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1、第2章Multisim9的基本分析方法主要内容 2.1 直流工作点分析(DC Operating Point Analysis ) 2.2 交流分析(AC Analysis) 2.3 瞬态分析(Transient Analysis) 2.4 傅立叶分析(Fourier Analysis) 2.5 失真分析(Distortion Analysis) 2.6 噪声分析(Noise Analysis) 2.7 直流扫描分析(DC Sweep Analysis) 2.8 参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)2.1直流工作点分析直流工作点分析也称静态工作点分析,电路的直流分析
2、是在电路中电容开路、电感短路 时,计算电路的直流工作点,即在恒定激励条件下求电路的稳态值。在电路工作时,无论是大信号还是小信号,都必须给半导体器件以正确的偏置,以便使 其工作在所需的区域,这就是直流分析要解决的问题。了解电路的直流工作点,才能进一步 分析电路在交流信号作用下电路能否正常工作。求解电路的直流工作点在电路分析过程中是 至关重要的。2.1.1构造电路为了分析电路的交流信号是否能正常放大,必须了解电路的直流工作点设置得是否合 理,所以首先应对电路得直流工作点进行分析。在Multisim9工作区构造一个单管放大电路,电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。IQuF-POL ESirnu
3、Bton Error Lofl.Audt TraiInrurrrant Omtafibbal Campon ent Tofar-ances.LMd SlmuiatSm Settings,-, iave Simulatjon Settngs.nteractle Simubtlan Settngs-.U”i加I Smuiabon Setthgs,-冉匚AnafiTransignt Anas,.Fourier Anasls.PJg Anatyis.Dstortbn An功财”DC 9睥如Probe Properties,Re/erse Prg.be Directian5en5tiTty.Pararf
4、ter 辂m即Terruarature Seapn.Pok Zero-B.w MT UickSimlite0EHelp注意:图中的 1,2,3,4,5 等编号可以从 Options-sheet propertiescircuitshowall调试出来。执行菜单命令(仿真)Simulate/ (分析)Analyses,在列出的可操作分析类型中选择 DC Operating Point,则出现直流工作点分析对话框,如图A所示。直流工作点分析对话 框B。Qatput |flnsly3i3 Options |V-ulM.a us citciaLi1. Output 选项Output用于选定需要分析的节
5、点。左边Variables in circuit栏内列出电路中各节点电压变量和流过电源的电流变量。右边Selected variables for栏用于存放需要分析的节点。具体做法是先在左边Variables in circuit栏内中选中需要分析的变量(可以通过鼠标拖 拉进行全选),再单击Add按钮,相应变量则会出现在Selected variables for栏中。如果 Selected variables for栏中的某个变量不需要分析则先选中它,然后点击Remove按钮, 该变量将会回到左边Variables in circuit栏中。2.Analysis Options和Summar
6、y选项表示:分析的参数设置和Summary页中排列了 该分析所设置的所有参数和选项。用户通过检查可以确认这些参数的设置。2.1.3检查测试结果点击B图下部Simulate按钮,测试结果如图所示。测试结果给出电路各个节点的电压 值。根据这些电压的大小,可以确定该电路的静态工作点是否合理。如果不合理可以改变 电路中的某个参数,利用这种方法,可以观察电路中某个元件参数的改变对电路直流工作点的影响。2.2交流分析交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特 性,是一种线性分析方法。Multisim 9在进行交流频率分析时,首先分析电路的直流工作 点并在直流工作点处对各个
7、非线性元件做线性化处理得到线性化的交流小信号等效电路, 并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时,电路工作区中 自行设置的输入信号将被忽略。也就是说无论给电路的信号源设置的是三角波还是矩形波, 进行交流分析时,都将自动设置为正弦波信号,分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲 线。2.2.1构造电路这里仍采用单管放大电路作为实验电路,电路如图所示。这时,该电路直流工作点 分析的结果如下:三极管的基极电压约为0.653V,集电极电压约为5.46V,发射极电压为2.2.2启动交流分析工具执行菜单命令Simulate/Analyses在列出的可操作分析类型中选择AC Anal
8、ysis ,则出现交流分析对话框,如图所示。对话框中Frequency Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。项目默认值单但注牌Start frequency C起始频率)1Hz交度少析时的起始频率以技单位有:Hz-,眼、 MHz-, gStop frequencyC终止频率)10GHz交疵分析时的终止频率以选单位有:Hz-, kHz-, MHz-, gSweep typeC扫描类型)Decade交流分析曲线的频率变化方式,可选项有:DecadE.Lineal、OctaveNumtier of points per decadeC扫描点数】10指的是起点到点共有多少个
9、频率点,对统性扫描 该项菸慈Vertical scaleC垂直刻度】Logaiithmic扫描时的垂直刻度可恍顶有;Lhieai、Loganthmuc、 DecibeL Octave2.2.3检查测试结果电路的交流分析测试曲线如图所示测试结果给出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线幅频特性曲线显示了 3号节点(电路输出端)的电压随频率变化的曲线;相频特性曲线显 示了 3号节点的相位随频率变化的曲线。由交流频率分析曲线可知,该电路大约在/Hz 24MHz范围内放大信号,放大倍数基本稳定,且相位基本稳定。超出此范围,输出电压将会衰减,相位会改变。2.3瞬态分析瞬态分析是一种非线性时域分析方法,是在给定
10、输入激励信号时,分析电路输出端的瞬 态响应。Multisim在进行瞬态分析时,首先计算电路的初始状态,然后从初始时刻起,到 某个给定的时间范围内,选择合理的时间步长,计算输出端在每个时间点的输出电压,输出 电压由一个完整周期中的各个时间点的电压来决定。启动瞬态分析时,只要定义起始时间和 终止时间,Multisim可以自动调节合理的时间步进值,以兼顾分析精度和计算时需要的时 间,也可以自行定义时间步长,以满足一些特殊要求。2.3.1构造电路构造一个单管放大电路,电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。2.3.2启动瞬态分析工具二0.V212-1C1 ,十.,. a 10u F-PG L - S
11、.5DrnV MkHz执行菜单命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析类型中选择TransientAnalysis,出现瞬态分析对话框,如图所示。瞬态分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。选项柩项目默认.值注释Initial conditioiis r初始案件)Set to Zero(设为零)不选如果希望从零初始状态起,蚓迷择 此项User-definedt用户自定受)不选如果希望从用户自己定曳的初始浅 态起,则选择此项Calculate DC operating point C计管静态工作点)不选如果从静态工作点起始粉
12、析,则选 择此项AutomaticalLy detEimine initial conditions 系统自动确定 初始.件)迷中财感鲸以静态工作点作为分析初 始条件,如果仿真失敏,则使用用户 定义的初始条件Parameters萎数)Start time起始时间)0瞬瞬态分析的起始时间必须大于或等 于零且应小于结束时间End time(终止时司)0.001瞬态公析的终止时间必须大于起始 时间Maxiiinitn time step settingC最大步进时间设置)选中如果选中该顶,则可在以下三项中 挑选一项Miiiniimn nimibei of time points (最 小时间点数)1
13、00自起始时间至结束时间之间1模拟 输出的点数Maxiirnitn tiirue stepC最大步进时间)IE-05模拟时的最大步进时间Geiierate time steps iutomatijCiLly C自动产生步进 时间)选中麒败或糖选择模拟电路的最为合 理及最大步进时间2.3.3检查分析结果放大的波形,纵轴坐标是电压,横轴是时间轴。从图中可以看出输出波形和输入波形的幅值相差 不太大这主要是因为该放大电路晶体管发射极接有反馈电阻从而影响了电路的放大倍数。2.4傅立叶分析傅立叶分析是一种分析复杂周期性信号的方法。它将非正弦周期信号分解为一系列正弦 波、余弦波和直流分量之和。根据傅立叶级数
14、的数学原理,周期函数f(t)可以写为f (t) = A + A cos wt + A cos 2wt Hb B sin wt + B sin 2wt H01212傅立叶分析以图表或图形方式给出信号电压分量的幅值频谱和相位频谱。傅立叶分析同时也 计算了信号的总谐波失真(THD),THD定义为信号的各次谐波幅度平方和的平方根再除以 信号的基波幅度,并以百分数表示:THD = Z U2;/ U X100%2.4.1构造电踣构造一个单管放大电路,电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。该放大电 路在输入信号源电压幅值达到50mv时,输出端电压信号已出现较严重的非线性失真,这 也就意味着在输出信号中出
15、现了输入信号中未有的谐波分量。1&UF-P0L E2.4.2启动交流分析工具执行菜单命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析类型中选择FourierAnalysis,则出现傅立叶分析对话框,如图所示。傅立叶分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目及默认值等内容见表所示。项目注辟Samping options (采 样选项)Frequeiwy resolution c基频)殷漩信号源频率日如果电跻中有多个壹就 信号源,则取各信号源频率的最小公因数-点 Es-tnmie芯钮系统将自动设置口Himibei of hannomcs【谐波数】设置需要计复的谐浪个数
16、Stop tmije ibr saittplirig (停止采样时间)设置停止采祥时间-霞京虱按钮, 杀稣将自动设置nRjesulis(结果)Display phase 相位显小)如果选中妗析姑果则会同时显示顾腰埃,Display as bar graph 瓣条图形方式显示)如果选中成线条囹形方式显小分析的结果.Ncnnalize graphs (妇二化图形)如果选中始析统熟钢妇二化囹?Dis plays(品示)显示形式迷择:可选Chait C图表1 Gmph 图形)或Chartaiid Graph (图表和图形kVertical Scab巍辑刻度)飙袖刻度选择可迷Lineal线性Xkgitk
17、nic (对数 1 Decibel C 贝)或 Octave (八倍 L2.4.3检查分析结果傅立叶分析结果如图所示。如果放大电路输出信号没有失真,在理想情况下,信号的直 流分量应该为零,各次谐波分量幅值也应该为零,总谐波失真也应该为零。从图可以看出,输出信号直流分量幅值约为1.15V,基波分量幅值约为4.36 V , 2次谐波分量幅值约为1.58 V,从图表中还可以查出3次、4次及5次谐波幅值。同时可以看到(THD)约为35.96%,这表明输出信号非线性失真相当严重。线条图形方式给出的信号幅 频图谱直观地显示了各次谐波分量的幅值。2.5失真分析放大电路输出信号的失真通常是由电路增益的非线性与
18、相位不一致造成的。增益的非线性将会产生谐波失真,相位的不一致将产生互调失真。Multisim失真分析通常用于分析那 些采用瞬态分析不易察觉的微小失真。如果电路有一个交流信号,Multisim的失真分析将 计算每点的二次和三次谐波的复变值;如果电路有两个交流信号,则分析三个特定频率的复 变值,这三个频率分别是:(f1 + f2),(f1-f2),(2f1-f2)o2.5.1构造电路设计一个单管放大电路,电路参数及电路结构如图所示。对该电路进行直流工作点分析后,表明该电路直流工作点设计合理。在电路的输入端加入一个交流电压源作为输入信号, 其幅度为4V,频率为1kHz。注意:双击信号电压源符号,在属
19、性对话框中Distortion Frequency 1 Magnitude项目下设置为4V。Distortion Frequency 2 Magnitude:项目下设置为4V。然后继续分析该放大电路。执行菜单命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析类型中选择DistortionAnalysis,则出现瞬态分析对话框,如图所示。失真分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。项目默认值单似注晚Start frequencyC起始频率)1Hz设宣起妗频率-Stop frequencyC粪止频率J10GHz设置终止频率-Swep t
20、ype(扫描类型)Decajde扫描类型 hTj Decajdje-, Linear 或 Dctacve口Number of points per decadeC十倍魏点数)10设置每十倍频的采样点数口Vertical sc ale(垂直刻度)Loganthm垂宜刻度口J 以选 Lit眼I、Logarithm-, Decibel 或OcisMeBF2 / Fl典血0.1C不选)选中时,在Fl扫描期间,F2设定为该比率乘以起 始频率 应* 刁nReset to mam AC vialues按钮将所有设置恢复为与堂捅始折相同的设置 值。Rjeset to default按困将所有设置恢复为驮U.值
21、2.5.3检查分析结果电路的失真分析结果如图所示。由于该电路只有一个输入信号,因此,失真分析结果给出的是谐波失真幅频特性和相频特性图。J tstoiti in Analysie Jiarrmn An的se i.P!迎蛀仪E喳一:Grapher TIctFiln Edit Viev Tools涂si & e芒凫 iui曰心/ a、曹,c失真分析DISTORTION- IM 2fl-f2电路中的电阻和半导体器件在工作时都会产生噪声噪声分析就是定量分析电路中噪声 的大小。Multisim提供了热噪声、散弹噪声和闪烁噪声等3种不同的噪声模型。噪声分析 利用交流小信号等效电路,计算由电阻和半导体器件所产
22、生的噪声总和。假设噪声源互不相 关,而且这些噪声值都独立计算,总噪声等于各个噪声源对于特定输出节点的噪声均方根之 和。2.6.1构造电路构造单管放大电路,双击信号电压源符号,在属性对话框中Distortion Frequency1 Magnitude:项目下设置为1V。然后继续分析该单管放大电路。2.6.2启动噪声分析工具执行菜单命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析类型中选择Noise Analysis,则出现噪声分析对话框,如图所示。噪声分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目及其注释等内容见表所示。项目默认值单位注脚Input noise ref
23、erence source C输人噪声参考源)电船的输 入源选择交流信号源输入Output node(输出节点)电路中的节点选择输出噪声的节点位螯 在该节直计 算电路所有元器件产生的噪声电压均方 根之和Rjeference node参考节点)0默认值为接地点Set points perc设置每汇总时 计算的点数】不选)选中时,噪声分祈时将产生所选无件的 噪声就迹,在右边埴入频率步进数-噪声分析对话框中Frequency Parameters页如图所示。其中设置项目及其注释等内容见下表所示:项目默认值单怛注肆IStart frequency (起蛤频率)1Hz设置起始频率-Stop freque
24、ncy (舞止频率)10GHz设置终止频率-Svneep type扫描类型)Decade扫描类型可选Decade Linear或 Qctavie.NuiULber of points per decade (十倍觌点数)10设置每十陪频的采祥点数-Vertical scale (垂直刻度)Logarithm垂直刻度口以选Lmeair bgaiithm.Decel 成 Octave 口Rsei to main AC values按钮将所有设置恢复为与交流分析相 同的设置值-Rjeset to djefanlt按钮将所有设置恢复为默认值.2.6.3检查分析结果噪声分析曲线如图所示。其中上面一条曲线
25、是总的输出噪声电压随频率变化曲线,下面 一条曲线是等效的输入噪声电压随频率变化曲线。2.7直流扫描分析直流扫描分析是根据电路直流电源数值的变化,计算电路相应的直流工作点。在分析前 可以选择直流电源的变化范围和增量。在进行直流扫描分析时电路中的所有电容视为开路, 所有电感视为短路。在分析前,需要确定扫描的电源是一个还是两个,并确定分析的节点。如果只扫描一个 电源,得到的是输出节点值与电源值的关系曲线。如果扫描两个电源,则输出曲线的数目等 于第二个电源被扫描的点数。第二个电源的每一个扫描值,都对应一条输出节点值与第一个 电源值的关系曲线。2.7.1构造电路构造如图所示的电路,MOS管型号为2N70
26、00,属于N沟道增强型MOS管。现在要利用直流扫描来测绘MOS管的输出特性曲线。执行菜单命令Simulate/Analyses,在列出的可操作分析类型中选择DC Sweep,则出现直流扫描分析对话框liter em ent直流扫描分析对话框中Analysis Parameters页中包含Source1和Source2两个区,区中设置项目及其注释等内容见表所示。项目单怛注群Source(电源】选择要扫描的直蒲电源Start valuje开始值)V设置扫描开始值Stop valus(缪止值)V设置扫描终止值Increase(增星)V设置扫描增量Use source 1使用电源2)如需要扫描酉个电源
27、,则选中梭选项2.7.3检查分析结果直流扫描分析曲线即MOS管的输出特性曲线,如图所示。横坐标为MOS管的漏极电压,纵坐标是MOS管的漏极电流(尽管图上标的是Voltage)。每一条曲线都是MOS管漏极电压与漏极电流的关系曲线且对应一个固定的栅极电压。2.8 参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)参数扫描分析是在用户指定每个参数变化值的情况下,对电路的特性进行分析。在参数 扫描分析中,变化的参数可以从温度参数扩展为独立电压源、独立电流源、温度、模型参数和全局参数等多种参数。显然,温度扫描分析也可以通过参数扫描分析来完成。1.构造电路2.启动参数扫描分析工具选择 Sim
28、ulate / Analysis / Parameter Sweep2.启动参数扫描分析工具选项框Swep项目默认值注释DeviceParameter(元件参数)BJT(晶体管)可选电路中出现的元件种类(Device),如 Diode、Resistor、Vsource等,元件序号(Name)以及元件参数(Parameter)Model Parameter(元件模型参数)BJT(晶体管)表示选中的是元件模型参数类型,各参数不仅与电路有关,还与DeviceParameter对应的选项有关Decade确定扫描起始值、终止值及增量步长Parameters(选择扫描元件及参数)Points toswee
29、p(选择扫描方式)(十倍刻度扫描)Liner (线性刻度值)选中确定扫描起始值、终止值及增量步长Octave (八倍刻度扫描)确定扫描起始值、终止值及增量步长Liste (取列表值扫描)列出扫描时的参数值,数字间可用空格、逗点或分号隔开More Option(选择分析类型)DC OperatingPoint(直流工作点)未选选中该项,进行直流工作点的参数扫描分析TransientAnalysis(瞬态分析)选中选中该项,进行瞬态参数扫描分析,可 以修改瞬态分析时的参数设置AC FrequencyAnalysis(交流频率分析)未选选中该项,进行交流频率参数扫描分析 可以修改交流频率分析时的参数设置3.查看分析结果File Edit View Tools:电略口曲目画食wi Q a隐写跳液|殓bl*MFdrarneter Sweep# Grapher View灵敏度Device Parametei Sveq?Selected Trace:V(3)j rr3 resistance=1000
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