仿真软件Micro-Cap在项目教学法中的应用

陈曙光

嘉兴职业技术学院 浙江嘉兴 341036

随着我国高等职业教育的快速发展，为了实现高技能应用型人才培养的目标，各高等职业院校都在深化课程教学改革，项目教学法以其自身的优点被许多课程教学所采用。项目教学法是指师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动。教学项目均来源于工程实践，它是一件具体的、具有实际应用价值的产品。在我院电工与电子技术课程教学中，采用了该教学法。然而在项目教学法[1]实施过程中出现了很多意想不到的问题，下面以“分立元件喊话器电路的制作”为例，详尽阐述师生共同完成项目中遇到问题、分析问题与解决问题的过程。另外，在解决问题的过程中让学生参与，有利于学生自身潜力发挥，使其能力得到肯定，增加学生的自信心，在项目教学过程中完成对学生的素质教育。

1 分立元件喊话器电路组成

喊话器是将驻极话筒送过来的微弱的电信号经过电压放大和功率放大，然后驱动扬声器发出声音，广泛应用于集会、导游、演讲、交通指挥等各种现场会的流动扩音。分立元件喊话器电路如图1所示。

图1 分立元件喊话器电路原理图

分立元件喊话器电路主要由带负反馈共射极电压放大器的电路和甲乙类互补推挽功率放大器组成，信号源由小型驻极体话筒提供。从该项目中分解的理论知识包括。

(1)三极管的结构、符号、特性、参数、种类及其应用。

(2)由三极管VT1及其外围元件构成的电压并联负反馈共射极电压放大电路。

(3)由三极管VT2构成一级功率放大器的推动级，其中R5，R6构成固定分压式偏置电路来稳定该级的静态工作点。

(4)由三极管VT3，VT4构成的甲乙类互补对称功率放大电路。

将以上的理论知识利用8学时结束学习，接下来按照项目教学法的实施步骤完成该工程项目的实践部分。在安装调试结束后，针对学生工作成果进行评价时发现，该项目产品普遍存在三极管VT4(型号8550)过流烧毁，扬声器只有微弱的呼气声，电阻参数离散性比较大，通过测量各级静态工作电压，发现数值偏离计算值，三极管VT2工作在饱和状态，VT3，VT4发射极电位严重偏离6V电压，针对以上发现的问题，师生共同探讨，通过对电路进行计算，并且在Micro-Cap中进行直流工作点、频率特性等数据的仿真，找出问题，将电路结构进行了改进，提高了该电路的工作性能。

2 Micro-Cap 软件介绍[2]

Micro-Cap是一款电路仿真软件，从1982年发布第一版开始，至今已发展到了Micro-Cap12。软件名来自Microcomputer Circuit Analysis Program。发展至今，已拥有大量的模型及众多的功能。例如，瞬态分析、交流分析、直流分析、动态交流分析、动态直流分析、灵敏度分析、传输函数、谐波失真分析、互调失真分析以及优化器、FFT等。此外，软件提供了较强的计算功能，这对于电路分析来说极其方便。

3 分立元件喊话器电路仿真分析及计算

针对实践中发现的问题，对喊话器电路做总体分析计算及仿真，最后确定出性能良好的改进电路供项目教学使用。

3.1 驻极体话筒电路[3]

驻极体话筒属于常用的电容话筒，由声电转换和阻抗变换两部分组成，由于内部设置了一个场效应管作为阻抗变换，故其工作时需要直流工作电压，该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的离散性，通常厂家给出的典型值有1.5 V，3 V和4.5 V三种。另外，驻极体话筒静态时所通过的直流电流，也就是内部场效应管的静态电流，工作电流的离散性也很大，通常在0.1～1 mA。然而，实际装配完成的喊话器电路，测量驻极体话筒的直流电压为0.13 V，扬声器中只能听到吹气的声音，无法听到能够辨识的语音。原电路中R1=100 k和R2=22 k，这两个阻值就选取得过大，造成话筒的直流电压过小。在不清楚驻极体话筒参数的情况下，尽量按中间值来取，然后在实际电路中调正，能取得最佳效果，并且功耗最低，例如，直流电源12 V时，驻极体话筒的工作电压Uds为3 V，工作电流为0.5 mA时，则电阻取值为：

3.2 电位器RP电路位置研究

在图1中51 k的电位器RP是跨接在C2，C3和地面之间，并且C3极性接反，三极管VT1和电阻R3，R4组成了一个典型的电压并联负反馈电路，构成第一级电压放大器，其输入信号由电位器RP电压提供。根据电路分析可以得出，电位器RP下半部分电阻与前级的输出阻抗并联，该电路是以减小前级输出电阻的方式进行信号衰减的。当电位器画线端下滑时，下半部分电阻减小，衰减送入第一级电压放大器的输入信号，以此减小音量。但是在实际的PCB电路中，电位器往往需要较长的走线，容易引入噪声，另外，如果在第一级之前就衰减音频信号，后续电路增益就会比较高，导致电路噪声比较大。这样，电路中的电位器RP移至第一级放大器后使用，即在C4之后接入比较合理，电位器三端正确连接如图2所示。

图2 电位器正确连接图

3.3 功率放大级[4]

在图1中，功率放大级是由推动级VT2和互补推挽管VT3、VT4及其外围元件组成，电阻R6引入深度负反馈，使电路能够稳定工作，电阻器R9是通过扬声器接到电源的负极，这种连接有一定的自举作用，使VT3工作时能得到足够的驱动电流。本级知识点涉及多个方面，且有一定的难度，在今后的教学中将其分解，以便提高教学效果。

在基本OTL电路中，VT2是一级电压放大器，作为功率放大器的推动级，提供大电流给VT3，VT4输出最大功率。由于三极管具有正的温度系数，为使电路具有热稳定性，不致因过热烧毁，使用了具有负温度系数的二极管D1(正向偏置)进行补偿。但电路中只用了一个二极管与电阻R8，建议是用2个二极管串联，或者是Vbe倍增器。R6的接地端改接至VT3，VT4的发射极，这就将直流负反馈和交流负反馈引入电路。

VT3(8050)和VT4(8550)集电极最大允许功耗不大于1 W，集电极最大允许电流不大于1 A，这样放大器的输出功率可达1.5 W左右。VT3和VT4的发射极对地电位为6 V，若不合适，调整R6电阻，射级电流大约为5 mA。将R8支路导线断开，测量电路总电流10～15 mA，若总电流过大，应减少R6阻值，可在电阻器R6上并联一只电阻；若总电流过小，可将R6换成110 Ω或者120 Ω的电阻器。VT3(8050)和VT4(8550)发射极电流过大，导致VT4(8550)烧毁，在实践中，由于学生使用万能板，需要自己布局、布线、焊接，万能板的铜皮也比较脆弱，反复焊接会导致个别脱落，为了保证电路焊接质量和调试性能，同时避免VT4(8550)过流烧毁，将电源从12 V调低至6～8 V，避免在优化电路中由于反复更换元件给学生带来麻烦，影响学生对自己产品的自信心。

另外，电阻R9接至输出电容与扬声器RL的节点，提升了VT4的基极电压，保证管子始终工作在放大区，而不要进入饱和区导致烧毁。由于偏置方式改变，需要调节VT2的下偏置电阻R6，以及VT4的下偏置电阻R9，以使VT3，VT4发射极的节点电压调整到电源的一半，即3～4 V。具体的值与所用的三极管参数(HFE，ISE)有关。此外，偏置方式的改变，也使扬声器RL上存在1 V左右的静态偏压，这对于一般的放大器而言是不可接受的，但对于喊话器电路而言，则是可以接受的。对OTL电路参数做了微小调整，如图3所示。

图3 带负反馈与自举升压的甲乙类功率放大电路

3.4 仿真曲线分析

放大器对不同频率的交流信号有不同的放大倍数和相移。在Micro-Cap10中进行电路仿真分析验证电路优化结果，曲线如图4和图5所示。从幅频曲线和相频曲线中可以看出，整个电路最大增益60 dB。但电路高频部分衰减不足，1 MHz时仍有40 dB，作为简单的处理，适当增大C8(原值4700 pF)，在实践中使用两只103的瓷片电容串联代替C8。

人类的语音主要能量分布在几百赫兹到几千赫兹之间，100 Hz～10 kHz即可满足要求。而且驻极体话筒具有较强的指向性和较高的灵敏度，放大电路又有较高的增益，这导致电路很容易产生自激(回授)，实际的产品要减小频宽，并具有合适的相移。比较好的做法是使用全通滤波器进行自动移相。但这比较复杂，已经远远超出了本节课的教学内容范围。作为一个实用的电路，电路仍不完整，不过对于教学而言，已经能满足要求了。

图4 幅频特性分析

图5 相频特性分析

4 结语

针对该项目实践中出现的各种问题进行电路优化，在安装调试时，将电源调低至6 V，R1改为51 k，RP移至VT1电压放大输出之后，图3中个别电阻做微小调整，在软件Micro-Cap10中仿真分析电路的幅频特性和相频特性，验证原电路的优化效果之后，学生按照优化后的电路进行调试修正，所有三极管的各极电压与管子应处状态符合，从扬声器中可以清晰听到被放大的语音信号，喊话器的扩音效果明显提高。实践的目的是碰到问题时，师生协作解决问题，在解决问题中师生都获得成长，锻炼抗挫折的能力，增强自信心，学到新知识和新技能。