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基于Multisim电路仿真软件的音频功率放大器设计

上海杉达学院工程学院

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摘要：音频功率放大器是音响系统中的关键部分。由于信号源的输出电压一般很小（几十至几百毫伏）不足以激励扬声器设备。音频功率放大器可以通过三极管、放大器等电子元器件，将原始较小的交流信号的电压和电流都进行放大，到足够激发扬声器的强度，从而使音响系统可以正常工作。本文借助Multisim 14电路仿真软件，对功率放大器的前置放大电路、音调控制电路、OCL放大电路等环节运用单频交流分析、蒙特卡罗分析、傅里叶分析等分析方法进行模拟仿真，并作出优化设计。

关键词：电子技术、放大器、Multisim 14仿真

一、设计任务

音频功率放大器[1，2]是音响系统中的关键部分，其作用是将全身体检获得的微弱信号放大到足够强度去推动放生系统中扬声器或其他声电器件，使原声重现。

一个音频放大器一般包括以下部分

二、前置放大电路部分设计

2、1设计要求

由于信号源的输入电压很小（一般为40～100mV），不足以激励功率放大器中的三极管等部件，因而我们需要在放大器之前加一个前置放大器，使用莫丝管对电路进行第一级的放大，使其可以推动主放大器。

2、2 方案

电路的前置级设计要求输入阻抗较高，输出阻抗较低，以利于音调控制电路的工作，同时要求噪声系数尽可能小，本设计中采用BF-240作为放大莫丝管。电路设计如图 1所示。

2、3 参数计算

首先选择静态工作点，为保证较低的噪声系数，设计需满足以下要求：

I_DSS>1mA

|V_P |>1V

g_m>0.5mA/V

查找三极管的参数发现BF-240符合所需要求，且价格便宜，耐用。

取V_s=-V_GS=2.8V

所以：I_DQ=I_DSS （1-V_GS/V_p ）^2≈0.12mA

而通常V_DS=（1～2）V_S;V_D=V_DS+V_S;（在此取V_DS=3.2V）

R_4=（V_CC-V_D）/I_DQ ≈33kΩ（在此取V_CC=10V）

R_S=R_2+R_3=V_S/I_DQ ≈|V_GS |/I_DQ ≈23kΩ

而R_L≈R_5;所以R_5可取1MΩ

所以：R_D=R_4//R_L≈R_4

三极管中频电压增益为：A_Vml=-g_m/（1+g_m R_3 ）;R_D≈-（G_m R_4）/（1+G_m R_3 ）。

当G_m R_3?1时：则不难发现：A_Vml≈-R_4/R_3 ≈10

所以：R_2=R_S-R_3≈19.7kΩ

同时为保证输入电阻>500kΩ，选取R_1=1MΩ。

电容C1、C2为低频相应的主要影响因素

要求C_1≥10/（2πf_L R_1 ）=0.08μF;实际设计中取C_1=1μF

要求C_2≥（1+g_m R_2）/（2πf_L R_2 ）=12μF;实际设计中取C_1=47μF

要求C_3≥10/（2πf_L R_5 ）=12μF;实际设计中取C_1=47μF

三、OCL（Output Capacitor Less）电路设计

3、1设计要求

OCL[3]电路作为一般的功率放大电路特点是使用双电源供电、输出端不需要大电容，且不需要双路信号。另外为了在音质和效率中取得均衡，本设计采用甲乙类功放。

3、2方案设计

本设计使用达林顿三极管代替普通的三极管，达林顿三极管的放大倍数可以达到1000倍，可以获得更大的电压及电流。

同时使用运算放大器进行同向放大，并通过滑动变阻器改变反馈的电流大小，从而实现放大倍数可调的目标，由此放大倍数可以达到最大60倍。具体设计如图 2所示。

在初步完成设置的前提基础上，利用Multisim软件对其进行仿真研究，然后进行硬件方便的调试。其结果如下图所示：

由电路图统计元器件，并采购元器件，在实验室进行焊接组装，如图 5、图 6、图 7所示。

由调试结果不难发现，尽管经过了电脑仿真，但是实际结果并不理想，出现了失真现象，并发生了电阻燃烧和达令顿三极管报废的情况。对此笔者进行了问题分析。

四、问题分析，二次设计

4、1 修改方案

针对以上情况，对电路进行了修改，修改结果如下所示：

首先在运算放大器的负极接地之间增加一个47μF的电容，将电路中的微小的直流信号滤除，以免直流信号在运算放大器中被放大，将本就较小的交流信号盖过。其次在一侧的达林顿三极管的基极和发射极之间并联上两个二极管，以此来消除达令顿三极管1.4V左右的死区电压所造成的交越失真。另一侧的达令顿三极管则使用一个二极管和一个小滑阻来消除交越失真[4]，这么做的目的是可以通过调节滑动变阻器的阻值，从而调节电路的静态工作点，使其稳定在放大区间。

4、2 Multisim仿真

将电路启用仿真可得到输出示波器如图 7所示。

图 7中绿色通道为输入波形，红色通道为输出波形，可见输入与输出波形同向，且几乎没有发生相移，实际电压放大倍数η=9.84/0.3496≈28.15倍。

对电路各点进行直流工作点仿真，输出各点电流值，如图 8所示。

可见通过电阻R14和电阻R15的电流值较大，几乎占据了总电流的97%。因而，在焊接调试的过程中，使用两个5W1Ω的电阻并联取代之前的1/4W的电流负反馈电阻，以此防止电阻元件烧毁。另外使用耐压60V的TIP142和TIP147对称的达令顿三级管取代耐压40V的TIP122和TIP127对称的达令顿三级管，并添加散热片，以防止元器件过热烧毁。

4、3实物焊接

对电路进行修改之后，重新进行了实物焊接并调试，如图 9、图 10和图 11

五、总结

通过音频功率放大器设计的实验教学，学生不仅能够从线上智慧树平台、慕课等多渠道获得知识，通过对线上的理论基础学习，在线下实验室平台上完成硬件方面的操作，将理论与实践结合在一起，激发了学生的学习热情，锻炼了学生的设计能力，提高了他们的动手能力和创新能力。

参考文献：

[1]曾胜财，甘亮勤.音频功率放大器制作实训课程教学研究[J].海峡科学，2018（12）：68-71.

[2]张青青.OTL音频功率放大器的设计[J].电子技术与软件工程，2018（20）：74-75.

[3]饶光洋.新型音频功率放大器信号检测控制电路的设计[J].电子技术与软件工程，2017（12）：95.

[4]侯建路.智能无线音响中音频功率放大器性能的测试方案[J].科学技术创新，2021（04）：24-25.

作者简介：杨园园，助教，1994年。研究方向：电机控制、电力系统。

校基金项目：基于Multisim音频功率放大器的设计与实现 A021301.21.014

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