基于Multisim的音频放大器设计与仿真

吕岚

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

基于Multisim的音频放大器设计与仿真

吕岚

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

针对音频放大器的设计与仿真一直是模拟电路中一个典型的综合设计难题，现以一种新的音频放大器为例，介绍在Multisim仿真软件平台下音频放大器电路设计方法，对原电路的设计原理及元件组合进行新设计，即使用常规的虚拟示波器、万用表，结合AC Analysis分析方法，也可对电路实现设计与仿真，结果表明：该方法通过实际应用，具有效率高、成本低、可行性强的特点。

音频放大器；Multisim仿真；分析方法

0 引言

音频放大器是模拟电路中一个典型的综合性设计题目，它包含了功率放大器、前置放大器、电源等音响电路中经常涉及的电路，也涉及到电压、功率放大，容抗、阻抗匹配，负反馈和频率响应等重要概念和知识点[1]。Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于完成模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[2]，可以快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证[3]。本文以音频放大器电路的设计为例，介绍基于Multisim的音频放大器电路的设计与仿真。

1 设计要求

（1）具有音量调节的功能；

（2）每个声道具有10W的功率放大；

（3）双电源供电。

2 总体设计图

音频放大器电路的工作原理就是将音源输出的微弱信号通过前置放大器进行电压放大，并应保证失真系数尽可能小，音源的信号经过前置放大器后即进入功率放大器中进行能量的提升，以便驱动扬声器工作还原为声音信号[4]。该电路主要由三部分组成，图1为其结构框图。

图1 音频放大器电路结构图

总体电路设计见图2。

3 功能模块的设计要求

3.1 前置放大器电路

在音响系统中，特别是进行大功率放大时，功率放大器对输入信号有一定的要求，太弱的输入信号功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一级或多级前置放大器，将小信号的幅度放大到适合的范围，再由功率放大器进行进一步的能量放大。前置放大器电路可以采用多种方式实现，如：晶体管构成的前置放大电路，集成运算放大器构成的前置放大电路[5]。晶体管构成的前置放大电路，经过一段时期的使用，放大作用会减小或消失，当三极管穿透电流过大或c-e级漏电时，会产生噪声，有时前置放大管还会出现击穿短路现象，使本级失去放大能力[6]。在本文中，采用集成前置放大器电路。

图2 音频放大器电路图

由于两个声道的电路图是一致的，现以左声道为例进行介绍，如图3所示。

图3 前置放大器原理电路图

在图3中，信号流从左往右，即左边的VLin是左声道的输入端，接MP3播放器等音源，而右边的IO2是左声道的输出端，电压增益为2。

3.2 前置放大音量调节电路

前置放大音量调节电路如图4所示。

图4 前置放大音量调节电路图

在图2中，信号从前置放大器I02输出后，经过R5、R9进入前置音量放大调节电路，信号经音量调节电位器，输出信号。此信号即进入图4中的最后一级运算放大器U2B中，这一级中信号可获得最高13dB的电压增益。最后，经过电阻R10、电容C1得到前置放大器的输出信号VLout，供功率放大器进行进一步的能量放大后驱动扬声器。

3.3 功率放大器电路改进

音源的信号经过前置放大器后即进入功率放大器进行能量的提升，以便驱动扬声器工作还原声音信号。常用的功率放大器有Class A、Class AB、Class D，其中Class AB在音响系统中应用最为普遍，本文采用Class AB放大器进行设计[7]。同时，在选择功率放大器之前要考虑扬声器的功率有多大，如果输出功率大于扬声器的额定功率，扬声器就有被破坏的危险；反之，扬声器就有些浪费了[8]。本文设计的功率放大器是一个小功率放大器，输出功率为10W。功率放大器电路如图5所示。其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后进入Class AB放大器中进行功率放大。两对互补管Q5和Q6、Q7和Q8组成的Class AB放大器可向8Ω扬声器输出9.5～11.5W的功率。通过调节电位器R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。在图5中既有集成电路（NE5532），又结合了分立式的Class AB放大器（Q5、Q6、Q7、Q8），体现出集成电路与分立式元件协同工作的优势。

图5 功率放大器电路图

用一个小功率放大器改进设计，如图5所示。其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后，进入Class AB放大器中进行功率放大。两对互补管Q5和Q6、Q7和Q8组成的Class AB放大器可向8Ω扬声器输出9.5～11.5W的功率。通过调节电位器R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。

4 电路的Multisim仿真

在本文的设计过程中，我们应用Multisim对电路进行了仿真分析。调取Multisim中的示波器和信号源，测得输入和输出波形如图6所示。由图6可见，在输出功率为10 W时，输入信号小于1mV，从而能够保证音源给出的小信号被有效放大。

5 结语

本文介绍的音频放大器设计与仿真电路，将前置放大、音量调节、功率放大等单元电路有机地结合起来。把计算机仿真软件Multisim引入到电路设计中，给电路设计、仿真、测试带来了极大的方便[9]，使电路的设计、性能参数的仿真等繁琐的任务变得轻而易举，能够有效引导设计者从多种角度考虑问题，提出不同的设计方案，提高实际解决问题的能力。

图6 功率放大器电路输入输出波形图

［1］赵柏树，胡明哲，胡永明.宽带音频放大器的Multisim仿真与实验研究［J］.电气电子教学学报，2011，33（2）：63-65.

［2］王冠华.Multisim11电路设计及应用［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［3］雷跃.NI Multisim11电路仿真应用［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［4］杨欣.电子设计从零开始［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［5］张俊涛.电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用［J］.实验技术与管理，2007（6）：83-85.

［6］志科.晶体管收音机前置放大器原理与故障检修［J］.电子世界，1995，26（2）：26-27.

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

［8］杨孝宇.低噪声功率放大器设计［J］.电子质量，2013，24（6）：25-27.

［9］马风格，梁夏，李桂香.Multisim在电子线路实验教学中的应用探索［J］.实验技术与管理，2005，22（12）：73-75.

Design and Simulation of Audio Amplifier Based on Multisim

LVLan
（Shanxi Railway Institute，Shanxi Weinan 714000，China）

Design and Simulation of Audio Amplifier in analog circuit is atypical integrated designtopic.Inthis paper，wetake atypical kind of audioamplifier as an example，and use Multisimasthe design platform，and introducethe design principle，assembled methods of Audio Amplifier，and make simulation withthe virtual oscilloscope，multimeter，components and AC analysis method.The results showthatthe method by practical applicationhasthe advantages of high efficiency，lowcost，strong feasibility.

audio amplifier;Multisim simulation;analysis method

TP391.9

A

1673-2022（2014）04-0043-04

2014－06－20

吕岚（1982-），女，陕西西安人，硕士，讲师，研究方向为计算机科学与技术。