計(jì)算機(jī)仿真在多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 傅昱祥

本文采用Multisim10軟件針對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，依據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案的擬定，并利用信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表等虛擬儀器測(cè)算出了多級(jí)放大電路的直流工作點(diǎn)、輸入輸出電阻、電壓增益、通頻帶等參數(shù)，證明計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以有效描述電路工作特性，為多級(jí)放大電路的研究工作提供借鑒意義。

1.引言

多級(jí)放大電路借助傳感器進(jìn)行微弱信號(hào)的采集，然而受到傳感器輸出量程的局限，而微弱信號(hào)的幅值又過低，致使信號(hào)難以有效被模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所直接應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)明確復(fù)雜電路參數(shù)的具體要求，以便使得多級(jí)放大電路的性能得到更好的發(fā)揮，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。

2.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)借助信息處理軟件，將實(shí)體事物借助仿真形式進(jìn)行模擬，進(jìn)而借助信息媒介向受眾進(jìn)行傳遞。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅有助于計(jì)算機(jī)控制工程與系統(tǒng)工程的開發(fā)，還可以作為信息分析工具，在商業(yè)、電子工程等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，節(jié)約成本、節(jié)省時(shí)間，發(fā)揮顯著的實(shí)際效用。

3.多級(jí)放大電路的型式劃分

第一種是輸入級(jí)，通常選用具有高輸入阻抗的射極輸出器作為理想輸入出級(jí)，也可以選用共發(fā)射極電路作為輸入級(jí)，還應(yīng)該結(jié)合電路的具體參數(shù)要求進(jìn)行合理選擇。第二種是輸出級(jí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體的末級(jí)要求進(jìn)行電路集電極電阻數(shù)值的合理調(diào)控，通常可選擇的電路為共發(fā)射極電路、射極輸出器、軸功率放大器電路等幾種。第三種是末前級(jí)，當(dāng)末級(jí)對(duì)于功率要求較高時(shí)，則應(yīng)當(dāng)采用甲類單管放大器電路。第四種是中間級(jí)，通常采用共發(fā)射極電路，結(jié)合具體情況適當(dāng)在各級(jí)中加入負(fù)反饋。

4.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

4.1 方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)擬采用Multisim10軟件用于針對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，借助實(shí)驗(yàn)測(cè)算出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，并針對(duì)其中的失真現(xiàn)象進(jìn)行多維度系統(tǒng)化分析，以便為后期工程師的具體設(shè)計(jì)提供有效參考。

該微弱模擬信號(hào)系統(tǒng)主要由五部分組成，以傳感器作為起始接收端，進(jìn)而將信號(hào)傳送至多級(jí)放大電路中，結(jié)合具體情況評(píng)判是否需經(jīng)反饋電路重新向多級(jí)放大電路進(jìn)行傳輸，進(jìn)而到達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，經(jīng)系統(tǒng)操作后最終傳遞到計(jì)算機(jī)端，完成整體的信號(hào)處理過程。

具體來說，針對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最常使用的即為雙級(jí)放大電路，在使用的過程中還應(yīng)當(dāng)考察具體要求在開環(huán)與閉環(huán)中做出選擇，完成雙級(jí)阻容耦合放大仿真電路的設(shè)計(jì)。

4.2 仿真分析

當(dāng)確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、完成多級(jí)放大電路的方案規(guī)劃后，接下來便要利用Multisim10軟件針對(duì)電路中的關(guān)鍵要素進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與具體分析。

首先是針對(duì)直流工作點(diǎn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),先從信號(hào)發(fā)生器入手，將其輸出端調(diào)置為頻率為1kHz、幅值為1mV的正玄波。接下來要針對(duì)三極管的基級(jí)電壓進(jìn)行分析，觀察其集電極的電流變化，掌握管壓降的具體數(shù)值。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)利用Multisim10軟件選擇其中的V(1)-V(18)等直流工作點(diǎn)作為輸出端，進(jìn)行利用仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，其中隨機(jī)選取五個(gè)直流點(diǎn)的分析數(shù)據(jù)結(jié)果，分別展現(xiàn)為V(11)=6.87053、V(7)=8.95217、V(4）=1.79682、V(6)=0、V(2)=0.21509。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)最終計(jì)算出了仿真結(jié)果，第1級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的集射極電壓為7.13V、基極電流為5.5μA、集電極電流為1.21mA；第二級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的集射極電壓為5.07V、基極電流為7.41μA、集電極電流為1.63mA。其最終獲得的理論計(jì)算結(jié)果為，第1級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的集射極電壓為7.39V、基極電流為5.32μA、集電極電流為1.17mA；第2級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的集射極電壓為5.30V、基極電流為7.23μA、集電極電流為1.59mA。

其次便是針對(duì)開環(huán)與閉環(huán)放大電路的電壓增益情況進(jìn)行仿真分析，在接入反饋電路前，該電路則表現(xiàn)為典型的開環(huán)放大電路，讀取其波形結(jié)果與相應(yīng)數(shù)值，再借助公式：

進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算可得出，當(dāng)放大電路呈現(xiàn)為開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其所獲得的電壓增益值為147.62，而閉環(huán)電壓的增益數(shù)值則為9.73。進(jìn)而在開環(huán)狀態(tài)下借助理論計(jì)算的方式進(jìn)行測(cè)算，可求得第一級(jí)增益的數(shù)值為-5.30，第二級(jí)增益的數(shù)值為-28.27。最終得到開環(huán)總電壓增益為149.86，閉環(huán)總電壓增益為10.45，反饋系數(shù)為0.089。借助以上數(shù)據(jù)可由此判斷出，在放大電路引入負(fù)反饋后，其電壓增益情況也會(huì)相應(yīng)減小。

4.3 電壓增益的影響因素

鑒于外界的直流電源與直流電壓存在較大的差異性，相應(yīng)也會(huì)對(duì)于開環(huán)與閉環(huán)放大電路的電壓增益情況造成一定的影響，導(dǎo)致其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的變化。在試驗(yàn)中，我們將直流電壓源的數(shù)值設(shè)置為12V，仍然采用以上方法針對(duì)電壓增益情況進(jìn)行計(jì)算，可以得到開環(huán)放大電路的電壓增益值為140.35，而閉環(huán)放大電路的增益值為9.54。緊接著針對(duì)開閉環(huán)電壓增益的相對(duì)變化量進(jìn)行計(jì)算，可得出開環(huán)放大電路的變化量為4.92%，而閉環(huán)變化量則為2.06%。由此可證明，當(dāng)放大電路引入負(fù)反饋后，會(huì)使得電壓增益的穩(wěn)定性有所提高。

4.4 輸入輸出電阻的作用

接下來我們?cè)籴槍?duì)輸入電阻與輸出電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，借助仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)測(cè)算，判斷其對(duì)于電路所產(chǎn)生的影響以及與串聯(lián)電壓負(fù)反饋之間存在的關(guān)系。

一方面從輸入電阻入手，選用交流電壓表與電流表作為實(shí)驗(yàn)工具，將電流表與電壓表在兩級(jí)放大帶路的輸入端進(jìn)行連接，將信號(hào)源的峰值設(shè)置為10mA，便可以得出電路在開環(huán)狀態(tài)時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，Ui=6.99mV，Ii=0.94μA,Ri=7.43kΩ，Ri的理論值為7.77kΩ。接下來再針對(duì)閉環(huán)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)將電壓串聯(lián)負(fù)反饋引入到閉環(huán)電路中時(shí)，可以看出在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)只有R4電阻值增大。而在反饋環(huán)內(nèi)并未包含基極偏置電阻，該閉環(huán)電路的基極偏置電阻為。經(jīng)測(cè)算后，可獲得其測(cè)量數(shù)值分別為Uif=6.98mV，Iif=0.87μA，Rif=8.02kΩ，Rif的理論值為8.29kΩ。綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)電路中呈現(xiàn)為串聯(lián)電壓負(fù)反饋時(shí)，輸入電阻的數(shù)值會(huì)得到明顯的增大，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)于兩級(jí)放大電路的良好驅(qū)動(dòng)。

另一方面從輸出電阻入手，選用萬(wàn)用表作為實(shí)驗(yàn)工具，針對(duì)開路負(fù)載R12的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，可得出其輸出電壓為Ui=1.55mV，短路電流為Ii=316.21μA，輸出電阻Ro=4.90kΩ；經(jīng)測(cè)算后，其輸出電壓為Uif=72.08mV，短路電流為Iif=342.23μA，閉環(huán)輸出電阻為Rof=0.233kΩ。最終借助理論計(jì)算方法獲取到的開環(huán)輸出電阻Ro=5.00kΩ，閉環(huán)輸出電阻為Rof=0.35kΩ。綜合以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)電路為串聯(lián)電壓負(fù)反饋狀態(tài)時(shí)，輸出電阻的數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，相應(yīng)使得多級(jí)放大電路的負(fù)載能力得到顯著提高。

4.5 開閉環(huán)通頻帶仿真

在此基礎(chǔ)上，再利用Multisim10軟件針對(duì)開環(huán)通頻帶與閉環(huán)通頻帶進(jìn)行仿真分析，可以讀取到以下數(shù)值：在開環(huán)通頻帶中，fL=29.14Hz，fH=448.93kHz，fbw=419.79MHz，穩(wěn)頻增益為148.17；在閉環(huán)通頻帶中，fLf=9.73Hz，fHf=7.83kHz，fbwf=-1.90MHz，穩(wěn)頻增益為9.89。通過對(duì)開閉環(huán)通頻帶進(jìn)行仿真可以得出，在電路中引入負(fù)反饋后，雖然電壓增益呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)，然而其通頻帶卻呈現(xiàn)出擴(kuò)大狀態(tài)。進(jìn)而依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析可以得出，反饋與頻率特性呈現(xiàn)出正相關(guān)的狀態(tài)，反饋越深，頻率的特性也會(huì)呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。

4.6 非線性失真與反饋效果的變化

接下來需要針對(duì)雙級(jí)放大負(fù)反饋電路的非線性失真問題進(jìn)行仿真分析，在開環(huán)狀態(tài)下將電路開關(guān)J5打開，確保其頻率保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)，進(jìn)而將其中輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行緩慢提高，綜合此過程中所得到的數(shù)據(jù)變化，可以最終得出輸出電壓波形的仿真圖，通過針對(duì)仿真圖進(jìn)行觀察與分析，可以明顯看出其存在輕微的非線性失真問題。進(jìn)而針對(duì)閉環(huán)電路進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn)分析，將閉環(huán)電路中的開關(guān)J5進(jìn)行閉合，再觀察其中輸入電壓所展現(xiàn)出的波形變化，由此可以得出結(jié)論，在雙級(jí)放大負(fù)反饋電路中，非線性失真問題得到了良好的改善。

最后我們?cè)俳Y(jié)合閉環(huán)反饋電阻參數(shù)情況進(jìn)行綜合分析，可以得出，當(dāng)負(fù)反饋組的電壓數(shù)值越大時(shí)，電壓增益也會(huì)相應(yīng)提高，而反饋的深度也會(huì)隨之而減小，相應(yīng)致使通頻帶越來越窄，這也就說明反饋電阻對(duì)于反饋效果發(fā)揮著顯著的影響作用。

受到實(shí)驗(yàn)條件以及技術(shù)水平等因素的局限，導(dǎo)致目前難以針對(duì)多級(jí)放大電路中的硬件部分借助仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而利用Multisim10軟件針對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)卻可以為這一問題的解決提供良好的契機(jī)。在Multisim10軟件中，其中的雙蹤示波器可以允許省略對(duì)地測(cè)試這道工序，有助于解決針對(duì)任意兩點(diǎn)的波形顯示功問題，為多級(jí)放大電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作電壓波形測(cè)試提供了有效途徑，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

5.結(jié)論

總而言之，本文利用Multisim10軟件針對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了多維度的分析，有效減少了以往因人工測(cè)算而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，規(guī)避了主觀臆斷對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，雖然目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也具有一定的局限性，但相信未來隨著電子領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的不斷研發(fā)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必將會(huì)帶領(lǐng)人類一同開拓新的研究領(lǐng)域。