基于Multisim的4種典型功放電路仿真研究

王曉明，張向龍，拜潤卿

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省電力科學研究院 甘肅 蘭州 730050）

基于Multisim的4種典型功放電路仿真研究

王曉明1，張向龍1，拜潤卿2

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省電力科學研究院 甘肅 蘭州 730050）

為了準確直觀的理解4種典型功率放大電路的電路特性，文中研究了基于Multisim的功率放大電路的仿真測試。首先介紹了Multisim軟件常用的分析方法。其次通過Multisim平臺建立了4種功放電路的仿真模型，對其進行了瞬態分析和傅里葉分析。仿真結果表明，在基本型功放電路前端串接運算放大器可以提高電路穩定性，減小電路的交越失真。

Multisim；功放電路；瞬態分析；傅里葉分析

隨著電子技術與計算機技術的高速發展，電子電路的設計與研制與計算機系統之間的關系日益緊密。Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級模擬或數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[1]。

功率放大電路是任何電子電路不可或缺的組成部分，它是一種能量轉換的電路，在輸入信號的作用下，晶體管把直流電源的能量轉換成隨輸入信號變化的功率輸送給負載。功率放大電路質量的優劣直接決定了負載能否正常工作[2]。用專業的EDA軟件對功率放大電路進行仿真、分析，可以大大提高分析的速度和準確度，使功率放大電路的設計更好地滿足實際負載的需要。Multisim就是一款優秀的EDA軟件。利用該軟件能實現電子電路的快速設計和仿真，大大縮短電子電路的設計開發周期。

1 Multisim常用分析方法

1.1 直流工作點分析

直流工作點分析（DC Operating Point Analysis）用于計算電路的靜態工作點。在進行該項分析時，電路中的交流源將被置零，電容開路、電感短路和數字元件被作為電阻器接地。直流分析的結果通常都可用于電路的進一步分析，比如在暫態分析和交流小信號分析之前，程序將自動先進行直流工作點分析，以確定暫態的初始條件和交流小信號下非線性器件的線性化模型參數。

1.2 交流分析

交流分析（AC Analysis）用于分析電路的小信號頻率響應。再分析時，程序會自動的先對電路進行直流工作點分析，以便建立電路中非線性元件的交流小信號模型，直流電源置零，交流信號源、電容和電感等均處在交流模式，如電路中存在數字元件，則將其視作一個接地的大電阻。將正弦波設定為輸入信號，事實上不管電路中輸入信號是何種信號，分析時都會自動以正弦波替代，并且信號頻率也替換為設定范圍內的頻率。

1.3 瞬態分析

瞬態分析（Transient Analysis）是對所選定的電路節點的時域響應，是一種非線性分析。觀察該節點在整個顯示周期中的每一時刻的電壓波形。在進行瞬態分析時，直流電源保持常數，交流信號源隨著時間而改變，電容和電感都是能量儲存模式元件。瞬態分析的結果通常為分析節點的電壓波形，所以使用示波器也可以觀察到相同的結果。

1.4 傅里葉分析

傅里葉分析（Fourier Analysis）是分析周期性正弦信號的一種數學方法，用于分析時域信號的直流分量、基頻分量和諧波分量。它通過對被測節點處的時域變換信號進行傅里葉變換，找出其時域變化規律。該分析方法其實就是將周期性的非正弦信號轉換成一系列正弦波和余弦波的組合。

1.5 失真分析

失真分析（Distortion Analysis）用于分析電子電路中的非線性失真和相位偏移，通常非線性失真會導致諧波失真，而相位偏移會導致互調失真。如果電路中有一個交流信號源，該分析方法會確定電路中的每個節點的二次和三次諧波造成的失真；如果電路中有兩個頻率（f1，f2，f1＞f2）不同的交流信號源，該分析方法能夠確定電路變量在3個不同頻率（f1+f2）、（f1-f2）、（2f1-f2）上的諧波失真。失真分析對于研究電路中的小信號比較有效[1]。

2 4種典型功放電路的仿真分析

首先，通過對基本類型的乙類、甲乙類功率放大電路進行仿真分析（瞬態分析和傅里葉分析），觀看其輸出波形和頻率特性曲線，歸納總結各功放電路的特點。其次，通過對帶前置運放的乙類、甲乙類功率放大電路進行仿真，和之前的基本類型進行對比，分析指出前置運放對功放的電路的影響。最后，分析總結這一系列的仿真結果，得出相應結論。

2.1 乙類功放電路仿真

乙類放大器不需要靜態工作點，因而沒有靜態工作損耗這一優點，同時又要保證能對交流信號進行功率放大，可以利用NPN和PNP三極管的互補特性，把兩個靜態工作點為截止的NPN和PNP管子的發射極連接在一起，形成如圖1所示的乙類互補功率放大器，也稱為推挽功率放大器。

為了清晰、準確地觀察到乙類雙電源互補對稱功率放大器的工作狀態和各點的信號波形，用一個四蹤示波器，4個通道分別接入乙類雙電源互補對稱功率放大器的電路的輸入交流信號端、晶體管Q1導通時的交流放大波形端、晶體管Q2導通時的交流放大波形端、乙類雙電源互補對稱功率放大器電路的輸出交流信號端。仿真測試電路如圖1所示。

圖1 乙類互補功率放大器Fig.1 B complementary power amplifier

按下仿真開關，示波器上顯示的這4個點的電壓信號波形如圖2所示。

圖2 4個點的電壓信號波形Fig.2 Voltage signal waveform of the four points

可以看出晶體管Q1、Q2分別導通時的電壓波形為半波導通；輸出端的電壓信號產生了交越失真。這與理論上分析的結論相一致，使理論的結果在仿真試驗中得到了很好的驗證。

在瞬態分析的基礎上，再執行傅里葉分析，可得輸出信號的頻譜如圖3所示。圖中，輸出電壓信號中除了1 kHz基波外，還包含3 kHz和5 kHz諧波成分，說明電路發生了非線性失真。

2.2 甲乙類功放電路仿真

甲乙類功放仿真測試電路如圖4所示，其輸入、輸出波形如圖5所示。

圖3 乙類功放輸出信號頻譜圖Fig.3 Output signal spectrum of class B power amplifier

圖4 甲乙類功放仿真測試電路Fig.4 Simulation test circuit of class ab amplifier

由輸出波形可知，甲乙類功放電路很好的克服了交越失真。這是由于與乙類功放電路相比，在Q1、Q2基極之間加了兩只二極管D1和D2。利用二極管給晶體管提供了一個適當的偏壓，使之處于微導通狀態，集電極靜態電流很小。

執行傅里葉分析，其輸出信號的頻譜圖只有1 kHz基波頻率，沒有諧波成分，說明電路沒有發生非線性失真。

2.3 前置級為運放的乙類功放電路仿真

前置級為運放的乙類功放仿真測試電路如圖6所示，其輸出波形如圖7所示。

由輸出波形可知，以運放為前置級的乙類功放電路很好的克服了傳統乙類功放電路存在的交越失真問題。電路引入了電壓串聯負反饋，電路的閉環電壓增益Auf≈1+R2/R1。

圖6 前置級為運放的乙類功放仿真測試電路Fig.6 Simulation test circuit of b power amplifier with prepositive op-amp

圖7 輸出波形Fig.7 Output waveform

其輸出信號的頻譜圖也只有1 kHz基波頻率，沒有諧波成分，說明電路沒有發生非線性失真。

分析串入運放后對電路性能的影響：（ui為電路輸入；uo1為運放輸出）

在電路即將導通之時，電路中各支路中的電流為零。這時

在管子即將導通時，uo1等于其死區電壓UBE（th）。

故電路的死區電壓Ui（th）為

即當 |ui|≤[1+R1/（R2+RL）]|UBE|/Auo時，T1和T2均未導通；

當 |ui|＞[1+R1/（R2+RL）]|UBE|/Auo時，T1或T2導通；

可見，由于運放的Auo很大，與未加運放的乙類推晚功放電路相比，輸入電壓的不靈敏區減小了，從而減小了電路的交越失真[3]。

2.4 前置級為運放的甲乙類功放電路仿真

前置級為運放的甲乙類功放仿真測試電路如圖8所示，其輸出波形如圖9所示。

由輸出波形可知，以運放為前置級的甲乙類功放電路的輸出波形不存在交越失真。而且較以運放為前置級的乙類功放電路相比，波形更加光滑，說明電路的穩定性更高。這是由于電路中引入了電壓并聯負反饋，從而提高了功率放大電路的穩定性。電路的閉環電壓增益Auf≈-R2/R1。

圖9 輸出波形Fig.9 Output waveform

其輸出信號的頻譜圖亦只有1 kHz基波頻率，沒有諧波成分，說明電路沒有發生非線性失真。

3 結 論

文中通過Multisim軟件對4種不同功率放大電路的仿真，繪制各功率放大電路的原理圖，進行瞬態分析和傅里葉分析，可以概括總結出乙類功率放大電路的特點是存在非線性失真大（交越失真），失真的原因是晶體管存在死區電壓。甲乙類功放電路通過給功放管施加一定的直流偏置電壓，使功放管在靜態時處于微導通狀態，非線性失真比乙類小。在基本型功放電路前端串接運算放大器，形成閉環電壓負反饋，可以提高功放電路的穩定性。前置級為運放的乙類、甲乙類功率放大電路的輸出波形均不存在交越失真，可見以運放為前置級的功率放大電路可減小交越失真。

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The simulation study of four typical ampli fi er circuits based on Multisim

WANG Xiao-ming1，ZHANG Xiang-long1，BAI Run-qing2
（1.Electrical Engineering and Information Engineering Institute，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，China ）

In order to accurately intuitively understand the circuit features of the four typical power amplifier circuits，this paper studies the simulation test of power amplifier circuit based on Multisim.Firstly ，it introduces commonly used analysis method about Multisim software.Secondly，simulation model of the four power amplifier circuits is established by Multisim platform，transient analysis and Fourier analysis are proceeded .The simulation results show that seriesconnecting an op-amp in the front of the basic amplifier circuit can improve the stability of the circuit and reduce the distortion of the the circuit.

multisim；power amplifier circuits；transient analysis；fourier analysis

TN710.2

A

1674-6236（2014）11-0067-04

2014-02-25 稿件編號：201402177

甘肅省自然科學基金（1010RJZA040）；甘肅省科技支撐計劃—工業類項目（1011GKCA031）

王曉明（1954—），男，甘肅民勤人，教授。研究方向：自動控制、計算機應用、鐵道信號遠程控制、可視編程技術。