基于Multisim的音頻放大器設(shè)計與仿真

呂嵐

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

基于Multisim的音頻放大器設(shè)計與仿真

呂嵐

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

針對音頻放大器的設(shè)計與仿真一直是模擬電路中一個典型的綜合設(shè)計難題，現(xiàn)以一種新的音頻放大器為例，介紹在Multisim仿真軟件平臺下音頻放大器電路設(shè)計方法，對原電路的設(shè)計原理及元件組合進(jìn)行新設(shè)計，即使用常規(guī)的虛擬示波器、萬用表，結(jié)合AC Analysis分析方法，也可對電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計與仿真，結(jié)果表明：該方法通過實(shí)際應(yīng)用，具有效率高、成本低、可行性強(qiáng)的特點(diǎn)。

音頻放大器；Multisim仿真；分析方法

0 引言

音頻放大器是模擬電路中一個典型的綜合性設(shè)計題目，它包含了功率放大器、前置放大器、電源等音響電路中經(jīng)常涉及的電路，也涉及到電壓、功率放大，容抗、阻抗匹配，負(fù)反饋和頻率響應(yīng)等重要概念和知識點(diǎn)[1]。Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于完成模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[2]，可以快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗(yàn)證[3]。本文以音頻放大器電路的設(shè)計為例，介紹基于Multisim的音頻放大器電路的設(shè)計與仿真。

1 設(shè)計要求

（1）具有音量調(diào)節(jié)的功能；

（2）每個聲道具有10W的功率放大；

（3）雙電源供電。

2 總體設(shè)計圖

音頻放大器電路的工作原理就是將音源輸出的微弱信號通過前置放大器進(jìn)行電壓放大，并應(yīng)保證失真系數(shù)盡可能小，音源的信號經(jīng)過前置放大器后即進(jìn)入功率放大器中進(jìn)行能量的提升，以便驅(qū)動揚(yáng)聲器工作還原為聲音信號[4]。該電路主要由三部分組成，圖1為其結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 音頻放大器電路結(jié)構(gòu)圖

總體電路設(shè)計見圖2。

3 功能模塊的設(shè)計要求

3.1 前置放大器電路

在音響系統(tǒng)中，特別是進(jìn)行大功率放大時，功率放大器對輸入信號有一定的要求，太弱的輸入信號功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一級或多級前置放大器，將小信號的幅度放大到適合的范圍，再由功率放大器進(jìn)行進(jìn)一步的能量放大。前置放大器電路可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)，如：晶體管構(gòu)成的前置放大電路，集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的前置放大電路[5]。晶體管構(gòu)成的前置放大電路，經(jīng)過一段時期的使用，放大作用會減小或消失，當(dāng)三極管穿透電流過大或c-e級漏電時，會產(chǎn)生噪聲，有時前置放大管還會出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象，使本級失去放大能力[6]。在本文中，采用集成前置放大器電路。

圖2 音頻放大器電路圖

由于兩個聲道的電路圖是一致的，現(xiàn)以左聲道為例進(jìn)行介紹，如圖3所示。

圖3 前置放大器原理電路圖

在圖3中，信號流從左往右，即左邊的VLin是左聲道的輸入端，接MP3播放器等音源，而右邊的IO2是左聲道的輸出端，電壓增益為2。

3.2 前置放大音量調(diào)節(jié)電路

前置放大音量調(diào)節(jié)電路如圖4所示。

圖4 前置放大音量調(diào)節(jié)電路圖

在圖2中，信號從前置放大器I02輸出后，經(jīng)過R5、R9進(jìn)入前置音量放大調(diào)節(jié)電路，信號經(jīng)音量調(diào)節(jié)電位器，輸出信號。此信號即進(jìn)入圖4中的最后一級運(yùn)算放大器U2B中，這一級中信號可獲得最高13dB的電壓增益。最后，經(jīng)過電阻R10、電容C1得到前置放大器的輸出信號VLout，供功率放大器進(jìn)行進(jìn)一步的能量放大后驅(qū)動揚(yáng)聲器。

3.3 功率放大器電路改進(jìn)

音源的信號經(jīng)過前置放大器后即進(jìn)入功率放大器進(jìn)行能量的提升，以便驅(qū)動揚(yáng)聲器工作還原聲音信號。常用的功率放大器有Class A、Class AB、Class D，其中Class AB在音響系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍，本文采用Class AB放大器進(jìn)行設(shè)計[7]。同時，在選擇功率放大器之前要考慮揚(yáng)聲器的功率有多大，如果輸出功率大于揚(yáng)聲器的額定功率，揚(yáng)聲器就有被破壞的危險；反之，揚(yáng)聲器就有些浪費(fèi)了[8]。本文設(shè)計的功率放大器是一個小功率放大器，輸出功率為10W。功率放大器電路如圖5所示。其中，電位器R22控制輸入信號的幅度實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)，信號在由運(yùn)算放大器NE5532構(gòu)成的前置放大器中獲得電壓放大之后進(jìn)入Class AB放大器中進(jìn)行功率放大。兩對互補(bǔ)管Q5和Q6、Q7和Q8組成的Class AB放大器可向8Ω揚(yáng)聲器輸出9.5～11.5W的功率。通過調(diào)節(jié)電位器R23可以改變反饋組件的頻率特性，從而使該10W放大器的低音效果得到提升或抑制。在圖5中既有集成電路（NE5532），又結(jié)合了分立式的Class AB放大器（Q5、Q6、Q7、Q8），體現(xiàn)出集成電路與分立式元件協(xié)同工作的優(yōu)勢。

圖5 功率放大器電路圖

用一個小功率放大器改進(jìn)設(shè)計，如圖5所示。其中，電位器R22控制輸入信號的幅度實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)，信號在由運(yùn)算放大器NE5532構(gòu)成的前置放大器中獲得電壓放大之后，進(jìn)入Class AB放大器中進(jìn)行功率放大。兩對互補(bǔ)管Q5和Q6、Q7和Q8組成的Class AB放大器可向8Ω揚(yáng)聲器輸出9.5～11.5W的功率。通過調(diào)節(jié)電位器R23可以改變反饋組件的頻率特性，從而使該10W放大器的低音效果得到提升或抑制。

4 電路的Multisim仿真

在本文的設(shè)計過程中，我們應(yīng)用Multisim對電路進(jìn)行了仿真分析。調(diào)取Multisim中的示波器和信號源，測得輸入和輸出波形如圖6所示。由圖6可見，在輸出功率為10 W時，輸入信號小于1mV，從而能夠保證音源給出的小信號被有效放大。

5 結(jié)語

本文介紹的音頻放大器設(shè)計與仿真電路，將前置放大、音量調(diào)節(jié)、功率放大等單元電路有機(jī)地結(jié)合起來。把計算機(jī)仿真軟件Multisim引入到電路設(shè)計中，給電路設(shè)計、仿真、測試帶來了極大的方便[9]，使電路的設(shè)計、性能參數(shù)的仿真等繁瑣的任務(wù)變得輕而易舉，能夠有效引導(dǎo)設(shè)計者從多種角度考慮問題，提出不同的設(shè)計方案，提高實(shí)際解決問題的能力。

圖6 功率放大器電路輸入輸出波形圖

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Design and Simulation of Audio Amplifier Based on Multisim

LVLan
（Shanxi Railway Institute，Shanxi Weinan 714000，China）

Design and Simulation of Audio Amplifier in analog circuit is atypical integrated designtopic.Inthis paper，wetake atypical kind of audioamplifier as an example，and use Multisimasthe design platform，and introducethe design principle，assembled methods of Audio Amplifier，and make simulation withthe virtual oscilloscope，multimeter，components and AC analysis method.The results showthatthe method by practical applicationhasthe advantages of high efficiency，lowcost，strong feasibility.

audio amplifier;Multisim simulation;analysis method

TP391.9

A

1673-2022（2014）04-0043-04

2014－06－20

呂嵐（1982-），女，陜西西安人，碩士，講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)科學(xué)與技術(shù)。