模擬電路仿真軟件

Multisim模擬電路仿真

本章Multisim10電路仿真軟件，講解使用Multisim進行模擬電路仿真的基本方法。

目錄

Multisim軟件入門

二極管電路

基本放大電路

差分放大電路

負反饋放大電路

集成運放信號運算和處理電路

互補對稱(OCL)功率放大電路

信號產生和轉換電路

可調式三端集成直流穩(wěn)壓電源電路

13.1 Multisim用戶界面及基本操作

13.1.1 Multisim用戶界面

在眾多的EDA仿真軟件中，Multisim軟件界面友好、功能強大、易學易用，受到電類設計開發(fā)人員的青睞。Multisim用軟件方法虛擬電子元器件及儀器儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設計、電路測試的虛擬仿真軟件。

Multisim來源于加拿大圖像交互技術公司(Interactive Image Technologies，簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎的仿真工具，原名EWB。

IIT公司于1988年推出一個用于電子電路仿真和設計的EDA工具軟件Electronics Work Bench(電子工作臺，簡稱EWB)，以界面形象直觀、操作方便、分析功能強大、易學易用而得到迅速推廣使用。

1996年IIT推出了EWB5.0版本，在EWB5.x版本之后，從EWB6.0版本開始，IIT對EWB進行了較大變動，名稱改為Multisim(多功能仿真軟件)。

IIT后被美國國家儀器(NI，National Instruments)公司收購，軟件更名為NI Multisim，Multisim經歷了多個版本的升級，已經有Multisim2001、 Multisim7、 Multisim8、Multisim9 、Multisim10等版本，9版本之后增加了單片機和LabVIEW虛擬儀器的仿真和應用。

下面以Multisim10為例介紹其基本操作。圖13.1-1是Multisim10的用戶界面，包括菜單欄、標準工具欄、主工具欄、虛擬儀器工具欄、元器件工具欄、仿真按鈕、狀態(tài)欄、電路圖編輯區(qū)等組成部分。

圖13.1-1 Multisim10用戶界面

菜單欄與Windows應用程序相似，如圖13.1-2所示。

圖13.1-2 Multisim菜單欄

其中，Options菜單下的Global Preferences和Sheet Properties可進行個性化界面設置，Multisim10提供兩套電氣元器件符號標準：

ANSI：美國國家標準學會，美國標準，默認為該標準，本章采用默認設置;

DIN：德國國家標準學會，歐洲標準，與中國符號標準一致。

工具欄是標準的Windows應用程序風格。

標準工具欄：

視圖工具欄：

圖13.1-3是主工具欄及按鈕名稱，圖13.1-4是元器件工具欄及按鈕名稱，圖13.1-5是虛擬儀器工具欄及儀器名稱。

圖13.1-3 Multisim主工具欄

圖13.1-4 Multisim元器件工具欄

圖13.1-5 Multisim虛擬儀器工具欄

項目管理器位于Multisim10工作界面的左半部分，電路以分層的形式展示，主要用于層次電路的顯示，3個標簽為：

Hierarchy：對不同電路的分層顯示，單擊“新建”按鈕將生成Circuit2電路;

Visibility：設置是否顯示電路的各種參數標識，如集成電路的引腳名;

Project View：顯示同一電路的不同頁。

13.1.2 Multisim仿真基本操作

Multisim10仿真的基本步驟為：

建立電路文件

放置元器件和儀表

元器件編輯

連線和進一步調整

電路仿真

輸出分析結果

具體方式如下：

建立電路文件

具體建立電路文件的方法有：

打開Multisim10時自動打開空白電路文件Circuit1，保存時可以重新命名

菜單File/New

工具欄New按鈕

快捷鍵Ctrl+N

放置元器件和儀表

Multisim10的元件數據庫有：主元件庫(Master Database)，用戶元件庫(User Database)，合作元件庫(Corporate Database)，后兩個庫由用戶或合作人創(chuàng)建，新安裝的Multisim10中這兩個數據庫是空的。

放置元器件的方法有：

菜單Place Component

元件工具欄：Place/Component

在繪圖區(qū)右擊，利用彈出菜單放置

快捷鍵Ctrl+W

放置儀表可以點擊虛擬儀器工具欄相應按鈕，或者使用菜單方式。

以晶體管單管共射放大電路放置+12V電源為例，點擊元器件工具欄放置電源按鈕(Place Source)，得到如圖13.1-6所示界面。

圖13.1-6 放置電源

修改電壓值為12V，如圖13.1-7所示。

圖13.1-7 修改電壓源的電壓值

同理，放置接地端和電阻，如圖13.1-8所示。

圖13.1-8 放置接地端(左圖)和電阻(右圖)

圖13.1-9為放置了元器件和儀器儀表的效果圖，其中左下角是函數信號發(fā)生器，右上角是雙通道示波器。

圖13.1-9 放置元器件和儀器儀表

3. 元器件編輯

(1)元器件參數設置

雙擊元器件，彈出相關對話框，選項卡包括：

Label：標簽，Refdes編號，由系統(tǒng)自動分配，可以修改，但須保證編號唯一性

Display：顯示

Value：數值

Fault：故障設置，Leakage漏電;Short短路;Open開路;None無故障(默認)

Pins：引腳，各引腳編號、類型、電氣狀態(tài)

(2)元器件向導(Component Wizard)

對特殊要求，可以用元器件向導編輯自己的元器件，一般是在已有元器件基礎上進行編輯和修改。方法是：菜單Tools/ Component Wizard，按照規(guī)定步驟編輯，用元器件向導編輯生成的元器件放置在User Database(用戶數據庫)中。

4. 連線和進一步調整

連線：

(1)自動連線：單擊起始引腳，鼠標指針變?yōu)椤笆弊中危苿邮髽酥聊繕艘_或導線，單擊，則連線完成，當導線連接后呈現丁字交叉時，系統(tǒng)自動在交叉點放節(jié)點(Junction);

(2)手動連線：單擊起始引腳，鼠標指針變?yōu)椤笆弊中魏?，在需要拐彎處單擊，可以固定連線的拐彎點，從而設定連線路徑;

(3)關于交叉點，Multisim10默認丁字交叉為導通，十字交叉為不導通，對于十字交叉而希望導通的情況，可以分段連線，即先連接起點到交叉點，然后連接交叉點到終點;也可以在已有連線上增加一個節(jié)點(Junction)，從該節(jié)點引出新的連線，添加節(jié)點可以使用菜單Place/Junction，或者使用快捷鍵Ctrl+J。

進一步調整：

(1)調整位置：單擊選定元件，移動至合適位置;

(2)改變標號：雙擊進入屬性對話框更改;

(3)顯示節(jié)點編號以方便仿真結果輸出：菜單Options/Sheet Properties/Circuit/Net Names，選擇Show All;

(4)導線和節(jié)點刪除：右擊/Delete，或者點擊選中，按鍵盤Delete鍵。

圖13.1-10是連線和調整后的電路圖，圖13.1-11是顯示節(jié)點編號后的電路圖。

圖13.1-10 連線和調整后的電路圖

(a)顯示節(jié)點編號對話框 (b)顯示節(jié)點編號后的電路圖

1

圖13.1-11 電路圖的節(jié)點編號顯示

5.電路仿真

基本方法：

按下仿真開關，電路開始工作，Multisim界面的狀態(tài)欄右端出現仿真狀態(tài)指示;

雙擊虛擬儀器，進行儀器設置，獲得仿真結果

圖13.1-12是示波器界面，雙擊示波器，進行儀器設置，可以點擊Reverse按鈕將其背景反色，使用兩個測量標尺，顯示區(qū)給出對應時間及該時間的電壓波形幅值，也可以用測量標尺測量信號周期。

圖13.1-12 示波器界面(右圖為點擊Reverse按鈕將背景反色)

輸出分析結果

使用菜單命令Simulate/Analyses，以上述單管共射放大電路的靜態(tài)工作點分析為例，步驟如下：

菜單Simulate/Analyses/DC Operating Point

選擇輸出節(jié)點1、4、5，點擊ADD、Simulate

圖13.1-13 靜態(tài)工作點分析

13.2 二極管及三極管電路13.2.1 二極管參數測試仿真實驗

半導體二極管是由PN結構成的一種非線性元件。典型的二極管伏安特性曲線可分為4個區(qū)：死區(qū)、正向導通區(qū)、反向截止區(qū)、反向擊穿區(qū)，二極管具有單向導電性、穩(wěn)壓特性，利用這些特性可以構成整流、限幅、鉗位、穩(wěn)壓等功能電路。

半導體二極管正向特性參數測試電路如圖13.2-1所示。表13.2-1是正向測試的數據，從仿真數據可以看出：二極管電阻值不是固定值，當二極管兩端正向電壓小，處于“死區(qū)”，正向電阻很大、正向電流很小，當二極管兩端正向電壓超過死區(qū)電壓，正向電流急劇增加，正向電阻也迅速減小，處于“正向導通區(qū)”。

圖13.2-1 二極管正向特性測試電路

表13.2-1 二極管正向特性仿真測試數據

Rw

10%

20%

30%

50%

70%

90%

Vd/mV

299

496

544

583

613

660

Id/mA

0.004

0.248

0.684

1.529

2.860

7.286

rd=Vd/Id(歐姆)

74750

2000

795

381

214

90.58

半導體二極管反向特性參數測試電路如圖13.2-2所示。

圖13.2-2 二極管反向特性測試電路

表13.2-2是反向測試的數據，從仿真數據可以看出：二極管反向電阻較大，而正向電阻小，故具有單向特性。反向電壓超過一定數值(VBR)，進入“反向擊穿區(qū)”，反向電壓的微小增大會導致反向電流急劇增加。

表13.2-2 二極管反向特性仿真測試數據

Rw

10%

30%

50%

80%

90%

100%

Vd/mV

10000

30000

49993

79982

80180

80327

Id/mA

0

0.004

0.007

0.043

35

197

rd=Vd/Id(歐姆)

∞

7.5E6

7.1E6

1.8E6

2290.9

407.8

13.2.2 二極管電路分析仿真實驗

二極管是非線性器件，引入線性電路模型可使分析更簡單。有兩種線性模型：

(1)大信號狀態(tài)下的理想二極管模型，理想二極管相當于一個理想開關;

(2)正向壓降與外加電壓相比不可忽略，且正向電阻與外接電阻相比可以忽略時的恒壓源模型，即一個恒壓源與一個理想二極管串聯。

圖13.2-3是二極管實驗電路，由圖中的電壓表可以讀出：二極管導通電壓Von = 0.617V; 輸出電壓Vo = -2.617V。

圖13.2-3二極管實驗電路(二極管為IN4148)

利用二極管的單向導電性、正向導通后其壓降基本恒定的特性，可實現對輸入信號的限幅，

圖13.2-4(a)是二極管雙向限幅實驗電路。V1和V2是兩個電壓源，根據電路圖，上限幅值為：V1+Von，下限幅值為：–V2–Von。在Vi的正半周，當輸入信號幅值小于(V1+Von)時，D1、D2均截止，故Vo = Vi;當Vi大于(V1+Von)時，D1導通、D2截止，Vo = V1+Von≈4.65V;在Vi的負半周，當|Vi| < V2+Von時，D1、D2均截止，Vo = Vi;當|Vi| >(V2+Von)時，D2導通、D1截止，Vo = -(V2+Von)≈ -2.65V。圖13.2-4(b)是二極管雙向限幅實驗電路的仿真結果，輸出電壓波形與理論分析基本一致。

(a)二極管雙向限幅仿真電路 (b)輸出電壓波形

圖13.2-4 二極管雙向限幅實驗電路

13.2.3 三極管特性測試

選擇虛擬晶體管特性測試儀(IV-Analysis)XIV1，雙擊該圖標，彈出測試儀界面，進行相應設置，如圖13.2-5所示，點擊Sim_Param按鈕，設置集射極電壓的起始范圍、基極電流的起始范圍，以及基極電流增加步數Num_Steps(對應特性曲線的根數)，單擊仿真按鈕，得到一簇三極管輸出特性曲線。

右擊其中的一條曲線，選擇show select marts，則選中了某一條特性曲線，移動測試標尺，則在儀器界面下部可以顯示對應的基極電流、集射極電壓、集電極電流。根據測得的和值，可以計算出該工作點處的直流電流放大倍數，根據測得的和，可以計算出交流電流放大倍數。

圖13.2-5 用晶體管特性測試儀測量三極管特性

13.3 單管基本放大電路13.3.1 共射放大電路仿真實驗

放大是對模擬信號最基本的處理，圖13.3-1是單管共射放大電路(NPN型三極管)的仿真電路圖。

圖13.3-1 單管共射放大電路(NPN型三極管)

進行直流工作點分析，采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在對話框中設置分析節(jié)點及電壓或電流變量，如圖13.3-2所示。圖13.3-3是直流工作點分析結果。

圖13.3-2 直流工作點分析對話框

圖13.3-3 直流工作點分析結果

當靜態(tài)工作點合適，并且加入合適幅值的正弦信號時，可以得到基本無失真的輸出，如圖13.3-4所示。

圖13.3-4 單管共射放大電路輸入輸出波形

但是，持續(xù)增大輸入信號，由于超出了晶體管工作的線性工作區(qū)，將導致輸出波形失真，如圖13.3-5(a)所示，圖13.3-5(b)是進行傅里葉頻譜分析的結果，可見輸出波形含有高次諧波分量。

(a)輸出波形失真 (b)傅里葉頻譜分析結果

圖13.3-5 增大輸入后的失真輸出波形及其頻譜分析結果

靜態(tài)工作點過低或者過高也會導致輸出波形失真，如圖13.3-6所示，由于基極電阻過小，導致基極電流過大，靜態(tài)工作點靠近飽和區(qū)，集電極電流也因此變大，輸出電壓，大的集電極電流導致整個電路的輸出電壓變小，因此從輸出波形上看，輸出波形的下半周趨于被削平了，屬于飽和失真。

圖13.3-6 減小Rb后的失真輸出波形

13.3.2 場效應管放大電路仿真實驗

場效應管的轉移特性

場效應管的轉移特性指漏-源電壓固定時，柵-源電壓對漏極電流的控制特性，即 ，按照圖13.3-7搭建N溝道增強型場效應管轉移特性實驗電路，單擊Multisim10 菜單“Simulate/Analyses/DC Sweep…”選擇直流掃描分析功能，在彈出的對話框“Analysis Parameters”中設置所要掃描的直流電源，并設置起始和終止值、步長值，在“Output”選項卡中選擇節(jié)點2的電壓V[2]為分析節(jié)點，由于源極電阻，所以電壓V[2]的數值等于源極電流，也等于漏極電流。由圖13.3-7(b)可知，N溝道增強型場效應管2N7002的開啟電壓V。

(a)仿真電路 (b)轉移特性仿真結果

圖13.3-7 場效應管轉移特性直流掃描分析

2. 場效應管共源放大電路

圖13.3-8是場效應管共源放大電路仿真實驗電路圖，調整電阻和構成的分壓網絡可以改變，從而改變電壓放大倍數。此外，改變電阻、也可改變輸出電壓。

(a)仿真電路 (b)輸入和輸出電壓波形

圖13.3-8 場效應管共源放大電路仿真

13.4 放大電路指標測量13.4.1 輸入電阻測量

萬用表可以測量交直流電壓、交直流電流、電阻、電路中兩個節(jié)點之間的分貝損耗，不需用戶設置量程，參數默認為理想參數(比如電流表內阻為0)，用戶可以修改參數。點擊虛擬儀器萬用表(Multimeter)，接入放大電路的輸入回路，本例中將萬用表設置為交流，測得的是有效值(RMS值)。由于交流輸入電阻要在合適的靜態(tài)工作點上測量，所以直流電源要保留。

由圖13.4-1可見，測得輸入回路的輸入電壓有效值為3.536mV，電流為2.806μA，輸入電阻。

在實驗室中進行的實物電路的輸入電阻測量要采用間接測量方法，這是因為實際的電壓表、電流表都不是理想儀器，電流表內阻不是0，而電壓表內阻不是無窮大。

(a) 輸入電阻測量電路

(b)電壓、電流測量結果

圖13.4-1 放大電路輸入電阻測量電路圖

13.4.2 輸出電阻的測量

采用外加激勵法，將信號源短路，負載開路，在輸出端接電壓源，并測量電壓、電流，如圖13.4-2所示。

由圖13.4-2可見，測得輸出回路的激勵電壓有效值為707.106mV，電流為517.861μA，輸出電阻。

(a)輸出電阻測量

(b)電壓、電流測量結果

圖13.4-2 放大電路輸出電阻測量電路圖

13.4.3 幅頻特性的測量

可以用示波器測量放大電路的增益，以電阻分壓式共射放大電路為例，圖13.4-3(a)是測量電壓放大倍數的電路圖，圖13.4-3(b)是示波器輸出波形。

移動測試標尺可以讀出輸入輸出波形幅值，進而計算出電壓放大倍數，但是，可以發(fā)現，標尺處于不同位置計算出的結果不同，僅可作為估計值，此外，輸出波形與輸入波形相比，存在一定相移，不是理想的反相，即發(fā)生了相移，相移大小與頻率有關，這就是該放大電路的相頻特性。

除了用示波器進行放大倍數測量的方法。還有兩種方法：掃描分析法和波特儀測量法。

(a) (b)

圖13.4-3 分壓式共射放大電路放大倍數的測量

掃描分析法

由菜單Simulate/Analyses/AC Analysis，彈出AC Analysis(交流分析)對話框，如圖13.4-4所示，選項卡Frequency Parameters中設置Start frequency(起始頻率，本例設為1Hz)、Stop frequency(終止頻率，本例設為10GHz)、Sweep type(掃描方式，本例設為Decade，十倍頻掃描)、Number of points per decade(每十倍頻的采樣點數，默認為10)、Vertical scale(縱坐標刻度，默認是Logarithmic，即對數形式，本例選擇Linear，即線性坐標，更便于讀出其電壓放大倍數)。

在Output選項卡中選擇節(jié)點5的電壓V[5]為分析變量，按下Simulate(仿真)按鈕，得到圖13.4-4(b)所示的頻譜圖，包括幅頻特性和相頻特性兩個圖。

在幅頻特性波形圖的左側，有個紅色的三角塊指示，表明當前激活圖形是幅頻特性，為了詳細獲取數值信息，按下工具欄的Show/Hide Cursors按鈕，則顯示出測量標尺和數據窗口，移動測試標尺，則可以讀取詳細數值，如圖(c)和(d)所示。同理，可激活相頻特性圖形，進行相應測量。

(a)AC Analysis對話框 (b)被分析節(jié)點的幅頻和相頻特性

(c) 用測試標尺讀取詳細數值 (d)頻響數據

圖13.4-4 掃描分析法進行放大電路幅頻特性測量

2. 波特儀測量法

波特儀(Bode Plotter)也稱為掃頻儀，用于測量電路的頻響(幅頻特性、相頻特性)，將波特儀連接至輸入端和被測節(jié)點，如圖13.4-5(a)所示，雙擊波特儀，獲得頻響特性，圖13.4-5(b)是幅頻響應，圖13.4-5(c)是相頻響應。

(a)波特儀測試頻響電路圖

(b)幅頻特性測試結果

(c)相頻特性測試結果

圖13.4-5 掃描分析法進行放大電路幅頻特性測量

波特儀的面板設置：

(1)Mode：模式選擇，點擊Magnitude獲得幅頻響應曲線，選擇Phase獲得相頻響應曲線;

(2)水平和垂直坐標：點擊Log選擇對數刻度，點擊Lin選擇線性刻度;

(3)起始范圍：F文本框內填寫終了值及單位，I文本框內填寫起始值及單位。

13.5 差動放大電路13.5.1 差動放大電路仿真電路

直接耦合是多級放大的重要級間連接方式，對直流信號、變化緩慢的信號只能用直接耦合，但隨之而來的是零點漂移問題，影響電路的穩(wěn)定，解決這個問題的一個辦法是采用差動放大電路，在電子設備中常用差動放大電路放大差摸信號，抑制溫度變化、電源電壓波動等引起的共模信號。

圖13.5-1是差動放大電路仿真電路，是由兩個相同的共射放大電路組成的，當開關J1撥向左側時，構成了一個典型的差動放大電路，調零電位器Rw用來調節(jié)Q1、Q2管的靜態(tài)工作點，使得輸入信號為0時，雙端輸出電壓(即電阻RL上的電壓)為0。

當開關J1撥向右側時，構成了一個具有恒流源的差動放大電路，用恒流源代替射極電阻Re，可以進一步提高抑制共模信號的能力。

差動放大電路的輸入信號既可以是交流信號，也可以是直流信號。圖13.5-1中，輸入信號由函數發(fā)生器提供，函數發(fā)生器(Function Generator)可以產生正弦波、三角波、矩形波電壓信號，可設置的參數有：頻率、幅值、占空比、直流偏置，頻率范圍很寬(0.001pHz~1000THz)。

差動放大電路需要一正一負兩個電壓源，實際中不存在負的電壓源，將正極接地，則電壓源的負極可以提供負的電壓，因此，按照圖中的接法可以提供正負電壓源。

差動放大電路有兩個輸入端和兩個輸出端，因此電路組態(tài)有雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出4種，凡是雙端輸出，差摸電壓放大倍數與單管情況下相同，凡是單端輸出，差摸電壓放大倍數為單管情況下的一半。

圖13.5-1 差動放大電路仿真電路

13.5.2 差動放大電路的調零

調零是指差動放大器輸入端不接入信號，調整電路參數使兩個輸出端達到等電位。

圖13.5-2中是調整電位器Rw，使節(jié)點3和節(jié)點4的電壓相同，這時可認為左右兩側的電路已經對稱，調零工作完成。

圖中的電壓讀數也是兩個三極管的集電極靜態(tài)工作電壓。

圖13.5-2 差動放大電路的調零

13.5.3 差動放大電路的靜態(tài)工作點

采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，選擇節(jié)點仿真可以獲得靜態(tài)工作點指標，下面采用另一種方法，將電流表和電壓表接入仿真電路，獲得更直觀的靜態(tài)工作點測量結果，如圖13.5-3所示。

圖13.5-3 差動放大電路的靜態(tài)工作點測量

13.5.4 差模增益和共模增益測量

差模電壓增益

雙端輸入雙端輸出情況下的差摸電壓放大倍數是輸出端電壓差除以輸入端電壓差。

為獲得較大電壓增益，將仿真電路的參數進行一些調整，測量電路如圖13.5-4所示。

函數發(fā)生器設置為輸出正弦波，頻率1kHz，幅值5mV，“+”端和“-”端接入差動放大電路的兩個輸入端，COM端接地。

用電壓表測量輸入端的電壓差，注意雙擊電壓表，將測量模式(Mode)改為交流(AC)模式。

由圖中測量數據，輸入端電壓差為7.071mV，輸出端電壓差為308.991mV，雙入雙出模式時的差摸電壓增益為。

當開關J1撥向右側時，以恒流源代替射極電阻，則差摸電壓增益增加到。

仿真可發(fā)現，負載電阻RL對增益值影響很大，此外，調零電阻Rw、基極電阻Rb1、Rb2、集電極電阻Rc1、Rc2均有影響。

圖13.5-4 雙入雙出差動放大電路的差摸增益測量

共模電壓增益

將兩輸入端短接，COM端接地，構成共模輸入方式，如圖13.5-5所示。

調整輸入信號頻率為1kHz，幅值為1mV，在負載電阻兩端接萬用表，測得輸出電壓為6pV左右，“皮”的數量級為10-12，幾乎為零?？梢姡顒臃糯箅娐穼材Ｐ盘栍泻軓姷囊种菩Ч?。

圖13.5-5 雙入雙出差動放大電路的共摸增益測量

13.6 集成運放電路

由分立元件構成的電路具有電子設計上靈活性大的優(yōu)點，但缺點是功耗大、穩(wěn)定性差、可靠性差，此外，設計本身較復雜。集成電路采用微電子技術構成具有特定功能的電路系統(tǒng)模塊，與分立元件構成的電路相比，性能有了很大提高，電子設計也更為簡單。

集成運算放大器是高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、直接耦合的線性放大集成電路，功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性高?？梢酝ㄟ^外圍元器件的連接構成放大器、信號發(fā)生電路、運算電路、濾波器等電路。

以集成運放μA741為例，圖13.6-1是μA741的管腳示意圖及實物照片。

圖13.6-1 集成運放μA741管腳示意圖及實物照片

13.6.1 比例放大電路

用μA741組成同相比例放大電路，仿真電路圖如圖13.6-2所示。根據同相比例電路的增益公式，圖13.6-2的電壓增益應為：。

(a)同相比例放大電路

(b)輸入、輸出電壓波形

圖13.6-2 集成運放μA741構成的同相比例放大電路

從波形上看，輸入、輸出同相位，用測試標尺測量幅值，可發(fā)現輸出與輸入的比例為3，在一定范圍內調整負載電阻，波形基本不變，說明該電路帶負載能力強。同理，可以進行反相比例放大電路的仿真，圖13.6-3是集成運放μA741構成的反相比例放大電路，其電壓增益應為：，這與示波器讀數一致。

圖13.6-3 集成運放μA741構成的反相比例放大電路及波形

由仿真可見，由運算放大器構成比例放大電路的電路結構簡單、設計容易、性能穩(wěn)定、帶負載能力強。

13.6.2有源濾波電路

根據濾波電路中有無有源元件可將濾波器電路分為無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器由無源元器件(電阻、電容、電感)構成電路網絡，但其濾波特性隨著負載的變化而變化，負載效應明顯，不能滿足很多應用場合的要求，有源濾波器則通過運放電路提高輸入阻抗，降低輸出阻抗而大大減少了負載效應。

簡單的有源濾波器是在無源濾波器輸出端接一個由運放電路構成的電壓跟隨器或同相比例放大器，使得濾波的同時可以放大信號，并且提高帶負載能力。

圖13.6-4是簡單的二階低通有源濾波電路，運放U1和電阻Rf、R3構成同相比例放大電路，放大倍數為，電阻R1、電容C1、電阻R2、電容C2組成的RC網絡是二階低通濾波電路，其特征頻率為Hz。信號源是幅值為1V的交流電壓源。

用菜單命令Simulate/Analyses/AC Analysis對其進行交流分析，頻率范圍設置為1Hz~1MHz，掃描類型Sweep type選擇Decade，縱坐標Vertical Scale選擇Linear，Output選項卡中選擇節(jié)點4作為分析節(jié)點，單擊Simulate按鈕，可得到其頻率特性，如圖13.6-5所示。

圖13.6-4 簡單二階低通有源濾波電路

由頻率特性可以看出：最大輸出為1.9996V，截止頻率為對應V(即增益下降3dB)的頻率，約為125.4003Hz(標尺2處)，而在特征頻率處(標尺1處，338.2989Hz)，幅值已下降至672.8329mV，可見，實際的截止頻率遠小于特征頻率。為縮小二者的差別，可引入正反饋增大特征頻率處的幅值，這就是所謂的壓控電壓源二階低通濾波器。

圖13.6-5簡單二階低通有源濾波電路的頻率特性

將電容C1的下端直接接在濾波器輸出端，構成圖13.6-6所示的壓控電壓源二階低通濾波器，其頻率特性如圖13.6-7所示。

圖13.6-6 壓控電壓源二階低通濾波電路

圖13.6-7 壓控電壓源二階低通濾波電路的頻率特性

可以看出，特征頻率處的幅值有所增大，在特征頻率處(測量標尺1，338.2989Hz)幅值增大為1.9857V，截止頻率為1.414V所對應的頻率，在測量標尺2處(幅值為1.3912)，對應頻率為439.2605Hz，二者差距由約213Hz縮小至約100Hz，特征頻率和截止頻率差距大大縮小了。

品質因數Q的物理意義是特征頻率處的電壓增益與通帶電壓增益之比，理論分析給出品質因數Q與通帶增益的關系為：，而在本節(jié)例子中，通帶增益，因此，改變運放電阻或者即可改變品質因數。

13.7 直流穩(wěn)壓電源13.7.1 橋式整流濾波電路

建立如圖13.7-1所示的單相橋式整流濾波電路，變壓器取值Basic Group組的BASIC_VIRTUAL中的TS_VIRTUAL，設置變比(本例設為10)，變壓器的二次側有3個抽頭，可以有兩種接法，如圖13.7-1中的(a)和(b)所示，前者的整流波形最大值約為15V，后者約為30V，整流橋選自Diodes組中的FWB中的元件。

(a)變壓器輸出15V整流波形

(b)變壓器輸出30V整流波形

圖13.7-1 單相橋式整流濾波電路

以圖13.7-1(b)電路為例，圖13.7-2是該單相橋式整流濾波電路的輸出波形，圖(a)是未接入濾波電容C1時的輸出波形，即整流橋輸出波形，圖(b)是接入濾波電容C1時的輸出波形，可見，橋式整流后用濾波電容進行濾波，電壓平均值上升，電壓波動(波紋系數)減小了。

但是，RC回路參數對波形影響很大，波形與濾波電容的大小有關系，也與負載大小有關系。將負載增至10kΩ，輸出波形如圖13.7-2(c)所示，可見輸出電壓的波動進一步減小，若繼續(xù)將濾波電容增至100μF，則電壓波形趨于理想，如圖13.7-2(d)所示。

當負載較輕(對應負載電阻大)，對電壓波形要求不高時，可采用這種方式提供直流電壓，為減少紋波系數，可適當增大濾波電容。

(a)未接入濾波電容C1時的輸出波形 (b)接入濾波電容C1時的輸出波形

(c)電容為47μF、負載為10kΩ時的輸出波形 (d)電容為100μF、負載為10kΩ時的輸出波形

圖13.7-2 單相橋式整流濾波電路的輸出波形

13.7.2 串聯線性穩(wěn)壓電路

串聯穩(wěn)壓是指穩(wěn)壓元件(調整三極管)與負載串聯的穩(wěn)壓電路，圖13.7-3是串聯線性穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管取自Diodes組的DIODES_VIRTUAL中的ZENER_VIRTUAL，可修改穩(wěn)壓值;調整三極管的選擇要確保最大耗散功率滿足要求(一般不小于2W)，并保證電流輸出能力(對應最小輸出電壓);取樣電阻取千歐級以降低功耗。

圖13.7-3 串聯線性穩(wěn)壓電路

圖13.7-4是串聯線性穩(wěn)壓電路的輸入、輸出波形，示波器上部的波形是串聯穩(wěn)壓電路輸入電壓信號，可見存在電壓紋波，下部的波形是串聯穩(wěn)壓電路的輸出電壓信號，幾乎是理想的直流電壓。

調整取樣電位器，可以調整輸出電壓的幅值，獲得一定可調范圍的直流輸出電壓。