基于Multisim14.0 的有源二分频音频放大电路设计与仿真

辛达，张晓刚，李思璇，蔡薇

（大连科技学院 交通与电气工程学院，辽宁大连，116052）

0 引言

近几年以来，随着电子科技产品的发展，模样款式性能大不相同的电子科技产品正在渐渐地融入到我们的日常生活中来。伴随着电子科技产品的日趋成熟，人们对声音品质也有了更高的要求。更多学者偏向于凭借着高速发展的EDA相关技术，在虚拟的环境中快捷地对功放电路的多种性能参数进行有效的分析，进而达到更高级的设计目的，提高设计产品的性能[1]。目前有学者已运用Multisim 模拟电子技术展开对有源二分频放大电路的研究[2]，借助Multisim 可直观了解滤波电路的作用[3], 说明了Multisim 对模拟电路仿真的潜在功能与优势[4]。本文目标是完成有源二分频网络的音频放大电路设计，实现音频信号的二分频和功率放大功能。在选择特性指标和计算元件参数后，基于Multisim14.0 虚拟示波器观察输入和输出波形幅度和相位的变化，进一步探索Multisim 仿真软件在模拟电路中的使用，从而更加直观地实现预定的指标和功能，体现了电路仿真的更大优势。

1 方案设计要求

音频放大电路，通常来说就是我们所知音响的系统中的放大器，核心构成部分有前置放大器、音频调控级、功率放大级。本文总体上对预处理电路的要求使其具有自动增益控制功能，并完成高通滤波器及其功率放大电路、低通滤波器及其功率放大电路的设计（如图1 所示），实现如下指标。

图1 音频信号分频及功率放大电路结构框图

（1）关于设计的总电路的预处理电路，确保其输入电路的阻抗大于10kΩ，最大增益≥46dB。保证预处理电路的特定的自动增益控制功能，当VS（输入正弦信号）幅度在10～100mV（有效值）时，VC（中间输出信号）在 100 Hz～20kHz 频带内的幅度变化范围≤1dB。

（2）设计并制作关于有源二分频电路的高通滤波器以及功率放大电路，使中间信号VC 经过高通滤波电路和放大电路后输出信号 VA。高通滤波器的-3dB 时的截止频率为2kHz，阻带衰减率为24dB/倍频程，10kHz～20kHz 带内波动≤3dB。

（3）设计并制作关于二阶低通滤波器和功率放大电路，由信号VC 经过低通滤波和放大电路输出信号输出信VB。低通滤波器的-3dB 截止频率为 2kHz，阻带衰减率 24dB/倍频程，100Hz～1kHz 带内波动≤3dB。

（4）信号VA 和信号VB 在2kHz 频点的相位之差≤±10°。

2 系统电路设计

设计中使用了较为理解AGC 的工作状态的AGC 放大电路，使用了运放功放AD824，采用JFET 结型场效应管做自动增益控制电路，用于高低通滤波器加功放输出。相位可以调节0～180 度，仿真软件上选择了较为熟悉的Multisim 14.0。

■2.1 理论分析

为便于对信号进行处理，采用同向频率放大十倍使得输入电压从10～100mV 变为100～1V，放大器可使用OPA211、228、227 等。采取AGC 电路作为预处理电路，AGC 是自动增益控制，作用是使放大器适应不同信号强度，保证在不同条件下都能稳定工作、输出优质的声音和图像信号。

为提高滤波特性和负载的能力，预设计的二阶有源高通滤波器电路，其特点是输入阻抗高、输出阻抗低，有利于题目设计。预设计的有源低通滤波电路能高效通过低频信号，抑制或衰减高频信号，电路为二阶压控电压源低通滤波电路，由两个RC 环节和同相比例放大电路构成。为避免对电路的实际电路测量产生影响，运放输入阻抗和开环增益都应该足够大。

■2.2 数据计算

电路数据参数可用公式(1～4)进行计算，有关电压控制增益原理AD603 和AD824 的基本增益可以用公式(3)算出。从此式能够看出，以dB 为单位的基本增益Gain，其对数增益和电压之间呈现为线性关系。因此在设计中只要单片机进行简单的线性计算就能够控制对数增益，并能很准确的实现增益步进控制。计算使用公式如下：

■2.3 电路设计

本次电路设计采用的是Multisim14.0 软件。Multisim是专用于电子电路设计并进行仿真的软件，其全部操作均由一个集成系统实现，具备人性化的操作界面，运用起来灵活便捷。元器件模型库种类齐全，可选择各种虚拟元器件，并具有超强仿真功能[2～4]。本次仿真电路如图2 所示，在本次电路设计中频率f 的单位是赫兹(Hz)，电阻R 的单位为欧姆(Ω)，电容C 的单位为法拉(F)。

图2 音频信号分频及功率放大总电路

2.3.1 AGC 自动增益控制电路

设计目标是使接收信号的增益能随着输入信号的强弱自动变换，输入信号在经过AGC 电路后幅度恒定或在特定的幅度范围变化。AGC 电路保证在接收弱信号时，使接收机增益升高，而接收强信号时则增益降低，进而使得输出信号保持在适当的电平进行正常工作。避免在AGC 电路缺失时，使接收机饱和或过载接收不到信号，进而使得接收机工作失常。AGC 电路可以采用模拟反馈或数字反馈AD824、AD603、VCA810、VCA820 配合外部宽带放大器都很容易实现模拟AGC。本文采用数字反馈AD824 进行设计，电路如图3 所示。

2.3.2 高通滤波控制器

滤波器的特性对参数变化比较敏感，采取使用一个功率放大器加压控电压源型滤波器的原理制作二分频电路。电子高通滤波器内含一个与信号通路串联的电容器和与信号通路并联的电阻。电容与电阻乘积为常数（C×R），其与截止频率成反比。截止频率上输出信号的强度是输入信号的二分之一（为-3dB）。电路设计如图4 所示。

图4 高通滤波控制电路

2.3.3 低通滤波控制器

低通滤波电路能够使低频的信号以极小的损耗输出到输出端。高频信号能够有效地抑制低通滤波器，并有多种形式，其中包括电子线路、图形模糊处理等，以上两种工具均为通过消除短期波动、保留长期波动的平滑形式电路。本文设计的低通滤波电路为二阶压控电压源低通滤波电路，其由两个RC 电路和同相比例放大电路构成，低通滤波电路能够通过低频信号，可以抑制或衰减高频信号。电路设计如图5 所示。

3 电路仿真测试

本设计和仿真均采用Multisim 14.0 软件实现。Multisim14.0 是专用于电路仿真和设计的软件种类之一，是由NI 公司下属推出的以Windows 系统为基础制作的仿真工具软件，是当前电路仿真和设计软件中非常流行的EDA 软件之一。这款软件基于PC 平台开发，通过图形操作界面虚拟仿真设计了一个与现实极其相似的电子电路实验工作台，近乎能够完成在实验室中运行的所有电子电路实验设计，并被广泛地用于电子电路分析、设计、仿真等各项工作[5]。

本设计涉及的测试仪表包括稳压电源、函数发生器、示波器、波特测试仪等。测试方法上，电源选用5V 直流电源。单独仿真高通滤波器时需加一个信号源进行测试，确定相关信号源的一个幅值，进而改变信号源的频率特性观察出高通滤波器的相关特性。测试理论分析：要求频率范围100Hz～20kHz，用信号发射器发射一个输出波形为方波的音频，选取统一频率测量，和理论计算数据相比较即可。

（1）当输入正弦信号 VS 幅度在10mV（有效值）范围时，经过预处理电路后得到信号VC，如图6 所示，可知输出信号 VC 在 100 Hz 时幅度为0.001db；输出VC 在20kHz 时幅度为0.002db。信号幅度变化在100～20kHz 时，幅度变化为0.001db，小于1db，符合预期要求。

图6 信号VC 波特测试图形

（2）在信号VC 经过高通滤波器和功率放大电路后输出信号VA，信号VC 经过低通滤波器和功率放电电路后得到信号VB。如图7 所示，高通滤波器上的波特测试仪上的数据为-3.068dB ，截止频率为 1.986kHz，结果符合预期要求。

图7 高通滤波放大器波特测试波形

（3）当信号VC 经高通滤波和功率放大输出信号VA 的结果如图8(a)所示，高通滤波器相位为91.073 度；将信号VC 经过低通滤波和放大电路时输出信号VB 的结果如图8(b)所示，低通滤波器相位为86.236 度。由数据可知，高通滤波信号VA 和低通滤波信号VB 在2kHz 频点上的相位之差为±4.837 度，信号VA 与VB 的相位差小于10°，在预定设计范围之内，也说明最终设计的总电路符合预定要求。

图8 高通及低通滤波放大输出波形

4 结论

本文分析了有源二分频功率放大电路的组成和设计原理，通过Multisim14.0 软件进行了电路绘制和仿真设计，并对有源二分频放大电路图运行效果进行分析，得出了此放大电路的仿真结果，符合有源二分频放大电路的基本设计要求。