《電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化》課件第5章

第5章Proteus在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用5.1半導(dǎo)體二極管的特性與應(yīng)用5.2單管放大電路的仿真分析5.3差分放大電路的仿真分析5.4負(fù)反饋放大電路的仿真分析5.5運(yùn)算電路的仿真分析5.6振蕩電路的仿真分析5.7功率放大電路的仿真分析5.8直流電源的仿真分析本章小結(jié)

本章詳細(xì)介紹模擬電子中主要電路的仿真分析。

本章內(nèi)容共分八節(jié)，分別討論了二極管的應(yīng)用以及單管放大電路、差分放大電路、反饋放大電路、運(yùn)算放大電路、振蕩電路、功率放大電路和直流電源的仿真分析。深入、廣泛地探討了Proteus在各種模擬電路中的實(shí)用仿真技術(shù)。

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讀者可較快掌握用Proteus仿真分析模擬電子電路的一般方法和步驟。內(nèi)容提要

5.1.1二極管開(kāi)關(guān)電路的仿真分析

二極管有導(dǎo)通與截止兩個(gè)狀態(tài)，可當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用，因此用二極管可構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路(二極管構(gòu)成的與邏輯電路)，如圖5-1所示。5.1半導(dǎo)體二極管的特性與應(yīng)用

圖5-1二極管開(kāi)關(guān)電路分析步驟：

(1)創(chuàng)建電路：在元器件庫(kù)中選擇二極管D1、D2和電阻；單擊信號(hào)發(fā)生器選擇模式按鈕“ ”，在其對(duì)象選擇器中選擇數(shù)字時(shí)鐘源(DCLOCK)D1(k)、D2(k)，并分別設(shè)置其頻率為100Hz、50Hz；單擊終端模式按鈕“ ”，在其對(duì)象選擇器中選擇直流電壓(POWER)。創(chuàng)建的二極管開(kāi)關(guān)電路如圖5-1所示。

(2)輸入輸出波形測(cè)量：用四通道示波器分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的電壓波形。

(3)仿真分析：?jiǎn)螕舴抡姘粹o，彈出示波器操作界面，得到輸入輸出波形，如圖5-2所示。

波形從上到下依次為D1(k)、D2(k)和輸出電壓波形。從波形來(lái)看，輸出與輸入之間符合與邏輯關(guān)系。圖5-2二極管開(kāi)關(guān)電路的輸入輸出波形5.1.2二極管限幅電路的仿真分析

在電子技術(shù)中，用二極管可構(gòu)成限幅電路，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦電壓時(shí)，用兩只二極管可對(duì)輸入信號(hào)的正負(fù)半周進(jìn)行限幅。

(1)創(chuàng)建電路：在元器件庫(kù)中選擇交流電壓源V1(50Hz、5V)、直流電壓源V2和V3、二極管D1和D2、電阻R1，創(chuàng)建二極管限幅電路，如圖5-3所示。

圖5-3二極管限幅電路

(2)電壓測(cè)量：用示波器的A、B通道分別測(cè)量輸入/輸出電壓的波形。

(3)仿真分析：?jiǎn)螕舴抡姘粹o，彈出示波器的操作界面，得到輸入輸出電壓波形，如圖5-4所示。由輸出波形可知，D1和V2、D2和V3構(gòu)成了限幅環(huán)節(jié)，改變V2的值可改變輸出電壓的下限幅值，而改變V3的值可改變輸出電壓的上限幅值。圖5-4二極管限幅電路的輸入輸出波形

單管放大電路是放大電路的基礎(chǔ)，也是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)。放大電路要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的不失真放大，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；單管放大電路放大的對(duì)象是低頻小信號(hào)，因此，即便靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適，如果輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，也會(huì)造成輸出信號(hào)失真。電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻是分析放大電路的核心指標(biāo)。5.2單管放大電路的仿真分析5.2.1單管共射放大電路的仿真分析

本節(jié)以單管共射放大電路為例，通過(guò)仿真分析其靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入輸出電阻，掌握在Proteus中模擬電路的基本分析方法。

1．靜態(tài)工作點(diǎn)分析

分析步驟：

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻、電容等，創(chuàng)建單管共射放大電路，如圖5-5所示。信號(hào)源V1為1kHz、5mV。

圖5-5單管共射放大電路(Q點(diǎn)測(cè)量)

(2)放置電壓探針。如圖5-5所示，在晶體管的基極、集電極和發(fā)射極分別放置電壓探針R2(1)、R1(1)和Q1(E)。

(3)仿真分析。單擊仿真按鈕，可知晶體管的基極、集電極和發(fā)射極的電位分別為1.956V、5.513V、1.294V，則VBE

=

0.662V、VCE

=

4.219V，據(jù)此可看出晶體管處于放大狀態(tài)。

2．電壓放大倍數(shù)分析

(1)有旁路電容。選擇示波器，將其A、B通道分別接放大電路的輸入、輸出端，如圖5-6所示。單擊仿真按鈕，彈出示波器操作界面，將A通道的刻度設(shè)置為2mV/div、B通道的刻度設(shè)置為0.2V/div，則單管放大電路的輸入輸出波形(有旁路電容)如圖5-7所示。

圖5-6單管共射放大電路(電壓放大倍數(shù)測(cè)量)圖5-7單管共射放大電路的輸入輸出波形(有旁路電容)由圖5-7可知，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)反相，放大倍數(shù)超過(guò)100倍。

(2)無(wú)旁路電容。將圖5-6中的旁路電容C2斷開(kāi)，單擊仿真按鈕，彈出示波器操作界面，將A通道和B通道的刻度設(shè)置為2mV/div，則單管放大電路的輸入輸出波形(無(wú)旁路電容)如圖5-8所示。

由圖5-8可知，輸入信號(hào)的幅值為5mV、輸出信號(hào)的幅值為12mV，放大倍數(shù)為2.4倍。其原因是旁路電容C2斷開(kāi)后，發(fā)射極所接電阻R4對(duì)放大倍數(shù)的影響較大，這符合共射放大電路的基本原理。圖5-8單管共射放大電路的輸入輸出波形(無(wú)旁路電容)

3．輸入輸出電阻分析

(1)輸入電阻分析。在共射放大電路的輸入回路接交流電壓表和交流電流表，如圖5-9所示。設(shè)置交流電壓表的顯示范圍為“毫伏”，交流電流表的顯示范圍為“微安”，如圖

5-10所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得輸入電壓為3.54mV，輸入電流為2.22μA，則輸入電阻Ri

=

Ui/Ii

=

1.59kΩ。

圖5-9單管共射放大電路的輸入電阻分析圖5-10交流電流表屬性設(shè)置對(duì)話(huà)框

注：使用交流電流表時(shí)，默認(rèn)顯示范圍為“安培”，本處輸入電流很小，要設(shè)置為“微安”；交流電壓表的設(shè)置亦如此。

交流電壓表和交流電流表測(cè)量的均為交流有效值。

本處測(cè)量的輸入電阻是在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)上測(cè)量得到的，因此直流電源要保留。

(2)輸出電阻分析。輸出電阻的測(cè)量采用外加電壓法，將輸入信號(hào)置零(輸入端短路處理)，負(fù)載電阻開(kāi)路，并在輸出端接電壓源V1、交流電壓表、交流電流表，如圖5-11所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得電壓為7.07mV，電流為1.5μA，則得到輸出電阻Ro

=

U/I

=

4.71kΩ。

圖5-11單管共射放大電路的輸出電阻分析5.2.2單管共集放大電路和單管共基放大電路的分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻、電容等，創(chuàng)建單管共集放大電路，如圖5-12所示。信號(hào)源V1為1kHz、5mV。

圖5-12單管共集放大電路

(2)靜態(tài)工作點(diǎn)分析。靜態(tài)工作點(diǎn)分析同單管共射放大電路。

(3)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。選擇示波器，將其A、B通道分別接放大電路的輸入、輸出端，如圖5-12所示。單擊仿真按鈕，彈出示波器的操作界面，調(diào)整掃描時(shí)間和A、B通道的顯示比例，得到輸入輸出信號(hào)波形，如圖5-13所示。圖5-13單管共集放大電路的輸入輸出波形由圖5-13可知，輸入輸出波形基本重合，可見(jiàn)共集放大電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，且放大倍數(shù)近似等于1，因此共集放大電路又稱(chēng)為射極跟隨器。

(4)輸入輸出電阻測(cè)量。在放大電路的輸入端接交流電壓表和交流電流表，如圖5-14所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得輸入電壓為3.49mV，輸入電流為0.04μA，則輸入電阻Ri

=

Ui/Ii

=

87.25kΩ。

圖5-14單管共集放大電路的輸入電阻測(cè)量用外加電壓法可測(cè)量輸出電阻，輸出電阻的測(cè)量電路如圖5-15所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得電壓為7.07mV，電流為0.31μA，則得到輸出電阻Ro

=

U/I

=

22.8Ω。

由仿真分析可看出，與共射放大電路相比，共集放大電路的輸入電阻比共射放大電路要大，輸出電阻很小，因此共集放大電路的帶載能力強(qiáng)。

圖5-15單管共集放大電路的輸出電阻測(cè)量電路

(5)共基放大電路分析。按前述步驟(1)、(2)、(3)、(4)可分析共基放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、輸入輸出信號(hào)波形、輸入輸出電阻等參數(shù)。共基放大電路的分析請(qǐng)讀者自己完成。在對(duì)三種放大電路進(jìn)行分析的過(guò)程中，應(yīng)著重比較三種放大電路在電壓放大倍數(shù)、輸入輸出信號(hào)的相位關(guān)系、輸入輸出電阻等參數(shù)方面的異同點(diǎn)，進(jìn)而加深對(duì)三種放大電路的理解。

在集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常采用差分放大電路，利用差分放大電路參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性可有效克服溫漂。差分放大電路的基本原理是放大差模信號(hào)而抑制共模信號(hào)，若將差模信號(hào)當(dāng)作有用信號(hào)，則共模信號(hào)可理解為干擾信號(hào)，是要抑制的對(duì)象。本節(jié)以典型差分放大電路為例，仿真分析其對(duì)差模信號(hào)的放大作用和對(duì)共模信號(hào)的抑制效果，進(jìn)而加深對(duì)差分放大電路原理的理解。5.3差分放大電路的仿真分析5.3.1差模信號(hào)的放大作用分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻等，創(chuàng)建差分放大電路(雙入單出、輸入信號(hào)為差模信號(hào))，如圖5-16所示。信號(hào)源V1為1kHz、10mV，接在差分放大電路的左、右輸入端子之間，輸入信號(hào)為差模信號(hào)。

圖5-16差分放大電路(雙入單出、輸入信號(hào)為差模信號(hào))

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。將示波器的A、B通道分別接差分放大電路的輸入、輸出端，調(diào)整示波器的掃描時(shí)間及顯示比例(通道A：5mV/div，通道B：0.2V/div)，單擊仿真按鈕，得到輸入輸出信號(hào)波形(對(duì)差模信號(hào)的放大)，如圖5-17所示。從圖中可看出，放大倍數(shù)約為40，且輸入輸出反相。因此，若以晶體管Q1的集電極作輸出，則差分放大電路的左邊輸入端為反相端，右邊輸入端為同相端，如圖5-16所示。圖5-17差分放大電路的輸入輸出波形(對(duì)差模信號(hào)的放大)5.3.2共模信號(hào)的抑制效果分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻等，創(chuàng)建差分放大電路(雙入單出、輸入信號(hào)為共模信號(hào))，如圖5-18所示。信號(hào)源V1和V2均為1kHz、10mV，分別接入差分放大電路的左、右輸入端子，輸入信號(hào)為共模信號(hào)。

圖5-18差分放大電路(雙入單出、輸入信號(hào)為共模信號(hào))

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。將示波器的A、B通道分別接差分放大電路的輸入、輸出端，調(diào)整示波器的掃描時(shí)間及顯示比例(通道A：5mV/div，通道B：5mV/div)，單擊仿真按鈕，得到輸入輸出信號(hào)波形(對(duì)共模信號(hào)的抑制作用)，如圖5-19所示。從圖中可看出，放大倍數(shù)約為0.35。因此，對(duì)差分放大電路而言，若輸入為共模信號(hào)，則放大倍數(shù)小于1，即對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。圖5-19差分放大電路的輸入輸出波形(對(duì)共模信號(hào)的抑制作用)

說(shuō)明：同樣結(jié)構(gòu)與參數(shù)的差分放大電路，對(duì)差模信號(hào)有放大作用(放大倍數(shù)約為40)，對(duì)共模信號(hào)有抑制效果(放大倍數(shù)約為0.35)。

對(duì)共模信號(hào)的抑制作用，主要是電阻R4(如圖5-18所示電路)引起的效果。仿真時(shí)，在保證有合適靜態(tài)工作點(diǎn)的前提下，改變?cè)撾娮璧拇笮。梢杂^(guān)察其對(duì)共模信號(hào)放大倍數(shù)的影響。

將電路的輸出量通過(guò)一定的方式回送到輸入端，進(jìn)而影響凈輸入量，這種作用稱(chēng)為反饋。當(dāng)放大電路引入負(fù)反饋后，可以改善放大電路在某些方面的性能。本節(jié)以?xún)杉?jí)放大電路為例，通過(guò)仿真，觀(guān)測(cè)引入負(fù)反饋前后對(duì)放大電路性能的影響。5.4負(fù)反饋放大電路的仿真分析5.4.1負(fù)反饋對(duì)放大倍數(shù)的影響

(1)創(chuàng)建電路(未引入反饋)。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻、電容等，創(chuàng)建兩級(jí)放大電路未引入反饋，如圖5-20所示。信號(hào)源V1為1kHz、10mV，第一級(jí)為共射放大電路，第二級(jí)為共極放大電路。

圖5-20兩級(jí)放大電路(未引入反饋)

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量(未引入反饋)。將示波器的A、B通道分別接兩級(jí)放大電路的輸入、輸出端，調(diào)整示波器的掃描時(shí)間及顯示比例(通道A：5mV/div，通道B：0.5V/div)，單擊仿真按鈕，得到輸入輸出信號(hào)波形(未引入反饋)，如圖5-21所示。從圖中可看出，放大倍數(shù)約為73.5，且輸入輸出反相。圖5-21兩級(jí)放大電路的輸入輸出波形(未引入反饋)

(3)創(chuàng)建電路(引入負(fù)反饋)。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻、電容等，創(chuàng)建兩級(jí)放大電路，并引入負(fù)反饋(R9為反饋電阻，反饋組態(tài)為電壓并聯(lián)負(fù)反饋)，如圖5-22所示。信號(hào)源V1為1kHz、10mV。

圖5-22兩級(jí)放大電路(引入負(fù)反饋)

(4)輸入輸出信號(hào)測(cè)量(引入負(fù)反饋)。將示波器的A、B通道分別接兩級(jí)放大電路的輸入、輸出端，調(diào)整示波器的掃描時(shí)間及顯示比例(通道A：2mV/div，通道B：10mV/div)，單擊仿真按鈕，得到輸入輸出信號(hào)波形，如圖5-23所示。從圖中可看出，放大倍數(shù)約為46.6，且輸入輸出反相。圖5-23兩級(jí)放大電路的輸入輸出波形(引入負(fù)反饋)

說(shuō)明：在同樣的信號(hào)源激勵(lì)下(V1為1kHz、10mV)，引入負(fù)反饋后，輸入信號(hào)的幅值下降較多(可比較圖5-21和圖5-23的輸入信號(hào)波形)，原因是反饋電路與輸入端并聯(lián)，使輸入電阻減小，導(dǎo)致輸入信號(hào)減小。

引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)下降。未引入反饋時(shí)，放大倍數(shù)約為73.5；引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)為46.6。5.4.2負(fù)反饋對(duì)輸入輸出電阻的影響

1．未引入反饋時(shí)輸入電阻的測(cè)量

在放大電路的輸入端接交流電壓表和交流電流表，并分別將其顯示范圍設(shè)置為“毫伏”和“微安”，如圖5-24所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得輸入電壓為5.79mV，輸入電流為1.28μA，則輸入電阻Ri

=

Ui/Ii

=

4.52kΩ。

圖5-24兩級(jí)放大電路的輸入電阻測(cè)量(未引入反饋)

2．引入負(fù)反饋后輸入電阻的測(cè)量

在負(fù)反饋放大電路的輸入端接交流電壓表和交流電流表，并分別將其顯示范圍設(shè)置為“毫伏”和“微安”，如圖5-25所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得輸入電壓為0.35mV，輸入電流為6.74μA，則輸入電阻Ri

=

Ui/Ii

=

51.9Ω。

圖5-25兩級(jí)放大電路的輸入電阻測(cè)量(引入負(fù)反饋)

3．未引入反饋時(shí)輸出電阻的測(cè)量

用外加電壓法可測(cè)量輸出電阻，輸出電阻的測(cè)量電路(未引入反饋)如圖5-26所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得電壓為7.07mV，電流為79.2μA，則得到輸出電阻Ro

=

U/I

=

89.2Ω。

圖5-26兩級(jí)放大電路的輸出電阻測(cè)量(未引入反饋)

4．引入負(fù)反饋后輸出電阻的測(cè)量

輸出電阻的測(cè)量電路(引入反饋)如圖5-27所示。單擊仿真按鈕，測(cè)得電壓為7.07mV，電流為793μA，則得到輸出電阻Ro

=

U/I

=

8.92Ω。

圖5-27兩級(jí)放大電路的輸出電阻測(cè)量電路(引入負(fù)反饋)

說(shuō)明：電路引入的負(fù)反饋組態(tài)為電壓并聯(lián)負(fù)反饋，和引入反饋前相比，輸入電阻減小，輸出電阻減小。

引入負(fù)反饋后輸入電阻、輸出電阻減小的幅度并不相等，其原因是該電路不是深度負(fù)反饋。讀者在仿真分析時(shí)，不能完全按照深度負(fù)反饋來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

讀者可按前面的分析思路，對(duì)其他組態(tài)的負(fù)反饋電路進(jìn)行仿真分析。5.4.3負(fù)反饋對(duì)放大電路頻率特性的影響

1．未引入反饋時(shí)的放大電路頻率響應(yīng)分析

(1)添加信號(hào)源與電壓探針。在兩級(jí)放大電路的輸入端加正弦信號(hào)源(INPUT：10mV、1kHz)，輸出端加電壓探針OUTPUT，如圖5-28所示。

(2)添加頻率分析圖表。單擊圖表分析模式按鈕“

”，在對(duì)象選擇器中選擇“FREQUENCE”，在仿真電路編輯區(qū)用鼠標(biāo)拖拽出頻率分析圖表，如圖5-29所示。圖5-28兩級(jí)放大電路(未引入反饋)圖5-29頻率分析圖表

(3)圖表屬性設(shè)置。雙擊分析圖表，彈出頻率分析圖表屬性設(shè)置對(duì)話(huà)框，如圖5-30所示。按圖中所示設(shè)置，單擊OK按鈕，即完成圖表屬性設(shè)置。

(4)添加分析結(jié)點(diǎn)。在分析圖表中選擇右擊菜單命令A(yù)ddTraces，彈出添加分析結(jié)點(diǎn)對(duì)話(huà)框，如圖5-31所示。單擊“OK”按鈕，即選擇了分析結(jié)點(diǎn)。

注：右下角若選擇“Left”，則為分析OUTPUT的幅頻特性；右下角若選擇“Right”，則為分析OUTPUT的相頻特性。圖5-30頻率分析圖表屬性設(shè)置對(duì)話(huà)框圖5-31添加分析結(jié)點(diǎn)對(duì)話(huà)框

(5)頻率響應(yīng)圖表分析。在分析圖表中選擇右擊菜單命令SimulateGraph，則執(zhí)行頻率響應(yīng)分析，分析結(jié)果如圖5-29所示。由分析結(jié)果可看出，放大電路(如圖5-28所示)的通頻帶為100Hz～100kHz。

2．引入負(fù)反饋后的頻率響應(yīng)分析

(1)添加信號(hào)源與電壓探針。在負(fù)反饋放大電路的輸入端加正弦信號(hào)源(INPUT：10mV、1kHz)，輸出端加電壓探針OUTPUT，如圖5-32所示。

(2)負(fù)反饋放大電路的頻率響應(yīng)。負(fù)反饋放大電路的頻率響應(yīng)如圖5-33所示。由分析結(jié)果可看出，負(fù)反饋放大電路的通頻帶為100Hz～4MHz。圖5-32負(fù)反饋放大電路圖5-33負(fù)反饋放大電路的頻率響應(yīng)

說(shuō)明：分析頻率響應(yīng)的圖表時(shí)，分析的是輸出結(jié)點(diǎn)(OUTPUT)隨頻率變化的關(guān)系，但必須選擇參考結(jié)點(diǎn)(INPUT)，這在圖表屬性設(shè)置時(shí)體現(xiàn)，如圖5-30所示。輸入信號(hào)不能選擇元器件庫(kù)中的正弦信號(hào)源，而要選擇信號(hào)源模式下的正弦信號(hào)源。

放大電路引入負(fù)反饋后，通頻帶展寬很多(未引入反饋的通頻帶為100Hz～100kHz，引入負(fù)反饋后的通頻帶為100Hz～4MHz)。

運(yùn)算電路以集成運(yùn)放為核心，電路的輸出與輸入之間可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，如比例運(yùn)算、加減運(yùn)算、求和運(yùn)算、積分與微分運(yùn)算、指數(shù)與對(duì)數(shù)運(yùn)算等。本節(jié)選用典型的運(yùn)算電路，介紹仿真分析過(guò)程與方法。5.5運(yùn)算電路的仿真分析5.5.1反相比例運(yùn)算電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻等，創(chuàng)建反相比例運(yùn)算電路，如圖5-34所示。正弦信號(hào)源INPUT為1kHz、1V。

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。輸入輸出信號(hào)可采用示波器進(jìn)行測(cè)量，也可用圖表分析法進(jìn)行分析，本處采用后者。分析圖表為模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(INPUT)和輸出信號(hào)(OUTPUT)，分析時(shí)間為0～2ms(在圖表中顯示兩個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-35所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，輸出信號(hào)的幅值是輸入信號(hào)幅值的4倍。

圖5-34反相比例運(yùn)算電路圖5-35反相比例運(yùn)算電路的輸入輸出波形

(3)頻率響應(yīng)分析。選用頻率分析圖表(FREQUENCEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為“OUTPUT”，參考結(jié)點(diǎn)為“INPUT”。反相比例運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果如圖5-36所示。將頻率分析圖表放大后可看出，該電路的上限截止頻率為188kHz，且在該頻率下輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差為136°(見(jiàn)圖5-36底部的狀態(tài)欄)。因此，該電路的通頻帶為0～188kHz。圖5-36反相比例運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果

說(shuō)明：如圖5-36所示，運(yùn)算電路的下限截止頻率為0，這是因?yàn)榧蛇\(yùn)放采用直接耦合方式。

集成運(yùn)放構(gòu)成的放大電路，其通頻帶隨放大倍數(shù)的改變而變化。放大倍數(shù)越大，通頻帶越窄；放大倍數(shù)越小，通頻帶越寬(對(duì)圖5-34所示的反相比例運(yùn)算電路而言，放大倍數(shù)為4時(shí)，通頻帶為0～188kHz；放大倍數(shù)為2時(shí)，通頻帶為0～323kHz)。這與理論分析得出的放大電路的增益帶寬積基本保持一致。讀者可通過(guò)改變電阻來(lái)觀(guān)測(cè)電路的頻率響應(yīng)情況。5.5.2同相比例運(yùn)算電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻等，創(chuàng)建同相比例運(yùn)算電路，如圖5-37所示。正弦信號(hào)源INPUT為1kHz、1V。

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。輸入輸出信號(hào)的測(cè)量采用圖表分析法進(jìn)行。分析圖表為模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(INPUT)和輸出信號(hào)(OUTPUT)，分析時(shí)間為0～1ms(在圖表中顯示一個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-38所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，輸出信號(hào)的幅值是輸入信號(hào)幅值的2倍。圖5-37同相比例運(yùn)算電路圖5-38同相比例運(yùn)算電路的輸入輸出波形

(3)頻率響應(yīng)分析。選用頻率分析圖表(FREQUENCEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為“OUTPUT”，參考結(jié)點(diǎn)為“INPUT”。同相比例運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果如圖5-39所示。對(duì)頻率分析圖表進(jìn)行放大后可看出，該電路的上限截止頻率為483kHz，且在該頻率下輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差為-45.2°(見(jiàn)圖5-39底部的狀態(tài)欄)。因此，該電路的通頻帶為0～483kHz。圖5-39同相比例運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果5.5.3加減運(yùn)算電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻等，創(chuàng)建減法器運(yùn)算電路，如圖5-40所示。正弦信號(hào)源INPUT1為1kHz、1V，正弦信號(hào)源INPUT2為1kHz、3V。

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。輸入輸出信號(hào)的測(cè)量采用圖表分析法進(jìn)行。分析圖表為模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(INPUT1、INPUT2)和輸出信號(hào)(OUTPUT)，分析時(shí)間為0～1ms(在圖表中顯示一個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-41所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)(中間位置的曲線(xiàn))為兩個(gè)輸入信號(hào)的差值，即實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。

圖5-40減法器運(yùn)算電路圖5-41減法器運(yùn)算電路的輸入輸出波形

(3)頻率響應(yīng)分析。選用頻率分析圖表(FREQUENCEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為“OUTPUT”，參考結(jié)點(diǎn)為“INPUT1或INPUT2”。減法器運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果如圖5-42所示。對(duì)頻率分析圖表放大后可看出，該電路的上限截止頻率為284kHz，且在該頻率下輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差為150°(見(jiàn)圖5-42底部的狀態(tài)欄)。因此，該電路的通頻帶為0～284kHz。

圖5-42減法器運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果5.5.4積分運(yùn)算電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻、電容等，創(chuàng)建積分運(yùn)算電路，如圖5-43所示。脈沖信號(hào)源INPUT為1kHz、±5V。為防止在該頻率下增益過(guò)大，在反饋電容兩端并聯(lián)電阻R3(10kΩ)。利用積分運(yùn)算電路，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的波形變換以及移相功能。圖5-43積分運(yùn)算電路

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。輸入輸出信號(hào)的測(cè)量采用圖表分析法進(jìn)行。分析圖表為混合分析圖表(MIXEDANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(INPUT)和輸出信號(hào)(OUTPUT)，分析時(shí)間為0～10ms(在圖表中顯示10個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-44所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的積分。輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)，輸出信號(hào)為三角波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了波形的變換。圖5-44積分運(yùn)算電路的輸入輸出波形(輸入為脈沖源)

說(shuō)明：改變輸入信號(hào)的頻率，可看到輸出波形發(fā)生變化。當(dāng)輸入信號(hào)頻率較低(如50Hz)時(shí)，即便電路參數(shù)配置合理(理論分析可將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為三角波輸出)，也會(huì)出現(xiàn)輸出三角波頂部飽和現(xiàn)象，這是低頻增益過(guò)大所致。

提高輸入信號(hào)頻率(1kHz)，且在反饋電容兩端并聯(lián)電阻R3，仿真時(shí)即可消除輸出波形的頂部飽和現(xiàn)象。

當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)(1kHz、1V)，經(jīng)積分運(yùn)算以后，輸出信號(hào)還為正弦信號(hào)，但輸出的相位超前輸入信號(hào)90°，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的移相功能。輸入輸出信號(hào)的波形(輸入為正弦波)如圖5-45所示。在輸入信號(hào)幅值不變的情況下，輸出信號(hào)的幅值隨輸入信號(hào)頻率的增加而減小。圖5-45積分運(yùn)算電路的輸入輸出波形(輸入為正弦波)

(3)頻率響應(yīng)分析。選用頻率分析圖表(FREQUENCEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為“OUTPUT”，參考結(jié)點(diǎn)為“INPUT”。積分運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果如圖5-46所示。從幅頻特性曲線(xiàn)可看出，總體趨勢(shì)為增益隨輸入信號(hào)頻率的增加而減??；從相頻特性曲線(xiàn)可看出，中頻區(qū)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差為90°，低頻區(qū)在90°的基礎(chǔ)上超前，高頻區(qū)在90°的基礎(chǔ)上滯后。仿真結(jié)果符合積分運(yùn)算電路的特性。圖5-46積分運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析結(jié)果5.5.5微分運(yùn)算電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻、電容等，創(chuàng)建微分運(yùn)算電路，如圖5-47所示。脈沖信號(hào)源INPUT為10kHz、±5V。利用微分運(yùn)算電路，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的波形轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的移相功能。

圖5-47微分運(yùn)算電路

(2)輸入輸出信號(hào)測(cè)量。輸入輸出信號(hào)的測(cè)量采用圖表分析法進(jìn)行。分析圖表為混合分析圖表(MIXEDANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(INPUT)和輸出信號(hào)(OUTPUT)，分析時(shí)間為0～1ms(在圖表中顯示10個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-48所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的微分。輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)，輸出信號(hào)為尖峰脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了波形的變換。

說(shuō)明：將電阻R3移除，由于微分電路的高頻增益太大，因此會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

改變電阻R3的大小，可改變輸出尖峰脈沖的幅值。當(dāng)R3減小時(shí)，輸出尖峰脈沖的幅值會(huì)增大。圖5-48微分運(yùn)算電路的輸入輸出波形(輸入為脈沖源)

當(dāng)輸入為正弦信號(hào)，輸出也為正弦信號(hào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的移相功能，輸出信號(hào)滯后輸入信號(hào)90°。其輸入輸出結(jié)果如圖5-49所示。

(3)頻率響應(yīng)分析。微分運(yùn)算電路的頻率響應(yīng)分析可參照積分運(yùn)算電路進(jìn)行，請(qǐng)讀者自行分析。圖5-49微分運(yùn)算電路的輸入輸出波形(輸入為正弦信號(hào)源)

利用振蕩電路可產(chǎn)生各種波形，如正弦波、矩形波及三角波等。放大電路要產(chǎn)生振蕩輸出波形，需引入正反饋。本節(jié)以正弦波振蕩電路、矩形波振蕩電路以及三角波發(fā)生電路為例，介紹其仿真分析過(guò)程。5.6振蕩電路的仿真分析5.6.1正弦波振蕩電路的仿真分析

1．由集成運(yùn)放構(gòu)成的RC橋式振蕩電路

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻、電容等，創(chuàng)建RC橋式振

蕩電路，如圖5-50所示。C1、R4及C2、R5組成串并聯(lián)電路，既作為選頻網(wǎng)絡(luò)又兼有正反饋?zhàn)饔?；運(yùn)放741、電阻R3和RV1組成反相比例放大電路。

圖5-50RC橋式振蕩電路

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，將電位器RV1的滑動(dòng)端移至最右邊，讓電路起振。此時(shí)，電路的放大倍數(shù)大于3，振蕩輸出波形出現(xiàn)失真，如圖5-51所示。將電位器RV1的滑動(dòng)端向左邊移動(dòng)，使電路的放大倍數(shù)等于3，振蕩輸出波形基本不失真，如圖5-52所示。圖5-51RC振蕩電路的輸出波形(失真)圖5-52RC振蕩電路的輸出波形(不失真)

2．由分立元件構(gòu)成的正弦波振蕩電路(電容三點(diǎn)式振蕩電路)

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、晶體管、電阻、電容、電感等，創(chuàng)建電容三點(diǎn)式振蕩電路，如圖5-53所示。晶體管Q1與偏置電阻組成放大電路，C2、C3、C4和L2組成選頻網(wǎng)絡(luò)，C5為耦合電容并形成正反饋。

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，移動(dòng)電位器RV1的滑動(dòng)端，讓電路起振。調(diào)整示波器的掃描時(shí)間(20μs/div)及顯示比例(通道A：0.5V/div)，單擊仿真按鈕，得到振蕩輸出信號(hào)波形，如圖5-54所示。從圖中可看出，按顯示比例和掃描時(shí)間，輸出正弦波的幅值約為0.85V，周期約為65μs。

圖5-53電容三點(diǎn)式振蕩電路圖5-54電容三點(diǎn)式振蕩電路的輸出波形

說(shuō)明：創(chuàng)建仿真電路時(shí)，晶體管集電極電阻使用電位器RV1(10kΩ)。仿真分析時(shí)，移動(dòng)電位器的滑動(dòng)端使電路起振。若該電阻用固定電阻，則電路不容易振蕩。

用示波器測(cè)量時(shí)要用交流耦合(相當(dāng)于電容耦合，起到隔直耦交的作用)，這樣可方便得到正弦信號(hào)。

調(diào)整選頻網(wǎng)絡(luò)(由L2和C4構(gòu)成)的元器件參數(shù)，可改變輸出正弦波的頻率，這與理論分析一致。5.6.2矩形波振蕩電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇信號(hào)源、直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻、電容等，創(chuàng)建矩形波振蕩電路，如圖5-55所示。電阻R2和RV1形成正反饋，電阻R3和電容C1構(gòu)成充放電回路，由反相端電位和同相端電位進(jìn)行比較決定輸出。該電路利用電容C1的充電和放電引起振蕩，電容的充放電頻率決定輸出信號(hào)的頻率。

圖5-55矩形波振蕩電路

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，移動(dòng)電位器RV1的滑動(dòng)端，讓電路起振。矩形波振蕩電路的電容的充放電波形和輸出電壓波形如圖5-56所示。圖5-56矩形波振蕩電路的電容充放電波形和輸出電壓波形

說(shuō)明：反饋電阻要用可調(diào)電阻而不能用固定電阻，否則不容易起振。

調(diào)整電位器RV1，即改變同相端電位，也即改變閾值電壓的大小，輸出信號(hào)的頻率隨之改變。

改變電阻R3或C1的參數(shù)，則改變充放電電路的時(shí)間常數(shù)，電容的充放電頻率隨之改變，輸出矩形波的頻率也會(huì)改變。

電路的輸出端可接雙向穩(wěn)壓管，以限制輸出電壓的幅值。

讀者在對(duì)該電路進(jìn)行仿真分析時(shí)可參照以上幾點(diǎn)進(jìn)行。

(3)占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。創(chuàng)建占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路，如圖5-57所示。用D1、D2和RV2使電容的充電和放電經(jīng)過(guò)不同的回路，移動(dòng)電位器RV2的滑動(dòng)端，可調(diào)整電容充電和放電的時(shí)間常數(shù)，以改變輸出矩形脈沖的占空比。

單擊仿真按鈕，得到占空比可調(diào)的矩形波振蕩電路的電容的充放電波形和輸出電壓波形，如圖5-58所示。

圖5-57占空比可調(diào)的矩形波振蕩電路圖5-58占空比可調(diào)的矩形波振蕩電路的電容充放電波形和輸出電壓波形5.6.3三角波發(fā)生電路的仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇直流電壓源、集成運(yùn)放、電阻、電容等，創(chuàng)建三角波發(fā)生電路，如圖5-59所示。

集成運(yùn)放U1及RV1組成比較電路，集成運(yùn)放U2、R1、C1組成積分電路，電路的輸出經(jīng)R2形成正反饋。U1的輸出為矩形波，經(jīng)積分電路輸出(U2的輸出)為三角波。

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，移動(dòng)電位器RV1的滑動(dòng)端，讓電路起振。U1和U2的輸出波形如圖5-60所示。

圖5-59三角波發(fā)生電路圖5-60三角波U1和U2發(fā)生電路的輸出波形

說(shuō)明：如圖5-59所示，改變RV1、R2的阻值，可調(diào)整輸出三角波電壓的幅值。

調(diào)節(jié)R2、RV1、R1的阻值和C1的容量，可改變?nèi)遣ǖ念l率。

改變積分電路的正向積分時(shí)間常數(shù)和反向積分時(shí)間常數(shù)，即可改變輸出三角波的上升和下降的斜率，進(jìn)而得到鋸齒波發(fā)生電路。電路創(chuàng)建時(shí)，可通過(guò)在R1與集成運(yùn)放U2的反向端之間串接反并聯(lián)二極管和電位器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。5.6.4集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038的應(yīng)用

ICL8038是集成函數(shù)發(fā)生器，是可同時(shí)產(chǎn)生矩形波、正弦波和三角波的專(zhuān)用集成電路。本處介紹其基本應(yīng)用(輸出固定頻率的波形)和擴(kuò)展應(yīng)用(輸出波形的頻率可調(diào))。

1．用ICL8038產(chǎn)生固定頻率的波形

(1)創(chuàng)建電路。選擇直流電壓源、ICL8038、電阻、電容等，創(chuàng)建ICL8038基本應(yīng)用電路(輸出固定頻率波形)，如圖5-61所示。R3為上拉電阻(方波輸出為集電極開(kāi)路輸出)，R1與R2的阻值相等，因此輸出矩形波的占空比為50%。

圖5-61ICL8038基本應(yīng)用電路(輸出固定頻率波形)

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。ICL8038函數(shù)發(fā)生器的輸出波形如圖5-62所示。示波器A、B和C通道分別接方波輸出、正弦波輸出和三角波輸出，調(diào)整示波器的掃描時(shí)間(100μs/div)及顯示比例(通道A：2V/div，通道B：1V/div，通道C：1V/div)。從圖中波形可看出，輸出波形的周期約為295μs。圖5-62ICL8038函數(shù)發(fā)生器的輸出波形

說(shuō)明：

ICL8038的“11”腳直接接地時(shí)，輸出波形失真較大。

R1與R2的阻值相等，輸出矩形波的占空比為50%。若R1與R2的阻值不相等，輸出矩形波的占空比不是50%，仿真時(shí)可將電阻R2用電位器替代，調(diào)整電位器的阻值即可調(diào)整輸出波形的占空比。

2．用ICL8038產(chǎn)生頻率可調(diào)的波形

(1)創(chuàng)建電路。選擇直流電壓源、ICL8038、電阻、電容等，創(chuàng)建ICL8038的擴(kuò)展應(yīng)用電路(輸出波形頻率可調(diào))，如圖5-63所示。

圖5-63ICL8038的擴(kuò)展應(yīng)用電路(輸出波形頻率可調(diào))

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。ICL8038函數(shù)發(fā)生器的輸出波形如圖5-64所示。移動(dòng)電位器RV1的滑動(dòng)端，可調(diào)節(jié)輸出波形的頻率。當(dāng)滑動(dòng)端向左邊移動(dòng)時(shí)，輸出波形頻率增加；當(dāng)滑動(dòng)端向右邊移動(dòng)時(shí)，輸出波形頻率減小(用SWEEP引腳的電壓控制輸出波形的頻率，該引腳電壓增加時(shí)頻率減小)。圖5-64ICL8038函數(shù)發(fā)生器的輸出波形

在實(shí)用電路中，要求放大電路的輸出級(jí)輸出一定的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的電路稱(chēng)為功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)功放。功率放大電路既不單純追求輸出高電壓，也不單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓一定的情況下，輸出盡可能大的功率。本節(jié)以推拉互補(bǔ)輸出功率放大電路(OCL功放)為例，介紹其仿真分析的過(guò)程和方法。5.7功率放大電路的仿真分析

1．基本OCL功率放大電路仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇功率管TIP31、TIP32(40W)，直流電壓源，信號(hào)源，并在輸出端添加電壓探針，創(chuàng)建OCL功率放大電路，如圖5-65所示。圖5-65OCL功率放大電路

(2)仿真分析。輸入輸出信號(hào)的測(cè)量采用圖表分析法進(jìn)行。分析圖表為模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析結(jié)點(diǎn)為輸入信號(hào)(VIN)和輸出信號(hào)(VOUT)，分析時(shí)間為0～20ms(在圖表中顯示2個(gè)周期的波形)。對(duì)輸入輸出信號(hào)的分析結(jié)果如圖5-66所示。從分析結(jié)果可看出，輸出信號(hào)的幅值比輸入信號(hào)的幅值略小，近似等于輸入信號(hào)的幅值(因負(fù)載從功率管的發(fā)射極輸出)，但存在交越失真(因Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)需要導(dǎo)通壓降)。圖5-66OCL功率放大電路的輸入輸出波形圖5-65所示電路的輸出失真情況也可通過(guò)傅