計算機仿真在多級放大電路設計中的應用

陳達軍,于肇賢

(北京信息科技大學 理學院,北京100192)

計算機仿真在多級放大電路設計中的應用

陳達軍,于肇賢

(北京信息科技大學 理學院,北京100192)

為了研究多級放大電路工作相關屬性的目的,使用軟件Multisim10對多級放大電路的相關參數開展了仿真實驗,給出了Multisim對其參數進行仿真實驗方案,利用雙蹤示波器、萬用表、信號發生器等虛擬儀器仿真和計算出了多級放大電路靜態直流工作點、輸入電阻、輸出電阻、電壓增益、通頻帶、非線性失真、反饋深度等參數。實驗虛擬仿真結果與理論計算結果基本一致。結論是虛擬實驗仿真不僅可以直觀而且可以更加形象地描述多級放大電路的相關工作特性,有利于電路相關工作者更加系統地研究多級放大電路的組成及其相關的工作過程。

計算機仿真；多級放大電路 ；微弱信號處理；Multisim

多級放大電路［1］在復雜電子系統設計中有舉足輕重的作用,它大多數處理的信號是由傳感器采集到的微弱信號。由于傳感器輸出的量程有限,經常是微伏或毫伏級別的微弱信號,不能直接給模數轉換電路使用,這時能夠根據復雜電路的具體參數要求設計放大電路顯得尤為重要。電子工程師設計電路時往往傾向于先使用計算機仿真軟件,對設計結果仿真最終投板測試。本文以Multisim10為仿真設計工具［2-3］,給出了仿真多級放大電路設計參數的方法和分析了失真現象,為工程師節省設計時間、節省成本等方面提供了不可多得的幫助。

1 系統工程設計

一個完整的微弱模擬信號處理系統往往包括傳感器、多級放大電路、數模轉換電路和反饋電路、計算機等部分。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the weak analog signal processing system

2 多級放大電路設計方案

多級放大電路中經典而且用的最多的是兩級放大電路,是采用開環還是閉環的根據具體要求確定。在Multisim10中創建的雙級阻容耦合放大電路仿真原理電路如圖2所示［4］。

3 靜態直流工作點仿真和分析

將信號發生器輸出設置為正玄波,其中頻率1 kHz、幅值1 mV。分析三極管Q1和Q2的基極電壓、集電極電流及管壓降。軟件直流工作點分析時,注意要將V（1）-V（18）選中作為輸出，仿真如圖3,最后得到仿真和理論計算結果如表1和表2。

4 開閉環電壓增益仿真分析

未接入反饋電路,這時的電路相當于開環放大電路。最后仿真結果如圖4。

圖2 雙級耦合放大電路原理圖Fig.2 The schematic diagram double-stage coupling amplifying circuit

圖3 直流工作點節點電壓仿真結果Fig.3 The simulation result of DC operating point node voltage

圖4 循開、閉環輸入輸出電壓波形結果Fig.4 The waveform result of open-loop and closed-loop input and output voltage

表1 兩級放大電路靜態工作點仿真結果Tab.1 The simulation result of double amplifying circuit quiescent operating point

表2 兩級放大電路靜態工作點理論計算結果Tab.2 The Theoretical result of double amplifying circuit quiescent operating point

5 直流電源對開閉環放大電路增益的影響

外界直流電源電壓不同,開閉環電壓增益穩定性也會有所變化。實驗假如直流電壓源Ucc改為12 V,方法同上,分別測出:開環電壓增益Au（12V）=140.35,閉環電壓增益Auf（12V）= 9.53,最后得到,開環電壓增益的相對變化量為:，閉環電壓增益的相對變化量為:，計算仿真結果證明電壓增益的穩定性會由于采用負反饋放大電路而提高。

6 合理的輸入電阻利于驅動兩級放大電路

將交流電壓表和電流表接在輸入端,信號源峰值改為10 mA測得開環時,Ui=6.98 mV,Ii=0.93 μA則kΩ，理論值為:Ri=R1‖R2‖［rbe1+（1+β）R4］=7.77 kΩ。閉環時,引入電壓串聯負反饋后,只是將負反饋環內的輸入電阻 （R4）增大。放大電路的基極偏置電阻不包括在反饋環內,此電路基極分壓式射極偏置電路中的基極偏置電阻Rb=R1‖R2需要考慮。測量值Uif=6.985 9 mV,Iif=0.873 μA,則,理論負反饋輸入電阻值Rif=R1‖R2‖［reb1+（1+β）R4］（1+AuFu）=8.29 kΩ。仿真實驗證明,串聯電壓負反饋可以增大輸入電阻,有利于增加信號的驅動兩級放大電路。

7 合理的輸出電阻利于電路的負載能力

用萬用表測出開路負載R12開路輸出的電壓為Ui=1.552 V，將萬用表測出負載R12的短路電流為Ii=316.11 μA,開環輸出電阻；測得開路負載R12開路輸出電壓Uif= 72.077 mV,測得負載R12短路電流Iif=342.244 μA,閉環輸出電阻。計算理論值為:開環輸出電阻Ro= R8=5 kΩ,閉環輸出電阻Rof=Ro/（1+AuFu）=0.349 kΩ。結果表明,串聯電壓負反饋減小輸出電阻,最終增加多級放大電路的負載能力。

8 通頻帶仿真

圖5可以看出 fL=29.142 8 Hz，fH=448.925 1 kHz,通頻帶fbw=fH-fL=448.896 0 kHz,穩頻時的增益約為148.077 8。由圖6可以看出,fLf=9.637 9 Hz,fHf=7.724 5 kHz,通頻帶fbwf=fHf-fLf= 7.724 5 MHz,穩頻時的增益約為9.984 7。由圖5、6直觀地反映出引入負反饋后電壓增益降低,但是通頻帶增加。仿真結果表明:反饋愈深,頻率特性越好,但是增益-帶寬乘積保持不變。當我們需要拓展通頻帶時,要全方位的考慮負反饋組合。還要分析時間常數所在的回路影響頻響的原因,最終才能改善頻率特性響應。

圖5 開環通頻帶Fig.5 Open-loop passband

圖6 閉環通頻帶Fig.6 Closed-loop passband

9 綜合非線性的失真仿真分析

當打開開關J5（開環）,同時在保持頻率不變的情況下,慢慢的增大輸入信號的幅值,最后可以得到輸出電壓波形出現輕度非線性失真的仿真圖,仿真結果見圖7左半圖。再閉合開關J5（閉環）,觀察輸出電壓波形,見圖7右半圖。

由圖7可見非線性失真在雙級放大負反饋電路中得到了顯著改善。

圖7 開、閉環輸入輸出電壓波形失真結果Fig.7 The distortion waveform result of open-loop and closed-loop input and output voltage

圖8 閉環反饋電阻參數掃描分析Fig.8 Closed-loop feedback resistor parameter sweep analysis

10 反饋深度對反饋效果的影響

由圖8仿真結果表明:負反饋阻R13越大,電壓增益越大,反饋深度越小,通頻帶越窄,也就是反饋效果很大程度上受反饋電阻的影響。

11 結束語

由于受到當下實驗條件限制沒法對多級放大電路硬件實驗驗證,用Multisim電路仿真設計軟件來解決這個難題。Multisim10軟件中的雙蹤示波器對任意兩點電壓波形的顯示功并不要求一定對地測試,因此可運用于測多級放大電路中各個節點的工作電壓波形。本文主要通過在仿真電路中使用雙蹤示波器、萬用表、信號源等儀器對多級放大電路進行直觀和形象的測試仿真分析,提供方法具有實際應用意義。通過Multisim10對多級放大電路設計的仿真分析,使我們準確和直觀的看到了仿真結果,避免了人工計算帶來的誤差和主關失誤。當然仿真軟件也有其本身的局限性,最終的實物測試結果才是值得我們信賴的。計算機仿真技術不僅給電子領域帶來利好消息,同時將會給未來人類研究新領域開辟新學科帶來福音。

［1］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社,2006.

［2］任駿原.Multisim在觸發器工作波形分析中的應用［J］.現代電子技術,2010,33（15）:184-186.REN Jun-yuan.Application of Multisim in Flip-flop Wave Analysis［J］.Modern Electronics Technique，2010,33（15）: 184-186.

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［5］馬敬敏.基本 RS觸發器工作狀態的 Multisim仿真［J］.電子設計工程 ，2011，19（17）:24-26.MA Jing-min.Multisim simulation of basic RS flip-flop working conditions［J］.Electronic Design Engineering，2011，19（17）:24-26.

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［7］祁國權.RLC二階電路暫態過程的 Multisim仿真［J］.電子設計工程，2011，19（24）:21-23.QI Guo-quan.The multisim simulation of RLC second order circuit transient state process ［J］.Electronic Design Engineering，2011，19（24）:21-23.

［8］祁國權.Multisim在大學物理電學實驗中的應用［J］.渤海大學學報（自然科學版），2012，33（1）:24-27.QI Guo-quan.Application of Multisim software in electrical experiment of college physics course［J］.Journal of Bohai University:Natural Sciences Edition，2012，33（1）:24-27.

Application of computer simulation in a multi-stage amplifying circuit design

CHEN Da-jun，YU Zhao-xian
（College of Science,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192，China）

In order to study the multi-stage amplifying circuit working properties，the software Multisim10 is used to carry out the relevant parameters of the multi-stage amplifier circuit and the Multisim simulation program is given.By using of dual trace oscilloscope，multimeter，signal generator and other virtual instrument can we simulate and calculate the multi-stage amplifier circuit quiescent DC operating point，input resistance，output resistance，voltage gain，passband，nonlinear distortion，feedback and depth parameters.the virtual simulation result is consistent with theoretical calculation.The conclusion is that a virtual simulation experiment can be more intuitive and relevant work vividly describe characteristics of a multi-stage amplifier circuit and it is good for the people who are taking part in the field of circuit systematically study of the composition of a multi-stage amplifying circuit and its associated working processes.

computer simulation；multi-stage amplifying circuit；weak signal processing；Multisim

TN702

：A

：1674-6236（2015）18-0030-04

2014-12-05稿件編號：201412053

陳達軍（1986—）,男,湖南郴州人,碩士,工程師。研究方向:高速電路設計及計算機測控。