计算机仿真在多级放大电路设计中的应用

陈达军,于肇贤

(北京信息科技大学 理学院,北京100192)

计算机仿真在多级放大电路设计中的应用

陈达军,于肇贤

(北京信息科技大学 理学院,北京100192)

为了研究多级放大电路工作相关属性的目的,使用软件Multisim10对多级放大电路的相关参数开展了仿真实验,给出了Multisim对其参数进行仿真实验方案,利用双踪示波器、万用表、信号发生器等虚拟仪器仿真和计算出了多级放大电路静态直流工作点、输入电阻、输出电阻、电压增益、通频带、非线性失真、反馈深度等参数。实验虚拟仿真结果与理论计算结果基本一致。结论是虚拟实验仿真不仅可以直观而且可以更加形象地描述多级放大电路的相关工作特性,有利于电路相关工作者更加系统地研究多级放大电路的组成及其相关的工作过程。

计算机仿真；多级放大电路 ；微弱信号处理；Multisim

多级放大电路［1］在复杂电子系统设计中有举足轻重的作用,它大多数处理的信号是由传感器采集到的微弱信号。由于传感器输出的量程有限,经常是微伏或毫伏级别的微弱信号,不能直接给模数转换电路使用,这时能够根据复杂电路的具体参数要求设计放大电路显得尤为重要。电子工程师设计电路时往往倾向于先使用计算机仿真软件,对设计结果仿真最终投板测试。本文以Multisim10为仿真设计工具［2-3］,给出了仿真多级放大电路设计参数的方法和分析了失真现象,为工程师节省设计时间、节省成本等方面提供了不可多得的帮助。

1 系统工程设计

一个完整的微弱模拟信号处理系统往往包括传感器、多级放大电路、数模转换电路和反馈电路、计算机等部分。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the weak analog signal processing system

2 多级放大电路设计方案

多级放大电路中经典而且用的最多的是两级放大电路,是采用开环还是闭环的根据具体要求确定。在Multisim10中创建的双级阻容耦合放大电路仿真原理电路如图2所示［4］。

3 静态直流工作点仿真和分析

将信号发生器输出设置为正玄波,其中频率1 kHz、幅值1 mV。分析三极管Q1和Q2的基极电压、集电极电流及管压降。软件直流工作点分析时,注意要将V（1）-V（18）选中作为输出，仿真如图3,最后得到仿真和理论计算结果如表1和表2。

4 开闭环电压增益仿真分析

未接入反馈电路,这时的电路相当于开环放大电路。最后仿真结果如图4。

图2 双级耦合放大电路原理图Fig.2 The schematic diagram double-stage coupling amplifying circuit

图3 直流工作点节点电压仿真结果Fig.3 The simulation result of DC operating point node voltage

图4 循开、闭环输入输出电压波形结果Fig.4 The waveform result of open-loop and closed-loop input and output voltage

表1 两级放大电路静态工作点仿真结果Tab.1 The simulation result of double amplifying circuit quiescent operating point

表2 两级放大电路静态工作点理论计算结果Tab.2 The Theoretical result of double amplifying circuit quiescent operating point

5 直流电源对开闭环放大电路增益的影响

外界直流电源电压不同,开闭环电压增益稳定性也会有所变化。实验假如直流电压源Ucc改为12 V,方法同上,分别测出:开环电压增益Au（12V）=140.35,闭环电压增益Auf（12V）= 9.53,最后得到,开环电压增益的相对变化量为:，闭环电压增益的相对变化量为:，计算仿真结果证明电压增益的稳定性会由于采用负反馈放大电路而提高。

6 合理的输入电阻利于驱动两级放大电路

将交流电压表和电流表接在输入端,信号源峰值改为10 mA测得开环时,Ui=6.98 mV,Ii=0.93 μA则kΩ，理论值为:Ri=R1‖R2‖［rbe1+（1+β）R4］=7.77 kΩ。闭环时,引入电压串联负反馈后,只是将负反馈环内的输入电阻 （R4）增大。放大电路的基极偏置电阻不包括在反馈环内,此电路基极分压式射极偏置电路中的基极偏置电阻Rb=R1‖R2需要考虑。测量值Uif=6.985 9 mV,Iif=0.873 μA,则,理论负反馈输入电阻值Rif=R1‖R2‖［reb1+（1+β）R4］（1+AuFu）=8.29 kΩ。仿真实验证明,串联电压负反馈可以增大输入电阻,有利于增加信号的驱动两级放大电路。

7 合理的输出电阻利于电路的负载能力

用万用表测出开路负载R12开路输出的电压为Ui=1.552 V，将万用表测出负载R12的短路电流为Ii=316.11 μA,开环输出电阻；测得开路负载R12开路输出电压Uif= 72.077 mV,测得负载R12短路电流Iif=342.244 μA,闭环输出电阻。计算理论值为:开环输出电阻Ro= R8=5 kΩ,闭环输出电阻Rof=Ro/（1+AuFu）=0.349 kΩ。结果表明,串联电压负反馈减小输出电阻,最终增加多级放大电路的负载能力。

8 通频带仿真

图5可以看出 fL=29.142 8 Hz，fH=448.925 1 kHz,通频带fbw=fH-fL=448.896 0 kHz,稳频时的增益约为148.077 8。由图6可以看出,fLf=9.637 9 Hz,fHf=7.724 5 kHz,通频带fbwf=fHf-fLf= 7.724 5 MHz,稳频时的增益约为9.984 7。由图5、6直观地反映出引入负反馈后电压增益降低,但是通频带增加。仿真结果表明:反馈愈深,频率特性越好,但是增益-带宽乘积保持不变。当我们需要拓展通频带时,要全方位的考虑负反馈组合。还要分析时间常数所在的回路影响频响的原因,最终才能改善频率特性响应。

图5 开环通频带Fig.5 Open-loop passband

图6 闭环通频带Fig.6 Closed-loop passband

9 综合非线性的失真仿真分析

当打开开关J5（开环）,同时在保持频率不变的情况下,慢慢的增大输入信号的幅值,最后可以得到输出电压波形出现轻度非线性失真的仿真图,仿真结果见图7左半图。再闭合开关J5（闭环）,观察输出电压波形,见图7右半图。

由图7可见非线性失真在双级放大负反馈电路中得到了显著改善。

图7 开、闭环输入输出电压波形失真结果Fig.7 The distortion waveform result of open-loop and closed-loop input and output voltage

图8 闭环反馈电阻参数扫描分析Fig.8 Closed-loop feedback resistor parameter sweep analysis

10 反馈深度对反馈效果的影响

由图8仿真结果表明:负反馈阻R13越大,电压增益越大,反馈深度越小,通频带越窄,也就是反馈效果很大程度上受反馈电阻的影响。

11 结束语

由于受到当下实验条件限制没法对多级放大电路硬件实验验证,用Multisim电路仿真设计软件来解决这个难题。Multisim10软件中的双踪示波器对任意两点电压波形的显示功并不要求一定对地测试,因此可运用于测多级放大电路中各个节点的工作电压波形。本文主要通过在仿真电路中使用双踪示波器、万用表、信号源等仪器对多级放大电路进行直观和形象的测试仿真分析,提供方法具有实际应用意义。通过Multisim10对多级放大电路设计的仿真分析,使我们准确和直观的看到了仿真结果,避免了人工计算带来的误差和主关失误。当然仿真软件也有其本身的局限性,最终的实物测试结果才是值得我们信赖的。计算机仿真技术不仅给电子领域带来利好消息,同时将会给未来人类研究新领域开辟新学科带来福音。

［1］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社,2006.

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［7］祁国权.RLC二阶电路暂态过程的 Multisim仿真［J］.电子设计工程，2011，19（24）:21-23.QI Guo-quan.The multisim simulation of RLC second order circuit transient state process ［J］.Electronic Design Engineering，2011，19（24）:21-23.

［8］祁国权.Multisim在大学物理电学实验中的应用［J］.渤海大学学报（自然科学版），2012，33（1）:24-27.QI Guo-quan.Application of Multisim software in electrical experiment of college physics course［J］.Journal of Bohai University:Natural Sciences Edition，2012，33（1）:24-27.

Application of computer simulation in a multi-stage amplifying circuit design

CHEN Da-jun，YU Zhao-xian
（College of Science,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192，China）

In order to study the multi-stage amplifying circuit working properties，the software Multisim10 is used to carry out the relevant parameters of the multi-stage amplifier circuit and the Multisim simulation program is given.By using of dual trace oscilloscope，multimeter，signal generator and other virtual instrument can we simulate and calculate the multi-stage amplifier circuit quiescent DC operating point，input resistance，output resistance，voltage gain，passband，nonlinear distortion，feedback and depth parameters.the virtual simulation result is consistent with theoretical calculation.The conclusion is that a virtual simulation experiment can be more intuitive and relevant work vividly describe characteristics of a multi-stage amplifier circuit and it is good for the people who are taking part in the field of circuit systematically study of the composition of a multi-stage amplifying circuit and its associated working processes.

computer simulation；multi-stage amplifying circuit；weak signal processing；Multisim

TN702

：A

：1674-6236（2015）18-0030-04

2014-12-05稿件编号：201412053

陈达军（1986—）,男,湖南郴州人,硕士,工程师。研究方向:高速电路设计及计算机测控。