基于Multisim仿真的直接耦合放大電路研究及測試

歐陽明星，周澤湘，張文輝

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣東 韶關(guān) 512126）

基于Multisim仿真的直接耦合放大電路研究及測試

歐陽明星，周澤湘，張文輝

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣東 韶關(guān) 512126）

針對多級直接耦合模擬電路分析設(shè)計復(fù)雜的特點，借助Multisim軟件進行電路仿真分析及測試。將場效應(yīng)管輸出的功率放大電路進行分解，分解后的單元電路能獨立仿真，計算電路靜態(tài)工作點及性能參數(shù)，制作實物并使用6 1/2臺式萬用表及四通道數(shù)字示波器進行測試，最后討論電路產(chǎn)生失真的原理及解決對策。測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本一致，使用虛擬仿真手段能提高電路設(shè)計與測試效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

Multisim仿真；測試；場效應(yīng)管；直接耦合；恒流源

0 引 言

功放（output capacitor less，OCL）是典型的直流耦合放大電路，主要由輸入級、中間級、輸出級等部分構(gòu)成。由于直接耦合放大電路中各級直流靜態(tài)工作點互相影響，給設(shè)計、分析、測試帶來困難；因此，在保證性能的前提下，為求電路簡潔、穩(wěn)定、可靠，常采用恒流源偏置[1]。場效應(yīng)管具有導(dǎo)通電阻小、頻譜寬、頻率特性好等優(yōu)點，用于功放電路的輸出級具有發(fā)熱小、音質(zhì)好等特點，故越來越受到重視。隨著EDA電子輔助設(shè)計軟件的廣泛應(yīng)用，越來越多的技術(shù)人員使用Multsim等虛擬軟件輔助電路設(shè)計，以提高設(shè)計效率和縮短開發(fā)周期[2]。本文基于Multisim仿真軟件，將場效應(yīng)管輸出直接耦合功放電路進行逐級分解，并構(gòu)建每級電路單獨工作的條件，在Multisim仿真軟件中進行單級以及整個電路的仿真，分析電路靜態(tài)工作點及參數(shù)，并制作實物電路，使用6 1/2臺式萬用表及四通道數(shù)字示波器對實物進行靜態(tài)及動態(tài)測試，最后討論了波形失真原理及對策，研究與測試結(jié)果表明電路穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)組成

典型模擬功放電路主要由輸入級、電壓放大級、輸出級及偏置電路4部分構(gòu)成，為多級直接耦合放大電路，如圖1所示。輸入級電路主要進行阻抗匹配，并且在多級放大電路中決定整機信噪比，對電路有較嚴格要求。中間級對輸入信號進行高增益電壓放大，以便使輸出獲得足夠大的信號幅度。輸出級電路進行電流放大，以使負載上能獲得足夠的功率。根據(jù)輸出級電路結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)有多種不同的功放電路類型[3-4]。

圖1 功放電路組成框圖

2 電路仿真

分立元件模擬電路設(shè)計計算量大，過程復(fù)雜，并存在諸多不確定性，借助EWB電子工作平臺的計算機輔助設(shè)計手段可以提高電路設(shè)計效率及可靠性[5]，使用的仿真軟件版本為Multismiu10.1。

2.1 輸入電路

在直接耦合的多級放大電路中，第1級電路發(fā)生漂移時將很快進行逐級傳遞，并在輸出獲得較大的漂移電壓，致使輸出波產(chǎn)生畸形。差分放大電路能很好地抑制功放電路的溫漂電壓。為提高差分電路抑制溫漂能力，發(fā)射極采用恒流源偏置，通過恒流源等效內(nèi)阻無窮大的特點，在獲得較大的共模信號抑制能力的同時亦不會影響電路的其他性能[6]。

2.2 中間級電路

中間級電路主要起電壓放大作用，以獲得足夠電壓信號激勵后級電路。單管中間級放大電路采用了恒流源有源負載，以獲得足夠高的電壓增益。這種電路開環(huán)增益大，比電阻無源負載有更大的動態(tài)范圍[7]。由于電路開環(huán)增益大（趨于無窮），為使本級電路能正常仿真，在Q3發(fā)射極對地接15kΩ電阻，設(shè)置輸入信號Vk=0.1V，fin=1000Hz。示波器A通道接輸入，B通道接輸出，通道A設(shè)置為100mV/DIV，通道B設(shè)置為10V/DIV，仿真波形如圖2所示。由仿真波形可見，接上15 kΩ電阻后的開環(huán)電壓增益約為120倍，增益非常高，容易導(dǎo)致信號失真。

2.3 輸出級電路

圖2 中間級電路仿真波形

輸出級采用一對互補推挽MOSFET場效應(yīng)管組成的OCL電路結(jié)構(gòu)，MOSFET場效應(yīng)管動態(tài)電阻小，發(fā)熱少，所需散熱片體積小，頻響好。由于MOSFET場效應(yīng)管存在門檻電壓（Vth），需在柵極設(shè)置一個高于門檻電壓的偏置電壓，以使場效應(yīng)管能工作在線性放大區(qū)。輸出級單獨仿真時可為場效應(yīng)管提供一個獨立偏置，仿真波形見圖3。

圖3 輸出級電路仿真波形

2.4 恒流源電路

為了提高差分電路共模抑制能力，用恒流源代替發(fā)射極電阻，放大電路中用恒流源有源負載代替負載電阻能獲得較大增益，同時亦不會影響電路動態(tài)范圍[8]。以輸入級電路恒流源為例，分析其恒流原理。

當三極管放大器倍數(shù)β足夠大時（通常為β＞150），有

其中，UQbe為三極管b-e管壓降，取0.6～0.7 V。因UQ8be、R8不變，則電流IC9恒定不變，同理Q4、Q7恒流源的IC7亦恒定不變。

2.5 整機電路仿真

圖4 整機仿真

完整功率放大器如圖4所示。R3、R17、R19 3個元件的功能需注意：R3為輸出級偏置調(diào)節(jié)元件，調(diào)節(jié)R3可以同步改變Q1、Q2柵極電壓大小，以便為Q1、Q2的柵極設(shè)置一個合適的偏置電壓，保證Q1、Q2互補推挽管在正、負半周波形切換時不產(chǎn)生交越失真；R17與R19的比值決定整機增益，圖中參數(shù)所設(shè)定的整機增益為30dB（32倍），與圖4（b）仿真結(jié)果相吻合。進一步分析，若電源電壓為32V，輸出Vo為32Vpp，則最大輸入信號Vin應(yīng)為1Vpp，若輸入信號超過該值則會使功放產(chǎn)生削頂失真。

3 PCB與電路測試

3.1 PCB電路板設(shè)計

多級放大器對PCB設(shè)計有較嚴格要求，并嚴格遵循并聯(lián)一點接地原則。由于多級放大電路中每級信號幅度不同，倘若采用串聯(lián)多點接地，則各級電壓在地線串聯(lián)節(jié)點阻抗形成壓降，串入其他回路形成干擾，甚至產(chǎn)生正反饋[9]，影響整機輸出音質(zhì)，還需注意大電流回路應(yīng)加粗銅線。使用Altium Designer 9.0繪圖軟件按圖4制作PCB板，采用單面板結(jié)構(gòu)，單聲道尺寸為90mm×62mm，插接件、調(diào)節(jié)部件全部放置于板四周，以便裝配與調(diào)試。

3.2 靜態(tài)工作點分析與測試

多級放大電路靜態(tài)工作點互相影響和牽制。由于MOSFET場效應(yīng)輸出管參數(shù)互補對稱，N管流出電流與P管流入電流相等，中點輸出為0V；當N管、P管參數(shù)出現(xiàn)失衡或柵極偏置電壓設(shè)置不合適，將導(dǎo)致中點電位偏移輸出端產(chǎn)生直流電壓，損壞負載；此時，應(yīng)調(diào)整電位器R3并同時監(jiān)測其兩端電壓，合理的電壓值應(yīng)為5～7V。結(jié)合前面的電路仿真，進一步分析電路原理，若三極管基-發(fā)射極管壓降取0.6V，則有

故輸入級電路的IQ9C=UR8/R8=1.538mA，IQ5C=IQ6C=IQ9C/2=0.769 mA，中間級電路有IQ7C=UR10/R10=0.6/27= 22mA，因此

根據(jù)手冊資料可知[10]，IRF540的門檻電壓Vth典型值為3V，IRF9540門檻電壓典型值為-3V，有

R3是中間級與輸出級耦合的關(guān)鍵元件，調(diào)節(jié)R3使UR3為6V左右。圖2輸入級與圖3中間級直接耦合的電平關(guān)系可用下式表示

當取相同的Ube值并約定R10=3R4，考慮閉環(huán)電路反饋性能，式（7）可簡化為

顯然，圖4中R14=1.5kΩ，R8=390Ω，滿足式（8）。由前面分析可知，改變R14影響輸入級電流，改變R8影響輸入級增益，確定R14后再選定R8對電路影響小。進一步分析可知，若R8取值過小將使中間級電路無法正常放大，取值過大則會使中間級電路動態(tài)范圍變小，甚至直接飽和，因此式（8）對本電路至關(guān)重要。當電路裝配出現(xiàn)異常時，結(jié)合上述仿真結(jié)果以及式（4）～式（8），能快速定位電路故障。靜態(tài)測試時將輸入端接地，使用安捷倫34410A 6 1/2數(shù)字萬用表測量靜態(tài)工作點，如表1所示，此結(jié)果與仿真及理論計算結(jié)果基本一致。

表1 靜態(tài)工作點仿真、計算、實測對照表

3.3 動態(tài)調(diào)試

互補推挽電路較易產(chǎn)生非線性失真，其中以交越失真最為常見[11]。由于MOSFET管需要開啟電壓，當信號幅度低于開啟電壓最小值時，場效應(yīng)管處于截止狀態(tài)，無法輸出信號。給MOSFET管提供一定的偏置電壓，使其處于預(yù)導(dǎo)通狀態(tài)，有微弱信號輸入即可使MOSFET場效應(yīng)管進入放大狀態(tài)，輸出端獲得完整信號波形。使用信號發(fā)生器產(chǎn)生1 kHz正弦波，將四通道數(shù)字示波器分別測量輸入端、中間級輸出、輸出端信號波形；輸出接500W/10Ω滑動變阻器，滑動抽頭使負載電阻為8Ω，接通±24V直流電源；通電前調(diào)整R3使其兩端電阻為最小值，設(shè)置信號發(fā)生器輸出信號幅度約為500mV，將功放音量電位器置為中間位置，接通電源，觀察波形。此時由于R3兩端電壓幾乎為零，場效應(yīng)管柵極無偏置電壓，在輸入電壓信號較小時場效應(yīng)管為截止狀態(tài)，無法輸出信號，觀察圖5（a）可知，輸出波形存在明顯的交越失真。繼續(xù)調(diào)整R3電位器，增大電阻值，在場效應(yīng)管柵極建立略大于門檻電壓的偏置電位，此時即便輸入信號非常微弱也能被不失真地放大，如圖5（b）所示，輸出波形已無交越失真。將音量電位器旋轉(zhuǎn)到最大，保持信號頻率不變，增大信號發(fā)生器輸出信號幅度，觀察示波器輸出波形是否出現(xiàn)削頂失真；當出現(xiàn)削頂失真時，立即往回調(diào)信號發(fā)生器的幅度旋鈕，直至該失真消失，此時對應(yīng)的輸入信號即為最大不失真輸入電壓Vin（max）。忽略場效應(yīng)管飽和管壓降，互補推挽電路輸出功率可以通過下式計算

圖5 動態(tài)調(diào)試波形

在RL=8Ω，工作電壓為±24V時測得最大不失真輸出電壓峰峰值Vo為40Vpp，負載實際獲得功率為24.99 W，此時直流電源輸出電流為0.7 A，電源總功率為33.6W，電路效率為74.3%，不失真輸入電壓峰-峰值Vin（max）為0.95Vpp，電路實際增益為42倍（32dB）。

4 結(jié)束語

本文分析了直接耦合的多級模擬放大電路組成結(jié)構(gòu)與工作原理，借助Multisim軟件進行仿真驗證，提高電路設(shè)計與調(diào)試效率。使用恒流源電路簡化電路結(jié)構(gòu)，制作實物電路并進行深入測試分析，通過對電路進行理論分析、仿真研究、實物測試，三者結(jié)果基本一致。電路在工作電壓為±24V時，負載能獲得25W左右不失真有效功率，整機效率為74%。

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Research and test of direct-coupled amplifier based on Multisim simulation

OUYANG Ming-xing，ZHOU Ze-xiang，ZHANG Wen-hui
（Guangdong Songshan Polytechnic College，Shaoguan 512126，China）

Aimed at the complexity of design and analysis on multistage direct coupling analog circuit，this paper employed Multisim software for simulation analyse and circuit test.MOSFET output power amplifier circuit was decomposed to make the unit circuit work independently，and the circuit’sstatic work pointsand itsperformance parameterswere calculated.The sample was prepared，and it was tested by using 6 1/2 desktop multimeter and four-channel digital oscilloscope. Finally，the principle and solutions on the circuit wave distortion were discussed.The testing result is almost accordant with simulation and calculation，that means the virtual simulation tools can improve the efficiency ofcircuitdesign and test， also shorten the cycle time forproduct development.

Multisim simulation；test；MOSFET；direct-coupled；constant current source

TN710.4；TN386.6；TP391.9；TN911.7

：A

：1674-5124（2014）05-0126-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.033

2014-01-22；

：2014-03-31

廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研項目（2010-JPKC-7）

歐陽明星（1980-），男，湖南郴州市人，講師，碩士，主要從事無線通信及測控、光伏并網(wǎng)應(yīng)用研究。