尹均萍，李玉長(zhǎng)

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

差分放大電路利用電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)的對(duì)稱性，能有效地抑制零點(diǎn)漂移，廣泛應(yīng)用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)，也是集成運(yùn)算放大電路的重要組成部分。由于差分放大電路有兩種輸入和兩種輸出方式，組合后就有四種典型電路。差分放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其對(duì)差模信號(hào)具有很大的放大能力，而對(duì)共模信號(hào)卻具有很強(qiáng)的抑制作用。對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)的分析方法也不同，因而差分放大電路這一部分的內(nèi)容一直是“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)的難點(diǎn)［1]。

為此，筆者把電路設(shè)計(jì)和仿真軟件Multisim 10引入到差分放大電路的課堂教學(xué)中，利用Multisim 10中提供的元器件、儀器儀表以及電路分析方法對(duì)差分放大電路進(jìn)行仿真分析。

1 直流工作點(diǎn)的仿真分析

Multisim 10提供了很多種分析方法，現(xiàn)以圖1所示在共模信號(hào)作用下的差分放大電路為例。軟件執(zhí)行Options/Sheet Properties命令，在Circuit標(biāo)簽頁(yè)中的Net Names區(qū)中選擇Show All，單擊OK按鈕，即可在電路中顯示出各節(jié)點(diǎn)號(hào)。

我們可以直接利用Multisim 10提供的直流工作點(diǎn)分析功能來(lái)測(cè)量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。執(zhí)行Simulate/Analyses/DC Operating Point命令，在彈出的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Output標(biāo)簽，設(shè)置要分析的節(jié)點(diǎn)和電流，最后單擊Simulate按鈕進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果見(jiàn)圖2所示。從仿真結(jié)果可以看出，差分對(duì)管Q1和Q2的靜態(tài)工作點(diǎn)相同，這就驗(yàn)證為什么可以用差分放大電路的單邊(管)直流通路來(lái)計(jì)算差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

圖1 顯示節(jié)點(diǎn)號(hào)的差分放大電路

圖2 直流工作點(diǎn)分析的結(jié)果

2 在共模信號(hào)作用下的仿真分析

如圖3所示電路，電路的兩個(gè)輸入端所加信號(hào)為一對(duì)大小相等、相位相同的信號(hào)，即一對(duì)共模信號(hào)。輸入信號(hào)是頻率為1kHz，有效值VO為1V的正弦波。電壓表U1和U2分別用來(lái)測(cè)量單端輸出電壓的大小;電壓表U3用來(lái)測(cè)量雙端輸出電壓的大小。按下仿真按鈕，電路開始仿真，電壓表設(shè)置為交流電壓檔，內(nèi)阻設(shè)置為10GΩ(內(nèi)阻設(shè)置大誤差小些)，各個(gè)表的讀數(shù)如圖3所示。

圖3 差分放大電路加共模信號(hào)

由電壓表的讀數(shù)可知:雙端輸出電壓VO≈0，這也說(shuō)明了在理想的情況下，雙端輸出的共模放大倍數(shù)AC≈0。單端輸出電壓VO1=VO2=0.487V，由此可以計(jì)算出單端輸出共模電壓放大倍數(shù)為

3 在差模信號(hào)作用下的仿真分析

如在圖4所示的差分放大電路的兩個(gè)輸入端之間加上頻率為1kHz、有效值為100mV的正弦波輸入電壓Vi(實(shí)驗(yàn)中由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生)，電壓表U1和U2分別用來(lái)測(cè)量單端輸出電壓VO1和VO2的大小;電壓表U3用來(lái)測(cè)量雙端輸出電壓VO的大小。采用Multisim 10中提供的四蹤示波器XCS1同時(shí)觀察輸入電壓和輸出電壓的波形［3]。

圖4 差分放大電路加差模信號(hào)

按下仿真按鈕，電路開始仿真，電壓表設(shè)置為交流檔，各個(gè)表顯示讀數(shù)。四蹤示波器所觀察到的波形如圖5所示。從圖4所示的電路和圖5所示的波形可以看出，加在兩個(gè)差分對(duì)管Q1和Q2上輸入電壓vi1、vi2為一對(duì)大小相等、相位相反的信號(hào)，即為一對(duì)差模信號(hào)，其有效值為Vi1=Vi2=Vi/2=50mV。輸出電壓vo1和vo2也是一對(duì)大小相等、相位相反的信號(hào)，因vo1和vi反相，vo2和vi同相，故vo1為反相輸出端，vo2為同相輸出端。

圖5 差分放大電路加差模信號(hào)的輸入、輸出波形

由電壓表的讀數(shù)可知:單端輸出電壓VO1=VO2=2.425V，雙端輸出電壓VO=4.850V。由此可以計(jì)算出雙端輸入—單端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為

雙端輸入—雙端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為

可見(jiàn)，單端輸出電壓放大倍數(shù)為雙端輸出電壓放大倍數(shù)的一半。

通過(guò)仿真和計(jì)算差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)的過(guò)程，使學(xué)生進(jìn)一步加深理解:差分放大電路對(duì)差模信號(hào)具有放大作用，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。

4 單端輸入和雙端輸入的仿真比較

圖6所示差分放大電路，vi1輸入信號(hào)為頻率為1kHz，有效值為100mV的正弦波，vi2端接地，這種輸入方式稱為單端輸入。圖中電壓表U1和U2分別用來(lái)測(cè)量單端輸出電壓vo1和vo2的大小;電壓表U3用來(lái)測(cè)量雙端輸出電壓vo的大小。由于調(diào)零電位器R7的阻值很小，因而當(dāng)忽略調(diào)零電位器上的壓降時(shí)，電壓表U4和U5分別用來(lái)測(cè)量加在兩個(gè)差分對(duì)管Q1和Q2輸入回路上的電壓(即差模分量vid1和vid2的大小);U6用來(lái)測(cè)量發(fā)射極對(duì)地的共模分量vic的大小。

圖6 單端輸入的測(cè)量電路

從圖6電壓表U4、U5和U6的讀數(shù)可以看出，在單端輸入時(shí)，若Re足夠大，就可以認(rèn)為Re支路相當(dāng)于開路，發(fā)射極對(duì)地的電壓ve≈0.5vid，輸入的交流信號(hào)近似均勻分配在兩管的輸入回路上，因而單端輸入時(shí)的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致［6]。在理論計(jì)算時(shí)，我們通常把兩個(gè)輸入端的信號(hào)分解為一對(duì)差模信號(hào)vid1=vid2=0.5vid=0.5(vi1－vi2)和一對(duì)共模信號(hào)vic1=vic2=vic=0.5(vi1+vi2)的疊加。圖6所示電路中差模信號(hào)的有效值為Vid1=Vid2=50mV，共模信號(hào)的有效值為Vic1=Vic2=50mV，和圖中電壓表U4、U5和U6所測(cè)的讀數(shù)基本相同。

在雙端輸出時(shí)，由于AC≈0，因此單端輸入—雙端輸出的輸出電壓和雙端輸入—雙端輸出是相同的，從圖4和圖6的電壓表U3的讀數(shù)相同也可以看出。

在單端輸出時(shí)，由于單端輸出共模電壓放大倍數(shù)的影響，單端輸入—單端輸出電壓和雙端輸入—單端輸出電壓略有不同。由前面計(jì)算出的差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)可以計(jì)算出Vo1、Vo2和Vo分別為

可見(jiàn)，該值和圖6電壓表所示的讀數(shù)相同。

從上面分析可以看出，單端輸入時(shí)電路的差動(dòng)工作狀態(tài)和雙端輸入時(shí)基本相同。也就是說(shuō)，差分放大電路的差動(dòng)工作狀態(tài)與輸入方式無(wú)關(guān)。而差模電壓放大倍數(shù)只與輸出方式有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用Multisim 10仿真軟件，通過(guò)對(duì)典型差分放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，以及對(duì)差分放大電路的單端輸入和雙端輸入的仿真、計(jì)算和比較，使學(xué)生對(duì)差分放大電路的難點(diǎn)和抽象的理論知識(shí)變得直觀，提高了教學(xué)效果。實(shí)踐證明，通過(guò)采用Multisim 10中提供的豐富的電路分析和儀器儀表，借助于Multisim 10仿真軟件輔助講授模擬電子技術(shù)課程，能有效地幫助學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)。

［1] 華成英·模擬電子技術(shù)基本教程［M] ·北京:清華大學(xué)出版社，2006

［2] 聶典丁偉·Multisim 10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［M] ·北京:電子工業(yè)出版社，2009

［3] 吳敏張晨彧·電工電子實(shí)驗(yàn)與仿真［M] ·安徽:安徽人民出版社，2007

［4] 趙世強(qiáng)等·電子電路EDA技術(shù)［M] ·西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000

［5] 王廷才，趙德申·電工電子技術(shù)EDA仿真實(shí)驗(yàn)［M] ·北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003

［6] 康華光·電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)［M] ·北京:高等教育出版社，2000