基于EDA 技術的電子線路設計的改革與實踐

梁 麗

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048）

電子線路設計是電子技術課程的重要實踐環節，具有很強的理論綜合性和工程實踐性，對學生知識綜合運用能力、實踐能力和創新意識的培養至關重要[1]。由于電子設計自動化（electronic design automation，EDA）技術的快速發展，設計人員可以借助計算機完成電子線路的原理性設計和仿真，即計算機輔助設計。將EDA 技術引入電子線路設計，使得電子線路設計變得輕松、靈活和高效，極大地提高了電子線路設計質量和效率，給電子線路設計帶來了根本性的變革[2]。

1 基于Multisim 的電子線路設計方法

EDA 工具軟件Multisim 是專門用于電子線路分析與設計的虛擬仿真軟件，可以進行電路的輔助設計、仿真、分析和功能測試[3]。Multisim 提供了集成設計實驗環境，提供了龐大的元器件模型庫和種類齊全的虛擬儀器，還提供了強大的分析工具（如最差情況分析、傳遞函數分析等）[4]，用戶自建新元器件也非常方便。

基于Multisim 的電子線路設計基本步驟如下[5]：

（1）根據電子線路設計的要求，查閱相關的文獻，擬定設計方案，畫出原理框圖；

（2）將電路劃分為若干個單元電路，對單元電路進行設計，包括確定電路結構、進行電路參數的計算和元器件的選擇等，畫出電路圖；

（3）在Multisim 環境下搭建實驗電路，對電路性能進行仿真測試，根據仿真結果修改和完善設計；

（4）進行電路板實物制作，對硬件電路進行調試和數據分析；

（5）撰寫設計報告。

2 電子線路設計實例——低頻放大電路設計

2.1 設計任務和要求

設計一個低頻放大電路，性能指標要求為：

（1）輸入電壓Ui≤10 mV；

（2）輸出電壓Uo≥0.8 V；

（3）閉環電壓放大倍數Auf≥80；

（4）負載電阻RL＝2.4 kΩ；

（5）輸入電阻Rif≥10 kΩ；

（6）輸出電阻Rof≤500 Ω；

（7）通頻帶范圍為200 Hz≤BWf≤3 500 Hz。

2.2 低頻放大電路設計方案

一般單級電路的電壓放大倍數為幾十，為了改善電路的性能，需加入一定深度的負反饋，故放大倍數要留有余地[6]。本文采用如圖1 所示的帶有電壓串聯負反饋的兩級放大電路組成設計電路。第一級為共射放大電路，第二級為靜態工作點穩定電路；級間耦合方式為阻容耦合。在第一級引入串聯負反饋，以提高輸入電阻；第二級引入電壓負反饋，以穩定輸出電壓、減小輸出電阻。如果去除反饋作用，只考慮反饋網絡的負載效應，可得圖2 所示的基本放大電路[7]。

2.3 基于Multisim 的低頻放大電路設計實現

在完成電路的初步設計后，在Multisim 環境下搭建如圖1 所示的低頻放大電路虛擬模型，并使用Multisim 分析工具、虛擬儀器對電路進行仿真調試、指標測試，修正電路和電路參數，直至滿足設計要求。

圖1 帶有電壓串聯負反饋的兩級阻容耦合放大電路

圖2 基本放大電路

2.3.1 靜態工作點的測量

靜態工作點的測量是指測定電路直流通路中各節點電壓和各支路電流的大小。系統自動給出各節點序號并顯示在電路圖中。執行 Simulate/Analysis/DC Operating Point 選單命令，選定所要分析的節點，調節電位器RP1、RP2的阻值，可改變第一、二級放大電路的靜態工作點。當RP1調節至31%時，第一級節點1、8 和11 的直流電壓分別為UCQ1＝10.397 V、UBQ1＝1.376 V 和UEQ1＝0.755 V；當RP2調節至20%時，第二級節點17、9 和20 的直流電壓分別為UCQ2＝6.442 V、UBQ2＝4.101 V 和UEQ2＝3.453 V。通過計算三極管發射結、集電結壓降，可知T1、T2均處于放大狀態。

2.3.2 電壓放大倍數的測量

圖3 基本放大電路的輸入、輸出波形

在圖1 所示的負反饋放大電路中，設定信號源為頻率1 kHz、峰值7.071 mV 的正弦波，用示波器觀測的反饋放大電路的輸入、輸出波形如圖4 所示。此時，電壓表U2的讀數為Ui＝5.000 mV、電壓表U4的讀數為UL＝0.426 V，據此可計算出反饋放大電路電壓放大倍數為

其值滿足設計要求。

計算電路的反饋系數F、反饋深度(1＋AuF)，驗算反饋放大電路電壓放大倍數Auf：

可見，Auf的仿真實驗值與驗算值基本相同。引入電壓負反饋后，電壓放大倍數Auf減小到僅為基本放大電路電壓放大倍數Au的1/(1＋AuF)。

圖4 反饋放大電路的輸入、輸出波形

2.3.3 頻率響應的測量

用波特圖儀測量電路的幅頻特性和相頻特性。基本放大電路的幅頻特性如圖5 所示。用垂直光標測得中頻段電壓放大倍數Aum＝49.259 dB，上限截止頻率fH＝381.021 kHz，下限截止頻率為fL＝37.759 Hz，電路的通頻帶BW＝fH－fL≈fH＝381.021 kHz。

市政公用工程建設對城市化發展有著十分積極的意義，市政公用工程建設與人們的社會生活息息相關，如工程項目建設的質量和功能不能充分滿足市民日常生活的要求，則其無法推動城市建設與地區經濟的發展，故而完善工程監理工作一方面可保證工程建設的質量，另一方面也能推動社會的進步。

圖5 基本放大電路的幅頻特性

用波特圖儀測量反饋放大電路的幅頻特性如圖6所示。用垂直光標測得中頻段電壓放大倍數為Aumf＝38.624 dB，上限截止頻率為fHf＝1.356 MHz，下限截止頻率為fLf＝19.359 Hz，電路的通頻帶為BWf＝fHf－fLf≈fHf＝1.356 MHz。

圖6 反饋放大電路的幅頻特性

可見，引入負反饋后，雖然降低了放大倍數，但展寬了通頻帶。

2.3.4 輸入電阻的測量

在基本放大電路中，根據電流表U1的讀數Ii＝0.268 μA、電壓表U2的讀數Ui＝1.626 mV，可得電路無反饋時的輸入電阻Ri＝Ui/ Ii＝1.626 mV/0.268 μA＝6.067 kΩ，其值不滿足設計要求。

在反饋放大電路中，根據電流表U1的讀數Ii＝0.251 μA、電壓表U2的讀數Ui＝5.000 mV，可得電路有反饋時的輸入電阻Rif＝Ui/ Ii＝5.000 mV/0.251 μA ＝19.920 kΩ＞10 kΩ，其值滿足設計要求。

在基本放大電路中， Ri= RB1‖=6.067kΩ，因偏置電阻 RB1=270+1000 ÷( 1 - 31%)k Ω=960kΩ在級間反饋閉環之外，故不含 RB1在內的輸入電阻=6.106kΩ；在反饋放大電路中， Rif=RB1‖=960 ‖=19.92 kΩ，故不含 RB1在內的輸入電阻=20.342kΩ。驗算輸入電阻Rif如下：

可見，Rif的仿真實驗值與驗算值基本相同。負反饋支路的等效電阻增大到基本放大電路等效電阻的(1＋AuF)倍。

2.3.5 輸出電阻的測量

在基本放大電路中，用示波器監視輸出波形，在輸出波形不失真的情況下，用電壓表U4測量輸出電壓。接入負載RL時，電壓表U4的讀數為UL＝0.469 V；不接負載RL時，電壓表U4的讀數為Uo＝0.950 V。根據輸出電阻計算公式，可得電路在1 kHz 頻率下無反饋時的輸出電阻Ro為

其值不滿足設計要求。另外，基本放大電路不接負載RL時的電壓放大倍數Auo為

在反饋放大電路中，在輸出波形不失真的情況下，接入負載RL時，電壓表U4的讀數為UL＝0.426 V；不接負載RL時，電壓表U4的讀數為Uo＝0.501 V。可得電路在1 kHz 頻率下有反饋時的輸出電阻Rof為

可見，Rof的仿真實驗值與驗算值基本相同。引入電壓負反饋后，輸出電阻Rof減小到僅為基本放大電路輸出電阻Ro的1/(1＋AuoF)。

2.3.6 電路參數對放大電路性能的影響

借助參數掃描分析可以觀察電路參數對放大電路性能的影響，以便對電路的性能進行優化。在反饋放大電路中，執行Simulate/Analysis/Parameter Sweep 選單命令，在Parameter Sweep 分析對話框的Analysis Parameter 頁設置分析參數 Ce2，在Output 頁選定節點2 為所要分析的節點。參數掃描分析結果如圖7 所示，自上而下的十條曲線分別對應Ce2取值為10，20，…，100 μF。從掃描結果可以看出，旁路電容Ce2越大，下限截止頻率越低。

圖7 參數掃描分析結果

3 借助Multisim 進行電子線路設計的優勢

Multisim 仿真平臺集原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真于一體，在電子線路設計的應用中有著傳統實驗室平臺不可比擬的優勢[8]。

（1）Multisim 操作界面簡單，在Multisim 虛擬環境下操作避免了硬件故障，電路的設計與仿真可同步進行，實時完成電路分析、測試和調試，快速、精確地修正和優化電路設計，從而大大縮短了電路設計的周期，學生的綜合實踐能力以及創新能力得到逐步提升[9]。

（2）突破了時間和空間的限制，提高了設計效率。借助一臺電腦和一套軟件就可以構成一個虛擬的實驗工作臺，學生可以利用課余時間在教室、宿舍利用電腦自主進行電路設計與仿真。

（3）Multisim 軟件提供了一般實驗室不可能配備的失真分析儀、頻譜儀等儀器，提供了參數掃描分析、靈敏度分析等多種分析功能，使學生能夠直觀、準確、全面地了解設計電路的性能，有助于拓寬學生的思維，提高學生分析問題和解決問題的能力[10]。

（4）由于先在Multisim 環境下進行仿真設計，待得到最佳的設計方案后再搭建實際電路，因而能大大減少儀器設備和元器件的損壞[11]。

4 結語

利用EDA 工具進行電子線路的設計，注重仿真實驗對硬件實驗的指導意義，在實驗手段和內容上互為補充，能有效地彌補傳統電子線路設計的不足，提升學生的實踐動手能力和創新設計能力[12]。在2017 年全國大學生電子設計競賽中，我校有15 個隊45 人參賽，獲得北京賽區一等獎3 項、二等獎6 項和三等獎4 項；獲得全國一等獎1 項——我校近20 年來首次獲得該獎項。