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

(南華大學數理學院,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

(南華大學數理學院,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、函數發生器等虛擬元件,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工作點和差模電壓放大倍數的仿真分析結果與理論計算相符。

Multisim;恒流源式差分放大電路;仿真分析;靜態工作點;差模電壓放大倍數

0 引言

21世紀以來,電子設計自動化(EDA)技術已經成為現代電子設計不可缺少的工具。利用EDA工具進行電子電路的計算機分析、仿真和電子電路設計已經越來越廣泛[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為用戶提供了一個集成一體化的設計實驗環境。利用Multisim,建立電路、仿真分析和結果輸出在一個集成菜單中可以全部完成。其仿真手段切合實際,元器件和儀器與實際情況非常接近。Multisim元件庫中不僅有數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分析、穩態分析、時域分析、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可以實現從原理圖到 PCB布線工具(如 Electronics Workbench的Ultiboard)的無縫隙數據傳輸,且界面直觀,操作方便[3]。

1 電路設計

通常情況下,直接耦合放大電路有一個缺點,即零點漂移,嚴重時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。差分放大電路是構成多級直接耦合放大電路的基本單元電路。靜態時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,放大倍數為80)。

圖1 靜態時恒流源式差分放大電路

2 理論分析

在靜態時,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的靜態電流為:

由于三個放大管的參數對稱,則它們的靜態電流和電壓分別為

因溫度為300 K時,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。當集電極電壓VCE變化時,集電極電流基本保持不變,三極管c,e極之間的等效動態電阻很大。因此,三極管Q3相當于一個很大的長尾電阻 Re,從而可以獲得很強的共模負反饋,同時又不要求很高的負電源電壓。

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

在兩個三極管集電極之間加入9.4 kΩ的負載電阻 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分析電路。靜態時,在指示元件庫中選擇電壓表和電流表,與各個三極管的輸入輸出相連,可直觀得出各個三極管的靜態電壓和靜態電流。

圖2 恒流源式差分放大器的靜態分析電路

圖3 恒流源式差分放大器的輸入輸出仿真分析電路

4 結語

由以上分析可知,Multisim中的仿真分析結果與理論計算結果十分接近。利用 EDA工具軟件M uhisim進行電子技術設計型實驗教學,改變了利用電子元器件、儀器等物質手段的傳統設計型實驗教學模式,從而更好地培養學生的實驗技能、提高學生的電路設計能力,培養學生的科學作風和創新精神,為以后從事電子技術方面的工作打下良好的基礎。因此,把Multisim仿真實驗和傳統的實驗教學有機地結合起來,取長補短,充分發揮各種實驗方式的優勢,能讓學生在理論和實驗的教學中更多地受益。

圖4 恒流源式差分放大器的輸入輸出仿真分析結果

[1] 黃蒙,彭良玉.仿真軟件在復雜電路中的應用[J].現代電子技術,2009,24:69-71.

[2] 熊偉,侯傳教,梁青,等.M ultislm7電路設計及仿真應用[M].北京:清華大學出版社,2005:1-20.

[3] 孫筠.Multisim應用于電子技術實驗教學的研究[J].科技信息,2007,27:201-202.

[4] 黃培根,奚慧平.Multisim7&與電子技術實驗[M].杭州:浙江大學出版社,2004:60-62.

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

(責任編校: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

湖南省科技計劃項目(2010FJ4092);南華大學研究生教育教學改革研究項目(2007yjg06)

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