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1、第 4章 Mutisims9在模拟电路中的应用 模拟电路是电子专业学习专业课的基础，主要内容包括了半导体器件如：二极管、三极管、晶闸管等的工作原理，分立放大电路、集成运算放大器以及滤波电路的分析和设计等主要内容。在本章中，将结合上述内容来介绍9的使用方法，以便帮助读者在熟练使用9的基础上，快速地使用9来分析和设计电路。41 常用半导体器件411二极管仿真测量9在元件库中提供了几百种不同型号的二极管。二极管传统的测试方法有电压电流表和万用表测试法、晶体管图示仪测试法，在9中也同样可以用虚拟电压电流表和虚拟万用表法及IV分析仪法测试二极管。1用虚拟电流、电压表测量二极管在电路工作窗口中建立如图4-
2、1所示的二极管测量电路。这是PN结或二极管加正向电压的特性演示左侧为3D理想二极管，右侧为真实二极管1N4148。先通过 A、B键使J1、J2两个开关打开，单击Simulate按钮，开始仿真，按下 A键，电压表 U1显示 D1极管两端的正向压降，电流表 U2显示流过 D1二极管的正向电流。按下 B键，电压表 U3显示二极管 IN4148两端的正向压降，电流表U4显示流过二极管IN4148的正向电流。正向压降较小，正向电流较大，称为二极管的正向导通。数据如图4-1中电表所示。图4-1 二极管加正向电压仿真电路将图4-1中的二极管反向连接，将电压表改接（电压表内阻会引起测量误差），就组成图4-2所
3、示二极管加反向电压电路。对PN结或二极管加反向电压做仿真演示，数据如图4-2中电表所示。反向压降很大，反向电流极小，称为二极管的反向截止。 图4-2 二极管加反向电压仿真电路按照图4-1和图4-2 电路，多次改变电阻R1、R2的阻值，可测量到一组电压与电流的数值，用这些数据在坐标纸上可描绘出一条曲线，这就是二极管的特性曲线。 2用IV分析仪测量二极管IV分析仪可以很方便地测量常用半导体器件的伏安特性，图4-3是IV法测二极管伏安特性电路，其左图中的二极管为3D理想二极管，右图中的二极管为真实二极管IN4148。双击IV分析仪图标，打开分析仪面板。按下述方法进行设置：Components栏，选择
4、Diode；Current Range（A）区，选择 Log，设定适当的电流范围；Voltage Range（V）区，选择Log，设定适当的电压范围。打开仿真开关，即可观察到二极管的正向特性曲线。拖动读数指针，可以测出具体数据。如图4-4所示。图4-3 IV分析仪测量二极管图4-4 IV分析仪面板及测量的二极管特性曲线412三极管仿真测量1用虚拟万用表测量三极管图4-5是用虚拟万用表测晶体三极管。用万用表的电阻挡，对比各电极间的正反向电阻，可以测量晶体管，通常使用指针式万用表。打开仿真开关，前4个图用于判断基极b和确定晶体管的类型，后两个图用于判定集电极c和发射极e，还可以估测放大倍数。实际测
5、量时：首先判定基极b。具体方法是：先将万用表的某一表笔固定接晶体管的某一管脚，用另一表笔分别接另外两支管脚，测它们的电阻，如果测得的数值都很大或都很小（如图中万用表XMMI、XMMZ的读数或XMM3、XMM4的读数）；再将表笔交换，重复上述测量，证实测得的数值与先前的测量完全相反，那么，可断定这支管脚是b。如果红表笔接b时测得图4-5用虚拟万用表测三极管的数值大，黑表笔接b时测得的数值小，则断定此晶体管是NPN型的。先假定另外两支管脚中的某一支是C，则按第5种接法测量c、e之间的电阻，再在c、e间接一个几十千欧的电阻，重复测量，看电阻值的变化。如果第一次像万用表XMM5一样数值很大，第二次像X
6、MM6那样数值较大，可判定这一假设是正确的。1用IV分析仪测量三极管图4-6 是IV法测量晶体管的伏安特性。左侧3只为3D理想管，右侧3只为真实管。 2N2222A、ZSA1015和BSP149是常见的几种晶体管。按图4-6所示建立测量电路，双击IV分析仪的图标，按下述进行设置：Components栏：第l、4台 IV仪选择BJT NPN，第2、5台 IV仪选择BJT PNP，第3、6台 IV仪选择 NMOS。Current Range（A）区和 Voltage Range（V）区均选择 Lin，F和I值均不需设定。打开仿真开关，即可以对比观察它们的伏安特性，如图4-7所示，拖动读数指针还可以
7、进行精确测量。图4-6 IV法测量晶体管伏安特性图4-7 IV法测量NPN管伏安特性曲线42 放大电路分析放大电路是构成模拟电子电路的基本单元，分析电子电路首先要从它的基本单元着手。421单管放大电路仿真测量晶体管单管放大电路是最常见的低频小信号放大电路，它的实质是利用小信号来控制大信号。放大器是电子器件中不可缺少的部分，而晶体管单管放大电路是学习大信号放大器的基础。根据晶体管单管放大电路的组成原理，在Multisim9的电路窗口中建立如图4-8所示的放大电路。对于此电路可以进行如下的常见的电路分析方法。图4-8 单管共发射极放大电路1 直流工作点分析单击Simulate/Analysis/D
8、C Operation Point Analysis，在弹出的对话框中将全部电压节点都作为输出节点，单击Simulate按钮，开始仿真。结果如图4-9所示。图4-9单管共发射极放大电路直流工作点分析2动态分析（1）瞬态分析瞬态分析是电路的响应在激励的作用下在时间域内的函数波形。在这里利用示波器来观测晶体管单管放大电路的输入输出信号波形的比较。结果如图4-10所示。在图4-10中，可以看到晶体管单管放大电路的输入与输出之间，在相位上基本是反相的关系，但是存在一定的相位误差。图4-10单管共发射极放大电路瞬态分析（2）交流分析交流分析就是对电路的交流频率响应分析。单击 Simulate/Analy
9、sis/AC Analysis，将节点4和5作为输出节点，其余保持默认设置。交流分析的结果如图4-11所示。图4-11单管共发射极放大电路交流分析在交流分析的幅频和相频响应曲线中，只是简单地列出了晶体管单管放大电路的响应曲线，如果想知道比较确定的游标数值，可以单击图中的按钮。本例中，晶体管单管放大电路的输入与输出的相位差大约为18.8。 3放大倍数的分析放大倍数是单管放大电路的重要的参数指标，表征了小信号对大信号控制能力的强弱。在图4-8中加入相应的测量仪表，如图4-12所示。图4-12单管共发射极放大电路放大倍数的分析从图4-12中的仪表U2和U3中，可以大概地估算单管放大电路的放大倍数为1
10、00左右。在本例中，R2是滑动变阻器。9中的滑动变阻器使用十分方便，在Multisim9的元件库中添加滑动变阻器后，其默认值为总阻值的 50，如果想要在运行中随时方便地改变滑动受阻器的阻值，可以采用下述办法：在电路窗口中双击滑动变阻器的符号，弹出如图4-13所示的对话框。这个对话框与前面遇到的其他元件的对话框基本一致。该对话框中的 Label、Display、Pin Info、Variant 4个选项卡与前述的完全一致，只有 Value选项卡与其他元件不同。在 Value选项卡中，Keys下拉列表框用于设置控制滑动变阻器变化的快捷键，其中有阿拉伯数字和英文字母等选项。Increment选项用于
11、设置步进增量，可以设置任意值。 本例中，为了仿真运行方便，设置控制R3阻值变化的快捷键为A键，而Increment项保持默认设置：5%。在仿真运行过程中，可以不断地按Space键，以改变滑动变阻器的阻值。在观察两个电压表中读数的变化的同时，双击虚拟示波器以观察波形的变化。如果波形出现饱和或截至失真，则需要重新调整R3，直至波形不失真为止。按Shift+A可反向调整滑线变阻器R3。图4-13 元件设置对话框4输入电阻和输出电阻的求解在一般的模拟电子线路的分析中，输入电阻和输出电阻的求解需要画出交流等效电路后，利用电路分析中的知识求解。但是，Multisim9为用户提供了快捷的方式，使用户能够迅速
12、、方便地求解出输入电阻和输出电阻。对图4-12单管共发射极放大电路进行仿真，得到图中所示的输入交流电压、交流电流和输出交流电压的有效值。根据输入电阻的定义：，可以立即计算出输入电阻的数值。输出电阻的计算稍显复杂，根据输出电阻的定义：。其中，U。为单管放大电路负载开路时的输出电压，而UL是单管放大电路接入负载时的输出电压。所以图4-12中的交流电压表U3应该先测量电阻R5断开时的电压，然后接入电阻R5，再继续测量。两次测量的结果按照上述公式计算，即可得到输出电阻的数值。5放大器频率特性测量放大器的频率特性是放大器的一个重要指标，是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率之间的关系曲线。通常规定电
13、压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的0.707AV时所对应的频率分别称为下限频率和上限频率，则通频带。放大器的频率特性测量有两种方法，一种是通过前面介绍的交流分析得到的结果。在如图4-11所示的交流分析响应曲线上，可以看到输出幅度随频率变化的情况，根据频率特性的概念，利用游标可分别找到上下限的截止频率。第二种是使用仪表库中的波特图示仪进行测量。将的波特图示仪按图4-14所示接入放大器电路中，双击波特图示仪图标，打开分析仪面板，按下述方法进行设置：Mode栏，选择Magnitude（幅频特性）；Horizontal区，选择 Log；Vertical区，选择Log。设定适当的水平扫描频率范围和
14、垂直幅度衰减范围。打开仿真开关，即可观察到如图4-15特性曲线。拖动游标指针，可以测出具体数据。图4-14 放大器频率特性测量图4-15 利用波特图示仪测量放大器的频率特性对于同一个仿真电路而言，对其进行交流分析和采用虚拟仪器分析的效果是等效的。无论是用那种方法观测仿真结果，其数据都是真实可靠的。422定制放大电路 在4.2.1中，已经介绍了对己知电路的性能分析方法，在Multisim9中还提供了根据用户需要定制单管放大电路的功能，用户可以根据实际参数自行设计各种参数值不同的单管放大电路。单击 Tools/CE BJT Amplifier Wizard，在弹出的对话框中可以按照事先选定的参数来
15、完成设置，如图4-16所示。图4-16定制共射单管放大电路对话框 在图4-16中，共有5个选项区。 （l）BJT Selection区：用于进行晶体管自身重要参数的设置。l Beta of the BJT：设置晶体管的单管放大倍数。其数值将可能改变 Multisim9的元件模型值。l Saturated Vbe：设置基极和发射极在饱和导通时的导通饱和电压。对于半导体器件来说，一般都设置为0.7V左右。（2）Amplifier Specification区：用于进行信号源自身参数的设置。l Peak input voltage：设置交流信号源的峰值电压。l Input source frequency：设置输入的交流激励源的频率值。l Input source resistance：设置输入的交流激励源的内阻的大小。（3）Quiescent Point Specification区：用于静态工作点的选择设置，共有 3个单选项。l Collector current：设置静态工作点的集电极电流ICQ。l Collector-emitor voltage：设置静态工作点的集电极和发射极的电压差值 VceQ。l Output voltage
