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放大電路的設計與仿真范文第1篇

[關鍵詞]低噪聲放大器；射頻識別；噪聲系數；增益；穩定系數

中圖分類號：TN722.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0072-02

1 引言

射頻識別（RFID）是一種利用射頻通信實現非接觸的自動識別技術，LNA作為RFID系統的關鍵器件之一， 主要功能是放大從天線接收到的信號，用于后級電路處理，同時抑制噪聲干擾，提高系統的靈敏度，在實現數據無線傳輸過程中起重要作用。為了減少射頻前端電路及天線的體積，目前針對RFID系統的研究主要集中于5.8GHz的高頻段。本文采用ATF-541m4晶體管，利用ADS軟件通過電路級以及版圖級聯合仿真，設計了一種可用于RFID系統的5.8GHz單級低噪聲放大器。

2 電路設計

設計LNA電路時，需要綜合考慮放大器的增益、噪聲系數與輸入輸出匹配等參數。本文采用ATF-541m4晶體管實現低噪聲放大器的設計，放大器晶體管的靜態工作點將決定所設計的放大器的工作狀態，偏置狀態不同，晶體管的阻抗特性差別會很大，需要在選定器件后根據設計指標來獲得偏置電壓信息，設置ATF-541m4晶體管的直流工作點為。所設計的LNA電路原理如圖1所示。

其中，R1、R2、R3為直流偏置電阻，Vdc為工作電壓，C1、C2為隔直電容，L1、L2為扼流電感，C3、C4為旁路電容，C5、C6、C7為去耦電容。TL1、TL2和Tee1組成了輸入端的微帶線匹配電路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5組成了輸出端的微帶線匹配電路。電路的穩定性是放大器能夠正常工作的前提，因此需要對晶體管進行增強穩定性的設計。仿真結果表明在3GHz-8GHz頻帶內，穩定性因子k=1.004，大于1，放大器保持絕對穩定。偏置電路是射頻電路的設計中不可缺少的一部分，其主要作用是為放大器等有源器件提供合適的靜態工作點，以保證整個電路能夠正常工作。根據晶體管的直流工作點可以計算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。輸入、輸出匹配網絡的作用是減小信號反射。若電路不匹配，則會形成反射，降低效率。對于低噪聲放大器而言首先需要考慮的是最小噪聲，再根據最佳噪聲匹配來設計輸入端的匹配電路。輸出匹配網絡的設計主要考慮LNA的駐波比和增益，輸出端一般采用共軛匹配以獲得最小駐波比和最大增益。通過仿真優化得出本文設計的LNA輸出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。

3 電路及版圖級聯合仿真結果

針對圖1所示的電路原理圖，利用計算出的各元件參數進行ADS仿真，得出LNA的增益、噪聲系數、輸入/輸出反射系數等的電路仿真結果。再根據原理圖生成版圖，在版圖設計中，需增加一定數量的接地過孔，如果缺少接地過孔，會導致無法得到S參數理想結果。優化后得到的電路版圖如圖2所示。

圖3所示為利用版圖進行的聯合仿真以及原理圖級仿真結果對比。當工作頻率為5.8GHz時，聯合仿真中增益為10.25dB，滿足大于10dB的設計指標，與電路仿真結果相比略有減小；聯合仿真中放大器的噪聲系數與電路仿真結果良好吻合，約為0.95dB；聯合仿真的輸入反射系數S11 = -30.16dB，輸出反射系數S22 = -15.72dB，說明該放大器的輸入匹配較好，但由于輸出匹配中微帶線的長度較長等原因，輸出匹配沒有輸入匹配的效果好，但滿足設計要求。

4 總結

本文以ATF-541m4晶體管為核心，通過設計靜態工作點、增益反饋、輸入/輸出匹配等電路，仿真實現了一種單級低噪聲放大器，利用ADS進行了電路級、版圖級聯合仿真優化，結果表明在5.8 GHz處，放大器增益為10.25dB，噪聲系數為0.95 dB，輸入與輸出的反射系數分別為-30.16 dB和-15.72 dB，穩定系數大于1。

參考文獻

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放大電路的設計與仿真范文第2篇

分別以電工及工業電子學課程中典型電路為設計實例，利用Multisim設計仿真實驗教學案例，通過仿真實驗提高學生對理論知識的理解能力以及學習積極性，使學生真正做到變被動學習為主動學習。

1.1基爾霍夫電流和電壓定律的仿真驗證基爾霍夫定律是電路理論中最基本的定律之一，也是最重要的定律之一，它闡明了電路整體結構的規律，應用極為廣泛，對該定律掌握的好壞直接影響后續電路知識的學習。該部分內容的仿真實驗以驗證為主，利用Multisim仿真基爾霍夫定律，繪制具體電路，驗證理論教學中的結論。在Multisim環境中設計的驗證基爾霍夫電流定律的電路如圖1所示。由圖1可知：I1＋I2＝I3，I3＋I4＝I2，從仿真實驗的角度驗證了基爾霍夫電流定律，幫助學生理解電路結點電流代數和等于零，以及電流的正負問題。學生在學習基爾霍夫電壓定律時，對回路方向和電位降以及電位升之間的關系問題容易理解錯誤。為此，通過Multisim仿真實驗可以直觀地觀察到測試結果（見圖2）。

1.2晶體三極管放大電路仿真分析晶體三極管放大電路的靜態工作點分析和動態性能分析是電子學課程中一個重點內容，尤其是小信號放大電路動態性能分析，在實際中應用十分廣泛。結合Multisim對共發射極分壓式偏置電路進行仿真，使學生能夠直觀地理解信號放大的原理，以及靜態工作點設置與信號失真的關系。在Multisim環境中設計的晶體三極管放大電路如圖3所示。為了使三極管能夠完成正常的信號放大，需要設置合理的靜態工作點。調節R7＝136kΩ，使Vb＝2．42V，Vc＝7．41V，Ve＝1．79V。此時，在輸入端輸入一個正弦信號，輸出端將輸出一個放大的信號（見圖4（a））。圖中，示波器上半部分顯示的為輸入信號波形，下半部分顯示的波形為輸出波形。調節R7＝13．6kΩ，輸出端信號將出現飽和失真（見圖4（b））；調節R7＝340kΩ，則由于靜態工作點過低，輸出端信號將出現截止失真（見圖4（c））。

1.3運算放大器的電路仿真驗證運算放大器在實際的電路設計中應用十分廣泛。運算放大器可以用來設計信號調理電路，完成比例、積分、微分、濾波以及信號發生器等功能［10］。掌握了運算放大器的使用，可以方便地設計各種控制電路。本文以LM324為例設計仿真實驗。

1.3.1反向比例放大器仿真分析反向比例放大器是基本的放大電路，通過仿真實驗可以更好地理解負反饋以及放大器的“虛短”和“虛斷”概念。利用Multisim繪制反相放大電路如圖5所示。為了驗證電路的性能，輸入頻率為500Hz、峰值為99．72mV的正弦信號，輸出信號峰峰值為1．98V，輸入和輸出相位差為π，信號幅度之比約為10。值得注意的是，運算放大器的開環增益有上萬倍，但由于引入了深度負反饋，放大器的增益只與外接的元件數有關。

1.3.2有源濾波電路仿真分析濾波器就是一種選頻電路，它能夠從含有各種頻率成分的信號中選出有用的信號。利用運算放大器可以設計各種濾波器，這里僅對有源低通濾波器進行驗證，通過Multisim仿真一種Sallen－Key電路結構的濾波器的原理（見圖6（a））。由圖6（b）可知，在增益達到－2．728dB時，fc＝10．879kHz。在0～10kHz范圍內的頻率對應增益約為0dB，并且增益穩定，符合理論設計要求。

1.3.3運算放大器構成信號發生器仿真分析運算放大器工作在開環或者是正反饋情況下，可以構成信號發生器。該電路采用維恩電橋振蕩電路，通過引入正反饋產生一個正弦信號，電路如圖7所示。運放反相端接反相差動放大電路，同相端接維恩電橋，電路振蕩時產生頻率為f＝1／（2πRC）的正弦信號。

1.4555定時器電路仿真分析555時基電路是一種模擬／數字混合集成電路，在外部配上適當阻容元件，可以方便地構成脈沖產生、整形和變換電路，如多諧振蕩器、單穩態觸發器、施密特觸發器、自動控制電路、頻率變換電路等。555定時器電路除了產生常見的正弦波、矩形波外，還可以產生三角波、鋸齒波等。矩形波是其他信號的基礎，例如，若矩形波信號加在積分運算電路的輸入端，則輸出可得三角波；改變積分電路正向積分和反向積分時間常數，使某一方向的積分常數趨于零，則可獲得鋸齒波。

2結束語

放大電路的設計與仿真范文第3篇

以高頻實驗箱進行高頻小信號放大實驗時，實驗項目單一，且對高頻小信號放大器的理論學習幫助有限。若輔以Multisim12.0仿真軟件，硬件無法進行的實驗項目可以進行仿真，對于高頻小信號放大器理論學習將有更大的幫助。

【關鍵詞】高頻小信號放大 硬件實驗 Multisim12.0仿真

高頻小信號調諧放大器是各類通信設備中常用的功能電路。由于高頻小信號放大器電路的理論分析比較抽象，在性能指標計算過程中大多用到近似方法。高頻小信號放大器實驗的開設可以有更助于學生對理論教學中的理論分析及性能指標含義等理解，提高小信號放大器的教學質量。但基于目前實驗條件的限制，學生操作只限定在實驗項目有限的實驗箱上，硬件電路難以升級，內容理解程度受限。本文將利用Multisim12.0仿真軟件，以實驗箱的高頻小信號放大電路為基礎進行仿真搭建，并進行仿真研究，從而彌補硬件電路無法進行的性能指標測試及參數變化對放大電路的性能指標的影響。

1 實驗硬件電路

目前高頻電子線路實驗所用的主要儀器為ZYE1201C3實驗箱，高頻小信號放大實驗電路為共射極接法放大器，硬件電路原理如圖1所示。

目前由于實驗條件所限，能進行的實驗項目只有電路調諧和測量電壓增益，在實驗中通過調整中周，使電路諧振于輸入信號頻率10.7MHz，并測量電路的放大倍數為Av===14.7。由于高頻小信號放大器的通頻帶與電壓增益的乘積的關系為Av0*Δf0.7=，根據晶體管的工作點查有關手冊可計算出其等效Y參數 （其中，|yfe|≈22.5ms，CΣ=123pF ），可近似估算出通頻帶2Δf0.7=1.97MHz。由于通頻帶是通過理論近似計算得出，因此實際數值與計算值可能用較大誤差。對于理論教學中提到的LC回路的選頻作用是怎么樣實現的，LC回路的品質因數對放大器性能指標的影響是如何體現的，在上述的實驗項目中不能得到體現，這樣對于理論教學的中有關問題的幫助作用不大。若在完成實驗箱硬件電路基礎上，采用Multism12.0仿真軟件，搭建與實驗箱硬件一樣的高頻小信號放大電路并進行仿真分析，可以使學生了解高頻小信號放大電路設計方法，并深入理解各部分元件在電路中所起到的作用。當改變仿真電路參數時，用虛擬儀器對改變參數后電路的輸出電壓和通頻帶進行測量，還能使學生加深高頻小信號放大器電路參數變化對性能指標影響的理解。

2 Multisim12.0的仿真電路及分析

2.1 軟件介紹

Multisim12.0是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。軟件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，再結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。

將Multisim12.0 仿真軟件引入高頻小信號放大實驗教學，不僅能夠克服實驗室中的儀器不足的缺點，而且可以實現“軟件就是儀器”，“一臺計算機就是一個虛擬實驗室”，為實驗教學現場營造另一種真實的電路工作場景[2]。

2.2 高頻小信號放大器仿真電路

用Multisim12.0對實驗的硬件電路進行仿真，實驗仿真電路如圖2所示。由于Multism12.0中沒有國產的晶體管3DG12C，這里用通用的2N5551來代替，但在參數模型中將2N5551的參數可以設置與3DG12C的參數相同。由于在Multism12.0中無中周模型[3]，仿真電路中用理想變壓器替換，且接入系數假設原邊和副邊設置為1，并假設諧振電路的品質因數為100。經如上假設后，用理論近似計算出的放大倍數AV==16.1。在輸出端用虛擬示波器所得到的電壓波形和使用特性分析儀測量通頻帶輸出如圖3所示， 在輸入輸出波形圖，可計算出電壓放大倍數AV=17.8。在波特分析儀中可以計算出通頻帶2Δf0.7=2.19MHz。因此，用2N5551所做的仿真電路是可行的。

2.3 LC回路的選頻功能

單調諧高頻小信號放大器是采用具有選頻功能LC諧振回路作為負載的，即對于接近于LC諧振頻率的信號進行有較大的增益，對遠離諧振頻率的信號增益迅速下降。對于ZYE1201C3高頻電子線路實驗箱來說，其產生的信號源為單一10.7MHz信號，對于LC回路的選頻作用將不能進行驗證。Multism12.0的仿真電路中，可以設置多個不同頻率的信號源，來觀察LC的選頻功能。高頻小信號放大器LC選頻功能仿真電路中，同時設置有大小為30mV頻率10.7MHz，大小10mV頻率60MHz和大小10mV頻率120MHz三種電源信號。用虛擬頻率計測量放大器輸出端的頻率，用示波器分別測量輸入和輸出端的電壓波形，如圖4所示。從頻率計示和輸出波形來看，LC回路只對10.7MHz的信號有較大的增益，對其它頻率的信號增益近似為0。通過仿真電路，可以使學生加深對C回路選頻作用的理解，及如何設置L和C的參數。

2.4 電路參數變化對放大器性能指標的影響

由于實驗箱中的電路參數是固定不能改變的，因此，分析高頻小信號放大器的性能指標受參數變化影響將不能實現。Multism12.0的仿真電路中，可以方便地設置電路中任一元件的參數。對于學生理解參數變化對高頻小信號放大器性能指標影響將有很大的幫助。

2.4.1 選頻回路的品質因數對放大器性能的影響

當LC選頻網絡的品質因數下降到50時，高頻小信號放大器的放大倍數將會減小，通頻帶將增大。品質因數下降后仿真波特圖如圖5所示。

2.4.2 負載電阻變化對放大器性能的影響

當負載電阻增加到10KΩ時，高頻小信號放大器的放大倍數將增大，通頻帶將會減小。負載增加后仿真波特圖如圖6所示。

3 結論

通過以上分析可以看出，在高頻小信號放大實驗中，若先在硬件實驗箱上進行調諧和電壓增益的實驗，將使學生對放大器作用有初步了解。然后用Multism12.0搭建仿真電路，通過改變仿真電路參數，分析當電路參數變化時對高頻小信號放大器的增益和通頻帶的影響。把傳統實驗箱和仿真軟件結合起來的實驗方法，可以幫助學生加深高頻小信號放大器的理論知識的理解、激發學生的實驗興趣、提高實驗教學質量、啟發學生的創造性思維。

參考文獻

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[3]殷國東，張敏.中周模型在Multisim中的實現[J].現代電子技術，2012， 35（1）：195-198.

作者簡介

張振紅（1978-），女，赤峰市人。碩士學位。現供職于長治學院物理系，主要從事電子線路研究。

放大電路的設計與仿真范文第4篇

伴隨著科學技術與現代教育技術的發展，各種先進技術被廣泛運用到教學領域中，仿真技術作為一種新興的技術，同樣也被運用到電子專業的教學當中，且對促進教學質量與效率的提升，起到了舉足輕重的作用。以下筆者以“放大電路”的學習為例，對仿真技術在電子專業教學中的應用進行探討。在模擬電路中，放大電路是一個極為關鍵的構成部分，其中最為基本的電路形式就是共射極放大電路。因此，在放大電路教學過程中，首先應當利用多媒體課件對相關的知識點進行說明，例如信號放大的基本概念、共射極電路的構成、各個組成部分的作用、放大電路的動靜態特性等。

在對問題進行設計時，可以設計以下問題：怎樣在放大電路輸入端添加正弦信號？輸出信號是否會出現變化？電壓放大倍數與什么因素相關？倘若對電路的偏置予以調整，那么輸出信號又將發生怎樣的改變？之后通過Multisim軟件建立共射極電路，然后再展開以下仿真實驗。共射極放大電路圖如圖1所示。將Simulate菜單內的Anslysis下的DCOperatingPoint命令打開，進而得到靜態的參數：VB=1.82V，VC=4.84V，VE=1.20V。將正弦電壓信號（幅值是5mV）添加在輸入端，進而對處于空載狀態與接10kΩ負載下的放大電路的輸出電壓波形予以測定，進而得出參數值分別是1.2V、753.7mV，具體如圖2所示。對輸入信號的幅值予以改變，輸入電壓增加到15mV，而在此時輸出電壓波形如圖3（1）所示。對偏置電阻予以改變，把電阻Rb1增加至25kΩ，最終所得到的電壓波如下圖3（2）所示。通過對上述仿真結果的總結與分析，可以得出以下五點結論：第一，當輸出電壓大于輸入電壓幅值時，電路具備電壓放大的功能；第二，當輸入電壓和輸出電壓在相位上相差180º時，共射極電路具備反相功能；第三，在輸入信號較大，且輸出信號正負半周不對稱時，將會出現失真的現象；第四，放大電路當中的放大倍數和負載有一定的聯系，其中當負載小時，放大電路的放大倍數就小，反之，負載大，放大倍數也大；第五，當偏置電阻Rb1增加至一定值時，輸出電壓波形的負半周會發生失真的現象。

二、仿真技術在教學中的優勢及注意事項

在中職電子專業教學中應用仿真技術，具有一定的優越性。一是應用范疇比較廣，且有極強的拓展性。仿真教學能夠提供多種多樣的實驗教學程序與實驗電路板，能夠廣泛運用于各種電子課程，例如模擬電子技術、電子測量技術等。二是有比較高的效率。仿真技術能夠提供各種信號源、數字存儲示波器等虛擬儀器，能夠進行數據的采集與處理，展開溫度檢測控制，以及進行電路設計實驗等。三是有較強的趣味性。在教學過程中進行仿真教學，能夠極大地激發學生學習的興趣與熱情，將全部的精力都投入到教學活動中。此外，仿真實驗的成本較低，可以隨時展開仿真教學。

放大電路的設計與仿真范文第5篇

關鍵詞： OTL功率放大電路Multisim仿真教學設計

隨著計算機技術飛速發展，電路設計可以通過計算機輔助分析和仿真技術完成。計算機仿真在教學中的應用，代替了大包大攬的試驗電路，大大減輕驗證階段的工作量；其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業教學搭建了良好的平臺，極大地激發了學生的學習興趣，能夠突出教學重點、突破教學難點；并能保存仿真中產生的各種數據，為整機檢測提供參考數據，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數。采用仿真軟件能滿足整個設計及驗證過程的自動化。

Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，Multisim是一個完整的集成化設計環境。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學生可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實地再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。Multisim能極大地提高學生的學習熱情和積極性，真正地做到了變被動學習為主動學習——這些在教學活動中已經有了很好的體現。

因為《電子線路》是一門比較抽象的課程，也基于學生的基礎知識比較薄弱，所以在課堂教學上要充分利用現有的資源調動學生的學習主動性和積極性。比如說電路模型、投影、仿真，還可以結合實際，讓同學們自己動手制作一些電路，將各個知識點融合在里面，這樣就能避免全理論的灌輸，能讓學生在實際操作時理解理論，教師再在這個基礎上引導學生進一步分析理論，達到理論與實踐相結合的效果。《OTL功率放大電路的調試與測量》是《電子線路》中的內容，本文主要針對實驗課的教學設計，教學對象是職中學生。

關于《OTL功率放大電路的調試與測量》的教學設計，集講授、師生互動、操作演示、學生操作等多種授課方式，主要目的是讓學生在熟悉OTL功率放大器的組成和理解電路的工作原理的基礎上，完成電路的調試和測量。

本設計的操作演示環節是利用電路仿真軟件Multisim實現的。該軟件的界面相當于一個真實的電子實驗臺，電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。Multisim既可對模擬電路或數字電路分別進行仿真，又可進行數模混合仿真，仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打印。

本教學設計的具體流程如下：

1.實驗開始前，針對OTL功率放大電路的電路進行簡單的復習；

2.進入主課程，聯系實際，將功率放大電路的作用更具體地表現出來，讓學生明確實驗的目的，也可以此充分激發學生的興趣，活躍課堂氣氛；

3.試驗前，檢查儀器設備，把實驗中可能出現的問題向學生說明，讓學生能在實驗中著重注意，布置試驗任務：OTL功率放大電路的調試與測量；

4.教師在Multisim做演示實驗，明確實驗步驟，及實驗所需記錄的數據和注意細節；

5.學生操作實驗，在Multisim軟件上操作，同時結合具體電路操作，記錄數據，教師進行個別指導；

6.教師進行實驗數據分析，將Multisim上的仿真數據與具體電路得到的數據進行對比分析，或者將學生的數據與老師的數據進行比較，總結OTL功率放大電路的特點，同時也在其中發現問題并解決；

7.實驗總結，提出要求，在操作過程中，沒有達到要求的學生應在課后加緊練習，跟上課程進度；

8.整理實驗儀器設備。

在《OTL功率放大電路的調試與測量》實驗設計中，Multisim軟件既用于教師的演示實驗，又可讓學生親自體驗，同時還結合了具體電路的操作，更能加深學生對知識的理解和掌握。本實驗的教學設計的優點有：實驗步驟有條理，學生容易理解和上手；教師在Multisim軟件中的實驗示范，可以讓學生更清楚地看到實驗的過程，有利于增強教學效果。學生根據實驗任務進行仿真和具體電路操作，就能很好地完成實驗任務，達到教學目標。利用仿真和電路模型進行實驗操作，操作較簡單，也能減少資源的損耗，提高效率。本實驗設計還充分利用教學資源，如多媒體課件、投影、電路模型等，直觀地展現實驗過程。

傳統的電子技術實驗教學，任課老師在課前把儀器設備及元器件準備好，學生照講義的實驗步驟按部就班地進行，這就不可避免地把學生置于被動地位，他們很少有機會按自己的思維開展設計性實驗。利用Multisim軟件和一臺計算機就能進行電子技術仿真實驗，打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗，增強他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并根據自己的興趣愛好，選擇一些學生喜歡的實驗內容。

利用Multisim軟件，對教師的教學也是一個很好的提高和促進，計算機仿真與虛擬儀器技術給了教師一個更好的平臺，可在沒有實驗經費和實驗室的情況下進行實驗研究和設計。