欧阳明星，周泽湘，张文辉

（广东松山职业技术学院电气工程系，广东 韶关 512126）

基于Multisim仿真的直接耦合放大电路研究及测试

欧阳明星，周泽湘，张文辉

（广东松山职业技术学院电气工程系，广东 韶关 512126）

针对多级直接耦合模拟电路分析设计复杂的特点，借助Multisim软件进行电路仿真分析及测试。将场效应管输出的功率放大电路进行分解，分解后的单元电路能独立仿真，计算电路静态工作点及性能参数，制作实物并使用6 1/2台式万用表及四通道数字示波器进行测试，最后讨论电路产生失真的原理及解决对策。测试结果与仿真计算结果基本一致，使用虚拟仿真手段能提高电路设计与测试效率，缩短产品开发周期。

Multisim仿真；测试；场效应管；直接耦合；恒流源

0 引 言

功放（output capacitor less，OCL）是典型的直流耦合放大电路，主要由输入级、中间级、输出级等部分构成。由于直接耦合放大电路中各级直流静态工作点互相影响，给设计、分析、测试带来困难；因此，在保证性能的前提下，为求电路简洁、稳定、可靠，常采用恒流源偏置[1]。场效应管具有导通电阻小、频谱宽、频率特性好等优点，用于功放电路的输出级具有发热小、音质好等特点，故越来越受到重视。随着EDA电子辅助设计软件的广泛应用，越来越多的技术人员使用Multsim等虚拟软件辅助电路设计，以提高设计效率和缩短开发周期[2]。本文基于Multisim仿真软件，将场效应管输出直接耦合功放电路进行逐级分解，并构建每级电路单独工作的条件，在Multisim仿真软件中进行单级以及整个电路的仿真，分析电路静态工作点及参数，并制作实物电路，使用6 1/2台式万用表及四通道数字示波器对实物进行静态及动态测试，最后讨论了波形失真原理及对策，研究与测试结果表明电路稳定可靠。

1 系统组成

典型模拟功放电路主要由输入级、电压放大级、输出级及偏置电路4部分构成，为多级直接耦合放大电路，如图1所示。输入级电路主要进行阻抗匹配，并且在多级放大电路中决定整机信噪比，对电路有较严格要求。中间级对输入信号进行高增益电压放大，以便使输出获得足够大的信号幅度。输出级电路进行电流放大，以使负载上能获得足够的功率。根据输出级电路结构及工作状态有多种不同的功放电路类型[3-4]。

图1 功放电路组成框图

2 电路仿真

分立元件模拟电路设计计算量大，过程复杂，并存在诸多不确定性，借助EWB电子工作平台的计算机辅助设计手段可以提高电路设计效率及可靠性[5]，使用的仿真软件版本为Multismiu10.1。

2.1 输入电路

在直接耦合的多级放大电路中，第1级电路发生漂移时将很快进行逐级传递，并在输出获得较大的漂移电压，致使输出波产生畸形。差分放大电路能很好地抑制功放电路的温漂电压。为提高差分电路抑制温漂能力，发射极采用恒流源偏置，通过恒流源等效内阻无穷大的特点，在获得较大的共模信号抑制能力的同时亦不会影响电路的其他性能[6]。

2.2 中间级电路

中间级电路主要起电压放大作用，以获得足够电压信号激励后级电路。单管中间级放大电路采用了恒流源有源负载，以获得足够高的电压增益。这种电路开环增益大，比电阻无源负载有更大的动态范围[7]。由于电路开环增益大（趋于无穷），为使本级电路能正常仿真，在Q3发射极对地接15kΩ电阻，设置输入信号Vk=0.1V，fin=1000Hz。示波器A通道接输入，B通道接输出，通道A设置为100mV/DIV，通道B设置为10V/DIV，仿真波形如图2所示。由仿真波形可见，接上15 kΩ电阻后的开环电压增益约为120倍，增益非常高，容易导致信号失真。

2.3 输出级电路

图2 中间级电路仿真波形

输出级采用一对互补推挽MOSFET场效应管组成的OCL电路结构，MOSFET场效应管动态电阻小，发热少，所需散热片体积小，频响好。由于MOSFET场效应管存在门槛电压（Vth），需在栅极设置一个高于门槛电压的偏置电压，以使场效应管能工作在线性放大区。输出级单独仿真时可为场效应管提供一个独立偏置，仿真波形见图3。

图3 输出级电路仿真波形

2.4 恒流源电路

为了提高差分电路共模抑制能力，用恒流源代替发射极电阻，放大电路中用恒流源有源负载代替负载电阻能获得较大增益，同时亦不会影响电路动态范围[8]。以输入级电路恒流源为例，分析其恒流原理。

当三极管放大器倍数β足够大时（通常为β＞150），有

其中，UQbe为三极管b-e管压降，取0.6～0.7 V。因UQ8be、R8不变，则电流IC9恒定不变，同理Q4、Q7恒流源的IC7亦恒定不变。

2.5 整机电路仿真

图4 整机仿真

完整功率放大器如图4所示。R3、R17、R19 3个元件的功能需注意：R3为输出级偏置调节元件，调节R3可以同步改变Q1、Q2栅极电压大小，以便为Q1、Q2的栅极设置一个合适的偏置电压，保证Q1、Q2互补推挽管在正、负半周波形切换时不产生交越失真；R17与R19的比值决定整机增益，图中参数所设定的整机增益为30dB（32倍），与图4（b）仿真结果相吻合。进一步分析，若电源电压为32V，输出Vo为32Vpp，则最大输入信号Vin应为1Vpp，若输入信号超过该值则会使功放产生削顶失真。

3 PCB与电路测试

3.1 PCB电路板设计

多级放大器对PCB设计有较严格要求，并严格遵循并联一点接地原则。由于多级放大电路中每级信号幅度不同，倘若采用串联多点接地，则各级电压在地线串联节点阻抗形成压降，串入其他回路形成干扰，甚至产生正反馈[9]，影响整机输出音质，还需注意大电流回路应加粗铜线。使用Altium Designer 9.0绘图软件按图4制作PCB板，采用单面板结构，单声道尺寸为90mm×62mm，插接件、调节部件全部放置于板四周，以便装配与调试。

3.2 静态工作点分析与测试

多级放大电路静态工作点互相影响和牵制。由于MOSFET场效应输出管参数互补对称，N管流出电流与P管流入电流相等，中点输出为0V；当N管、P管参数出现失衡或栅极偏置电压设置不合适，将导致中点电位偏移输出端产生直流电压，损坏负载；此时，应调整电位器R3并同时监测其两端电压，合理的电压值应为5～7V。结合前面的电路仿真，进一步分析电路原理，若三极管基-发射极管压降取0.6V，则有

故输入级电路的IQ9C=UR8/R8=1.538mA，IQ5C=IQ6C=IQ9C/2=0.769 mA，中间级电路有IQ7C=UR10/R10=0.6/27= 22mA，因此

根据手册资料可知[10]，IRF540的门槛电压Vth典型值为3V，IRF9540门槛电压典型值为-3V，有

R3是中间级与输出级耦合的关键元件，调节R3使UR3为6V左右。图2输入级与图3中间级直接耦合的电平关系可用下式表示

当取相同的Ube值并约定R10=3R4，考虑闭环电路反馈性能，式（7）可简化为

显然，图4中R14=1.5kΩ，R8=390Ω，满足式（8）。由前面分析可知，改变R14影响输入级电流，改变R8影响输入级增益，确定R14后再选定R8对电路影响小。进一步分析可知，若R8取值过小将使中间级电路无法正常放大，取值过大则会使中间级电路动态范围变小，甚至直接饱和，因此式（8）对本电路至关重要。当电路装配出现异常时，结合上述仿真结果以及式（4）～式（8），能快速定位电路故障。静态测试时将输入端接地，使用安捷伦34410A 6 1/2数字万用表测量静态工作点，如表1所示，此结果与仿真及理论计算结果基本一致。

表1 静态工作点仿真、计算、实测对照表

3.3 动态调试

互补推挽电路较易产生非线性失真，其中以交越失真最为常见[11]。由于MOSFET管需要开启电压，当信号幅度低于开启电压最小值时，场效应管处于截止状态，无法输出信号。给MOSFET管提供一定的偏置电压，使其处于预导通状态，有微弱信号输入即可使MOSFET场效应管进入放大状态，输出端获得完整信号波形。使用信号发生器产生1 kHz正弦波，将四通道数字示波器分别测量输入端、中间级输出、输出端信号波形；输出接500W/10Ω滑动变阻器，滑动抽头使负载电阻为8Ω，接通±24V直流电源；通电前调整R3使其两端电阻为最小值，设置信号发生器输出信号幅度约为500mV，将功放音量电位器置为中间位置，接通电源，观察波形。此时由于R3两端电压几乎为零，场效应管栅极无偏置电压，在输入电压信号较小时场效应管为截止状态，无法输出信号，观察图5（a）可知，输出波形存在明显的交越失真。继续调整R3电位器，增大电阻值，在场效应管栅极建立略大于门槛电压的偏置电位，此时即便输入信号非常微弱也能被不失真地放大，如图5（b）所示，输出波形已无交越失真。将音量电位器旋转到最大，保持信号频率不变，增大信号发生器输出信号幅度，观察示波器输出波形是否出现削顶失真；当出现削顶失真时，立即往回调信号发生器的幅度旋钮，直至该失真消失，此时对应的输入信号即为最大不失真输入电压Vin（max）。忽略场效应管饱和管压降，互补推挽电路输出功率可以通过下式计算

图5 动态调试波形

在RL=8Ω，工作电压为±24V时测得最大不失真输出电压峰峰值Vo为40Vpp，负载实际获得功率为24.99 W，此时直流电源输出电流为0.7 A，电源总功率为33.6W，电路效率为74.3%，不失真输入电压峰-峰值Vin（max）为0.95Vpp，电路实际增益为42倍（32dB）。

4 结束语

本文分析了直接耦合的多级模拟放大电路组成结构与工作原理，借助Multisim软件进行仿真验证，提高电路设计与调试效率。使用恒流源电路简化电路结构，制作实物电路并进行深入测试分析，通过对电路进行理论分析、仿真研究、实物测试，三者结果基本一致。电路在工作电压为±24V时，负载能获得25W左右不失真有效功率，整机效率为74%。

[1]陈玉红.纯乙类音频功率放大电路的仿真分析[J].电子测试，2007（8）：42-44.

[2]吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus仿真在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79-83.

[3]华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004：231-240.

[4]刘燕妮，隋俊杰，李欣.高保真音频功放器设计[J].现代电子技术，2012，35（12）：143-146.

[5]陈梦喆.仿真软件EWB的优劣分析[J].煤炭技术，2010，29（2）：23-24.

[6]朱小瑜，李津.差分放大器中的不匹配效应及消除方法[J].现代电子技术，2009，32（16）：25-271.

[7]张吕彦.基于镜像电流源与电压源偏置的功率放大器[J].电声技术，2010，34（12）：37-39.

[8]谭汉洪，赵响.差动放大电路的实验研究[J].电脑知识与技术，2010，6（33）：9489-9491.

[9]钟明湖.电子产品结构工艺[M].北京：高等教育出版社，2006：76-92.

[10]黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2007：130-141.

[11]王喜成.音响技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：24-27.

Research and test of direct-coupled amplifier based on Multisim simulation

OUYANG Ming-xing，ZHOU Ze-xiang，ZHANG Wen-hui
（Guangdong Songshan Polytechnic College，Shaoguan 512126，China）

Aimed at the complexity of design and analysis on multistage direct coupling analog circuit，this paper employed Multisim software for simulation analyse and circuit test.MOSFET output power amplifier circuit was decomposed to make the unit circuit work independently，and the circuit’sstatic work pointsand itsperformance parameterswere calculated.The sample was prepared，and it was tested by using 6 1/2 desktop multimeter and four-channel digital oscilloscope. Finally，the principle and solutions on the circuit wave distortion were discussed.The testing result is almost accordant with simulation and calculation，that means the virtual simulation tools can improve the efficiency ofcircuitdesign and test， also shorten the cycle time forproduct development.

Multisim simulation；test；MOSFET；direct-coupled；constant current source

TN710.4；TN386.6；TP391.9；TN911.7

：A

：1674-5124（2014）05-0126-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.033

2014-01-22；

：2014-03-31

广东松山职业技术学院教科研项目（2010-JPKC-7）

欧阳明星（1980-），男，湖南郴州市人，讲师，硕士，主要从事无线通信及测控、光伏并网应用研究。