正确运用Multisim器件模型仿真NE5532最大输出幅值

潘晓明, 龚 军, 汪小燕

(华中科技大学 电子信息与通信学院， 武汉 430074)

0 引 言

目前很多高校已将电子电路仿真软件诸如Multisim、Orcad、Proteus等运用到了电子类课程教学中，使之为教学服务，改进传统的教学手段，提高教学质量，培养创新意识。尤其是Multisim软件使用特别方便快捷，被广泛采用[1-3]。

Multisim电子电路虚拟仿真软件提供了全面集成化的设计环境，能完成原理图设计、电路仿真分析和电路功能测试等项工作。在Multisim标准组件库中，有不少虚拟元器件和仪器的型号是与实验室现场使用的实际元器件及仪器几乎完全一致。它们都能加入电路进行仿真分析和操作，这使得学生们非常愿意在自主学习中将Multisim仿真电路与传统硬件实验电路相互对照，大大提升了对电子电路学习的兴趣和积极性[4-6]。

不过利用Multisim对实验常用的集成运放芯片NE5532电路进行仿真时，即使电路完全正确，NE5532最大输出幅值Uomax的仿真数据仍会出现明显错误。分析发现错误的原因有两层，这两层原因及解决方法都和Multisim元器件仿真模型紧密相关。这里以NE5532运放基本应用电路为例来做说明。

1 运放NE5532基本应用电路及其Multisim仿真

NE5532是一种高性能低噪声双运算放大器集成电路。它与很多标准运放特性相似，但具有更好的性能，广泛应用于音响设备电路中，是很多音响发烧友手中必备的运放之一；也成为了很多学校模拟电路教学实验中必用的一种芯片。

按常规的Multisim操作步骤在软件中搭建如图1的仿真电路，它是以集成运放NE5532AP为核心的11倍同相放大电路，此类电路是教学中要讨论的运放基础应用之一[7]。电路中运放的工作电源采用正负对称双电源，直流电压为±10 V；电路输入信号是标准正弦波，频率1 kHz。另外在电路中放置了4个Multisim电压测量探针，执行电路瞬态仿真时，可通过PR3和PR4探针分别观测输入和输出信号电压仿真波形。

图1 Multisim中NE5532AP运放同相放大电路

当输入信号幅度不大，放大11倍后产生的电路输出信号小于工作电源电压时，仿真输出信号和理论分析结果一致，也和实际硬件电路的结果非常接近，说明搭建的仿真电路没有问题。

而当电路输入信号较大时，运放进入非线性工作状态。理论上，非线性工作状态下集成运放输出达到最大输出幅值Uomax后不再增大，Uomax值受直流工作电源电压限制，和输入信号无关[8-9]。对于实际硬件电路，考虑集成运放片内压降这一器件参数，运放的正/负Uomax应该明显低于正/负电源电压。笔者搭建了与图1基本一致的硬件电路，输入信号幅度定为2 V。实际输出的波形如图2，输出信号波形(CH2通道)在略低于电源电压±10 V的位置出现限幅截顶。

图2 示波器观察到的实际硬件电路输出波形

而在Multisim中，输入信号幅度也定为2 V，此时瞬态仿真分析得到的输出波形如图3。图中显示电路输出仍与输入信号保持11倍无失真放大的关系，输出信号幅值约22 V，远超电源电压±10 V。显然此仿真结果明显违背理论分析及实际情况。

图3 Multisim瞬态仿真输出波形

2 仿真模型选择不当导致输出电压完全无限制

分析发现这种错误的原因是在Multisim搭建电路过程中，没有选择适当的NE5532元件仿真模型。Multisim仿真电路功能是基于元器件Spice仿真模型的，对仿真计算来说，元件仿真模型的特性是关键。不过在Multisim中，大多数元器件只有一个对应的仿真模型，确定了元器件型号就定了仿真模型，所以通常不强调仿真模型选择操作，利用软件缺省选项即可。但实验教学常用的几种集成运放，恰恰是多模型器件，缺省选用的模型不适用于运放非线性工作状态的仿真。

在Multisim放置器件操作的界面中，中间Component框用于选定元器件型号，而右边中间Model manufacture/ID框会展示对应的仿真模型ID。当元件型号选定NE5532AP，模型ID框会列出Multisim软件自带的3个NE5532仿真模型，分别是IIT/NE5532、IIT/NE5532_2、IIT/NE5532A。尽管元件型号以及电路图中元件图形符号完全一样，但不同的仿真模型会带来不同的仿真结果。

如果不人为选定，则缺省选用排在首行的IIT/NE5532模型来加入电路进行仿真计算。此模型和最后一行的IIT/NE5532A都是NE5532的3端Spice模型[10]，是基于运放交流小信号特性宏模型的。该宏模型适用于运放线性工作状态仿真，其输出级只模拟输出阻抗参数。所以运放3端Spice模型不适合仿真非线性工作状态。

要仿真运放Uomax特性，必须手动在模型ID框中点击选定IIT/NE5532_2模型来加入电路。这是NE5532的5端Spice模型，它是基于双运放全宏模型的。该宏模型能仿真运放直流、交流、小信号、线性与非线性等主要特性，其输出级能模拟运放的直流和交流输出电阻、最大短路电流以及最大电压工作范围[11]。

可以用Multisim的“View Model”功能查阅所选模型的Spice语句文本。图4展示了NE5532和NE5532_2这两个模型部分Spice语句。缺省会选用的NE5532 3端模型只定义了3个外端口(1、2、3是外端口节点编号)；而NE5532_2 5端全宏模型则定义了5个外端口，其内部参数项远多于3端模型(图中只展示了其文本开头部分)。

图4 NE5532和NE5532_2模型Spice语句文本部分展示

其实不光NE5532运放系列，像LM324这个在实际电子电路教学实验中经常使用的低成本四运放集成芯片系列[12]，在Multisim中对应着多达9个仿真模型。其中包括缺省在内的多个模型都是3端模型，若要仿真非线性工作状态也必须手动选择其五端仿真模型。

3 仿真模型内部参数有误导致的问题及修正

不过，即使选择NE5532_2五端仿真模型来搭建图1所示的电路，仿真得到运放NE5532的Uomax值仍然不能称之为正确。图5是选取NE5532_2仿真模型后该电路的仿真输出波形。由图可见，确实出现了运放最大输出受限制而截顶失真的输出波形，但Uomax在具体数值上仍有错误，达到±14.3 V，依然超过电源电压值。

图5 用Multisim自带NE5532_2 5端模型仿真的结果

分析发现这是由于Multisim自带的NE5532_2仿真模型在Uomax相关参数上有错误导致的。要得到接近实际的Uomax仿真输出，必须修正该NE5532_2仿真模型。

若是对仿真误差有严格要求，则应向实际芯片的生厂商索取正确的Spice仿真模型文件，然后将其整个作为新元件加入到Multisim用户元件库中再加以使用[13-14]。而对于一般教学实验，只需修正与Uomax相关的个别参数，自行修改更简便。

对运放5端全宏仿真模型的电路进行分析可确定需修改的参数项。图6所示为Spice双极型运放5端全宏仿真模型输出端部分的电路示意图。图中UC、D3和UE、D4构成了电压钳位电路，正是用来模拟运放Uomax特性的。其中UC、UE是独立电压源模型，它们作用单一；在其他参数不变时，它们与Uomax及电源电压三者之间是简单的加减关系。故修改这对参数可以解决问题又不会改变其他特性仿真值。对仿真误差要求不高时，可根据当前仿真数据与对应硬件电路实测数据之间的偏差反推得到UC、UE的修正值。

图6 Spice双极型运放5端全宏仿真模型输出端电路

Multisim允许操作者方便地修改元器件Spice模型数据。在已放入电路的NE5532AP的Properties属性窗中点选Edit model，会弹出Edit Model窗口，其中包含类似图4的模型文本，不过此时它们是可修改编辑并保存的。

我们只需关注NE5532_2模型文本中UC5 15 DC -3.367 81 V 和UE12 4 DC -3.367 81 V这两行(图4中以虚线框出)，行末的电压值即是UC、UE的具体数值。正常的UC、UE都应是正数值，而Multisim自带NE5532_2模型中两个参数是负数值，正是导致Uomax仿真数据过大的根源。笔者从面包板电路上粗略测量得到此处Uomax正压值为9.4 V、负压值为8.6 V(见图2示波器CH2的测量值)。反推得仿真模型参数中的UC约为 1.55 V，而UE约为2.35 V。于是在Edit Model窗口中将原来的两行改为:

UC5 15 DC 1.55 V

UE12 4 DC 2.35 V

修改后点击编辑窗口中的Change Component按钮，修改的数据将对此电路生效并保存于此仿真电路文件中。重新运行该电路瞬态仿真得到输出波形如图7所示，可以看出仿真结果非常接近于图2的硬件电路实测波形数据。

图7 修改模型后电路瞬态仿真结果

最后再次进行此电路小信号输入时的仿真，输出波形为输入小信号的11倍无失真放大，由此证明上述修正对于运放线性和非线性工作状态均正确有效。

若要在其他电路中延用修正过的NE5532模型，可在属性窗口利用Save Component to DB功能，将其作为新元件加入用户元件库留存使用[15]。

4 结 语

由于在Multisim中大多数元器件是单仿真模型的，确定元器件型号就定了仿真模型，所以教学中通常只强调元器件型号的选用。但对于多模型元器件，不了解同型号不同仿真模型之间的区别，很可能造成部分特性仿真结果出错。尤其是国内教学实验常用的运放NE5532芯片，若不能保证其只在线性工作状态，则必须手动选择该运放五端仿真模型并修正个别参数才可以得到较正确的仿真结果。

所以要更有效地利用Multisim仿真辅助电子电路教学，需要对选择适当元件仿真模型以及修改模型参数等操作有所强调。这样能让学生们更顺利地将Multisim仿真与理论教学以及传统硬件实验相结合，更深入理解课堂和实验室学到的知识，对发挥学生的主动性十分有利[16]。