计算机仿真在多级放大电路设计中的应用

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 傅昱祥

本文采用Multisim10软件针对多级放大电路进行了仿真设计，依据相关参数进行了实验方案的拟定，并利用信号发生器、万用表等虚拟仪器测算出了多级放大电路的直流工作点、输入输出电阻、电压增益、通频带等参数，证明计算机仿真技术在多级放大电路设计中的应用可以有效描述电路工作特性，为多级放大电路的研究工作提供借鉴意义。

1.引言

多级放大电路借助传感器进行微弱信号的采集，然而受到传感器输出量程的局限，而微弱信号的幅值又过低，致使信号难以有效被模数转换电路所直接应用。因此，应当明确复杂电路参数的具体要求，以便使得多级放大电路的性能得到更好的发挥，优化整体设计。

2.计算机仿真技术概述

计算机仿真技术借助信息处理软件，将实体事物借助仿真形式进行模拟，进而借助信息媒介向受众进行传递。计算机仿真技术不仅有助于计算机控制工程与系统工程的开发，还可以作为信息分析工具，在商业、电子工程等行业得到广泛的应用，节约成本、节省时间，发挥显著的实际效用。

3.多级放大电路的型式划分

第一种是输入级，通常选用具有高输入阻抗的射极输出器作为理想输入出级，也可以选用共发射极电路作为输入级，还应该结合电路的具体参数要求进行合理选择。第二种是输出级，应当针对具体的末级要求进行电路集电极电阻数值的合理调控，通常可选择的电路为共发射极电路、射极输出器、轴功率放大器电路等几种。第三种是末前级，当末级对于功率要求较高时，则应当采用甲类单管放大器电路。第四种是中间级，通常采用共发射极电路，结合具体情况适当在各级中加入负反馈。

4.计算机仿真技术在多级放大电路设计中的具体应用

4.1 方案设计

本实验拟采用Multisim10软件用于针对多级放大电路进行仿真设计，借助实验测算出具体的设计参数，并针对其中的失真现象进行多维度系统化分析，以便为后期工程师的具体设计提供有效参考。

该微弱模拟信号系统主要由五部分组成，以传感器作为起始接收端，进而将信号传送至多级放大电路中，结合具体情况评判是否需经反馈电路重新向多级放大电路进行传输，进而到达模数转换电路中，经系统操作后最终传递到计算机端，完成整体的信号处理过程。

具体来说，针对多级放大电路进行设计时，最常使用的即为双级放大电路，在使用的过程中还应当考察具体要求在开环与闭环中做出选择，完成双级阻容耦合放大仿真电路的设计。

4.2 仿真分析

当确定系统总体结构、完成多级放大电路的方案规划后，接下来便要利用Multisim10软件针对电路中的关键要素进行仿真设计与具体分析。

首先是针对直流工作点进行仿真设计,先从信号发生器入手，将其输出端调置为频率为1kHz、幅值为1mV的正玄波。接下来要针对三极管的基级电压进行分析，观察其集电极的电流变化，掌握管压降的具体数值。需要注意的是，应当利用Multisim10软件选择其中的V(1)-V(18)等直流工作点作为输出端，进行利用仿真技术对其进行分析，其中随机选取五个直流点的分析数据结果，分别展现为V(11)=6.87053、V(7)=8.95217、V(4）=1.79682、V(6)=0、V(2)=0.21509。综合各项数据最终计算出了仿真结果，第1级静态工作点的集射极电压为7.13V、基极电流为5.5μA、集电极电流为1.21mA；第二级静态工作点的集射极电压为5.07V、基极电流为7.41μA、集电极电流为1.63mA。其最终获得的理论计算结果为，第1级静态工作点的集射极电压为7.39V、基极电流为5.32μA、集电极电流为1.17mA；第2级静态工作点的集射极电压为5.30V、基极电流为7.23μA、集电极电流为1.59mA。

其次便是针对开环与闭环放大电路的电压增益情况进行仿真分析，在接入反馈电路前，该电路则表现为典型的开环放大电路，读取其波形结果与相应数值，再借助公式：

进行系统计算可得出，当放大电路呈现为开环状态时，其所获得的电压增益值为147.62，而闭环电压的增益数值则为9.73。进而在开环状态下借助理论计算的方式进行测算，可求得第一级增益的数值为-5.30，第二级增益的数值为-28.27。最终得到开环总电压增益为149.86，闭环总电压增益为10.45，反馈系数为0.089。借助以上数据可由此判断出，在放大电路引入负反馈后，其电压增益情况也会相应减小。

4.3 电压增益的影响因素

鉴于外界的直流电源与直流电压存在较大的差异性，相应也会对于开环与闭环放大电路的电压增益情况造成一定的影响，导致其稳定性产生一定的变化。在试验中，我们将直流电压源的数值设置为12V，仍然采用以上方法针对电压增益情况进行计算，可以得到开环放大电路的电压增益值为140.35，而闭环放大电路的增益值为9.54。紧接着针对开闭环电压增益的相对变化量进行计算，可得出开环放大电路的变化量为4.92%，而闭环变化量则为2.06%。由此可证明，当放大电路引入负反馈后，会使得电压增益的稳定性有所提高。

4.4 输入输出电阻的作用

接下来我们再针对输入电阻与输出电阻进行实验，借助仿真实验的系统测算，判断其对于电路所产生的影响以及与串联电压负反馈之间存在的关系。

一方面从输入电阻入手，选用交流电压表与电流表作为实验工具，将电流表与电压表在两级放大带路的输入端进行连接，将信号源的峰值设置为10mA，便可以得出电路在开环状态时的相应数据，Ui=6.99mV，Ii=0.94μA,Ri=7.43kΩ，Ri的理论值为7.77kΩ。接下来再针对闭环电路进行实验，当将电压串联负反馈引入到闭环电路中时，可以看出在负反馈环内只有R4电阻值增大。而在反馈环内并未包含基极偏置电阻，该闭环电路的基极偏置电阻为。经测算后，可获得其测量数值分别为Uif=6.98mV，Iif=0.87μA，Rif=8.02kΩ，Rif的理论值为8.29kΩ。综合以上实验数据可以得出，当电路中呈现为串联电压负反馈时，输入电阻的数值会得到明显的增大，有助于实现对于两级放大电路的良好驱动。

另一方面从输出电阻入手，选用万用表作为实验工具，针对开路负载R12的输出电压进行测量，可得出其输出电压为Ui=1.55mV，短路电流为Ii=316.21μA，输出电阻Ro=4.90kΩ；经测算后，其输出电压为Uif=72.08mV，短路电流为Iif=342.23μA，闭环输出电阻为Rof=0.233kΩ。最终借助理论计算方法获取到的开环输出电阻Ro=5.00kΩ，闭环输出电阻为Rof=0.35kΩ。综合以上数据可以得出，当电路为串联电压负反馈状态时，输出电阻的数值会呈现出明显的减小趋势，相应使得多级放大电路的负载能力得到显著提高。

4.5 开闭环通频带仿真

在此基础上，再利用Multisim10软件针对开环通频带与闭环通频带进行仿真分析，可以读取到以下数值：在开环通频带中，fL=29.14Hz，fH=448.93kHz，fbw=419.79MHz，稳频增益为148.17；在闭环通频带中，fLf=9.73Hz，fHf=7.83kHz，fbwf=-1.90MHz，稳频增益为9.89。通过对开闭环通频带进行仿真可以得出，在电路中引入负反馈后，虽然电压增益呈现出显著下降的趋势，然而其通频带却呈现出扩大状态。进而依据仿真结果进行系统分析可以得出，反馈与频率特性呈现出正相关的状态，反馈越深，频率的特性也会呈现出显著的优势。

4.6 非线性失真与反馈效果的变化

接下来需要针对双级放大负反馈电路的非线性失真问题进行仿真分析，在开环状态下将电路开关J5打开，确保其频率保持稳定不变的状态，进而将其中输入信号的幅值进行缓慢提高，综合此过程中所得到的数据变化，可以最终得出输出电压波形的仿真图，通过针对仿真图进行观察与分析，可以明显看出其存在轻微的非线性失真问题。进而针对闭环电路进行同样实验分析，将闭环电路中的开关J5进行闭合，再观察其中输入电压所展现出的波形变化，由此可以得出结论，在双级放大负反馈电路中，非线性失真问题得到了良好的改善。

最后我们再结合闭环反馈电阻参数情况进行综合分析，可以得出，当负反馈组的电压数值越大时，电压增益也会相应提高，而反馈的深度也会随之而减小，相应致使通频带越来越窄，这也就说明反馈电阻对于反馈效果发挥着显著的影响作用。

受到实验条件以及技术水平等因素的局限，导致目前难以针对多级放大电路中的硬件部分借助仿真实验进行验证，而利用Multisim10软件针对电路进行仿真设计却可以为这一问题的解决提供良好的契机。在Multisim10软件中，其中的双踪示波器可以允许省略对地测试这道工序，有助于解决针对任意两点的波形显示功问题，为多级放大电路中各个节点的工作电压波形测试提供了有效途径，具有较强的现实意义。

5.结论

总而言之，本文利用Multisim10软件针对多级放大电路进行了仿真设计，针对仿真结果进行了多维度的分析，有效减少了以往因人工测算而产生的数据误差，规避了主观臆断对于实验结果造成的影响，虽然目前计算机仿真技术也具有一定的局限性，但相信未来随着电子领域各项技术的不断研发，计算机仿真技术必将会带领人类一同开拓新的研究领域。