彭志华,彭延峰,宁艳桃,郭燕春

(南华大学数理学院,湖南衡阳 421001)

基于Multisim的恒流源式差分放大电路分析

彭志华,彭延峰,宁艳桃,郭燕春

(南华大学数理学院,湖南衡阳 421001)

以Multisim为平台分析恒流源式差分放大电路。使用虚拟电压表、电流表、示波器、函数发生器等虚拟元件,仿真分析恒流源式差分放大电路的工作特性,并演示Multisim中虚拟仪器及各种分析方法的使用。对差分放大器中各三极管的静态工作点和差模电压放大倍数的仿真分析结果与理论计算相符。

Multisim;恒流源式差分放大电路;仿真分析;静态工作点;差模电压放大倍数

0 引言

21世纪以来,电子设计自动化(EDA)技术已经成为现代电子设计不可缺少的工具。利用EDA工具进行电子电路的计算机分析、仿真和电子电路设计已经越来越广泛[1]。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的电子线路仿真软件 EWB(Electronics Work-bench,虚拟电子工作平台)的升级版。Multisim为用户提供了一个集成一体化的设计实验环境。利用Multisim,建立电路、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中可以全部完成。其仿真手段切合实际,元器件和仪器与实际情况非常接近。Multisim元件库中不仅有数千种电路元器件可供选用,而且与目前较常用的电路分析软件 PSpice提供的元器件完全兼容[2]。Multisim提供了丰富的分析功能,其中包括电路的瞬态分析、稳态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析和离散傅里叶分析等多种工具。本文以Multisim为工作平台,深入分析了恒流源式差分放大电路。利用Multisim可以实现从原理图到 PCB布线工具(如 Electronics Workbench的Ultiboard)的无缝隙数据传输,且界面直观,操作方便[3]。

1 电路设计

通常情况下,直接耦合放大电路有一个缺点,即零点漂移,严重时使放大器无法正常工作。为了解决这一问题,可采用差分放大电路。差分放大电路的基本形式有三种:简单形式、长尾式和恒流源式。差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。静态时恒流源式差分放大电路如图 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,三极管Q1、Q2、Q3的型号均为2N2222A(三极管基射极间的电压为0.7 V,放大倍数为80)。

图1 静态时恒流源式差分放大电路

2 理论分析

在静态时,忽略Q3的基极电流,那么 R7上的电压为直流电源V1和V2之和,经过电阻 R6和 R7分压后得到[5]

电阻 R5上的电压为:

恒流管Q3的静态电流为:

由于三个放大管的参数对称,则它们的静态电流和电压分别为

因温度为300 K时,VT恒为26 m V,则

在恒流源式差分放大电路中,三极管Q3代替长尾电阻。当集电极电压VCE变化时,集电极电流基本保持不变,三极管c,e极之间的等效动态电阻很大。因此,三极管Q3相当于一个很大的长尾电阻 Re,从而可以获得很强的共模负反馈,同时又不要求很高的负电源电压。

由于恒流管所引入的是共模负反馈,当加入差模输入信号时,两个放大管的集电极电流一个将增加,另一个将减少,二者总和保持不变,它们的发射极电位保持不变,相当于一个固定电压。因此,在交流通路中,恒流管可看作短路。

在两个三极管集电极之间加入9.4 kΩ的负载电阻 R9,则差模电压增益Aud为

3 仿真分析

图2为恒流源式差分放大器的静态分析电路。静态时,在指示元件库中选择电压表和电流表,与各个三极管的输入输出相连,可直观得出各个三极管的静态电压和静态电流。

图2 恒流源式差分放大器的静态分析电路

图3 恒流源式差分放大器的输入输出仿真分析电路

4 结语

由以上分析可知,Multisim中的仿真分析结果与理论计算结果十分接近。利用 EDA工具软件M uhisim进行电子技术设计型实验教学,改变了利用电子元器件、仪器等物质手段的传统设计型实验教学模式,从而更好地培养学生的实验技能、提高学生的电路设计能力,培养学生的科学作风和创新精神,为以后从事电子技术方面的工作打下良好的基础。因此,把Multisim仿真实验和传统的实验教学有机地结合起来,取长补短,充分发挥各种实验方式的优势,能让学生在理论和实验的教学中更多地受益。

图4 恒流源式差分放大器的输入输出仿真分析结果

[1] 黄蒙,彭良玉.仿真软件在复杂电路中的应用[J].现代电子技术,2009,24:69-71.

[2] 熊伟,侯传教,梁青,等.M ultislm7电路设计及仿真应用[M].北京:清华大学出版社,2005:1-20.

[3] 孙筠.Multisim应用于电子技术实验教学的研究[J].科技信息,2007,27:201-202.

[4] 黄培根,奚慧平.Multisim7&与电子技术实验[M].杭州:浙江大学出版社,2004:60-62.

[5] 康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,1999:231-241.

(责任编校: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

湖南省科技计划项目(2010FJ4092);南华大学研究生教育教学改革研究项目(2007yjg06)

彭志华(1962-),男,博士,副教授,主要从事电路仿真与设计、纳米材料电磁特性的研究。