基于Multisim的4种典型功放电路仿真研究

王晓明，张向龙，拜润卿

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省电力科学研究院 甘肃 兰州 730050）

基于Multisim的4种典型功放电路仿真研究

王晓明1，张向龙1，拜润卿2

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省电力科学研究院 甘肃 兰州 730050）

为了准确直观的理解4种典型功率放大电路的电路特性，文中研究了基于Multisim的功率放大电路的仿真测试。首先介绍了Multisim软件常用的分析方法。其次通过Multisim平台建立了4种功放电路的仿真模型，对其进行了瞬态分析和傅里叶分析。仿真结果表明，在基本型功放电路前端串接运算放大器可以提高电路稳定性，减小电路的交越失真。

Multisim；功放电路；瞬态分析；傅里叶分析

随着电子技术与计算机技术的高速发展，电子电路的设计与研制与计算机系统之间的关系日益紧密。Multisim是美国国家仪器（NI）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级模拟或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[1]。

功率放大电路是任何电子电路不可或缺的组成部分，它是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量转换成随输入信号变化的功率输送给负载。功率放大电路质量的优劣直接决定了负载能否正常工作[2]。用专业的EDA软件对功率放大电路进行仿真、分析，可以大大提高分析的速度和准确度，使功率放大电路的设计更好地满足实际负载的需要。Multisim就是一款优秀的EDA软件。利用该软件能实现电子电路的快速设计和仿真，大大缩短电子电路的设计开发周期。

1 Multisim常用分析方法

1.1 直流工作点分析

直流工作点分析（DC Operating Point Analysis）用于计算电路的静态工作点。在进行该项分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路、电感短路和数字元件被作为电阻器接地。直流分析的结果通常都可用于电路的进一步分析，比如在暂态分析和交流小信号分析之前，程序将自动先进行直流工作点分析，以确定暂态的初始条件和交流小信号下非线性器件的线性化模型参数。

1.2 交流分析

交流分析（AC Analysis）用于分析电路的小信号频率响应。再分析时，程序会自动的先对电路进行直流工作点分析，以便建立电路中非线性元件的交流小信号模型，直流电源置零，交流信号源、电容和电感等均处在交流模式，如电路中存在数字元件，则将其视作一个接地的大电阻。将正弦波设定为输入信号，事实上不管电路中输入信号是何种信号，分析时都会自动以正弦波替代，并且信号频率也替换为设定范围内的频率。

1.3 瞬态分析

瞬态分析（Transient Analysis）是对所选定的电路节点的时域响应，是一种非线性分析。观察该节点在整个显示周期中的每一时刻的电压波形。在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。瞬态分析的结果通常为分析节点的电压波形，所以使用示波器也可以观察到相同的结果。

1.4 傅里叶分析

傅里叶分析（Fourier Analysis）是分析周期性正弦信号的一种数学方法，用于分析时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。它通过对被测节点处的时域变换信号进行傅里叶变换，找出其时域变化规律。该分析方法其实就是将周期性的非正弦信号转换成一系列正弦波和余弦波的组合。

1.5 失真分析

失真分析（Distortion Analysis）用于分析电子电路中的非线性失真和相位偏移，通常非线性失真会导致谐波失真，而相位偏移会导致互调失真。如果电路中有一个交流信号源，该分析方法会确定电路中的每个节点的二次和三次谐波造成的失真；如果电路中有两个频率（f1，f2，f1＞f2）不同的交流信号源，该分析方法能够确定电路变量在3个不同频率（f1+f2）、（f1-f2）、（2f1-f2）上的谐波失真。失真分析对于研究电路中的小信号比较有效[1]。

2 4种典型功放电路的仿真分析

首先，通过对基本类型的乙类、甲乙类功率放大电路进行仿真分析（瞬态分析和傅里叶分析），观看其输出波形和频率特性曲线，归纳总结各功放电路的特点。其次，通过对带前置运放的乙类、甲乙类功率放大电路进行仿真，和之前的基本类型进行对比，分析指出前置运放对功放的电路的影响。最后，分析总结这一系列的仿真结果，得出相应结论。

2.1 乙类功放电路仿真

乙类放大器不需要静态工作点，因而没有静态工作损耗这一优点，同时又要保证能对交流信号进行功率放大，可以利用NPN和PNP三极管的互补特性，把两个静态工作点为截止的NPN和PNP管子的发射极连接在一起，形成如图1所示的乙类互补功率放大器，也称为推挽功率放大器。

为了清晰、准确地观察到乙类双电源互补对称功率放大器的工作状态和各点的信号波形，用一个四踪示波器，4个通道分别接入乙类双电源互补对称功率放大器的电路的输入交流信号端、晶体管Q1导通时的交流放大波形端、晶体管Q2导通时的交流放大波形端、乙类双电源互补对称功率放大器电路的输出交流信号端。仿真测试电路如图1所示。

图1 乙类互补功率放大器Fig.1 B complementary power amplifier

按下仿真开关，示波器上显示的这4个点的电压信号波形如图2所示。

图2 4个点的电压信号波形Fig.2 Voltage signal waveform of the four points

可以看出晶体管Q1、Q2分别导通时的电压波形为半波导通；输出端的电压信号产生了交越失真。这与理论上分析的结论相一致，使理论的结果在仿真试验中得到了很好的验证。

在瞬态分析的基础上，再执行傅里叶分析，可得输出信号的频谱如图3所示。图中，输出电压信号中除了1 kHz基波外，还包含3 kHz和5 kHz谐波成分，说明电路发生了非线性失真。

2.2 甲乙类功放电路仿真

甲乙类功放仿真测试电路如图4所示，其输入、输出波形如图5所示。

图3 乙类功放输出信号频谱图Fig.3 Output signal spectrum of class B power amplifier

图4 甲乙类功放仿真测试电路Fig.4 Simulation test circuit of class ab amplifier

由输出波形可知，甲乙类功放电路很好的克服了交越失真。这是由于与乙类功放电路相比，在Q1、Q2基极之间加了两只二极管D1和D2。利用二极管给晶体管提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，集电极静态电流很小。

执行傅里叶分析，其输出信号的频谱图只有1 kHz基波频率，没有谐波成分，说明电路没有发生非线性失真。

2.3 前置级为运放的乙类功放电路仿真

前置级为运放的乙类功放仿真测试电路如图6所示，其输出波形如图7所示。

由输出波形可知，以运放为前置级的乙类功放电路很好的克服了传统乙类功放电路存在的交越失真问题。电路引入了电压串联负反馈，电路的闭环电压增益Auf≈1+R2/R1。

图6 前置级为运放的乙类功放仿真测试电路Fig.6 Simulation test circuit of b power amplifier with prepositive op-amp

图7 输出波形Fig.7 Output waveform

其输出信号的频谱图也只有1 kHz基波频率，没有谐波成分，说明电路没有发生非线性失真。

分析串入运放后对电路性能的影响：（ui为电路输入；uo1为运放输出）

在电路即将导通之时，电路中各支路中的电流为零。这时

在管子即将导通时，uo1等于其死区电压UBE（th）。

故电路的死区电压Ui（th）为

即当 |ui|≤[1+R1/（R2+RL）]|UBE|/Auo时，T1和T2均未导通；

当 |ui|＞[1+R1/（R2+RL）]|UBE|/Auo时，T1或T2导通；

可见，由于运放的Auo很大，与未加运放的乙类推晚功放电路相比，输入电压的不灵敏区减小了，从而减小了电路的交越失真[3]。

2.4 前置级为运放的甲乙类功放电路仿真

前置级为运放的甲乙类功放仿真测试电路如图8所示，其输出波形如图9所示。

由输出波形可知，以运放为前置级的甲乙类功放电路的输出波形不存在交越失真。而且较以运放为前置级的乙类功放电路相比，波形更加光滑，说明电路的稳定性更高。这是由于电路中引入了电压并联负反馈，从而提高了功率放大电路的稳定性。电路的闭环电压增益Auf≈-R2/R1。

图9 输出波形Fig.9 Output waveform

其输出信号的频谱图亦只有1 kHz基波频率，没有谐波成分，说明电路没有发生非线性失真。

3 结 论

文中通过Multisim软件对4种不同功率放大电路的仿真，绘制各功率放大电路的原理图，进行瞬态分析和傅里叶分析，可以概括总结出乙类功率放大电路的特点是存在非线性失真大（交越失真），失真的原因是晶体管存在死区电压。甲乙类功放电路通过给功放管施加一定的直流偏置电压，使功放管在静态时处于微导通状态，非线性失真比乙类小。在基本型功放电路前端串接运算放大器，形成闭环电压负反馈，可以提高功放电路的稳定性。前置级为运放的乙类、甲乙类功率放大电路的输出波形均不存在交越失真，可见以运放为前置级的功率放大电路可减小交越失真。

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The simulation study of four typical ampli fi er circuits based on Multisim

WANG Xiao-ming1，ZHANG Xiang-long1，BAI Run-qing2
（1.Electrical Engineering and Information Engineering Institute，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，China ）

In order to accurately intuitively understand the circuit features of the four typical power amplifier circuits，this paper studies the simulation test of power amplifier circuit based on Multisim.Firstly ，it introduces commonly used analysis method about Multisim software.Secondly，simulation model of the four power amplifier circuits is established by Multisim platform，transient analysis and Fourier analysis are proceeded .The simulation results show that seriesconnecting an op-amp in the front of the basic amplifier circuit can improve the stability of the circuit and reduce the distortion of the the circuit.

multisim；power amplifier circuits；transient analysis；fourier analysis

TN710.2

A

1674-6236（2014）11-0067-04

2014-02-25 稿件编号：201402177

甘肃省自然科学基金（1010RJZA040）；甘肃省科技支撑计划—工业类项目（1011GKCA031）

王晓明（1954—），男，甘肃民勤人，教授。研究方向：自动控制、计算机应用、铁道信号远程控制、可视编程技术。