基于Multisim10的擴音電路設(shè)計與仿真*

徐 鵬，毛攀峰

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

基于Multisim10的擴音電路設(shè)計與仿真*

徐 鵬，毛攀峰

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

針對電子線路設(shè)計過程中受到元器件、測量儀器等條件限制的問題，介紹了Multisim10軟件在電子設(shè)計方面的應(yīng)用，分析了擴音電路工作原理，完成電路的分析、設(shè)計和調(diào)試。擴音放大電路主要采用分立元器件三極管和達(dá)林頓管進(jìn)行設(shè)計，再通過Multisim10軟件對電路各功能及整個系統(tǒng)進(jìn)行了分析仿真，得到電路相關(guān)技術(shù)參數(shù)。仿真實驗結(jié)果顯示：采用Multisim10仿真得到的放大倍數(shù)與理論計算值的誤差約為2%，同時得到此電路信號在頻率為414 Hz～1.1 MHz時放大倍數(shù)均為47.8 dB。因此Multisim10軟件應(yīng)用于電子電路設(shè)計切實可行，不但節(jié)省了實際焊接、測試和調(diào)試的時間，也大大縮短了設(shè)計研發(fā)周期。

三極管；放大器；Multisim10；仿真

0 引言

傳統(tǒng)的電路設(shè)計依靠經(jīng)驗設(shè)計方法完成電路的設(shè)計、調(diào)試，但由于眾多實驗條件的限制，無法滿足多數(shù)設(shè)計者的設(shè)計要求，具有一定的局限性[1-2]。Multisim10仿真軟件具有電路元件庫豐富、虛擬儀器功能強大等優(yōu)點，同時電路分析手段完備、兼容性好，是一套完整的電路設(shè)計工具系統(tǒng)[3-4]。本文在分析擴音電路的基礎(chǔ)上，采用分立元器件代替價格較貴的集成芯片搭建電路的核心部分，再利用Multisim10進(jìn)行仿真分析、調(diào)試，以此大量減少硬件調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，也更易于電路功能的實現(xiàn)[5]。因此，Multisim10在擴音機放大電路分析、設(shè)計上提供了強有力的輔助工具，從而促使電路的設(shè)計在整體性能上達(dá)到最佳狀態(tài)，同時也節(jié)省實際焊接和調(diào)試的時間及耗材費用的成本，為電路的設(shè)計方式提供了新的模式[6-7]。

1 擴音電路的硬件設(shè)計

擴音機放大電路是擴音機的重要組成部分，其電路的設(shè)計及參數(shù)設(shè)置直接影響到擴音機的整體性能，其應(yīng)用廣泛，電路的設(shè)計也是多樣化[8-9]。本文采用分立元器件2N3904三極管替代價格較貴的集成芯片，減少了研發(fā)的成本，大大提高了企業(yè)在同行中的競爭力[10]。

擴音電路工作原理是將聲音通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于電壓信號微弱，需要通過放大系統(tǒng)進(jìn)行放大，從而推動揚聲器工作。放大電路主體可分為三部分，原理框圖如圖1所示。由于話筒阻抗比較低，首先采用共B放大器作為小信號放大器進(jìn)行阻抗匹配，進(jìn)行第一級放大，再經(jīng)過共E級放大器進(jìn)行電壓的放大，最后由Class AB功率放大器實現(xiàn)量能放大后驅(qū)動揚聲器工作，從而實現(xiàn)將聲音放大的功能。

圖1 擴音電路原理示意圖

本文采用的信號源是電壓為1 mVrms、頻率為1 kHz的信號，擴音電路硬件部分主要采用型號為2N3904的NPN型三極管及一對互補的達(dá)林頓管，硬件搭建的電路如圖2所示。電路中共B級和共E級放大電路主要采用2N3904型三極管，實現(xiàn)電壓信號的放大。功率放大器主要采用一對互補的達(dá)林頓管進(jìn)行推挽輸出，具有效率高、功率大等優(yōu)點。為防止Class AB功率放大電路產(chǎn)生交越失真，采用與達(dá)林頓管電氣特性相匹配的4個1N4148二極管，同時為防止電路產(chǎn)生截止失真，可調(diào)節(jié)滑動變阻器R14，得到合適的波形。

圖2 擴音電路驅(qū)動原理圖

2 擴音電路設(shè)計與仿真

從電路的整體可以看到，由于前兩級的放大倍數(shù)依賴于第三級即圖2中所示的Class AB功率放大器的輸入阻抗，因此電路從第三級Class AB放大電路開始分析。

2.1 功率放大電路

2.2 共E級放大電路

根據(jù)2.1小節(jié)中的Class AB功率放大器輸入阻抗為約為500 Ω，再結(jié)合圖4(a)電路硬件搭建方式，得共E級放大電路電壓增益為:

圖3 功率放大器電路圖

(1)

(2)

VEQ2=VBQ2-VBE2=1.85-0.7=1.15 (V)

(3)

式中：VBQ2為共E級放大電路基級靜態(tài)工作點參數(shù)；VEQ2為共E級放大電路發(fā)射級靜態(tài)工作點參數(shù)。

又因為IEQ2=IBQ2+ICQ2，且IBQ2<

(4)

VCQ2=VCC-ICQ2×R7=12-1.53×4.3=5.42 (V)

(5)

(6)

(7)

式中：Rin2為共E級放大電路的輸入阻抗值，hfe為2N3906三極管處于放大狀態(tài)時放大的倍數(shù)，這里取100，可得Rin2的值為104Ω。

圖4 共E級放大電路圖

2.3 共B級放大電路

參考2.2節(jié)的電路設(shè)計方式，同時根據(jù)圖5(a)，得:

(8)

VEQ1=VBQ1-VBE1=2.11-0.7=1.41 (V)

(9)

(10)

(11)

圖5 共B級放大電路圖

2.4 擴音電路的仿真分析

根據(jù)2.1～2.3節(jié)計算得到的放大倍數(shù)和仿真測得的數(shù)據(jù)如表1所示，總倍數(shù)為各級放大電路放大倍數(shù)的乘積，同時根據(jù)20lgAv=dB轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的分貝數(shù)，計算可得誤差僅為2%。

表1 各級放大電路的放大倍數(shù)

分析整個擴音放大電路的頻率帶寬，由Bode圖可知，當(dāng)信號的頻率在414 Hz～1.1 MHz時，放大倍數(shù)為47.8 dB，如圖6所示。

圖6 擴音放大電路的頻率特性曲線

在電路設(shè)計中，為了避免了Class AB功率放大電路的交越失真，采用了與達(dá)林頓管電氣特性相匹配的4個1N4148二極管，電路仿真如圖7所示，當(dāng)輸入電壓為1 mVrms、頻率為1 kHz的正弦信號時，產(chǎn)生完整的正弦波形，同時從圖8相位仿真圖中看到，當(dāng)輸入頻率為1 kHz的信號時，輸入信號與輸出信號相差165°的相位角。

圖7 Class AB放大器生成的波形圖

圖8 擴音電路相位圖

3 結(jié)論

Multisim10具有實現(xiàn)電路特性的模擬測試等眾多功能，為擴音機放大電路分析和設(shè)計提供了強有力的輔助工具。本文首先分析、設(shè)計了各級放大電路，再通過硬件搭建實現(xiàn)電路放大功能，最后利用Multisim10軟件進(jìn)行仿真分析，得到以下幾個結(jié)論：

(1)通過對擴音機放大電路的仿真分析，得到放大倍數(shù)為47.8 dB，并與理論計算對比可知，二者在數(shù)據(jù)上基本一致，誤差約為2%，在允許誤差范圍內(nèi)，可見Multisim10在電路分析與設(shè)計中極具參考意義，同時仿真電路中4個二極管配合達(dá)林頓管解決了交越失真的問題，最終系統(tǒng)輸出連續(xù)、穩(wěn)定的正弦信號。

(2)仿真測得此電路信號的頻率在414 Hz～1.1 MHz時，放大倍數(shù)均為47.8 dB，當(dāng)輸入頻率為1 kHz信號時，輸入信號與輸出信號相差165°的相位角。可見，Multisim10作為一個軟件的實驗平臺，對硬件電路的調(diào)試具有很強的指導(dǎo)作用，并有助于深入了解電路及元器件。

[1] 高磊.Multisim變壓器參數(shù)分析與應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用，2014，33(14)：85-87.

[2] 徐經(jīng)綸.基于Multisim10仿真的負(fù)反饋放大電路[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(4)：115-117.

[3] 張俊濤，陳曉莉.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(6)：83-85.

[4] 張愛英.基于Multisim的三極管放大電路仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(4)：123-126.

[5] 高磊，趙婷婷.基于MATLAB的C類功率放大器設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2015，34(9)：74-79.

[6] 郭麗穎.基于Multisim的彩燈循環(huán)閃爍電路設(shè)計與仿真[J].實驗技術(shù)與管理，2010，29(7)：187-189.

[7] 曹鴻霞，冒曉莉，張加宏，等.Multisim10在單管共射放大電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(14)：169-172.

[8] 劉 艷，朱昌平，宋鳳琴.模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)中的學(xué)生實踐能力培養(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27(2)：110-112.

[9] SAGHAFINIA A，PING H W，UDDIN M N，et al. Teaching of simulation an adjustable speed drive of induction motor using MATLAB/Simulink in advanced electrical machine laboratory[J]. Procedia Social and Behavioral Sciences，2013，103(26)：912-921.

[10] 陳笑風(fēng)，杜磊，趙柏樹.基于Howland電流源的精密壓控電流源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(9)：71-74.

Design and simulation of the amplification circuit based on Multisim10

Xu Peng, Mao Panfeng

(Ship Engineering Institute, Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021, China)

Due to the restriction of components, measuring instruments and other conditions in electronic circuit design, the analysis, design and commissioning of circuit can be achieved by applying Multisim10 to the electronic design. This paper analyzes the working principles of PA circuit, using discrete components of transistor and Darlington PA amplifying as the core to build the main part of the amplifying circuit. As a result, the related technical parameters can be obtained on the basis of simulating the entire system by Multisim10. Simulation results show that the error between circuit gain simulated by Multisim10 and theoretical calculation is about 2%, and at the same time the circuit signal can get the magnification of 47.8 dB between 414 Hz and 1.1 MHz. Therefore, the application of Multisim10 to electronic circuit design is feasible，which not only can save the actual welding, testing and debugging time, but also greatly reduce the design and development cycle.

transistor; amplifiers; multisim10; simulation

TP702

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.012

徐鵬，毛攀峰.基于Multisim10的擴音電路設(shè)計與仿真[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(20)：41-44.

舟山市科技計劃項目(2016C33030)；浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017訪問工程師校企項目

2017-03-30)

徐鵬(1988-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機電一體化及自動控制理論。E-mail:xupengzjut@163.com。

毛攀峰(1984-)，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：機電一體化及船舶電氣。