Multisim 10是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)推出的功能強(qiáng)大的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件,，具有豐富的新型元器件及虛擬儀器,、強(qiáng)大的Spice仿真、數(shù)據(jù)可視化及分析測(cè)試功能,，可對(duì)模擬,、數(shù)字、自動(dòng)控制,、射頻,、單片機(jī)等各種電路進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、仿真分析及功能測(cè)試,。Multis-im 10提供了一個(gè)強(qiáng)大的原理圖捕獲和交互式仿真平臺(tái),，電路的設(shè)計(jì)調(diào)試、元器件及測(cè)試儀器的調(diào)用,、各種分析方法的使用直觀方便,，測(cè)試參數(shù)精確可靠，是應(yīng)用廣泛的優(yōu)秀EDA系統(tǒng)。本文以典型差動(dòng)放大電路為例,，主要探討Multisim 10的多種分析方法在電子電路仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,。
1 電路設(shè)計(jì)
在Multisim 10中建立了如圖1所示的典型差動(dòng)放大電路。T1,，T2均為NPN晶體管(2N2222A),，電流放大系數(shù)β設(shè)置為80。撥動(dòng)開關(guān)J1,，J2可選擇在差動(dòng)放大電路的輸入端加入直流或交流信號(hào),。數(shù)字萬(wàn)用表用于測(cè)量直流輸出電壓，示波器用于觀測(cè)交流輸入／輸出電壓波形,，測(cè)量探針用于仿真時(shí)實(shí)時(shí)顯示待測(cè)支路的電壓和電流,。
實(shí)際電路中T1，T2宜選用差分對(duì)管,，晶體管的靜態(tài)電流ICQ不宜超過(guò)1 mA,。由ICQ可選取兩管共用的發(fā)射極電阻Re，且Re不影響差模電壓放大倍數(shù),，僅對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此可以有效地抑?ldquo;零點(diǎn)漂移”，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn),。由于兩個(gè)放大器的參數(shù)不可能完全一致,，因此通過(guò)電位器Rp對(duì)電路進(jìn)行調(diào)零。
基極電阻Rb1,，Rb2應(yīng)根據(jù)差模輸入電阻的要求選定,。選取集電極電阻Rc1、Rc2時(shí)應(yīng)使靜態(tài)工作點(diǎn)靠近負(fù)載線的中點(diǎn),。根據(jù)輸入端和輸出端接“地”情況的不同,，差動(dòng)放大電路有以下4種不同接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出,、單端輸入雙端輸出,、單端輸入單端輸出。
2 靜態(tài)工作點(diǎn)分析
圖1差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)因輸入端不加信號(hào),，T1,，T2的基極電位近似為零，因此電位器Rp兩端的電位均為-UBE(對(duì)于硅管約為-0．7 V),，如電位器Rp的滑動(dòng)端處于中點(diǎn)位置,，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)為：
Multisim 10中直流工作點(diǎn)分析方法是對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)，主要用來(lái)計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn),，此時(shí)電路中的交流電源將被置為零,，電感短路,，電容開路。進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析時(shí)需將電路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示在電路圖上(見圖1),，并需要選擇待分析的節(jié)點(diǎn)編號(hào),。依次執(zhí)行Simulate／Analyses／DC Operating Point(直流工作點(diǎn))分析命令，設(shè)置圖1中1,，2,，u01，u02,，Iprobe2，Iprobe3為輸出節(jié)點(diǎn)(變量),，得到圖2所示的靜態(tài)工作點(diǎn)分析結(jié)果：Ie=1．48 mA,，Ic1=Ic2=0．732 mA，Uc1=Uc2=4．68 V,，所測(cè)參數(shù)與式(1)～式(3)分析結(jié)果基本一致,。
3 參數(shù)掃描分析
參數(shù)掃描分析用來(lái)研究電路中某個(gè)元件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)電路性能的影響。選擇圖1中電阻Re為參數(shù)掃描分析元件,，分析其阻值變化對(duì)電路輸出波形的影響,。圖1差動(dòng)放大電路設(shè)置為交流信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz,、幅值為150 mV,，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Parametet Sweep(參數(shù)掃描)命令，設(shè)置掃描方式為L(zhǎng)inear(線性掃描),，設(shè)置電阻Re掃描起始值為5 kΩ,，掃描終值為7．5 kΩ，掃描點(diǎn)數(shù)為3,，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01,，得到如圖3(a)所示參數(shù)掃描分析結(jié)果。當(dāng)Re=5 kΩ時(shí),，由于T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)偏高,，其輸出電壓u01產(chǎn)生了飽和失真?？梢?，Re阻值的變化影響差動(dòng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。
4 溫度掃描分析
溫度掃描分析用來(lái)研究溫度變化對(duì)電路性能的影響,，相當(dāng)于在不同的工作溫度下進(jìn)行多次仿真,。
圖1差動(dòng)放大電路設(shè)置為交流信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz,、幅值為10 mV,，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Tempera-ture Sweep(溫度掃描)命令,，設(shè)置掃描方式為L(zhǎng)ist(取列表值掃描)，設(shè)置掃描溫度為0℃,，27℃,，120℃，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01得到如圖3(b)所示溫度掃描分析結(jié)果,。隨著溫度的升高,，T1管的輸出電壓幅值變小?？梢?，故溫度變化會(huì)影響單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。
由于溫度的變化與T1,，T2參數(shù)的變化相同,，集電極靜態(tài)電流、電位的變化也相等,，故輸出電壓u0的變化為零,，可將溫度變化等效為共模信號(hào)，因此差動(dòng)放大電路對(duì)溫度變化產(chǎn)生的“零點(diǎn)漂移”具有抑制作用,。
5 動(dòng)態(tài)參數(shù)分析
圖1電路的差模電壓放大倍數(shù)Aud與單管共射電路相同,，且Aud由輸出方式?jīng)Q定，而與輸入方式無(wú)關(guān),。
計(jì)算雙端輸出差模放大倍數(shù)為：
5．1 傳遞函數(shù)分析
依據(jù)傳遞函數(shù)分析可計(jì)算電路中輸入源與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓或一個(gè)電流輸出變量之間的直流小信號(hào)傳遞函數(shù),，同樣可以用于計(jì)算輸入和輸出的阻抗。
將圖1電路分別設(shè)置為直流差模,、直流共模信號(hào)輸入方式,，依次執(zhí)行Simulate／Analyses／Transfer Function Analysis(傳遞函數(shù)分析)命令，設(shè)置V3為輸入電壓源,，設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)為u01,，分別得到如圖4(a)，4(b)所示傳遞函數(shù)分析結(jié)果,。由圖4測(cè)得Aud1=-12．4,，Auc1=-0.64，所測(cè)參數(shù)與式(5),、式(6)分析結(jié)果基本一致,。
5．2 直流信號(hào)測(cè)試
撥動(dòng)開關(guān)J1，J2,，在圖1電路中兩輸入端加入直流差模信號(hào)ui1=+0．1V,，ui2=-0．1V，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得uo1=2．246V,，uo2=7.115V,。計(jì)算Aud=(2．246-7．115)／0．2=-24．345,，Aud1=(2．246-4．68)／0．2=-12．17，Aud2=(7．115-4．68)／0．2=12．175,。在圖1電路中兩輸入端加入直流共模信號(hào)ui1=ui2=0．1 V,，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得uo1=uo2=4．616 V。計(jì)算Auc1=Auc2=(4．616-4．68)／0．1=-0．64,，Auc為零,。直流信號(hào)測(cè)試參數(shù)與式(4)～式(6)分析結(jié)果基本一致。
5．3 交流信號(hào)測(cè)試
5．3．1 單端輸出
在圖1電路中兩輸入端分別加入交流差模信號(hào)(函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出端接ui1,、地端接ui2,，構(gòu)成單端輸入方式)及交流共模信號(hào)(函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出端同時(shí)接ui1，ui2),，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz,、幅值為10 mV。
通過(guò)示波器觀測(cè)差模,、共模信號(hào)輸入波形和單端輸出波形如圖5所示,。由示波器測(cè)得：差模單端輸出電壓的幅值約為119mV,，Aud2=11.9,；共模單端輸出電壓的幅值約為6．4 mV，Auc1=-0．64,。單端輸出測(cè)試參數(shù)與式(5),、式(6)分析結(jié)果基本一致。
5．3．2 雙端輸出
由于Multisim 10提供的示波器不能直接測(cè)量uo兩端的電壓波形,，因此需通過(guò)后處理器對(duì)雙端輸出電壓進(jìn)行觀測(cè),。在進(jìn)行后處理之前需要對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，然后將瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行后處理,。瞬態(tài)分析是一種非線性電路分析方法,，可用來(lái)分析電路中某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí),，Multisim 10會(huì)根據(jù)給定的時(shí)間范圍,，選擇合理的時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算所選節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓,，通常以節(jié)點(diǎn)電壓波形作為瞬態(tài)分析的結(jié)果,。圖1電路設(shè)置為交流差模信號(hào)輸入方式，設(shè)置正弦波輸入信號(hào)頻率為1 kHz,、幅值為10 mV,，依次執(zhí)行Simulate／An-alyses／Transient Analysis(瞬態(tài)分析)命令，選擇圖1電路中節(jié)點(diǎn)uo1,，uo2的電壓作為輸出變量,，得到如圖6所示的瞬態(tài)分析結(jié)果,。可見,，uo1,，uo2大小相等、相位相反,。后處理器(Postprocessor)是專門對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算處理的工具,，不僅能對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算，還能對(duì)多個(gè)曲線或數(shù)據(jù)之間進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理,，并將結(jié)果繪制到曲線圖或圖表中,，繪制的結(jié)果表現(xiàn)為“軌跡線”的形式。
依次執(zhí)行Simulate／Postprocessor(后處理器)命令,，選擇對(duì)圖6瞬態(tài)分析結(jié)果中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(uo1,，uo2)輸出電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的差模信號(hào)雙端輸出電壓uo波形如圖7所示,。由圖7可測(cè)得uo的幅值約為242 mV,，計(jì)算Aud=-24．2，雙端輸出測(cè)試參數(shù)與式(4)分析結(jié)果基本一致,。圖1電路設(shè)置為交流共模信號(hào)輸入方式,，通過(guò)瞬態(tài)分析和后處理器測(cè)得共模信號(hào)雙端輸出電壓uo幅值僅為0．062μV，Auc=6．2×10-6,?？梢姡顒?dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)具有很好的抑制作用,。
6 結(jié)語(yǔ)
Multisim 10具有強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)和仿真分析功能,，以典型差動(dòng)放大電路為例，利用直流工作點(diǎn)分析和傳遞函數(shù)分析對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn),、差模及共模電壓放大倍數(shù)的仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)值進(jìn)行比較,，利用參數(shù)掃描及溫度掃描分析了電路參數(shù)變化對(duì)輸出波形的影響，利用瞬態(tài)分析,、后處理器分析對(duì)實(shí)際應(yīng)用中難以觀測(cè)的雙端輸出電壓波形進(jìn)行了測(cè)試,，電路各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均與真實(shí)值相符，提高了電路的設(shè)計(jì)和分析效率,。研究表明,，利用Multisim 10進(jìn)行電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)，不僅速度快,，效率高,，參數(shù)測(cè)試精確可靠，而且可廣泛應(yīng)用于電氣控制,、電子信息,、通信工程,、自動(dòng)化等各種電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。