宽带音频放大器的Multisim仿真与实验研究

赵柏树,胡明哲,胡永明

(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北武汉 430062）

宽带音频放大器的Multisim仿真与实验研究

赵柏树,胡明哲,胡永明

(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北武汉 430062）

掌握音频放大器的设计与调试方法,对全面掌握模拟电路理论与测试技术具有十分重要的意义。本文以一种典型宽带音频放大器为例,详细介绍其电路参数的分析计算方法、软件仿真结果以及硬件调试等关键技术,其结论对教学和工程应用都有一定的实用价值。

模拟电路;音频放大器;Multisim;功率放大器

0 引言

宽带音频放大器是模拟电路中的一个综合性设计课题,它涉及电压放大、功率放大、阻抗匹配、负反馈和频率响应等重要概念和知识点。学生掌握其设计与调试方法,对全面掌握模拟电路理论与测试技术具有十分重要的意义。从应用的角度看,宽带音频放大器在IC设计中具有较现实的工程意义[1]。因此,这一课题常常被选作电子类专业“模拟电路”课程设计或综合性实验的内容。我们根据多年从事这一课题的教学研究经验,以一种典型宽带音频放大器为例,详细介绍了电路参数的分析计算方法、软件仿真[2]以及硬件调试等关键技术。

1 电路设计与电路参数计算

宽带音频放大器应使负载得到足够大的不失真功率。从实际应用的角度看,它往往还加有混响和卡拉OK等辅助功能。为突出该课题在设计与调试中的主要技术与难点,本文不涉及这些辅助功能,仅针对主通道进行研究。完整的音频放大电路如图1所示,它由输入级、前置级和输出级三部分组成。

如图电路中,T1和T2组成单端输入、单端输出的长尾式差分放大器,主要实现信号放大和阻抗匹配任务;T3等为共发射级放大电路,完成功率放大级的驱动;T4～T7组成典型OCL功率放大器,供电电源V1和V 2为±15V。

图1 宽带音频放大器

输入级的静态工作点由R3决定,三极管 T1和T2的静态集电极电流由下式确定

输入级信号幅度较小,I C1和I C2的值取1m A左右为宜。由上式可知,R3取为7.5kΨ。

前置级的静态工作点与输入级是关联的,设T1管的集电极电位为U C1,则T3的集电极电流由下式表达

前置级的输出信号幅度可达10V以上,要求有较大的动态范围。若输出功率为5-10W,则 I C3取3mA较为合适。在图1所示电路参数下,U C1=14V,R4与R5电阻之和为100Ψ左右。因此,R5取值为82Ψ,而R4使用一阻值为200Ψ的精密可调电位器。

整个放大器通道的电压增益由输入级和前置级共同承担,RF与RFW等构成电压串联负反馈电路。在深度负反馈条件下,全通道电压放大倍数由反馈系数决定

R FW是1kΨ的电位器,用于调整反馈系数,可以调整输出信号幅度(即音量调整)。

电路的频率响应由电路中的耦合电容和三极管的极间电容决定。电路的下限频率由C1、C2、C4决定,其中C2的影响最大。增大这几个电容的容量,可以降低下限频率。电路的上限频率主要由功率放大管的频率特性决定,选择特征频率较大的功率放大管可以提高上限频率。

2 电路性能的Multisim仿真

M ultisim是一款优秀的EDA软件,特别适合于电子线路的仿真分析,在教学、生产和科研等领域得到广泛应用[3-5]。

在本课题的设计过程中,我们应用Mu ltisim对电路参数进行了仿真分析。调取软件中的信号源和示波器,测得的输入和输出波形如图2所示(负载电阻RL取值为8Ψ)。图形上部是输入信号波形,下部是输出信号波形。由图可见,在输出功率为5W时,输入信号小于10mV,从而能够保证话筒给出的小信号能有效放大。

图2 宽带音频放大器输入输出波形

电路的频率响应如图3所示(电压放大倍数为200时的曲线)。图形上部是幅频响应,下部是相频响应。由图可见,电路的下限频率低于10H z,上限频率高于1MH z,整个通频带内相移为0。由于电压增益受负反馈网络控制,导致电路的通频带宽度与电路的增益有关,增益越小,频带越宽。仿真结果表明,当增益为 60dB时,电路的下限频率低于20H z,电路的上限频率高于100kH z。

图3 音频放大器的频率响应曲线

对于音频放大器,适当选择低频功放管可以改变电路的上限频率,既可节约成本,又可降低噪声。

3 电路的硬件调试与测试

1)电路布局与制作

功放电路对前置放大电路的影响不容忽视。如果采用通用版制作,则元件布局和走线对电路性能影响比较大。电路布局十分重要:连线应该尽量短,地线应该尽量粗,还要注意电源去耦等,以免功放级的大电流干扰输入级,导致电路不能正常工作。

2)静态工作点的调试与调整

差分对管T1、T2的参数要尽量对称,以保证电路有较好的共模抑制比;输出对管的参数不对称将会导致波形失真,选择输出三极管时也要酌情考虑;三极管的耐压值也应予以关注。

本文的电路是一个直接耦合多级放大器,静态工作点互相牵连,调试难度较大。只有遵循正确的调试步骤和方法,才能获得成功。否则,容易损坏三极管而导致失败。为解决静态工作点的前后牵连问题,可先将R F与输出点O断开,使电路处于开环状态,以避免输出级对前级静态工作点的影响。

电路在粗调时,输出点的电压一般是偏离正常值的。当然,前级对后级的影响仍然存在,静态工作点的调整可以从前往后顺序调整。断开反馈环后,为了模拟RF右端与O点连接的反馈环境(O点静态电压值为0V),可将R F右端与地暂时相连。同时,为了避免功放管在调试中损坏,应将电位器R6调到0。这时,T1的集电极电位应为14V左右,前置放大管T3的发射极电位约为14.7V。调节R4,使T3的集电极电流约为3mA,再微调R7使U C3约为0.7V。于是,使输出O点的电压为0V。然后将R F右端由地改接O点完成(闭环),微调R7等使O点电压为0V,静态工作点调整完毕。

3)动态调试与测试

在输入端接入频率为1kH z,幅度为10mV正弦波后,分别在空载和额定负载条件下,用示波器观察输出信号。调节RFW使输出幅度变化,输出信号应为不失真正弦波。如果出现交越失真,可反复微调R6和 R7以消除交越失真,并保证正确的静态工作点。

用频率特性测试仪或用点频法测出电路的上限频率和下限频率。改变C1,C2和C4的值,电路的下限频率会有所变化(C2最敏感);如果更换功放管T5,放大器的上限频率会随之改变。

在测试电路的电压放大倍数以及频率响应时,如果在接入负载时产生自激振荡,致使测试无法进行。解决的方法是,在功率三极管T5和T6的集电极和基极间各接入一个中和电容(容量大小为几十至几百pF),从而消除自激振荡现象。

4 结语

实验结果表明,图1所示电路的输出功率可达10W以上。如果提高供电电源电压,可以获得更大的输出功率。电路的下限频率可低于10Hz,上限频率随功放管的不同而存在较大差异。如果选择高频大功率三极管,可以使上限频率达到1MHz以上。图1所示电路不仅用于音频放大器,也可应用于信号发生器的放大通道。

本文所介绍的仿真分析和硬件调试方法适合于TTL和OCL等功率放大电路以及IC设计等工程应用领域。

[1] 赵夕彬.射频宽带大功率放大器模块[J].石家庄:半导体技术,2003,28(2):65-67

[2] 赵波.Multisim在竞争冒险教学中的应用[J].西安:现代电子技术,2010(7):166-168

[3] 李慧,行小帅.基于M ultisim8的电压串联负反馈放大电路仿真分析[J].太原:山西电子技术,2009(6):43-45

[4] 傅晓林,杨志刚,王兴家.M ultisim在喷油脉冲宽度检测中的应用[J].成都:电子科技大学学报,2006,35(1):43-46

[5] 王廷才.基于Multisim的电路仿真分析与设计[J].北京:计算机工程与设计,2004,25(4):654-656

Multisim Simulation and Experimental Study on a Wideb and Audio Amplifier

ZHAO Bai-shu,HU Ming-zhe,HU Yong-ming

(Schoolo f Phy sics and E lectronics,H ubeiUniversity,Wuhan 430062,China)

G rasping the audio amp lifier design and their ad justing method p lays a very im portant role in com p rehensively understanding the theory o f analog circuit and the relative testing techno logy.In this paper,we take a typical kind of wideband audio amp lifier as an examp le,introduce its circuit parameters and the analyzing method,the software simu lation resu lts using M ultisim as well as thehardware adjusting technology elaborately.The results possess great practical value for the teaching and industry application of analog circuit.

analog circuit;audio amp lifier;M u ltisim;power amp lifier

TP274

A

1008-0686(2011)02-0063-03

2010-07-19;

2010-11-10

赵柏树(1959-),男,学士,副教授,主要从事电子技术应用的研究,E-m ail:zhaobaishu03@126.com