寬帶音頻放大器的Multisim仿真與實驗研究

趙柏樹,胡明哲,胡永明

(湖北大學物理學與電子技術學院,湖北武漢 430062）

寬帶音頻放大器的Multisim仿真與實驗研究

趙柏樹,胡明哲,胡永明

(湖北大學物理學與電子技術學院,湖北武漢 430062）

掌握音頻放大器的設計與調試方法,對全面掌握模擬電路理論與測試技術具有十分重要的意義。本文以一種典型寬帶音頻放大器為例,詳細介紹其電路參數的分析計算方法、軟件仿真結果以及硬件調試等關鍵技術,其結論對教學和工程應用都有一定的實用價值。

模擬電路;音頻放大器;Multisim;功率放大器

0 引言

寬帶音頻放大器是模擬電路中的一個綜合性設計課題,它涉及電壓放大、功率放大、阻抗匹配、負反饋和頻率響應等重要概念和知識點。學生掌握其設計與調試方法,對全面掌握模擬電路理論與測試技術具有十分重要的意義。從應用的角度看,寬帶音頻放大器在IC設計中具有較現實的工程意義[1]。因此,這一課題常常被選作電子類專業(yè)“模擬電路”課程設計或綜合性實驗的內容。我們根據多年從事這一課題的教學研究經驗,以一種典型寬帶音頻放大器為例,詳細介紹了電路參數的分析計算方法、軟件仿真[2]以及硬件調試等關鍵技術。

1 電路設計與電路參數計算

寬帶音頻放大器應使負載得到足夠大的不失真功率。從實際應用的角度看,它往往還加有混響和卡拉OK等輔助功能。為突出該課題在設計與調試中的主要技術與難點,本文不涉及這些輔助功能,僅針對主通道進行研究。完整的音頻放大電路如圖1所示,它由輸入級、前置級和輸出級三部分組成。

如圖電路中,T1和T2組成單端輸入、單端輸出的長尾式差分放大器,主要實現信號放大和阻抗匹配任務;T3等為共發(fā)射級放大電路,完成功率放大級的驅動;T4～T7組成典型OCL功率放大器,供電電源V1和V 2為±15V。

圖1 寬帶音頻放大器

輸入級的靜態(tài)工作點由R3決定,三極管 T1和T2的靜態(tài)集電極電流由下式確定

輸入級信號幅度較小,I C1和I C2的值取1m A左右為宜。由上式可知,R3取為7.5kΨ。

前置級的靜態(tài)工作點與輸入級是關聯的,設T1管的集電極電位為U C1,則T3的集電極電流由下式表達

前置級的輸出信號幅度可達10V以上,要求有較大的動態(tài)范圍。若輸出功率為5-10W,則 I C3取3mA較為合適。在圖1所示電路參數下,U C1=14V,R4與R5電阻之和為100Ψ左右。因此,R5取值為82Ψ,而R4使用一阻值為200Ψ的精密可調電位器。

整個放大器通道的電壓增益由輸入級和前置級共同承擔,RF與RFW等構成電壓串聯負反饋電路。在深度負反饋條件下,全通道電壓放大倍數由反饋系數決定

R FW是1kΨ的電位器,用于調整反饋系數,可以調整輸出信號幅度(即音量調整)。

電路的頻率響應由電路中的耦合電容和三極管的極間電容決定。電路的下限頻率由C1、C2、C4決定,其中C2的影響最大。增大這幾個電容的容量,可以降低下限頻率。電路的上限頻率主要由功率放大管的頻率特性決定,選擇特征頻率較大的功率放大管可以提高上限頻率。

2 電路性能的Multisim仿真

M ultisim是一款優(yōu)秀的EDA軟件,特別適合于電子線路的仿真分析,在教學、生產和科研等領域得到廣泛應用[3-5]。

在本課題的設計過程中,我們應用Mu ltisim對電路參數進行了仿真分析。調取軟件中的信號源和示波器,測得的輸入和輸出波形如圖2所示(負載電阻RL取值為8Ψ)。圖形上部是輸入信號波形,下部是輸出信號波形。由圖可見,在輸出功率為5W時,輸入信號小于10mV,從而能夠保證話筒給出的小信號能有效放大。

圖2 寬帶音頻放大器輸入輸出波形

電路的頻率響應如圖3所示(電壓放大倍數為200時的曲線)。圖形上部是幅頻響應,下部是相頻響應。由圖可見,電路的下限頻率低于10H z,上限頻率高于1MH z,整個通頻帶內相移為0。由于電壓增益受負反饋網絡控制,導致電路的通頻帶寬度與電路的增益有關,增益越小,頻帶越寬。仿真結果表明,當增益為 60dB時,電路的下限頻率低于20H z,電路的上限頻率高于100kH z。

圖3 音頻放大器的頻率響應曲線

對于音頻放大器,適當選擇低頻功放管可以改變電路的上限頻率,既可節(jié)約成本,又可降低噪聲。

3 電路的硬件調試與測試

1)電路布局與制作

功放電路對前置放大電路的影響不容忽視。如果采用通用版制作,則元件布局和走線對電路性能影響比較大。電路布局十分重要:連線應該盡量短,地線應該盡量粗,還要注意電源去耦等,以免功放級的大電流干擾輸入級,導致電路不能正常工作。

2)靜態(tài)工作點的調試與調整

差分對管T1、T2的參數要盡量對稱,以保證電路有較好的共模抑制比;輸出對管的參數不對稱將會導致波形失真,選擇輸出三極管時也要酌情考慮;三極管的耐壓值也應予以關注。

本文的電路是一個直接耦合多級放大器,靜態(tài)工作點互相牽連,調試難度較大。只有遵循正確的調試步驟和方法,才能獲得成功。否則,容易損壞三極管而導致失敗。為解決靜態(tài)工作點的前后牽連問題,可先將R F與輸出點O斷開,使電路處于開環(huán)狀態(tài),以避免輸出級對前級靜態(tài)工作點的影響。

電路在粗調時,輸出點的電壓一般是偏離正常值的。當然,前級對后級的影響仍然存在,靜態(tài)工作點的調整可以從前往后順序調整。斷開反饋環(huán)后,為了模擬RF右端與O點連接的反饋環(huán)境(O點靜態(tài)電壓值為0V),可將R F右端與地暫時相連。同時,為了避免功放管在調試中損壞,應將電位器R6調到0。這時,T1的集電極電位應為14V左右,前置放大管T3的發(fā)射極電位約為14.7V。調節(jié)R4,使T3的集電極電流約為3mA,再微調R7使U C3約為0.7V。于是,使輸出O點的電壓為0V。然后將R F右端由地改接O點完成(閉環(huán)),微調R7等使O點電壓為0V,靜態(tài)工作點調整完畢。

3)動態(tài)調試與測試

在輸入端接入頻率為1kH z,幅度為10mV正弦波后,分別在空載和額定負載條件下,用示波器觀察輸出信號。調節(jié)RFW使輸出幅度變化,輸出信號應為不失真正弦波。如果出現交越失真,可反復微調R6和 R7以消除交越失真,并保證正確的靜態(tài)工作點。

用頻率特性測試儀或用點頻法測出電路的上限頻率和下限頻率。改變C1,C2和C4的值,電路的下限頻率會有所變化(C2最敏感);如果更換功放管T5,放大器的上限頻率會隨之改變。

在測試電路的電壓放大倍數以及頻率響應時,如果在接入負載時產生自激振蕩,致使測試無法進行。解決的方法是,在功率三極管T5和T6的集電極和基極間各接入一個中和電容(容量大小為幾十至幾百pF),從而消除自激振蕩現象。

4 結語

實驗結果表明,圖1所示電路的輸出功率可達10W以上。如果提高供電電源電壓,可以獲得更大的輸出功率。電路的下限頻率可低于10Hz,上限頻率隨功放管的不同而存在較大差異。如果選擇高頻大功率三極管,可以使上限頻率達到1MHz以上。圖1所示電路不僅用于音頻放大器,也可應用于信號發(fā)生器的放大通道。

本文所介紹的仿真分析和硬件調試方法適合于TTL和OCL等功率放大電路以及IC設計等工程應用領域。

[1] 趙夕彬.射頻寬帶大功率放大器模塊[J].石家莊:半導體技術,2003,28(2):65-67

[2] 趙波.Multisim在競爭冒險教學中的應用[J].西安:現代電子技術,2010(7):166-168

[3] 李慧,行小帥.基于M ultisim8的電壓串聯負反饋放大電路仿真分析[J].太原:山西電子技術,2009(6):43-45

[4] 傅曉林,楊志剛,王興家.M ultisim在噴油脈沖寬度檢測中的應用[J].成都:電子科技大學學報,2006,35(1):43-46

[5] 王廷才.基于Multisim的電路仿真分析與設計[J].北京:計算機工程與設計,2004,25(4):654-656

Multisim Simulation and Experimental Study on a Wideb and Audio Amplifier

ZHAO Bai-shu,HU Ming-zhe,HU Yong-ming

(Schoolo f Phy sics and E lectronics,H ubeiUniversity,Wuhan 430062,China)

G rasping the audio amp lifier design and their ad justing method p lays a very im portant role in com p rehensively understanding the theory o f analog circuit and the relative testing techno logy.In this paper,we take a typical kind of wideband audio amp lifier as an examp le,introduce its circuit parameters and the analyzing method,the software simu lation resu lts using M ultisim as well as thehardware adjusting technology elaborately.The results possess great practical value for the teaching and industry application of analog circuit.

analog circuit;audio amp lifier;M u ltisim;power amp lifier

TP274

A

1008-0686(2011)02-0063-03

2010-07-19;

2010-11-10

趙柏樹(1959-),男,學士,副教授,主要從事電子技術應用的研究,E-m ail:zhaobaishu03@126.com