徐 鵬，毛攀峰

(浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

基于Multisim10的擴(kuò)音電路設(shè)計(jì)與仿真*

徐 鵬，毛攀峰

(浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

針對(duì)電子線路設(shè)計(jì)過程中受到元器件、測(cè)量?jī)x器等條件限制的問題，介紹了Multisim10軟件在電子設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，分析了擴(kuò)音電路工作原理，完成電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試。擴(kuò)音放大電路主要采用分立元器件三極管和達(dá)林頓管進(jìn)行設(shè)計(jì)，再通過Multisim10軟件對(duì)電路各功能及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析仿真，得到電路相關(guān)技術(shù)參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用Multisim10仿真得到的放大倍數(shù)與理論計(jì)算值的誤差約為2%，同時(shí)得到此電路信號(hào)在頻率為414 Hz～1.1 MHz時(shí)放大倍數(shù)均為47.8 dB。因此Multisim10軟件應(yīng)用于電子電路設(shè)計(jì)切實(shí)可行，不但節(jié)省了實(shí)際焊接、測(cè)試和調(diào)試的時(shí)間，也大大縮短了設(shè)計(jì)研發(fā)周期。

三極管；放大器；Multisim10；仿真

0 引言

傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法完成電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試，但由于眾多實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法滿足多數(shù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)要求，具有一定的局限性[1-2]。Multisim10仿真軟件具有電路元件庫豐富、虛擬儀器功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電路分析手段完備、兼容性好，是一套完整的電路設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)[3-4]。本文在分析擴(kuò)音電路的基礎(chǔ)上，采用分立元器件代替價(jià)格較貴的集成芯片搭建電路的核心部分，再利用Multisim10進(jìn)行仿真分析、調(diào)試，以此大量減少硬件調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，也更易于電路功能的實(shí)現(xiàn)[5]。因此，Multisim10在擴(kuò)音機(jī)放大電路分析、設(shè)計(jì)上提供了強(qiáng)有力的輔助工具，從而促使電路的設(shè)計(jì)在整體性能上達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)也節(jié)省實(shí)際焊接和調(diào)試的時(shí)間及耗材費(fèi)用的成本，為電路的設(shè)計(jì)方式提供了新的模式[6-7]。

1 擴(kuò)音電路的硬件設(shè)計(jì)

擴(kuò)音機(jī)放大電路是擴(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，其應(yīng)用廣泛，電路的設(shè)計(jì)也是多樣化[8-9]。本文采用分立元器件2N3904三極管替代價(jià)格較貴的集成芯片，減少了研發(fā)的成本，大大提高了企業(yè)在同行中的競(jìng)爭(zhēng)力[10]。

擴(kuò)音電路工作原理是將聲音通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于電壓信號(hào)微弱，需要通過放大系統(tǒng)進(jìn)行放大，從而推動(dòng)揚(yáng)聲器工作。放大電路主體可分為三部分，原理框圖如圖1所示。由于話筒阻抗比較低，首先采用共B放大器作為小信號(hào)放大器進(jìn)行阻抗匹配，進(jìn)行第一級(jí)放大，再經(jīng)過共E級(jí)放大器進(jìn)行電壓的放大，最后由Class AB功率放大器實(shí)現(xiàn)量能放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作，從而實(shí)現(xiàn)將聲音放大的功能。

圖1 擴(kuò)音電路原理示意圖

本文采用的信號(hào)源是電壓為1 mVrms、頻率為1 kHz的信號(hào)，擴(kuò)音電路硬件部分主要采用型號(hào)為2N3904的NPN型三極管及一對(duì)互補(bǔ)的達(dá)林頓管，硬件搭建的電路如圖2所示。電路中共B級(jí)和共E級(jí)放大電路主要采用2N3904型三極管，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大。功率放大器主要采用一對(duì)互補(bǔ)的達(dá)林頓管進(jìn)行推挽輸出，具有效率高、功率大等優(yōu)點(diǎn)。為防止Class AB功率放大電路產(chǎn)生交越失真，采用與達(dá)林頓管電氣特性相匹配的4個(gè)1N4148二極管，同時(shí)為防止電路產(chǎn)生截止失真，可調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R14，得到合適的波形。

圖2 擴(kuò)音電路驅(qū)動(dòng)原理圖

2 擴(kuò)音電路設(shè)計(jì)與仿真

從電路的整體可以看到，由于前兩級(jí)的放大倍數(shù)依賴于第三級(jí)即圖2中所示的Class AB功率放大器的輸入阻抗，因此電路從第三級(jí)Class AB放大電路開始分析。

2.1 功率放大電路

2.2 共E級(jí)放大電路

根據(jù)2.1小節(jié)中的Class AB功率放大器輸入阻抗為約為500 Ω，再結(jié)合圖4(a)電路硬件搭建方式，得共E級(jí)放大電路電壓增益為:

圖3 功率放大器電路圖

(1)

(2)

VEQ2=VBQ2-VBE2=1.85-0.7=1.15 (V)

(3)

式中：VBQ2為共E級(jí)放大電路基級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)；VEQ2為共E級(jí)放大電路發(fā)射級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)。

又因?yàn)镮EQ2=IBQ2+ICQ2，且IBQ2<

(4)

VCQ2=VCC-ICQ2×R7=12-1.53×4.3=5.42 (V)

(5)

(6)

(7)

式中：Rin2為共E級(jí)放大電路的輸入阻抗值，hfe為2N3906三極管處于放大狀態(tài)時(shí)放大的倍數(shù)，這里取100，可得Rin2的值為104Ω。

圖4 共E級(jí)放大電路圖

2.3 共B級(jí)放大電路

參考2.2節(jié)的電路設(shè)計(jì)方式，同時(shí)根據(jù)圖5(a)，得:

(8)

VEQ1=VBQ1-VBE1=2.11-0.7=1.41 (V)

(9)

(10)

(11)

圖5 共B級(jí)放大電路圖

2.4 擴(kuò)音電路的仿真分析

根據(jù)2.1～2.3節(jié)計(jì)算得到的放大倍數(shù)和仿真測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示，總倍數(shù)為各級(jí)放大電路放大倍數(shù)的乘積，同時(shí)根據(jù)20lgAv=dB轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的分貝數(shù)，計(jì)算可得誤差僅為2%。

表1 各級(jí)放大電路的放大倍數(shù)

分析整個(gè)擴(kuò)音放大電路的頻率帶寬，由Bode圖可知，當(dāng)信號(hào)的頻率在414 Hz～1.1 MHz時(shí)，放大倍數(shù)為47.8 dB，如圖6所示。

圖6 擴(kuò)音放大電路的頻率特性曲線

在電路設(shè)計(jì)中，為了避免了Class AB功率放大電路的交越失真，采用了與達(dá)林頓管電氣特性相匹配的4個(gè)1N4148二極管，電路仿真如圖7所示，當(dāng)輸入電壓為1 mVrms、頻率為1 kHz的正弦信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生完整的正弦波形，同時(shí)從圖8相位仿真圖中看到，當(dāng)輸入頻率為1 kHz的信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相差165°的相位角。

圖7 Class AB放大器生成的波形圖

圖8 擴(kuò)音電路相位圖

3 結(jié)論

Multisim10具有實(shí)現(xiàn)電路特性的模擬測(cè)試等眾多功能，為擴(kuò)音機(jī)放大電路分析和設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的輔助工具。本文首先分析、設(shè)計(jì)了各級(jí)放大電路，再通過硬件搭建實(shí)現(xiàn)電路放大功能，最后利用Multisim10軟件進(jìn)行仿真分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)通過對(duì)擴(kuò)音機(jī)放大電路的仿真分析，得到放大倍數(shù)為47.8 dB，并與理論計(jì)算對(duì)比可知，二者在數(shù)據(jù)上基本一致，誤差約為2%，在允許誤差范圍內(nèi)，可見Multisim10在電路分析與設(shè)計(jì)中極具參考意義，同時(shí)仿真電路中4個(gè)二極管配合達(dá)林頓管解決了交越失真的問題，最終系統(tǒng)輸出連續(xù)、穩(wěn)定的正弦信號(hào)。

(2)仿真測(cè)得此電路信號(hào)的頻率在414 Hz～1.1 MHz時(shí)，放大倍數(shù)均為47.8 dB，當(dāng)輸入頻率為1 kHz信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相差165°的相位角?？梢姡琈ultisim10作為一個(gè)軟件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)硬件電路的調(diào)試具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，并有助于深入了解電路及元器件。

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Design and simulation of the amplification circuit based on Multisim10

Xu Peng, Mao Panfeng

(Ship Engineering Institute, Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021, China)

Due to the restriction of components, measuring instruments and other conditions in electronic circuit design, the analysis, design and commissioning of circuit can be achieved by applying Multisim10 to the electronic design. This paper analyzes the working principles of PA circuit, using discrete components of transistor and Darlington PA amplifying as the core to build the main part of the amplifying circuit. As a result, the related technical parameters can be obtained on the basis of simulating the entire system by Multisim10. Simulation results show that the error between circuit gain simulated by Multisim10 and theoretical calculation is about 2%, and at the same time the circuit signal can get the magnification of 47.8 dB between 414 Hz and 1.1 MHz. Therefore, the application of Multisim10 to electronic circuit design is feasible，which not only can save the actual welding, testing and debugging time, but also greatly reduce the design and development cycle.

transistor; amplifiers; multisim10; simulation

TP702

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.012

徐鵬，毛攀峰.基于Multisim10的擴(kuò)音電路設(shè)計(jì)與仿真[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：41-44.

舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016C33030)；浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017訪問工程師校企項(xiàng)目

2017-03-30)

徐鵬(1988-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電一體化及自動(dòng)控制理論。E-mail:xupengzjut@163.com。

毛攀峰(1984-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化及船舶電氣。