放大电路的设计与仿真

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放大电路的设计与仿真范文第1篇

[关键词]低噪声放大器；射频识别；噪声系数；增益；稳定系数

中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0072-02

1 引言

射频识别（RFID）是一种利用射频通信实现非接触的自动识别技术，LNA作为RFID系统的关键器件之一， 主要功能是放大从天线接收到的信号，用于后级电路处理，同时抑制噪声干扰，提高系统的灵敏度，在实现数据无线传输过程中起重要作用。为了减少射频前端电路及天线的体积，目前针对RFID系统的研究主要集中于5.8GHz的高频段。本文采用ATF-541m4晶体管，利用ADS软件通过电路级以及版图级联合仿真，设计了一种可用于RFID系统的5.8GHz单级低噪声放大器。

2 电路设计

设计LNA电路时，需要综合考虑放大器的增益、噪声系数与输入输出匹配等参数。本文采用ATF-541m4晶体管实现低噪声放大器的设计，放大器晶体管的静态工作点将决定所设计的放大器的工作状态，偏置状态不同，晶体管的阻抗特性差别会很大，需要在选定器件后根据设计指标来获得偏置电压信息，设置ATF-541m4晶体管的直流工作点为。所设计的LNA电路原理如图1所示。

其中，R1、R2、R3为直流偏置电阻，Vdc为工作电压，C1、C2为隔直电容，L1、L2为扼流电感，C3、C4为旁路电容，C5、C6、C7为去耦电容。TL1、TL2和Tee1组成了输入端的微带线匹配电路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5组成了输出端的微带线匹配电路。电路的稳定性是放大器能够正常工作的前提，因此需要对晶体管进行增强稳定性的设计。仿真结果表明在3GHz-8GHz频带内，稳定性因子k=1.004，大于1，放大器保持绝对稳定。偏置电路是射频电路的设计中不可缺少的一部分，其主要作用是为放大器等有源器件提供合适的静态工作点，以保证整个电路能够正常工作。根据晶体管的直流工作点可以计算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。输入、输出匹配网络的作用是减小信号反射。若电路不匹配，则会形成反射，降低效率。对于低噪声放大器而言首先需要考虑的是最小噪声，再根据最佳噪声匹配来设计输入端的匹配电路。输出匹配网络的设计主要考虑LNA的驻波比和增益，输出端一般采用共轭匹配以获得最小驻波比和最大增益。通过仿真优化得出本文设计的LNA输出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。

3 电路及版图级联合仿真结果

针对图1所示的电路原理图，利用计算出的各元件参数进行ADS仿真，得出LNA的增益、噪声系数、输入/输出反射系数等的电路仿真结果。再根据原理图生成版图，在版图设计中，需增加一定数量的接地过孔，如果缺少接地过孔，会导致无法得到S参数理想结果。优化后得到的电路版图如图2所示。

图3所示为利用版图进行的联合仿真以及原理图级仿真结果对比。当工作频率为5.8GHz时，联合仿真中增益为10.25dB，满足大于10dB的设计指标，与电路仿真结果相比略有减小；联合仿真中放大器的噪声系数与电路仿真结果良好吻合，约为0.95dB；联合仿真的输入反射系数S11 = -30.16dB，输出反射系数S22 = -15.72dB，说明该放大器的输入匹配较好，但由于输出匹配中微带线的长度较长等原因，输出匹配没有输入匹配的效果好，但满足设计要求。

4 总结

本文以ATF-541m4晶体管为核心，通过设计静态工作点、增益反馈、输入/输出匹配等电路，仿真实现了一种单级低噪声放大器，利用ADS进行了电路级、版图级联合仿真优化，结果表明在5.8 GHz处，放大器增益为10.25dB，噪声系数为0.95 dB，输入与输出的反射系数分别为-30.16 dB和-15.72 dB，稳定系数大于1。

参考文献

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放大电路的设计与仿真范文第2篇

分别以电工及工业电子学课程中典型电路为设计实例，利用Multisim设计仿真实验教学案例，通过仿真实验提高学生对理论知识的理解能力以及学习积极性，使学生真正做到变被动学习为主动学习。

1.1基尔霍夫电流和电压定律的仿真验证基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一，也是最重要的定律之一，它阐明了电路整体结构的规律，应用极为广泛，对该定律掌握的好坏直接影响后续电路知识的学习。该部分内容的仿真实验以验证为主，利用Multisim仿真基尔霍夫定律，绘制具体电路，验证理论教学中的结论。在Multisim环境中设计的验证基尔霍夫电流定律的电路如图1所示。由图1可知：I1＋I2＝I3，I3＋I4＝I2，从仿真实验的角度验证了基尔霍夫电流定律，帮助学生理解电路结点电流代数和等于零，以及电流的正负问题。学生在学习基尔霍夫电压定律时，对回路方向和电位降以及电位升之间的关系问题容易理解错误。为此，通过Multisim仿真实验可以直观地观察到测试结果（见图2）。

1.2晶体三极管放大电路仿真分析晶体三极管放大电路的静态工作点分析和动态性能分析是电子学课程中一个重点内容，尤其是小信号放大电路动态性能分析，在实际中应用十分广泛。结合Multisim对共发射极分压式偏置电路进行仿真，使学生能够直观地理解信号放大的原理，以及静态工作点设置与信号失真的关系。在Multisim环境中设计的晶体三极管放大电路如图3所示。为了使三极管能够完成正常的信号放大，需要设置合理的静态工作点。调节R7＝136kΩ，使Vb＝2．42V，Vc＝7．41V，Ve＝1．79V。此时，在输入端输入一个正弦信号，输出端将输出一个放大的信号（见图4（a））。图中，示波器上半部分显示的为输入信号波形，下半部分显示的波形为输出波形。调节R7＝13．6kΩ，输出端信号将出现饱和失真（见图4（b））；调节R7＝340kΩ，则由于静态工作点过低，输出端信号将出现截止失真（见图4（c））。

1.3运算放大器的电路仿真验证运算放大器在实际的电路设计中应用十分广泛。运算放大器可以用来设计信号调理电路，完成比例、积分、微分、滤波以及信号发生器等功能［10］。掌握了运算放大器的使用，可以方便地设计各种控制电路。本文以LM324为例设计仿真实验。

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电路，通过仿真实验可以更好地理解负反馈以及放大器的“虚短”和“虚断”概念。利用Multisim绘制反相放大电路如图5所示。为了验证电路的性能，输入频率为500Hz、峰值为99．72mV的正弦信号，输出信号峰峰值为1．98V，输入和输出相位差为π，信号幅度之比约为10。值得注意的是，运算放大器的开环增益有上万倍，但由于引入了深度负反馈，放大器的增益只与外接的元件数有关。

1.3.2有源滤波电路仿真分析滤波器就是一种选频电路，它能够从含有各种频率成分的信号中选出有用的信号。利用运算放大器可以设计各种滤波器，这里仅对有源低通滤波器进行验证，通过Multisim仿真一种Sallen－Key电路结构的滤波器的原理（见图6（a））。由图6（b）可知，在增益达到－2．728dB时，fc＝10．879kHz。在0～10kHz范围内的频率对应增益约为0dB，并且增益稳定，符合理论设计要求。

1.3.3运算放大器构成信号发生器仿真分析运算放大器工作在开环或者是正反馈情况下，可以构成信号发生器。该电路采用维恩电桥振荡电路，通过引入正反馈产生一个正弦信号，电路如图7所示。运放反相端接反相差动放大电路，同相端接维恩电桥，电路振荡时产生频率为f＝1／（2πRC）的正弦信号。

1.4555定时器电路仿真分析555时基电路是一种模拟／数字混合集成电路，在外部配上适当阻容元件，可以方便地构成脉冲产生、整形和变换电路，如多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器、自动控制电路、频率变换电路等。555定时器电路除了产生常见的正弦波、矩形波外，还可以产生三角波、锯齿波等。矩形波是其他信号的基础，例如，若矩形波信号加在积分运算电路的输入端，则输出可得三角波；改变积分电路正向积分和反向积分时间常数，使某一方向的积分常数趋于零，则可获得锯齿波。

2结束语

放大电路的设计与仿真范文第3篇

以高频实验箱进行高频小信号放大实验时，实验项目单一，且对高频小信号放大器的理论学习帮助有限。若辅以Multisim12.0仿真软件，硬件无法进行的实验项目可以进行仿真，对于高频小信号放大器理论学习将有更大的帮助。

【关键词】高频小信号放大 硬件实验 Multisim12.0仿真

高频小信号调谐放大器是各类通信设备中常用的功能电路。由于高频小信号放大器电路的理论分析比较抽象，在性能指标计算过程中大多用到近似方法。高频小信号放大器实验的开设可以有更助于学生对理论教学中的理论分析及性能指标含义等理解，提高小信号放大器的教学质量。但基于目前实验条件的限制，学生操作只限定在实验项目有限的实验箱上，硬件电路难以升级，内容理解程度受限。本文将利用Multisim12.0仿真软件，以实验箱的高频小信号放大电路为基础进行仿真搭建，并进行仿真研究，从而弥补硬件电路无法进行的性能指标测试及参数变化对放大电路的性能指标的影响。

1 实验硬件电路

目前高频电子线路实验所用的主要仪器为ZYE1201C3实验箱，高频小信号放大实验电路为共射极接法放大器，硬件电路原理如图1所示。

目前由于实验条件所限，能进行的实验项目只有电路调谐和测量电压增益，在实验中通过调整中周，使电路谐振于输入信号频率10.7MHz，并测量电路的放大倍数为Av===14.7。由于高频小信号放大器的通频带与电压增益的乘积的关系为Av0*Δf0.7=，根据晶体管的工作点查有关手册可计算出其等效Y参数 （其中，|yfe|≈22.5ms，CΣ=123pF ），可近似估算出通频带2Δf0.7=1.97MHz。由于通频带是通过理论近似计算得出，因此实际数值与计算值可能用较大误差。对于理论教学中提到的LC回路的选频作用是怎么样实现的，LC回路的品质因数对放大器性能指标的影响是如何体现的，在上述的实验项目中不能得到体现，这样对于理论教学的中有关问题的帮助作用不大。若在完成实验箱硬件电路基础上，采用Multism12.0仿真软件，搭建与实验箱硬件一样的高频小信号放大电路并进行仿真分析，可以使学生了解高频小信号放大电路设计方法，并深入理解各部分元件在电路中所起到的作用。当改变仿真电路参数时，用虚拟仪器对改变参数后电路的输出电压和通频带进行测量，还能使学生加深高频小信号放大器电路参数变化对性能指标影响的理解。

2 Multisim12.0的仿真电路及分析

2.1 软件介绍

Multisim12.0是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，再结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

将Multisim12.0 仿真软件引入高频小信号放大实验教学，不仅能够克服实验室中的仪器不足的缺点，而且可以实现“软件就是仪器”，“一台计算机就是一个虚拟实验室”，为实验教学现场营造另一种真实的电路工作场景[2]。

2.2 高频小信号放大器仿真电路

用Multisim12.0对实验的硬件电路进行仿真，实验仿真电路如图2所示。由于Multism12.0中没有国产的晶体管3DG12C，这里用通用的2N5551来代替，但在参数模型中将2N5551的参数可以设置与3DG12C的参数相同。由于在Multism12.0中无中周模型[3]，仿真电路中用理想变压器替换，且接入系数假设原边和副边设置为1，并假设谐振电路的品质因数为100。经如上假设后，用理论近似计算出的放大倍数AV==16.1。在输出端用虚拟示波器所得到的电压波形和使用特性分析仪测量通频带输出如图3所示， 在输入输出波形图，可计算出电压放大倍数AV=17.8。在波特分析仪中可以计算出通频带2Δf0.7=2.19MHz。因此，用2N5551所做的仿真电路是可行的。

2.3 LC回路的选频功能

单调谐高频小信号放大器是采用具有选频功能LC谐振回路作为负载的，即对于接近于LC谐振频率的信号进行有较大的增益，对远离谐振频率的信号增益迅速下降。对于ZYE1201C3高频电子线路实验箱来说，其产生的信号源为单一10.7MHz信号，对于LC回路的选频作用将不能进行验证。Multism12.0的仿真电路中，可以设置多个不同频率的信号源，来观察LC的选频功能。高频小信号放大器LC选频功能仿真电路中，同时设置有大小为30mV频率10.7MHz，大小10mV频率60MHz和大小10mV频率120MHz三种电源信号。用虚拟频率计测量放大器输出端的频率，用示波器分别测量输入和输出端的电压波形，如图4所示。从频率计示和输出波形来看，LC回路只对10.7MHz的信号有较大的增益，对其它频率的信号增益近似为0。通过仿真电路，可以使学生加深对C回路选频作用的理解，及如何设置L和C的参数。

2.4 电路参数变化对放大器性能指标的影响

由于实验箱中的电路参数是固定不能改变的，因此，分析高频小信号放大器的性能指标受参数变化影响将不能实现。Multism12.0的仿真电路中，可以方便地设置电路中任一元件的参数。对于学生理解参数变化对高频小信号放大器性能指标影响将有很大的帮助。

2.4.1 选频回路的品质因数对放大器性能的影响

当LC选频网络的品质因数下降到50时，高频小信号放大器的放大倍数将会减小，通频带将增大。品质因数下降后仿真波特图如图5所示。

2.4.2 负载电阻变化对放大器性能的影响

当负载电阻增加到10KΩ时，高频小信号放大器的放大倍数将增大，通频带将会减小。负载增加后仿真波特图如图6所示。

3 结论

通过以上分析可以看出，在高频小信号放大实验中，若先在硬件实验箱上进行调谐和电压增益的实验，将使学生对放大器作用有初步了解。然后用Multism12.0搭建仿真电路，通过改变仿真电路参数，分析当电路参数变化时对高频小信号放大器的增益和通频带的影响。把传统实验箱和仿真软件结合起来的实验方法，可以帮助学生加深高频小信号放大器的理论知识的理解、激发学生的实验兴趣、提高实验教学质量、启发学生的创造性思维。

参考文献

[1]张肃文.高频电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]雷跃，谭永红.NI Multisim11在电力电子技术教学中的应用[J].电子测试，2011（06）：62-65.

[3]殷国东，张敏.中周模型在Multisim中的实现[J].现代电子技术，2012， 35（1）：195-198.

作者简介

张振红（1978-），女，赤峰市人。硕士学位。现供职于长治学院物理系，主要从事电子线路研究。

放大电路的设计与仿真范文第4篇

伴随着科学技术与现代教育技术的发展，各种先进技术被广泛运用到教学领域中，仿真技术作为一种新兴的技术，同样也被运用到电子专业的教学当中，且对促进教学质量与效率的提升，起到了举足轻重的作用。以下笔者以“放大电路”的学习为例，对仿真技术在电子专业教学中的应用进行探讨。在模拟电路中，放大电路是一个极为关键的构成部分，其中最为基本的电路形式就是共射极放大电路。因此，在放大电路教学过程中，首先应当利用多媒体课件对相关的知识点进行说明，例如信号放大的基本概念、共射极电路的构成、各个组成部分的作用、放大电路的动静态特性等。

在对问题进行设计时，可以设计以下问题：怎样在放大电路输入端添加正弦信号？输出信号是否会出现变化？电压放大倍数与什么因素相关？倘若对电路的偏置予以调整，那么输出信号又将发生怎样的改变？之后通过Multisim软件建立共射极电路，然后再展开以下仿真实验。共射极放大电路图如图1所示。将Simulate菜单内的Anslysis下的DCOperatingPoint命令打开，进而得到静态的参数：VB=1.82V，VC=4.84V，VE=1.20V。将正弦电压信号（幅值是5mV）添加在输入端，进而对处于空载状态与接10kΩ负载下的放大电路的输出电压波形予以测定，进而得出参数值分别是1.2V、753.7mV，具体如图2所示。对输入信号的幅值予以改变，输入电压增加到15mV，而在此时输出电压波形如图3（1）所示。对偏置电阻予以改变，把电阻Rb1增加至25kΩ，最终所得到的电压波如下图3（2）所示。通过对上述仿真结果的总结与分析，可以得出以下五点结论：第一，当输出电压大于输入电压幅值时，电路具备电压放大的功能；第二，当输入电压和输出电压在相位上相差180º时，共射极电路具备反相功能；第三，在输入信号较大，且输出信号正负半周不对称时，将会出现失真的现象；第四，放大电路当中的放大倍数和负载有一定的联系，其中当负载小时，放大电路的放大倍数就小，反之，负载大，放大倍数也大；第五，当偏置电阻Rb1增加至一定值时，输出电压波形的负半周会发生失真的现象。

二、仿真技术在教学中的优势及注意事项

在中职电子专业教学中应用仿真技术，具有一定的优越性。一是应用范畴比较广，且有极强的拓展性。仿真教学能够提供多种多样的实验教学程序与实验电路板，能够广泛运用于各种电子课程，例如模拟电子技术、电子测量技术等。二是有比较高的效率。仿真技术能够提供各种信号源、数字存储示波器等虚拟仪器，能够进行数据的采集与处理，展开温度检测控制，以及进行电路设计实验等。三是有较强的趣味性。在教学过程中进行仿真教学，能够极大地激发学生学习的兴趣与热情，将全部的精力都投入到教学活动中。此外，仿真实验的成本较低，可以随时展开仿真教学。

放大电路的设计与仿真范文第5篇

关键词： OTL功率放大电路Multisim仿真教学设计

随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学搭建了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。

Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim能极大地提高学生的学习热情和积极性，真正地做到了变被动学习为主动学习——这些在教学活动中已经有了很好的体现。

因为《电子线路》是一门比较抽象的课程，也基于学生的基础知识比较薄弱，所以在课堂教学上要充分利用现有的资源调动学生的学习主动性和积极性。比如说电路模型、投影、仿真，还可以结合实际，让同学们自己动手制作一些电路，将各个知识点融合在里面，这样就能避免全理论的灌输，能让学生在实际操作时理解理论，教师再在这个基础上引导学生进一步分析理论，达到理论与实践相结合的效果。《OTL功率放大电路的调试与测量》是《电子线路》中的内容，本文主要针对实验课的教学设计，教学对象是职中学生。

关于《OTL功率放大电路的调试与测量》的教学设计，集讲授、师生互动、操作演示、学生操作等多种授课方式，主要目的是让学生在熟悉OTL功率放大器的组成和理解电路的工作原理的基础上，完成电路的调试和测量。

本设计的操作演示环节是利用电路仿真软件Multisim实现的。该软件的界面相当于一个真实的电子实验台，电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，又可进行数模混合仿真，仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

本教学设计的具体流程如下：

1.实验开始前，针对OTL功率放大电路的电路进行简单的复习；

2.进入主课程，联系实际，将功率放大电路的作用更具体地表现出来，让学生明确实验的目的，也可以此充分激发学生的兴趣，活跃课堂气氛；

3.试验前，检查仪器设备，把实验中可能出现的问题向学生说明，让学生能在实验中着重注意，布置试验任务：OTL功率放大电路的调试与测量；

4.教师在Multisim做演示实验，明确实验步骤，及实验所需记录的数据和注意细节；

5.学生操作实验，在Multisim软件上操作，同时结合具体电路操作，记录数据，教师进行个别指导；

6.教师进行实验数据分析，将Multisim上的仿真数据与具体电路得到的数据进行对比分析，或者将学生的数据与老师的数据进行比较，总结OTL功率放大电路的特点，同时也在其中发现问题并解决；

7.实验总结，提出要求，在操作过程中，没有达到要求的学生应在课后加紧练习，跟上课程进度；

8.整理实验仪器设备。

在《OTL功率放大电路的调试与测量》实验设计中，Multisim软件既用于教师的演示实验，又可让学生亲自体验，同时还结合了具体电路的操作，更能加深学生对知识的理解和掌握。本实验的教学设计的优点有：实验步骤有条理，学生容易理解和上手；教师在Multisim软件中的实验示范，可以让学生更清楚地看到实验的过程，有利于增强教学效果。学生根据实验任务进行仿真和具体电路操作，就能很好地完成实验任务，达到教学目标。利用仿真和电路模型进行实验操作，操作较简单，也能减少资源的损耗，提高效率。本实验设计还充分利用教学资源，如多媒体课件、投影、电路模型等，直观地展现实验过程。

传统的电子技术实验教学，任课老师在课前把仪器设备及元器件准备好，学生照讲义的实验步骤按部就班地进行，这就不可避免地把学生置于被动地位，他们很少有机会按自己的思维开展设计性实验。利用Multisim软件和一台计算机就能进行电子技术仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并根据自己的兴趣爱好，选择一些学生喜欢的实验内容。

利用Multisim软件，对教师的教学也是一个很好的提高和促进，计算机仿真与虚拟仪器技术给了教师一个更好的平台，可在没有实验经费和实验室的情况下进行实验研究和设计。