Multisim仿真软件在音响放大器设计电路中的应用

林兰平

(福州市委市政府会议保障中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年来，电子产品盛行，各式各样的电子产品逐渐融入人们的生活中。音响作为一个重要的声音播放媒介应用更加广泛，不但可以满足人们正常通信的需求，而且用其播放音乐越来越成为人们缓解生活压力的一种方式。随着微电子科技日趋成熟，人们对声音品质也有了更高的要求。本设计基于此背景利用模拟电子技术展开对音响放大器的研究。

1 音响放大器的组成

1.1 音响放大器概述

音响放大器由语音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器组成，其基本结构如图1所示。

图1 音响放大器基本组成结构

1.2 语音放大器

通常语音放大器就是话筒。话筒的主要作用是将外界输入系统的声音做一个形式上的转换，即从声信号变为电信号。其主要过程是输入的声音通过声波使内部元件振动进而产生电压，转化为电能进行传输。因为话筒的电信号是线圈振动产生的，所以电压较小但阻抗大。语音放大器能发挥很好的作用，将传来的电信号无损地放大，但阻抗远大于话筒的阻抗。通常语音放大器内部会有一个滤波器用来解决声音在空气中传播过程中的谐波失真问题。

1.3 混合前置放大器

混合前置放大器主要作用就是将之前不同来源的传入信号进行混合后放大。通常来讲，音响放大器的混合前置放大器都有好几路，这一器件会将输出信号混合在一起，进而传入后面的放大器进一步放大。

1.4 音调控制器

音调控制器的主要作用就是调节音响放大器的幅频，可以改变输出声信号中各频率成分的相对强度。其内部包含一个低通滤波器和一个高通滤波器，一般由电阻器与电容器组成。当需要将低频信号调高时，仅需衰减高频信号即可；当需要将高频信号调高时，是也是如此操作。

1.5 功率放大器

功率放大器就是“功放”，其在音响放大器中起着组织、调配的关键作用，能够将前级传来的较弱信号放大后传送给扬声器。其内部的驱动放大器能够将前置放大器输入的电信号进一步放大；末级放大器将电流信号整合后形成大功率信号，从而带动扬声器发声。

2 音响放大器的指标要求及总体设计

由前文可知，本设计的音响放大器主要由语音放大器、混合前置放大器、音调控制器以及功率放大器组成。在设计中，电路的级数是首先要确定的，然后利用各级的级数、功能指标参数要求对各级电压的增益进行分配，再从功放级向前级依次计算各级电路的相关参数。

2.1 音响放大器的相关指标要求

本系统拟设计一款音响放大器，可以通过话筒与其他媒体播放器输入音频并进行声音的放大，其中话筒输入信号为5 mV，媒体播放器输入电压为100 mV，此外系统还可以进行手动调节输出音调，系统拟定各项参数指标如下。

(1)额定功率：P0=0.5 W，失真度≯10%；

(2)负载阻抗：R=20 Ω；

(3)频率响应：40 Hz～10 kHz；

(4)音调控制特性：在1 kHz处的增益为0 dB，在40 kHz和10 kHz处有±12 dB的调节范围，AVL=AVH≮20 dB。

2.2 音响放大器总体设计

根据以上的技术指标，设计各级的电压增益分配如图2所示。

图2 音响放大器各级电压增益分配

利用图中对电压增益分配即可对各单元电路进行具体设计，通过对各个放大级参数的合理调节，即可完成上述参数音响放大器的设计。

3 各单元电路设计

3.1 语音放大器电路设计

基于此前的技术指标参数，本系统的语音放大器选择了由集成运放组成的同相放大器，放大器的增益为：

语音放大器的电路如图3所示。语音放大器电路由集成运放和两个电阻组合而成，通过图示连接方式实现对电信号的放大。

图3 语音放大器

为保证语音放大器的放大倍数为7.5，设计图中Ri=10 kΩ，Rf采用电阻值为100 kΩ的电位器，这样可以根据不同的需求进行灵活调整[1]。

3.2 混合前置放大器电路设计

混合前置放大器需要和功率放大器的特性相适应，否则系统无法做到高保真。混合前置放大器的电路如图4所示。

图4 混合前置放大电路

电路图中R’是一个平衡电阻，其阻值大小为R’=R1//R2//Rf。由电路图可以表示出输入电压与输出电压之间的关系，即：

其中，vi1为前一级话筒的输出信号，vi2为媒体设备的输出信号。

3.3 音调控制器电路设计

通常来讲，音调控制电路可以分为以下3类。

(1)衰减式RC音调控制电路，可以实现较大范围的调节，但调节后失真的现象较为明显。

(2)反馈型电路，与RC音调控制电路相比调节范围较小，但同时也能避免一部分失真的现象。

(3)混合式音调控制电路，其电路相比于前两种较为复杂，常常被用在高级的录音机中。

在本系统中，考虑到相关技术指标，同时为了保证电路的简洁与低失真，选择反馈型电路用于音调控制器，反馈型音调控制电路原理如图5所示。

图5 负反馈型音调控制电路

电路图中Z1和Zf是由RC组成的网络。由于集成运放A的开环增益较大，因此有：

图6 反馈型音调控制电路

根据本音响放大器系统的参数指标，若要让AVL=AVH≥20 dB，由此前AVL的表达式可知，通常R1，R2和PR1的阻值会取上百欧至上千欧。若取PR1=470 kΩ，则有

3.4 功率放大器电路设计

功率放大器电路主要作用是为扬声器提供一定的输出功率，本设计归纳选取了3种功率放大电路的方案，列举如下。

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(1)选择SL34集成功放，这是一款低电压的集成音频功率放大器，有着低功耗、低失真的优点，当工作电压为6 V，负载为8 Ω时，输出功率在300 mW以上，常用作收音机和其他功放。

(2)选择LM386音频集成功率放大器，其优点在于功耗低、电源电压范围大、电压增益可调整、外接元件少和总谐波失真小等，在录音机和收音机中应用十分普遍。LM386的电源电压为4～12 V，音频功率为0.5 W。此外，其电源电压范围最高可使用到15 V，消耗静态电流为4 mA，当电源电压为12 V，负载为8 Ω时，可以达到几百mW的功率，其典型输入阻抗为50 k。

(3)选择TDA2030芯片组成的功放电路，其优点在于静态电流小并且有着较强的负载能力，能够输出较大的功率，最大可达到35 W左右，动态电流可以带动4～16 Ω的扬声器，此外还具有保护电路。

经过比较上述3个方案，考虑到本系统的实际需求[3]，额定功率为0.5 W，最终选用LM386。

4 音响放大器的仿真实验

4.1 Multisim仿真软件

本文仿真采用的Multisim是一款具备非常丰富的仿真分析能力的仿真软件。相比于其他电路仿真软件，该软件含有齐全的数字电路元件数据库，并提供了数十种虚拟仪器，可以直接观察电路的运行状态。在模拟电路和数字电路的仿真应用中，Multisim有着无可比拟的便捷性和优越性。

Multisim在电路实验方面具有独特的优势。本系统设计采用的 Multisim 8可以进行单片机等微控制单元的仿真，进而进行印制电路板(PCB)的设计。Multisim不仅可以弥补经费不足导致元器件和仪器的缺乏，而且在应用中不存在原材料的消耗、元器件短路、接触不良等实际问题，也不会因为调整仪器不当而产生故障或损坏等。因此，Multisim软件是一个非常适用于虚拟实验的工具，在电子类的开发研究工作中发挥事半功倍的效果[4]。

本文利用Multisim8软件对设计的电路进行仿真，在工作区对电路进行搭建，连接示波器，对电路相关参数进行合适的赋值并逐步调试，电路正确运行后可点击示波器，在图示仪界面输出实时波形，观察电路的波形图即可对电路的设计正确与否进行验证分析。Multisim整个操作界面就如同一个操作台一般，操作简单，结果易于理解。

4.2 语音放大器仿真

根据此前设计的电路图在仿真软件中连接电路，如图7所示，按照上一章的参数设定电路中的电阻和电容，保存成电路文件。

图7 语音放大电路仿真

表1 语音放大器仿真测试结果

对语音放大器的幅频特性进行测量，得到语音放大器上下限频率测试结果。由上、下限频率的规定可知，当电压放大倍数的幅值20log|Av|下降3 dB时，对应的频率就是fH和fL，测试结果如表2所示。

表2 语音放大器上下限频率

4.3 混合前置放大器仿真

按照设计的混合前置放大器电路图在Multisim中连接电路，如图8所示，依据此前的计算结果设置各元器件的具体参数值，再将其保存为电路文件。

图8 混合前置放大器仿真

在仿真环境搭建好电路图后，对输出电压进行测试。将频率为1 kHz的正弦波输入电路，对信号幅度进行不断调节，使输出的VO不失真，再将实测值与理论值进行对比，仿真结果如表3所示。

表3 混合前置放大器仿真测试结果

对混合前置放大器的幅频特性进行测量，通过在电路中接入频率特性测试仪，得到混合前置放大器的频率下限与上线的测试结果。由上、下限频率的规定可知，当电压放大倍数的幅值20log|Av|下降3 dB时，对应的频率就是fH和fL，测试结果如表4所示。

表4 频率上下限测试结果

4.4 音调控制器仿真

按照设计的音调控制器电路在Multisim中连接电路，如图9所示，依据此前的计算结果设置各元器件的具体参数值，再将其保存为电路文件。

图9 音调控制电路仿真

在仿真环境搭建好电路图后，对音调控制特性进行了测量。测试了低音的提升与衰减，将高音调节电位器PR2移至中间位置，即总电阻的一半，将低音调节电位器移至最左边，即总电阻的全部，进行如下调试。

(1)对信号发生器进行调节，使调节后的f=40 Hz，Vm=100 mV，再对音量调节电位器PR3进行调节，令电路的输出电压最大，由此得到PR3的值以及输出电压幅值：PR3=0 kΩ，Vom=698.0 mV。

(2)使PR3的值和输入信号的幅度保持不变，在音调控制电路中接入频率测试仪并将工作频率设置在40 Hz到1 kHz之间，得到幅频响应曲线，同时记录当前数据。经过对幅频响应曲线的观察，记录低音部分升高的最大值：F=40 Hz时，低音的最大提升量=17.004 dB。

(3)移动PR1滑动端使其处于电位器最右端，即变阻器PR1的百分比为0%，重复以上步骤，记录低音的最大衰减量：F=40 Hz时，低音的最大衰减量=-16.933 dB。

相同的方法测试高音的提升和衰减。将低音调节电位器PR1移至中间位置，即总电阻的一半，将低音调节电位器PR2的滑动端移至最左边，即总电阻的全部，然后进行如下调试。

(1)对信号发生器进行调节，使调节后的f=10 kHz，Vm=100 mV，再对音量调节电位器PR3进行调节，令电路的输出电压最大，由此得到PR3的值以及输出电压幅值：PR3=0 kΩ，Vom=463 mV。

(2)使PR3的值和输入信号的幅度保持不变，在音调控制电路中接入频率测试仪并将工作频率设置在10 kHz到1 kz之间，得到幅频响应曲线，同时记录当前数据。经过对幅频响应曲线的观察，记录低音部分升高的最大值：F=10 kHz时，低音的最大提升量=13.274 dB。

(3)移动PR2滑动端使其处于电位器最右端，即变阻器PR1的百分比为0%，重复以上步骤，记录低音的最大衰减量：F=10 kHz时，低音的最大衰减量=-12.78 dB。

4.5 功率放大电路仿真

起初在设计中选用的功率放大器为集成功放，在使用的仿真软件Multisim8中的元器件库没有功率放大器的集成块，因此该单元电路需要使用分立元器件来仿真。而此前选用的LM386内部的电路又比较复杂，搭建难度较大，因此选用电路原理图进行仿真，在这里采用了与工作原理相同的OTL功放，电路如图10所示。

图10 功率放大电路仿真

按照电路图在Multisim中连接电路，再将其保存为电路文件。对电路进行调试，在没有输入信号时对电位器R2进行调节，通过仿真万用表对K点的直流电压进行测试，由于静态时Vk=0.5Vcc，当测得电压等于0.5Vcc时，R2=14 kΩ。

观察了交越失真的现象，将电路中的D1和D2两个二极管短接，从Vi端输入交流正弦信号，频率为1 kHz，通过示波器对输出电压Vo的波形进行监测，可以观察到交越失真较为明显。

此外，对功率放大电路的最大不失真输出电压进行了测量，将频率为1 kHz的交流信号输入Vi处，接入示波器对输出电压Vo的波形进行观测，如图11所示。当出现上述的交越失真时，移动电位器R3使输入信号增大，测得最大不失真输出电压Vom为4.336 V[5]。

图11 最大不失真波形

对音响放大器输入灵敏度进行了测量，将频率为1 kHz的正弦交流信号输入Vi处，增大输入信号。当输入电压达到Vom即4.336 V时，测得相应输入电压即电路输入灵敏度Vs为16 mV。

由以上仿真结果可以看出，本次设计的音响放大器系统能够很好地满足预期的技术指标参数要求，从而实现对声音的保真放大效果。

5 结语

本文主要完成了对音响放大器系统的设计与仿真，通过对音响放大器各单元电路的分别设计与研究，实现了音响放大器的整体研究。通过仿真实验验证，系统能够完成对声音信号保真放大的要求，同时还可实现对输出音调的控制，系统的额定功率、负载阻抗、频率响应以及音调控制特性都能很好地满足各项技术指标的要求，同时也通过仿真实验验证了本音响放大器系统的可行性与有效性。就功能方面来讲，本系统还有着较大的提升空间，还可以增加多路音频输入以及多播放模式切换等功能。今后，笔者还会不断学习这方面的知识，作为兴趣爱好将这一音响放大器系统做得更加完美。