潘曉明, 龔 軍, 汪小燕

(華中科技大學(xué) 電子信息與通信學(xué)院， 武漢 430074)

0 引 言

目前很多高校已將電子電路仿真軟件諸如Multisim、Orcad、Proteus等運(yùn)用到了電子類課程教學(xué)中，使之為教學(xué)服務(wù)，改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。尤其是Multisim軟件使用特別方便快捷，被廣泛采用[1-3]。

Multisim電子電路虛擬仿真軟件提供了全面集成化的設(shè)計環(huán)境，能完成原理圖設(shè)計、電路仿真分析和電路功能測試等項(xiàng)工作。在Multisim標(biāo)準(zhǔn)組件庫中，有不少虛擬元器件和儀器的型號是與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場使用的實(shí)際元器件及儀器幾乎完全一致。它們都能加入電路進(jìn)行仿真分析和操作，這使得學(xué)生們非常愿意在自主學(xué)習(xí)中將Multisim仿真電路與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)電路相互對照，大大提升了對電子電路學(xué)習(xí)的興趣和積極性[4-6]。

不過利用Multisim對實(shí)驗(yàn)常用的集成運(yùn)放芯片NE5532電路進(jìn)行仿真時，即使電路完全正確，NE5532最大輸出幅值Uomax的仿真數(shù)據(jù)仍會出現(xiàn)明顯錯誤。分析發(fā)現(xiàn)錯誤的原因有兩層，這兩層原因及解決方法都和Multisim元器件仿真模型緊密相關(guān)。這里以NE5532運(yùn)放基本應(yīng)用電路為例來做說明。

1 運(yùn)放NE5532基本應(yīng)用電路及其Multisim仿真

NE5532是一種高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器集成電路。它與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放特性相似，但具有更好的性能，廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備電路中，是很多音響發(fā)燒友手中必備的運(yùn)放之一；也成為了很多學(xué)校模擬電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)中必用的一種芯片。

按常規(guī)的Multisim操作步驟在軟件中搭建如圖1的仿真電路，它是以集成運(yùn)放NE5532AP為核心的11倍同相放大電路，此類電路是教學(xué)中要討論的運(yùn)放基礎(chǔ)應(yīng)用之一[7]。電路中運(yùn)放的工作電源采用正負(fù)對稱雙電源，直流電壓為±10 V；電路輸入信號是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率1 kHz。另外在電路中放置了4個Multisim電壓測量探針，執(zhí)行電路瞬態(tài)仿真時，可通過PR3和PR4探針分別觀測輸入和輸出信號電壓仿真波形。

圖1 Multisim中NE5532AP運(yùn)放同相放大電路

當(dāng)輸入信號幅度不大，放大11倍后產(chǎn)生的電路輸出信號小于工作電源電壓時，仿真輸出信號和理論分析結(jié)果一致，也和實(shí)際硬件電路的結(jié)果非常接近，說明搭建的仿真電路沒有問題。

而當(dāng)電路輸入信號較大時，運(yùn)放進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。理論上，非線性工作狀態(tài)下集成運(yùn)放輸出達(dá)到最大輸出幅值Uomax后不再增大，Uomax值受直流工作電源電壓限制，和輸入信號無關(guān)[8-9]。對于實(shí)際硬件電路，考慮集成運(yùn)放片內(nèi)壓降這一器件參數(shù)，運(yùn)放的正/負(fù)Uomax應(yīng)該明顯低于正/負(fù)電源電壓。筆者搭建了與圖1基本一致的硬件電路，輸入信號幅度定為2 V。實(shí)際輸出的波形如圖2，輸出信號波形(CH2通道)在略低于電源電壓±10 V的位置出現(xiàn)限幅截頂。

圖2 示波器觀察到的實(shí)際硬件電路輸出波形

而在Multisim中，輸入信號幅度也定為2 V，此時瞬態(tài)仿真分析得到的輸出波形如圖3。圖中顯示電路輸出仍與輸入信號保持11倍無失真放大的關(guān)系，輸出信號幅值約22 V，遠(yuǎn)超電源電壓±10 V。顯然此仿真結(jié)果明顯違背理論分析及實(shí)際情況。

圖3 Multisim瞬態(tài)仿真輸出波形

2 仿真模型選擇不當(dāng)導(dǎo)致輸出電壓完全無限制

分析發(fā)現(xiàn)這種錯誤的原因是在Multisim搭建電路過程中，沒有選擇適當(dāng)?shù)腘E5532元件仿真模型。Multisim仿真電路功能是基于元器件Spice仿真模型的，對仿真計算來說，元件仿真模型的特性是關(guān)鍵。不過在Multisim中，大多數(shù)元器件只有一個對應(yīng)的仿真模型，確定了元器件型號就定了仿真模型，所以通常不強(qiáng)調(diào)仿真模型選擇操作，利用軟件缺省選項(xiàng)即可。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用的幾種集成運(yùn)放，恰恰是多模型器件，缺省選用的模型不適用于運(yùn)放非線性工作狀態(tài)的仿真。

在Multisim放置器件操作的界面中，中間Component框用于選定元器件型號，而右邊中間Model manufacture/ID框會展示對應(yīng)的仿真模型ID。當(dāng)元件型號選定NE5532AP，模型ID框會列出Multisim軟件自帶的3個NE5532仿真模型，分別是IIT/NE5532、IIT/NE5532_2、IIT/NE5532A。盡管元件型號以及電路圖中元件圖形符號完全一樣，但不同的仿真模型會帶來不同的仿真結(jié)果。

如果不人為選定，則缺省選用排在首行的IIT/NE5532模型來加入電路進(jìn)行仿真計算。此模型和最后一行的IIT/NE5532A都是NE5532的3端Spice模型[10]，是基于運(yùn)放交流小信號特性宏模型的。該宏模型適用于運(yùn)放線性工作狀態(tài)仿真，其輸出級只模擬輸出阻抗參數(shù)。所以運(yùn)放3端Spice模型不適合仿真非線性工作狀態(tài)。

要仿真運(yùn)放Uomax特性，必須手動在模型ID框中點(diǎn)擊選定IIT/NE5532_2模型來加入電路。這是NE5532的5端Spice模型，它是基于雙運(yùn)放全宏模型的。該宏模型能仿真運(yùn)放直流、交流、小信號、線性與非線性等主要特性，其輸出級能模擬運(yùn)放的直流和交流輸出電阻、最大短路電流以及最大電壓工作范圍[11]。

可以用Multisim的“View Model”功能查閱所選模型的Spice語句文本。圖4展示了NE5532和NE5532_2這兩個模型部分Spice語句。缺省會選用的NE5532 3端模型只定義了3個外端口(1、2、3是外端口節(jié)點(diǎn)編號)；而NE5532_2 5端全宏模型則定義了5個外端口，其內(nèi)部參數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)多于3端模型(圖中只展示了其文本開頭部分)。

圖4 NE5532和NE5532_2模型Spice語句文本部分展示

其實(shí)不光NE5532運(yùn)放系列，像LM324這個在實(shí)際電子電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的低成本四運(yùn)放集成芯片系列[12]，在Multisim中對應(yīng)著多達(dá)9個仿真模型。其中包括缺省在內(nèi)的多個模型都是3端模型，若要仿真非線性工作狀態(tài)也必須手動選擇其五端仿真模型。

3 仿真模型內(nèi)部參數(shù)有誤導(dǎo)致的問題及修正

不過，即使選擇NE5532_2五端仿真模型來搭建圖1所示的電路，仿真得到運(yùn)放NE5532的Uomax值仍然不能稱之為正確。圖5是選取NE5532_2仿真模型后該電路的仿真輸出波形。由圖可見，確實(shí)出現(xiàn)了運(yùn)放最大輸出受限制而截頂失真的輸出波形，但Uomax在具體數(shù)值上仍有錯誤，達(dá)到±14.3 V，依然超過電源電壓值。

圖5 用Multisim自帶NE5532_2 5端模型仿真的結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)這是由于Multisim自帶的NE5532_2仿真模型在Uomax相關(guān)參數(shù)上有錯誤導(dǎo)致的。要得到接近實(shí)際的Uomax仿真輸出，必須修正該NE5532_2仿真模型。

若是對仿真誤差有嚴(yán)格要求，則應(yīng)向?qū)嶋H芯片的生廠商索取正確的Spice仿真模型文件，然后將其整個作為新元件加入到Multisim用戶元件庫中再加以使用[13-14]。而對于一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)，只需修正與Uomax相關(guān)的個別參數(shù)，自行修改更簡便。

對運(yùn)放5端全宏仿真模型的電路進(jìn)行分析可確定需修改的參數(shù)項(xiàng)。圖6所示為Spice雙極型運(yùn)放5端全宏仿真模型輸出端部分的電路示意圖。圖中UC、D3和UE、D4構(gòu)成了電壓鉗位電路，正是用來模擬運(yùn)放Uomax特性的。其中UC、UE是獨(dú)立電壓源模型，它們作用單一；在其他參數(shù)不變時，它們與Uomax及電源電壓三者之間是簡單的加減關(guān)系。故修改這對參數(shù)可以解決問題又不會改變其他特性仿真值。對仿真誤差要求不高時，可根據(jù)當(dāng)前仿真數(shù)據(jù)與對應(yīng)硬件電路實(shí)測數(shù)據(jù)之間的偏差反推得到UC、UE的修正值。

圖6 Spice雙極型運(yùn)放5端全宏仿真模型輸出端電路

Multisim允許操作者方便地修改元器件Spice模型數(shù)據(jù)。在已放入電路的NE5532AP的Properties屬性窗中點(diǎn)選Edit model，會彈出Edit Model窗口，其中包含類似圖4的模型文本，不過此時它們是可修改編輯并保存的。

我們只需關(guān)注NE5532_2模型文本中UC5 15 DC -3.367 81 V 和UE12 4 DC -3.367 81 V這兩行(圖4中以虛線框出)，行末的電壓值即是UC、UE的具體數(shù)值。正常的UC、UE都應(yīng)是正數(shù)值，而Multisim自帶NE5532_2模型中兩個參數(shù)是負(fù)數(shù)值，正是導(dǎo)致Uomax仿真數(shù)據(jù)過大的根源。筆者從面包板電路上粗略測量得到此處Uomax正壓值為9.4 V、負(fù)壓值為8.6 V(見圖2示波器CH2的測量值)。反推得仿真模型參數(shù)中的UC約為 1.55 V，而UE約為2.35 V。于是在Edit Model窗口中將原來的兩行改為:

UC5 15 DC 1.55 V

UE12 4 DC 2.35 V

修改后點(diǎn)擊編輯窗口中的Change Component按鈕，修改的數(shù)據(jù)將對此電路生效并保存于此仿真電路文件中。重新運(yùn)行該電路瞬態(tài)仿真得到輸出波形如圖7所示，可以看出仿真結(jié)果非常接近于圖2的硬件電路實(shí)測波形數(shù)據(jù)。

圖7 修改模型后電路瞬態(tài)仿真結(jié)果

最后再次進(jìn)行此電路小信號輸入時的仿真，輸出波形為輸入小信號的11倍無失真放大，由此證明上述修正對于運(yùn)放線性和非線性工作狀態(tài)均正確有效。

若要在其他電路中延用修正過的NE5532模型，可在屬性窗口利用Save Component to DB功能，將其作為新元件加入用戶元件庫留存使用[15]。

4 結(jié) 語

由于在Multisim中大多數(shù)元器件是單仿真模型的，確定元器件型號就定了仿真模型，所以教學(xué)中通常只強(qiáng)調(diào)元器件型號的選用。但對于多模型元器件，不了解同型號不同仿真模型之間的區(qū)別，很可能造成部分特性仿真結(jié)果出錯。尤其是國內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的運(yùn)放NE5532芯片，若不能保證其只在線性工作狀態(tài)，則必須手動選擇該運(yùn)放五端仿真模型并修正個別參數(shù)才可以得到較正確的仿真結(jié)果。

所以要更有效地利用Multisim仿真輔助電子電路教學(xué)，需要對選擇適當(dāng)元件仿真模型以及修改模型參數(shù)等操作有所強(qiáng)調(diào)。這樣能讓學(xué)生們更順利地將Multisim仿真與理論教學(xué)以及傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，更深入理解課堂和實(shí)驗(yàn)室學(xué)到的知識，對發(fā)揮學(xué)生的主動性十分有利[16]。