電路仿真軟件諸如Multisim、Orcad、Proteus等運用到了電子類課程教學中，使之為教學服務，改進傳統的教學手段，提高教學質量，培養創新意識。尤其是Multisim軟件使用特別方便快捷，被廣泛采用[1-3]。

Multisim電子電路虛擬仿真軟件提供了全面集成化的設計環境，能完成原理圖設計、電路仿真分析和電路功能測試等項工作。在Multisim標準組件庫中，有不少虛擬元器件和儀器的型號是與實驗室現場使用的實際元器件及儀器幾乎完全一致。它們都能加入電路進行仿真分析和操作，這使得學生們非常愿意在自主學習中將Multisim仿真電路與傳統硬件實驗電路相互對照，大大提升了對電子電路學習的興趣和積極性[4-6]。

不過利用Multisim對實驗常用的集成運放芯片NE5532電路進行仿真時，即使電路完全正確，NE5532最大輸出幅值Uomax的仿真數據仍會出現明顯錯誤。分析發現錯誤的原因有兩層，這兩層原因及解決方法都和Multisim元器件仿真模型緊密相關。這里以NE5532運放基本應用電路為例來做說明。

1 運放NE5532基本應用電路及其Multisim仿真

NE5532是一種高性能低噪聲雙運算放大器集成電路。它與很多標準運放特性相似，但具有更好的性能，廣泛應用于音響設備電路中，是很多音響發燒友手中必備的運放之一；也成為了很多學校模擬電路教學實驗中必用的一種芯片。

按常規的Multisim操作步驟在軟件中搭建如圖1的仿真電路，它是以集成運放NE5532AP為核心的11倍同相放大電路，此類電路是教學中要討論的運放基礎應用之一[7]。電路中運放的工作電源采用正負對稱雙電源，直流電壓為±10 V；電路輸入信號是標準正弦波，頻率1 kHz。另外在電路中放置了4個Multisim電壓測量探針，執行電路瞬態仿真時，可通過PR3和PR4探針分別觀測輸入和輸出信號電壓仿真波形。

圖1 Multisim中NE5532AP運放同相放大電路

當輸入信號幅度不大，放大11倍后產生的電路輸出信號小于工作電源電壓時，仿真輸出信號和理論分析結果一致，也和實際硬件電路的結果非常接近，說明搭建的仿真電路沒有問題。

而當電路輸入信號較大時，運放進入非線性工作狀態。理論上，非線性工作狀態下集成運放輸出達到最大輸出幅值Uomax后不再增大，Uomax值受直流工作電源電壓限制，和輸入信號無關[8-9]。對于實際硬件電路，考慮集成運放片內壓降這一器件參數，運放的正/負Uomax應該明顯低于正/負電源電壓。筆者搭建了與圖1基本一致的硬件電路，輸入信號幅度定為2 V。實際輸出的波形如圖2，輸出信號波形(CH2通道)在略低于電源電壓±10 V的位置出現限幅截頂。

圖2 示波器觀察到的實際硬件電路輸出波形

而在Multisim中，輸入信號幅度也定為2 V，此時瞬態仿真分析得到的輸出波形如圖3。圖中顯示電路輸出仍與輸入信號保持11倍無失真放大的關系，輸出信號幅值約22 V，遠超電源電壓±10 V。顯然此仿真結果明顯違背理論分析及實際情況。

圖3 Multisim瞬態仿真輸出波形

2 仿真模型選擇不當導致輸出電壓完全無限制

分析發現這種錯誤的原因是在Multisim搭建電路過程中，沒有選擇適當的NE5532元件仿真模型。Multisim仿真電路功能是基于元器件Spice仿真模型的，對仿真計算來說，元件仿真模型的特性是關鍵。不過在Multisim中，大多數元器件只有一個對應的仿真模型，確定了元器件型號就定了仿真模型，所以通常不強調仿真模型選擇操作，利用軟件缺省選項即可。但實驗教學常用的幾種集成運放，恰恰是多模型器件，缺省選用的模型不適用于運放非線性工作狀態的仿真。

在Multisim放置器件操作的界面中，中間Component框用于選定元器件型號，而右邊中間Model manufacture/ID框會展示對應的仿真模型ID。當元件型號選定NE5532AP，模型ID框會列出Multisim軟件自帶的3個NE5532仿真模型，分別是IIT/NE5532、IIT/NE5532_2、IIT/NE5532A。盡管元件型號以及電路圖中元件圖形符號完全一樣，但不同的仿真模型會帶來不同的仿真結果。

如果不人為選定，則缺省選用排在首行的IIT/NE5532模型來加入電路進行仿真計算。此模型和最后一行的IIT/NE5532A都是NE5532的3端Spice模型[10]，是基于運放交流小信號特性宏模型的。該宏模型適用于運放線性工作狀態仿真，其輸出級只模擬輸出阻抗參數。所以運放3端Spice模型不適合仿真非線性工作狀態。

要仿真運放Uomax特性，必須手動在模型ID框中點擊選定IIT/NE5532_2模型來加入電路。這是NE5532的5端Spice模型，它是基于雙運放全宏模型的。該宏模型能仿真運放直流、交流、小信號、線性與非線性等主要特性，其輸出級能模擬運放的直流和交流輸出電阻、最大短路電流以及最大電壓工作范圍[11]。

可以用Multisim的“View Model”功能查閱所選模型的Spice語句文本。圖4展示了NE5532和NE5532_2這兩個模型部分Spice語句。缺省會選用的NE5532 3端模型只定義了3個外端口(1、2、3是外端口節點編號)；而NE5532_2 5端全宏模型則定義了5個外端口，其內部參數項遠多于3端模型(圖中只展示了其文本開頭部分)。

圖4 NE5532和NE5532_2模型Spice語句文本部分展示

其實不光NE5532運放系列，像LM324這個在實際電子電路教學實驗中經常使用的低成本四運放集成芯片系列[12]，在Multisim中對應著多達9個仿真模型。其中包括缺省在內的多個模型都是3端模型，若要仿真非線性工作狀態也必須手動選擇其五端仿真模型。

3 仿真模型內部參數有誤導致的問題及修正

不過，即使選擇NE5532_2五端仿真模型來搭建圖1所示的電路，仿真得到運放NE5532的Uomax值仍然不能稱之為正確。圖5是選取NE5532_2仿真模型后該電路的仿真輸出波形。由圖可見，確實出現了運放最大輸出受限制而截頂失真的輸出波形，但Uomax在具體數值上仍有錯誤，達到±14.3 V，依然超過電源電壓值。

圖5 用Multisim自帶NE5532_2 5端模型仿真的結果

分析發現這是由于Multisim自帶的NE5532_2仿真模型在Uomax相關參數上有錯誤導致的。要得到接近實際的Uomax仿真輸出，必須修正該NE5532_2仿真模型。

若是對仿真誤差有嚴格要求，則應向實際芯片的生廠商索取正確的Spice仿真模型文件，然后將其整個作為新元件加入到Multisim用戶元件庫中再加以使用[13-14]。而對于一般教學實驗，只需修正與Uomax相關的個別參數，自行修改更簡便。

對運放5端全宏仿真模型的電路進行分析可確定需修改的參數項。圖6所示為Spice雙極型運放5端全宏仿真模型輸出端部分的電路示意圖。圖中UC、D3和UE、D4構成了電壓鉗位電路，正是用來模擬運放Uomax特性的。其中UC、UE是獨立電壓源模型，它們作用單一；在其他參數不變時，它們與Uomax及電源電壓三者之間是簡單的加減關系。故修改這對參數可以解決問題又不會改變其他特性仿真值。對仿真誤差要求不高時，可根據當前仿真數據與對應硬件電路實測數據之間的偏差反推得到UC、UE的修正值。

圖6 Spice雙極型運放5端全宏仿真模型輸出端電路

Multisim允許操作者方便地修改元器件Spice模型數據。在已放入電路的NE5532AP的Properties屬性窗中點選Edit model，會彈出Edit Model窗口，其中包含類似圖4的模型文本，不過此時它們是可修改編輯并保存的。

我們只需關注NE5532_2模型文本中UC5 15 DC -3.367 81 V 和UE12 4 DC -3.367 81 V這兩行(圖4中以虛線框出)，行末的電壓值即是UC、UE的具體數值。正常的UC、UE都應是正數值，而Multisim自帶NE5532_2模型中兩個參數是負數值，正是導致Uomax仿真數據過大的根源。筆者從面包板電路上粗略測量得到此處Uomax正壓值為9.4 V、負壓值為8.6 V(見圖2示波器CH2的測量值)。反推得仿真模型參數中的UC約為 1.55 V，而UE約為2.35 V。于是在Edit Model窗口中將原來的兩行改為:

UC5 15 DC 1.55 V

UE12 4 DC 2.35 V

修改后點擊編輯窗口中的Change Component按鈕，修改的數據將對此電路生效并保存于此仿真電路文件中。重新運行該電路瞬態仿真得到輸出波形如圖7所示，可以看出仿真結果非常接近于圖2的硬件電路實測波形數據。

圖7 修改模型后電路瞬態仿真結果

最后再次進行此電路小信號輸入時的仿真，輸出波形為輸入小信號的11倍無失真放大，由此證明上述修正對于運放線性和非線性工作狀態均正確有效。

若要在其他電路中延用修正過的NE5532模型，可在屬性窗口利用Save Component to DB功能，將其作為新元件加入用戶元件庫留存使用[15]。

4 結 語

由于在Multisim中大多數元器件是單仿真模型的，確定元器件型號就定了仿真模型，所以教學中通常只強調元器件型號的選用。但對于多模型元器件，不了解同型號不同仿真模型之間的區別，很可能造成部分特性仿真結果出錯。尤其是國內教學實驗常用的運放NE5532芯片，若不能保證其只在線性工作狀態，則必須手動選擇該運放五端仿真模型并修正個別參數才可以得到較正確的仿真結果。

所以要更有效地利用Multisim仿真輔助電子電路教學，需要對選擇適當元件仿真模型以及修改模型參數等操作有所強調。這樣能讓學生們更順利地將Multisim仿真與理論教學以及傳統硬件實驗相結合，更深入理解課堂和實驗室學到的知識，對發揮學生的主動性十分有利[16]。