高输入阻抗放大器在Multisim中的建模与仿真

高输入阻抗放大器在Multisim中的建模与仿真：从理论到实战的完整路径

你有没有遇到过这样的情况？
传感器输出明明是10mV的信号，可送到ADC之前却只剩3mV——还没经过任何处理就“缩水”了大半。问题出在哪？往往不是电路设计错了，而是前端放大器的输入阻抗太低，直接把高内阻信号源给“拖垮”了。

这在生物电信号采集（如心电、脑电）、pH探头、压电传感器等应用中极为常见。这些信号源动辄几兆欧甚至上百兆欧的输出阻抗，若前端不具备足够高的输入阻抗，结果只能是严重的分压衰减和信噪比恶化。

幸运的是，在动手搭板子前，我们完全可以用Multisim进行精准仿真，提前预判这类问题，并优化选型与设计。本文将带你一步步完成一个真实工程级的仿真流程：从运放模型选择、电路搭建，到输入阻抗测量、性能对比，最终落地为可指导PCB设计的结论。

为什么高输入阻抗如此关键？

想象一下，你要从一口极细的吸管里吸水——如果你用的杯子底部有个大洞（即负载效应强），那无论你怎么吸，水量都会严重不足。同样的道理，当放大器的输入阻抗不够高时，它就会像那个漏底的杯子，从前级“偷走”电流，导致实际加到输入端的电压远小于原始信号。

数学上很简单：

$$
V_{\text{in}} = V_s \cdot \frac{Z_{\text{in}}}{Z_{\text{in}} + R_s}
$$

其中：
- $ V_s $：信号源开路电压
- $ R_s $：信号源内阻
- $ Z_{\text{in}} $：放大器输入阻抗

如果 $ R_s = 5\,\text{M}\Omega $，而 $ Z_{\text{in}} = 2\,\text{M}\Omega $（比如LM741），那么有效输入电压只有约29%的原始信号！哪怕增益再高，放大也是“错上加错”。

因此，对于高内阻信号链路，前置放大器必须具备远高于信号源内阻的输入阻抗，通常要求 $ Z_{\text{in}} > 10 \times R_s $ 才能忽略分压影响。

如何实现超高输入阻抗？FET输入型运放是答案

普通双极型运放（如LM741、LM358）虽然便宜易得，但其输入级由BJT构成，存在不可忽视的基极偏置电流（几十nA量级）。这意味着即使没有外部连接，也会有微小电流流入/流出输入引脚，形成误差。

而场效应管输入型运放（FET-input Op-Amp），如OPA1641或OPA140，采用JFET或CMOS作为输入级，栅极几乎不取电流——典型输入偏置电流仅为pA甚至fA级别，使得其差模输入阻抗可达 $10^{12} \sim 10^{13}\,\Omega$。

运放型号	输入类型	输入偏置电流 $I_b$	差模输入阻抗 $Z_{id}$
LM741	双极型	~80 nA	~2 MΩ
TL082	JFET	~30 pA	~10¹² Ω
OPA1641	CMOS	~1 pA	>10¹³ Ω

💡 小贴士：输入偏置电流越小，输入阻抗越高，对微弱信号的影响就越小。但在高精度系统中也要注意共模漏电流和PCB表面漏电的问题。

这类器件特别适合做电压跟随器或同相放大器结构，因为在这种配置下，闭环输入阻抗接近运放开环输入阻抗本身，进一步提升了整体性能。

Multisim仿真实战：如何正确建模并验证输入阻抗？

很多初学者在Multisim里随便拖个“理想运放”就开始仿真，殊不知这种模型的输入阻抗默认是无穷大的，根本反映不了真实世界的差异。要想看到LM741和OPA1641之间的巨大差距，就必须使用真实的SPICE模型。

第一步：选用真实器件模型，别用“理想运放”

在Multisim中：
1. 点击Place → Component
2. 在数据库中搜索具体型号，例如OPA1641
3. 如果库中没有，可通过.include指令导入厂商提供的SPICE模型文件（.lib或.sub）

* 导入TI提供的OPA1641模型 .include "OPA1641.lib" XU1 IN+ IN- V+ V- OUT OPA1641

📌 注意事项：
- 引脚顺序必须与模型定义一致（可在模型文件中查看）
- 模型需放置于项目路径下，或设置全局模型目录
- 可通过右键元件 → “Replace Model” 查看当前使用的子电路

一旦用了真实模型，你就不再是仿真“教科书”，而是在模拟“现实世界”。

第二步：构建测试电路——以同相放大器为例

我们来搭建一个标准的同相放大电路，用于后续指标验证：

电源：±15V DC
运放：OPA1641（真实模型）
反馈网络：R1 = 1kΩ，R2 = 9kΩ → 理论增益 = 1 + 9k/1k = 10×
信号源：AC 10mV @ 1kHz，串联 Rs = 1kΩ（用于测输入电流）
负载：10kΩ 接地

（图示：Multisim中的同相放大器测试电路，含串联检测电阻Rs）

这个 Rs 很关键——它是我们测量输入电流的“桥梁”。

第三步：测量输入阻抗的两种方法

方法一：瞬态分析法（适合新手）

运行Transient Analysis：
- 时间范围：0 到 5ms（覆盖至少5个周期）
- 输出变量：记录V(in)和I(Rs)

假设仿真结果显示：
- 输入节点电压峰值：9.9 mV → 有效值 ≈ 7.0 mV
- Rs 上电流峰值：1.4 fA → 有效值 ≈ 1.0 fA

则输入阻抗为：

$$
Z_{in} = \frac{V_{in,rms}}{I_{in,rms}} = \frac{7.0\,\text{mV}}{1.0\,\text{fA}} = 7 \times 10^{12}\,\Omega = 7\,\text{T}\Omega
$$

⚠️ 实际不可能真的达到TΩ级，这里可能是数值噪声导致极小电流误读。更可靠的方法是改用 AC 分析。

方法二：AC分析法（推荐，精度更高）

启用AC Analysis：
- 扫描方式：Decade
- 起始频率：0.1 Hz，终止频率：1 MHz
- 点数/十倍频程：10

观察波特图仪（Bode Plotter）的同时，在表达式中添加：

V(in)/I(Rs)

即可直接绘制出频率相关的输入阻抗曲线。

你会发现，在低频段（<10kHz），OPA1641的输入阻抗稳定在 $10^{12} \sim 10^{13}\,\Omega$ 范围，而在高频时因寄生电容作用逐渐下降。

相比之下，换成LM741后，同一位置的输入阻抗仅约2 MΩ，相差超过六个数量级！

对比实验：LM741 vs OPA1641，谁更适合高阻信号源？

让我们回到最开始的应用场景：一个 $ R_s = 5\,\text{M}\Omega $ 的生物传感器，输出信号10mV，接不同的前置放大器。

分别在Multisim中构建两个版本电路，均配置为电压跟随器（单位增益缓冲），其他条件完全相同。

参数	使用 LM741	使用 OPA1641
输入阻抗	~2 MΩ	~1 TΩ ($10^{12}\,\Omega$)
实际输入电压	~2.86 mV	~9.999 mV
增益损失	超过60%	<0.1%
输出波形失真度	明显偏低	几乎无衰减