劉 剛，張 欣，楊 芳

(1.遼寧省建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)4所，遼寧沈陽(yáng) 110005;2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，四川成都 610021)

Multisim8是建立在PC環(huán)境下的EDA電路仿真與分析系統(tǒng)，其前身EWB(Electronics Workbench)是Interactive Image Technology公司推出用于電子電路仿真的虛擬電子工作臺(tái)軟件。Multisim8具有界面直觀、易使用、電路元件庫(kù)豐富、虛擬儀器功能強(qiáng)大、電路分析手段完備、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)。Multisim8應(yīng)用在電子電路方面時(shí)能夠較好地完成電路仿真及輔助分析等工作，因此綜合運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)電路分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

1 擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理與分析

1.1 擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

多數(shù)電子放大電路系統(tǒng)，需要把微弱的電信號(hào)放大至可以推動(dòng)負(fù)載工作，在實(shí)際應(yīng)用中單級(jí)放大電路通常難以實(shí)現(xiàn)，因此需采用多級(jí)放大電路，以滿(mǎn)足放大電路性能的多方面要求。多級(jí)放大電路在耦合方式上常見(jiàn)的有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等。

文中討論的擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路［1］就是一個(gè)多級(jí)放大器，采用的耦合方式為阻容耦合。電路原理如圖1所示，該電路由4部分組成:(1)由三極管T1構(gòu)成的射極輸出器，由于射極輸出器的輸入電阻大，可減小放大電路從信號(hào)源所吸取的信號(hào)電流;(2)由集成運(yùn)放構(gòu)成的同相輸入放大電路;(3)R9和R10組成的音調(diào)控制衰減器，其衰減倍數(shù)由R9和R10構(gòu)成的分壓器的分壓比決定;(4)由集成運(yùn)放構(gòu)成同相輸入放大電路。

1.2 電路分析

1.2.1 靜態(tài)分析

放大電路沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)的工作狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)，靜態(tài)時(shí)放大電路的電流、電壓值稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)［2］。該電路各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)理論分析如下:

第二級(jí)同相輸入放大電路A2的各極電位分析如下:由于采用阻容耦合，直流工作點(diǎn)獨(dú)立，有U+=U－=U0=0;第三級(jí)由R9和R10構(gòu)成的分壓電路分壓后在R10上的電壓為UR10=0;第四級(jí)同相輸入放大電路A4的各極電位:U+=U－=U0=0。

圖1 擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1.2.2 動(dòng)態(tài)分析

分析1 電壓放大倍數(shù)，電壓放大倍數(shù)是放大電路的重要參數(shù)指標(biāo)，表征了小信號(hào)對(duì)大信號(hào)控制能力的強(qiáng)弱，定義為多級(jí)放大電路的總電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積，即Au=Au1·Au2·…·Aun。但在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮后級(jí)對(duì)前級(jí)的影響，即后級(jí)的輸入電阻是前級(jí)的負(fù)載［3］。

第一級(jí)為射級(jí)輸出器，其電壓放大倍數(shù)Au1≈1;第二級(jí)是同相輸入放大電路，其電壓放大倍數(shù)與電阻R7和R8有關(guān)，計(jì)算方法為，計(jì)算結(jié)果為48.5;第三級(jí)在計(jì)算衰減倍數(shù)時(shí)應(yīng)考慮第四級(jí)的影響，即，根據(jù)運(yùn)放電路的有關(guān)知識(shí)計(jì)算出第四級(jí)放大電路的輸入電阻Ri4=47.5 kΩ，計(jì)算結(jié)果為0.086;第四級(jí)仍為同相輸入放大電路，放大倍數(shù)，計(jì)算結(jié)果為48.5;電路總電壓放大倍數(shù)Au=Au1·Au2·Au3·Au4，計(jì)算結(jié)果為 202.3，且為同相放大。

分析2 輸入電阻:放大器要從信號(hào)源汲取電流，因此從放大器輸入端看進(jìn)去有一個(gè)等效電阻，即放大器的輸入電阻，輸入電阻的大小反映了放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度［4］?？紤]到第四級(jí)的輸入電阻應(yīng)作為第三級(jí)的負(fù)載，交流等效電路如圖2所示，輸入電阻的計(jì)算如下

其中，第四級(jí)的輸入電阻與第二級(jí)相同，也為47.5 kΩ，計(jì)算結(jié)果為137.6 kΩ。

圖2 射極輸出器的交流等效電路

2 電路仿真

2.1 仿真分析

2.1.1 靜態(tài)仿真分析

利用Multisim8的直流工作點(diǎn)分析功能對(duì)擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行靜態(tài)分析，各級(jí)主要節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)試結(jié)果如圖3所示，利用探針功能檢測(cè)射極輸出器的集電極電流IC［5］，結(jié)果如圖 4 所示。

靜態(tài)分析的理論參數(shù)與仿真分析的各節(jié)點(diǎn)電位對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1 理論分析的參數(shù)與仿真分析的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

由對(duì)比分析可知:靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析與理論分析結(jié)果吻合。

2.1.2 動(dòng)態(tài)仿真分析

輸入ui=10 mV，f=1 kHz的交流信號(hào)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

仿真分析1 電壓放大倍數(shù)，利用Multisim8提供的虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的交流電壓檔對(duì)各級(jí)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表2所示。

表2 各級(jí)輸出電壓的仿真分析

由此計(jì)算出各級(jí)電壓放大倍數(shù)及總電壓放大倍數(shù)，如表3所示。

表3 各級(jí)電壓放大倍數(shù)

由對(duì)比分析可知:電壓放大倍數(shù)的仿真分析與理論分析結(jié)果吻合。

仿真分析2 瞬態(tài)分析，瞬態(tài)分析是電路的響應(yīng)在激勵(lì)的作用下在時(shí)間域內(nèi)的函數(shù)波形。在此利用示波器進(jìn)行觀察、比較。Multisim8提供的示波器有雙通道和四通道兩種，文中利用四通道示波器依次顯示各級(jí)輸出信號(hào)的波形，如圖5所示，利用雙通道顯示整個(gè)電路輸入輸出的波形，如圖6所示，為便于觀察波形，各通道的Scale參數(shù)設(shè)置不同，四通道的Scale參數(shù)分別為 A通道 100 mV/Div，B通道 2 V/Div，C通道200 mV/Div，D通道5 V/Div，雙通道的Scale參數(shù)分別為A通道100 mV/Div，B通道5 V/Div。由圖6可見(jiàn)，各級(jí)輸出信號(hào)及總電路輸出信號(hào)均為同相放大，與理論分析一致。

仿真分析3 輸入電阻，在理論分析中，輸入電阻的求解是根據(jù)畫(huà)出的交流等效電路后，利用電路分析的知識(shí)來(lái)完成，而在仿真分析中，則可根據(jù)輸入電阻的定義Ri=Ui/Ii，利用Multisim8提供的虛擬儀器直接測(cè)出Ui、Ii后計(jì)算出Ri，仿真分析如表4所示。

表4 輸入電阻的仿真分析

計(jì)算出Ri=140.6 kΩ，與理論分析吻合。

2.2 層次化的模塊電路管理

由于擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)多級(jí)放大器，為便于管理，將局部單元電路組合成電路模塊，構(gòu)建成子電路的形式［6］，如圖7所示，圖中每級(jí)電路構(gòu)成一個(gè)模塊。子電路的構(gòu)建提供了一種層次化的模塊電路管理方法，在表達(dá)方式上直觀，也有利于電路檢查。對(duì)圖7進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，結(jié)果列于表5中。

圖7 擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的子電路

表5 子電路的動(dòng)態(tài)仿真分析

由此計(jì)算出電路總電壓放大倍數(shù)Au為199.8，各級(jí)電壓放大倍數(shù)分別為Au1=0.99，Au2=48.48，Au3=0.09，Au4=48.46，輸入電阻 Ri=140.7 kΩ，與分立元件構(gòu)成的放大電路仿真結(jié)果一致。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

以上是對(duì)擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行的分析。由對(duì)比可知:通過(guò)電路仿真測(cè)出的參數(shù)與理論分析計(jì)算出的參數(shù)在誤差范圍內(nèi)一致。對(duì)于部分?jǐn)?shù)據(jù)存在的差異則可以根據(jù)電路知識(shí)進(jìn)行分析，如靜態(tài)分析中射極輸出器的基極電位UB，理論計(jì)算為7.5 V，仿真分析為7.28 V，造成差異的原因是理論分析時(shí)忽略了基極電流的分流作用，認(rèn)為R1和R2構(gòu)成分壓偏置電路，如果考慮到IB的分流作用，UB＜7.5 V;又如理論分析時(shí)估算射極輸出器的電壓放大倍數(shù)Au≈1，而實(shí)際電路的Au＜1，通過(guò)仿真分析測(cè)出第一級(jí)放大倍數(shù)為0.99，可見(jiàn)仿真分析更接近于實(shí)際電路的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是擴(kuò)音機(jī)的重要組成部分，其電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置直接影響到擴(kuò)音機(jī)的整體性能。文中通過(guò)對(duì)擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的仿真分析，并與理論計(jì)算的結(jié)果對(duì)比可知，二者在數(shù)據(jù)上一致。對(duì)電子電路的分析和計(jì)算在理論上往往采用的是工程估算法，而計(jì)算機(jī)則能輔助完成嚴(yán)格的分析和計(jì)算。由于Multisim8具有實(shí)現(xiàn)電路特性的模擬測(cè)試等眾多功能，在擴(kuò)音機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及其他應(yīng)用電路的測(cè)試、分析、設(shè)計(jì)上提供了強(qiáng)有力的輔助分析工具，從而能夠促使電路的設(shè)計(jì)在整體性能上達(dá)到最佳狀態(tài)。

［1］ 陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，1991.

［2］ 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［3］ 唐程山.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［4］ 胡宴如.模擬電子技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］ 王冠華，王伊娜.Multisim8電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［6］ 熊偉.Multisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.