基于Multisim的集成放大运算器仿真分析

摘要：为了了解Multisim在实际电路设计与仿真中的应用，在此以集成运算放大器为研究对象，基于Multisim对其进行了仿真分析，针对集成运算放大器的三种不同连接方式，分别做了同比例运算、反相比例运算和差分放大等三组仿真实验，实验结果表明其理论计算与仿真结果一致。最后，还提出了解决仿真过程中出现的常见问题的方案，从而为从事该领域研究的工作者提供了一种便利。

关键词：Multisim；集成运算放大器；连接方式；仿真分析

0 引言

目前随着国际上电子工业和计算机技术的飞速发展，电子产品已与计算机系统紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。以定量估算和电路试验为基础的电路设计方法已经无法适应当前激烈竞争的市场。电子设计自动化(EDA)技术，使得电子线路的没计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动生成，其中包括印制板的温度分布和电磁兼容性测试，代表着现代电子系统设计的技术潮流。

而Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司在EWB(Electronics Workbench)基础上推出的电子电路仿真设计软件，是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。本文将对Multisim软件在虚拟系统中的应用进行研究，从而为虚拟电子系统的设计、电子产品的开发和电子系统工程提供了一种全新的于段和便捷的途径。

1 相关工作

目前已有众多的学者对基于Multisim的系统设计与开发进行了研究，相继提出了一系列有指导意义的方法。如文献介绍Multisim应用软件系统及在实际电路设计与仿真中的应用。在此以实际成功的工程应用为例，阐述Multisim在电路设计与仿真实践中的运用与研究的亲身体验，并结合电路仿真过程中遇到的问题，提出解决问题的思路，给出具体解决问题的方法。文献介绍了如何应用Multisim中Filter Wizard进行滤波器设计的基本慨念和步骤。通过一个具体的实例来介绍了应用Multisim中Filter wizard设计滤波器的方法。文献针对传统高频电子线路教学中存在的问题，提出在教学中引入计算仿真进行辅助分析与设计。阐述了Multisim的主要功能与特点，并利用Multisim对高频电路中的典型电路单调谐回路谐振放大器、环形调幅器进行了仿真，各项结果与理论推导相符，形象、生动的演示达到提高了学生学习兴趣的效果。文献首先简要介绍了Multisim 8软件的特点，然后利用该软件对时差分放大电路进行仿真分析，研究其如何实现对差模信号放大和对共模信号抑制。仿真结果与理论分析计算一致，在课堂上使模拟电子技术教学更形象、灵活、更贴近工程实际，达到了帮助学生理解原理，更好地掌握所学的知识的目的。本文在前人研究工作的基础上，针对集成运算放大器的不同连接方式，通过仿真实验验证了其理论计算与仿真结果的一致性。

2 Multisim软件的特点

Multisim是一个完整的集成化设计环境。它具有如下特点：

(1)具有直观的图形界面。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将连接起来。软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)具有一个庞大的元气件库。具备如信号源、基本元气件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元气件。

(3)具有强大的仿真能力。既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数／模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

(4)强大的分析功能。提供了14种仿真分析方法，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等。

(5)强大的虚拟仪器功能。如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。

(6)VHDL／Verilog设计输入和仿真。Multisim软件将VHDL／Verilog的设计和仿真包含进去(选件)，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普通电路融为一体仿真的瓶颈。

(7)可以与电路板设计软件无缝连接。Multisim软件的设计结果可以方便地导出到电路板设计软件中进行电路板走线。

(8)远程控制功能。Multisim软件支持远程控制功能，不仅可以将Multisim软件的界而共享给其他人，使得其他人在自己的计算机上看到控制者的操作情况，而且可以将控制权交给其他人，让其操作该软件，这样可以实现交互式教学，是进行电子线路教学的理想工具。

3 集成放大器仿真分析

几乎所有的集成运算放大器都采用差分电路作为它的放大电路。集成运算电路最初仅仅被用来进行数学运算。但是现在意义L的运算放大器的概念，早己超越了数学运算的功能范畴。若它工作在线性区，则可以实现反相比例放大、反相求和、同相求和等电路时限运算功能；若工作在非线性区，可以组成诸如比较器、微积分电路及多种信号发生电路等。

集成运算放大器有三种连接方式：同相、反相和差分输入，本文实验将对于三种连接方式分别进行仿真。

(1)同相比例运算仿真电路。打开Multisim软件，按照图1所示连接电路原理图。

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设置虚拟信号发生器的信号为1 kHz，2 V正弦波信号，打开仿真开关，如图2所示调节虚拟示波器的参数设置，并分别观察虚拟示波器波形图。

不断改变输入电压Vi的大小，并根据虚拟示波器读数指针所在位置，读出Vt的示数，记录，并将其与理论计算值Vm进行比较，如表1所示。

从表1可以看到，仿真结果与理论结果基本相同。另外，反相比例运算的仿真与此类似，限于篇幅，不再详述。

(2)差分放大电路仿真。运行Multisim，在绘图编辑器中选择信号源、直流电源、三极管、电阻，创建双端输入双端输出差分放大电路如图3所示，标出电路中的结点编号。

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该次仿真中，采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管，差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的虚拟正弦波信号源。设置虚拟晶体管的模型参数BF=150，RB=300 Ω。

加差模信号ui1，ui2分别接入电路的左、右输入端，电阻R1作为输出负载，则电路的接法属于双入双出。将四通道示波器XSC1的3个通道分别接在信号源ui1和负载R1两端，如图4所示。运行并双击示波器图标XSC1，调整各通道显示比例，得差分放大电路的输入／输出波形如图5所示。

采用示波器观察和测量输入电压和输出电压值，差模信号单边电压，单边输出交流幅值约为170．124 mV(500 mV／DIV)，所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数-47，与单管共射的放大倍数相同，即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。仿真结果与题中理论计算结果相同。

另外，在图4中，将信号源ui2的方向反过来，即加上共模信号，运行并双击示波器图标XSC1，调整A，B通道显示比例。可得如图5所示波形。

由图5波形可知。在峰-峰14 mV(有效值为5 mV)的共模信号作用下。输出的峰值极小，峰-峰值为13 mV，因此单边共模放大倍数小于1。且ui1和ui2大小相等，极性相同。所以，在参数对称且双端输出时，共模放大倍数等于0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。显然，仿真结果与理论分析结果一致。

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4 仿真常见问题及其解决方法

由于设计者要求是各种各样，经常会遇到找不到仿真元件的情况，Multisim虽然存有成千上万个仿真元件，但仍然不能满足用户的所有要求，缺一个或缺几个都会影响仿真运行。下面介绍几种缺仿真元件的解决方法：

(1)用性能相近的元器件代替，但会影响其准确性。

(2)通过EDAparts．com网站与Free Trade zone Design center联系，从其标称超过120万的元器件中查找并购买所需器件模型，还需对图形。引脚进行处理。

(3)利用Muhisim提供的元件编辑工具，对现有元件模型进行编辑修改，不失为一个有效可行的方法。

(4)若自创建一个元件，需要设计者熟悉SPice语言，熟悉元件的各种电器参数等条件，且设计过程非常复杂。因此，作者建议设计者在遇到此类情况时，尽量避免创建元件。

另外，设计者在运行仿真时，常会出现仿真失败提示，常见错误及纠正方法如下：

(1)节点未找到或节点错误。根据失败提示，设计者须对仿真原理图分析，找出缺失节点处，进行纠正。

(2)设计规则冲突。设计者设计的仿真原理图与设置的电气规则不符，通过对仿真原理图和电气规则的分析，根据实际情况，选择对仿真原理图或对电气规则进行修改。

(3)若出现“No convergerice in Dc analysis”信息提示，可从分析选项中找到Miscellaneous options菜单，选中ITL1，将其默认值100增加到500～1 000。

(4)若出现“Time step too small”或者“No convergence in Ttransint analysis”，可从分析选项中找到Miscellaneous options菜单，选中ITIA，将其默认值10增加到15～20。

5 结语

本文应用Muhisim软件对集成运算放大器进行了仿真分析，结果表明仿真与理论分析和计算结果一致。另外，还针对仿真过程中可能存在的各种问题，提出了一系列的解决方案，从而为该领域的研究者提供了参考。

以后的工作包括以下两个方面：一是进一步研究基于Multisim的门电路以及差分电路的仿真分析；二是基于Multisim进行虚拟电子实验的设计，并将其应用到实践教学中。