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1、（报告提交日期： 2014年8月）- 22 -目录摘 要：- 1 -Abstract:- 1 -1 引 言- 3 -2 微分电路- 5 -2.1 电路组成- 5 -2.2基本微分运算电路- 5 -2.3 微分运算电路的缺点及其改进- 6 -3 技术支持与分析.-7- 3.1 软件概述- 7 -3.2理论分析- 7 -3.3实验分析（Multisim2001平台）- 8 -3.2补偿作用2- 9 -3.3 瞬态分析- 10 -4 仿真分析- 11 -4.1 电路及其网表- 11 -4.4波形分析- 14 -4.2直流分析- 16 -5 总结- 18 -参 考 文 献- 19 -附录一- 20 -
2、致 谢- 22 -微分电路的设计与仿真 摘 要：集成运放作用通用性很强的有源器件，它的信号运算、处理和测量等方面都有广泛应用。作为最基本的运算放大电路，微分电路在波形变换、信号测量、有源滤波及相位校正等专门技术中具有重要作用。本文介绍了微分电路的结构。从理论分析运算放大器组成的微分电路的频率特性,用Multisim2001仿真平台进行实验、分析、论证。阐述电路参数进行适当改变,可以改善微分电路的性能。用Pspice仿真软件对其电阻分别为0、1K、2.5K和5K时进行瞬态仿真，得出其输出电压波形，由此清楚地看到电阻的补偿作用。关键词：微分电路 频率特性 补偿作用 瞬态分析 输出电压波形 Pspi
3、ce Multisim2001 The Design and Simulation of Differential CircuitAbstract: As a commonly used source components, the operational amplifier (Op Amp) is widely be used in signal processing operation and Measuring. Differential circuit is the most fundamental of integrated operational amplifiers. It ha
4、s important value in Waveform transform, signal measurement, active filtering and phase correction.This paper describes the structure of the differential circuits. From the frequency characteristic of the differential circuit composed of an operational amplifier theoretical analysis using simulation
5、 platform Multisim2001 experiment analysis demonstrated. Circuit parameters described appropriately changed, can improve the performance of the differential circuit. Pspice simulation software with its resistance was 0,1 K, when 2.5K and 5K be transient simulation, the output voltage waveform obtain
6、ed, thus clearly see the compensation of resistance.Keyword: differential circuit, frequency characteristics ,compensation, transient analysis, sinusoidal output waveform, PSpice Multisim20011 引 言集成电路1是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容、和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块半导体晶片或介质片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结
7、构；集成电路分成了处理数字信号的数字集成电路和处理模拟信号的模拟集成电路两类。集成运算放大器是一种高增益、高品质、直接耦合的多级电压放大器，外接少数几个元件便可对模拟信号做出各种运算和处理。而用运算放大器实现对输入信号的微分运算是运算放大器的典型应用之一。在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻尺和电容C组成的RC电路，在这些电路中，电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了RC电路的不同应用形式；微分电路、积分电路、耦舍电路、滤波电路及脉冲分压器。2-3微分电路是将输入电压对时间微分、并将与其值成正比的电压输出的电路。常用于正弦-余弦变换4、三角波-矩形波变换、交
8、流放大器及反馈控制的微分补偿5等。用运算放大器组成基本微分电路, 是运算放大器线性应用中的一种形式, 在电路中通过模拟形式实现数学中微分运算。由于数学中微分运算是理想式, 不受其它影响, 而实际电路受工作频率、电阻、电容等参数影响6。在以往实验条件下很难看出电路参数变化对电路性能影响, 特别是频率变化。在Multisim2001仿真平台上进行分析、验证和调整参数容易快速实现, 使设计微分电路效果更好。在理想微分电路中，输入电压产生阶跃变化、脉冲式大幅值干扰都会使得集成运放内部的放大管进入饱和或者截止状态，致使信号消失，管子还不能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象，电路不能正常工作；同时，由于反
9、馈网络为滞后环节，它与集成运放内部滞后环节相叠加，容易满足自激荡条件，从而使电路不稳定。随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计技术(CAD)已渗透到电子线路设计的各个领域，包括电路图生成、逻辑模拟、电路分析、优化设计、最坏情况分析、印刷板设计等。而以CAD为基础的电子设计自动化（EDA）技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节。模拟集成电路的仿真工具，是众多EDA工具的一个重要组成部分。由于模拟电路在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度都有相当高的要求。国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的Spice程序。而Mul
10、tisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以windows为基础的仿真工具。本文利用PSpice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）和Multisim软件进行仿真。由于它们强大的功能，在全世界的电工、电子工程界得到广泛应用。在电路系统仿真方面是其他软件无法比拟的，是一个多功能的电路模拟试验平台。2 微分电路2.1 电路组成为实现输出电压和输入电压的各种运算关系，运算电路中的集成运放应工作在线性区，因而电路中必须引入负反馈，且为了稳定输出电压，均引入电压负反馈。而由于集成运放优良的指标参数，引入的反馈均为深度负反馈。因此，
11、集成运放电路是利用反馈网络和输入网络来实现各种数学运算。微分电路输入电压uI通过电电容C作用于集成运放的反相输入端，故输出电压uO与uI反相。同时，输入端通过电阻R2接地。电路中通过电阻Rf引入负反馈。2.2基本微分运算电路3基本微分电路如图1所示图1根据集成运放“虚短”和“虚断” 的原则， ，为“虚地”，电容两端电压 。因而 （1）输出电压 （2）输出电压与输入电压的变化率成比例，即输出与输入成微分关系7。2.3 微分运算电路的缺点及其改进在图1所示电路中，输入电压产生阶跃变化、脉冲式大幅值干扰都会使得集成运放内部的放大管进入饱和或者截止状态，致使信号消失，管子还不能脱离原状态回到放大区，出
12、现阻塞现象，电路不能正常工作；同时，由于反馈网络为滞后环节，它与集成运放内部滞后环节相叠加，容易满足自激荡条件，从而使电路布稳定。为解决上述问题，一般在输入端串联一个电阻R1,以限制输入电流，也就限制了R上的电流；在反馈电阻R上并联稳压二极管，以限制输出电压幅值，保证集成运放中的放大管始终工作在放大区；在R上并联小容量电容C1，起相位补偿作用，提高电路的稳定性。3.技术支持与分析3.1 软件概述10用于模拟集成电路仿真的Spice程序，是由美国加州伯克利分校于1972年首次推出，它是用FORTRAN语言编写的。1975年正式推出实用化版本。从问世以来，版本不断更新，1985年，伯克利分校将Sp
13、ice重新用C语言改写，在数据结构和执行效率上都有很大改善。本文采用的是MicroSim公司的PSpice软件。它在保持了Spice原有功能的基础上，在输入图形处理、算法的可靠性和收敛性、仿真速度、模拟功能扩展以及模型参数库和宏模型库等方面都有所改善和补充10。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以windows为基础的仿真工具。适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可实现器件建模及仿真、电路的结构及仿真、系统的组成及仿真、仪器仪表原理及制造仿真。NI Multisim软件结合了直观的扑捉和功能强
14、大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计与验证。3.2理论分析由运算放大器组成的基本微分电路如图2图2利用运算放大器虚地的概念，实现了输入、输出微分运算。如果输入是正弦信号，即ui = sinwt，则微分电路输出信号： uo =-RCwcscwt = RCwsin(wt-900) （3）可见uo的幅度将随ui的频率增加呈线性增加，相位滞后900。但是由于基本微分电路uo duidt对输入电压的而变化特别敏感，其抗干扰能力差，很可能出现噪声淹没输出信号。一旦输入信号突变，相当于w很大，此时，RC环节具有相位移作用，它的和运算放大器内部电路的相位滞后作用在一起容易引起自激振荡。3.3实验分析
15、（Multisim2001平台）按基本微分电路图、2参数得到幅频特性和相频特性：图3用示波器观察ui与uo 波形，图、4为f =5KHz;图、5为f=10KHz，uo的幅度随ui的频域增加呈线性增加，而且ui 超前uo900，图6与图5比较虽然幅度增加, 但相位ui 滞后uo，uo波形失真，如果f =80KHzuo 幅度会比f =15KHz uo幅度明显减小, 幅度明显减小，相位ui 滞后uo，uo波形失真。图4图5图6从ui与uo幅频特性和相频特性及用示波器观察ui 与uo 波形分析, 说明了基本微分电路的输入与输出微分关系，uo =-ifR = -RCdudt只有在频率比较低时才成立, 频率较高时不成立。3.2补偿作用2在负反馈放大电路中一般有超前补偿和滞后补偿两种补偿方式。超前补偿是指改变负反馈放大电路在环路增益为0 d
