差分放大電路利用電路參數的對稱性和負反饋作用，有效地穩定靜態工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征，廣泛應用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構復雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術中的難點。Muhisim作為著名的電路設計與仿真軟件，它不需要真實電路環境的介入，具有仿真速度快、精度高、準確、形象等優點。因此，Multisim被許多高校引入到電子電路實驗的輔助教學中，形成虛擬實驗和虛擬實驗室。通過對實際電子電路的仿真分析，對于縮短設計周期、節省設計費用、提高設計質量具有重要意義。

　　Muhisim是加拿大IIT(Interactive Image Tech—nologies) 公司在EWB(Electronics Workbench)基礎 上推出的電子電路仿真設計軟件，Muhisim現有版本為Muhisim2001，和較新版本Muhisim 10。它具有這樣一些特點：

　　(1)系統高度集成，界面直觀，操作方便。將電路原理圖的創建、電路的仿真分析和分析結果的輸出都集成在一起。采用直觀的圖形界面創建電路：在計算機屏幕上模仿真實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。操作方法簡單易學。

　　(2)支持模擬電路、數字電路以及模擬／數字混合電路的設計仿真。既可以分別對模擬電子系統和數字電子系統進行仿真，也可以對數字電路和模擬電路混合在一起的電子系統進行仿真分析。

　　(3)電路分析手段完備，除了可以用多種常用測試儀表(如示波器、數字萬用表、波特圖儀等)對電路進行測試以外，還提供多種電路分析方法，包括靜態工作點分析、瞬態分析、傅里葉分析等。

　　(4)提供多種輸入／輸出接口，可以輸入由PSpice 等其他電路仿真軟件所創建的Spice網表文件，并自動形成相應的電路原理圖，也可以把Muhisim環境下創建的電路原理圖文件輸出給Protel等常見的印刷電路軟件PCB進行印刷電路設計

　　1 電路設計

　　在Multisim 10中建立了如圖1所示的典型差動放大電路。T1，T2均為NPN晶體管(2N2222A)，電流放大系數β設置為80。撥動開關J1，J2可選擇在差動放大電路的輸入端加入直流或交流信號。數字萬用表用于測量直流輸出電壓，示波器用于觀測交流輸入／輸出電壓波形，測量探針用于仿真時實時顯示待測支路的電壓和電流。

　　實際電路中T1，T2宜選用差分對管，晶體管的靜態電流ICQ不宜超過1 mA。由ICQ可選取兩管共用的發射極電阻Re，且Re不影響差模電壓放大倍數，僅對共模信號有較強的負反饋作用，因此可以有效地抑制“零點漂移”，穩定靜態工作點。由于兩個放大器的參數不可能完全一致，因此通過電位器Rp對電路進行調零。

　　基極電阻Rb1，Rb2應根據差模輸入電阻的要求選定。選取集電極電阻Rc1、Rc2時應使靜態工作點靠近負載線的中點。根據輸入端和輸出端接“地”情況的不同，差動放大電路有以下4種不同接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。

　　2 靜態工作點分析

　　圖1差動放大電路靜態時因輸入端不加信號，T1，T2的基極電位近似為零，因此電位器Rp兩端的電位均為-UBE(對于硅管約為-0．7 V)，如電位器Rp的滑動端處于中點位置，計算靜態工作點為：

　　Multisim 10中直流工作點分析方法是對電路進行進一步分析的基礎，主要用來計算電路的靜態工作點，此時電路中的交流電源將被置為零，電感短路，電容開路。進行靜態工作點分析時需將電路的節點編號顯示在電路圖上(見圖1)，并需要選擇待分析的節點編號。依次執行Simulate／Analyses／DC Operating Point(直流工作點)分析命令，設置圖1中1，2，u01，u02，Iprobe2，Iprobe3為輸出節點(變量)，得到圖2所示的靜態工作點分析結果：Ie=1．48 mA，Ic1=Ic2=0．732 mA，Uc1=Uc2=4．68 V，所測參數與式(1)～式(3)分析結果基本一致。

　　3 參數掃描分析

　　參數掃描分析用來研究電路中某個元件的參數在一定范圍內變化時對電路性能的影響。選擇圖1中電阻Re為參數掃描分析元件，分析其阻值變化對電路輸出波形的影響。圖1差動放大電路設置為交流信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為150 mV，依次執行Simulate／Analyses／Parametet Sweep(參數掃描)命令，設置掃描方式為Linear(線性掃描)，設置電阻Re掃描起始值為5 kΩ，掃描終值為7．5 kΩ，掃描點數為3，設置輸出節點為u01，得到如圖3(a)所示參數掃描分析結果。當Re=5 kΩ時，由于T1管的靜態工作點偏高，其輸出電壓u01產生了飽和失真。可見，Re阻值的變化影響差動放大電路的靜態工作點。

　　4 溫度掃描分析

　　溫度掃描分析用來研究溫度變化對電路性能的影響，相當于在不同的工作溫度下進行多次仿真。

　　圖1差動放大電路設置為交流信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執行Simulate／Analyses／Tempera-ture Sweep(溫度掃描)命令，設置掃描方式為List(取列表值掃描)，設置掃描溫度為0℃，27℃，120℃，設置輸出節點為u01得到如圖3(b)所示溫度掃描分析結果。隨著溫度的升高，T1管的輸出電壓幅值變小。可見，故溫度變化會影響單管放大電路的靜態工作點。

　　由于溫度的變化與T1，T2參數的變化相同，集電極靜態電流、電位的變化也相等，故輸出電壓u0的變化為零，可將溫度變化等效為共模信號，因此差動放大電路對溫度變化產生的“零點漂移”具有抑制作用。

　　5 動態參數分析

　　圖1電路的差模電壓放大倍數Aud與單管共射電路相同，且Aud由輸出方式決定，而與輸入方式無關。

　　計算雙端輸出差模放大倍數為：

　　5．1 傳遞函數分析

　　依據傳遞函數分析可計算電路中輸入源與兩個節點的輸出電壓或一個電流輸出變量之間的直流小信號傳遞函數，同樣可以用于計算輸入和輸出的阻抗。

　　將圖1電路分別設置為直流差模、直流共模信號輸入方式，依次執行Simulate／Analyses／Transfer Function Analysis(傳遞函數分析)命令，設置V3為輸入電壓源，設置輸出節點為u01，分別得到如圖4(a)，4(b)所示傳遞函數分析結果。由圖4測得Aud1=-12．4，Auc1=-0.64，所測參數與式(5)、式(6)分析結果基本一致。

　　5．2 直流信號測試

　　撥動開關J1，J2，在圖1電路中兩輸入端加入直流差模信號ui1=+0．1V，ui2=-0．1V，通過數字萬用表測得uo1=2．246V，uo2=7.115V。計算Aud=(2．246-7．115)／0．2=-24．345，Aud1=(2．246-4．68)／0．2=-12．17，Aud2=(7．115-4．68)／0．2=12．175。在圖1電路中兩輸入端加入直流共模信號ui1=ui2=0．1 V，通過數字萬用表測得uo1=uo2=4．616 V。計算Auc1=Auc2=(4．616-4．68)／0．1=-0．64，Auc為零。直流信號測試參數與式(4)～式(6)分析結果基本一致。

　　5．3 交流信號測試

　　5．3．1 單端輸出

　　在圖1電路中兩輸入端分別加入交流差模信號(函數信號發生器的輸出端接ui1、地端接ui2，構成單端輸入方式)及交流共模信號(函數信號發生器的輸出端同時接ui1，ui2)，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV。

　　通過示波器觀測差模、共模信號輸入波形和單端輸出波形如圖5所示。由示波器測得：差模單端輸出電壓的幅值約為119mV，Aud2=11.9；共模單端輸出電壓的幅值約為6．4 mV，Auc1=-0．64。單端輸出測試參數與式(5)、式(6)分析結果基本一致。

　　5．3．2 雙端輸出

　　由于Multisim 10提供的示波器不能直接測量uo兩端的電壓波形，因此需通過后處理器對雙端輸出電壓進行觀測。在進行后處理之前需要對電路進行瞬態分析，然后將瞬態分析結果進行后處理。瞬態分析是一種非線性電路分析方法，可用來分析電路中某一節點的時域響應。在進行瞬態分析時，Multisim 10會根據給定的時間范圍，選擇合理的時間步長，計算所選節點在每個時間點的輸出電壓，通常以節點電壓波形作為瞬態分析的結果。圖1電路設置為交流差模信號輸入方式，設置正弦波輸入信號頻率為1 kHz、幅值為10 mV，依次執行Simulate／An-alyses／Transient Analysis(瞬態分析)命令，選擇圖1電路中節點uo1，uo2的電壓作為輸出變量，得到如圖6所示的瞬態分析結果。可見，uo1，uo2大小相等、相位相反。后處理器(Postprocessor)是專門對仿真結果進行進一步計算處理的工具，不僅能對仿真得到的數據進行各種運算，還能對多個曲線或數據之間進行數學運算處理，并將結果繪制到曲線圖或圖表中，繪制的結果表現為“軌跡線”的形式。

　　依次執行Simulate／Postprocessor(后處理器)命令，選擇對圖6瞬態分析結果中兩個節點(uo1，uo2)輸出電壓進行減法運算，得到的差模信號雙端輸出電壓uo波形如圖7所示。由圖7可測得uo的幅值約為242 mV，計算Aud=-24．2，雙端輸出測試參數與式(4)分析結果基本一致。圖1電路設置為交流共模信號輸入方式，通過瞬態分析和后處理器測得共模信號雙端輸出電壓uo幅值僅為0．062μV，Auc=6．2×10-6。可見，差動放大電路對共模信號具有很好的抑制作用。

　　6 結語

　　應用Multisim 10軟件對差分放大電路進行仿真分析，結果表明仿真與理論分析和計算結果一致，應用Multisim進行虛擬電子技術實驗可以十分方便快捷地獲取實驗數據，突破了在傳統實驗中硬件設備條件的限制，大大提高了實驗的深度和廣度。利用仿真可以使枯燥的電路變得有趣，復雜的波形變得形象生動，并且不受場地(可以在教室、宿舍)，不受時間(課內、課外)的限制，通過教師演示和學生動手設計、調試，不但可以使學生更好地掌握所學的知識，同時提高了學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。