《三极管应用分析精粹》基本定稿，Multisim仿真不完全手册
大家好，我是jackielong
公众号已经有一段时间没有发布新文章了，很多粉丝询问今后是否会继续更新，这个问题几乎不需要回复，因为答案是肯定的。目前本人正在全力撰写《三极管应用分析精粹》（以下简称“三极管”），这可以说是一项极具挑战性的系统工程，正所谓：好钢用在刀刃上，所以没有太多剩余的精力弄一些小文章，在此表示抱歉（毕竟来这就是为了学习，好吧，假定是这样）。
不少热心的粉丝也非常关心图书的撰写进度，在此表示感谢，这里发布一下目前状态：《三极管》基本上已经定稿了，相关例程（仿真电路）也已经准备妥当，插图也基本都绘制完毕，眼下正忙于后续的进一步完善中，包括对相关参考文献的最后一次细读（以避免遗漏重要的知识点，到目前为止，写作时虽然零散地参考了一些文献，但主要还是按照自己的思路），遣词造句的优化，理论计算方面的内容进行再次梳理验算，绘图或标记风格的统一化等等。 另外，还要请朋友帮助核一下，避免出现别字、语病以及一些低级错误，这些错误在《电容应用分析精粹》（以下简称“电容”）中是存在的，在此表示非常抱歉，也正因为如此，我才对《三极管》进行了更为严谨的处理。
也有不少粉丝在催，说等不及了，这我能理解，经典图书任谁都会争先恐后地去拜读（哈哈，没错，经典 ，我不是开玩笑！！！），但还是那句话：写书真的不能急！我要为我写的书负责！我宁愿粉丝保持焦急的心情在无止境地期待着，也不愿看到读者拿到新书后脑门透出哪怕一丝的凉意，然后受了刺激后发疯似的逢人便宣传：写这么烂的书也好意思出版，坚决不要买，谁买我就代表月亮揍谁。要知道，曾几何时，我也在心中无数次地呐喊着：我要写好书、经典书，black magic book,我要为科学技术普及到千家万户的光辉事业添砖加瓦，我要为全人类谋求福祉……STOP！简单的说，面子问题！
撰写图书绝对是一件非常枯燥的事情，《三极管》约20万字，基本上囊括了《模拟电子技术》中与三极管有关的内容，但我可以负责任地告诉你：阅读起来真的不会太难，甚至会很轻松，这还真应了一句话：看的人很爽，做的人可不一定（严肃表情）。我不敢保证《电容》能成为诸位心目中的经典，但《三极管》确实很有潜力可以做到，它的主要特色如下：
1、以主题为单位： 购买过《电容》的读者都会知道，我写的书只有章而没有下一级分节（用章节目这种方式写书实在是太没格调了，不要说出去），并且习惯使用“第一人称”着手行文，这非常有利于对主题进行更为深入浅出地系统探讨。很明显，写作难度方面也会上一个台阶，因为我得通过提出一系列巧妙的问题承上启下贯穿始终才能形成完整的一章，然而带来的好处是，尽管有些章节的字数甚至逾万（像写论文一样），但是思路的独特会让你发现一切都很自然，这很大程度上归功于对主题的切入角度、叙述方式以及反复对某些内容讲解次序的调整，不要小看这些能起到画龙点睛效果的小技巧。虽然埋头苦思地探索最合理的教学过程难免会有些副作用（例如失眠），然而这样做是值得的。
另外，在讲解主题时始终遵循的原则是：如果讲不清楚，宁可不写也不要凑数！在我阅读过的技术类图书中，很多图书有这样一个毛病：什么都讲，但都是浅尝辄止，你会发现好像知道了点什么，但好像又无法真正理解它在讲什么，至少你没有办法应用起来！简单的说，你没有顿悟到源头上的“为什么”。或许你还在想：我恐怕得再找几本书对照着阅读才能看得明白。恭喜你！中奖了。
我写的书虽然也有点什么都讲的感觉，但经过主题划分后会非常条理，在力求把知识讲透彻的同时更讲求书意的顺畅（没错，得像写小说一样，必须的呀），例如，有源负载、功放、频率响应、高频传输线、噪声、非线性失真、史密斯圆图、高频放大电路中的阻抗匹配，这样做的目的只有一个：如果要了解三极管某方面的知识点，通过《三极管》就基本上能够掌握源头层面的内容，不需要去参考其它图书（当然，这可能也是我从数本书中总结过来的），而你再去阅读其它图书对应的内容也不会吃力，或者反过来，你要是想不跳着阅读其它经典书，参考一下《三极管》吧，是不是难以置信？我可以回答你：这绝对不会是错觉。
2、它也是一本关于Multisim仿真分析的不完全手册。 很多人对仿真都停留在“知其然而不知其所以然”的层面，不少“肤浅”的教程只是这样一个思路：把仿真对话框中的参数挨个机械地介绍一下（其实就是Multisim帮助文档翻译过来的），然后告诉这里或那里设置一下(却不告诉你为什么要这样，可是这一点却最关键)。虽然结果是出来了，但是却并不是很了解这样做的目的，一旦出了问题(有时候你照着做都会出错)，根本就找不出原因在哪里，正应了那句话：不以原理为基础的仿真都是耍流氓。
不管你信或不信，有时候，哪怕仿真分析中某个小小的选项，它的背后可能就隐藏着很多你并不了解但却非常重要的知识点。我们不讨论怎么样去调元器件或拉线什么的，这样的书可以说是烂大街了，而是更多的结合相关主题将仿真融入进去，使用仿真分析方法来应证理论分析结果的同时也会引出一些与三极管相关的重要概念，这对于深入理解与应用三极管具有很大的价值，而不是简单地去阐述怎么样去仿真。
3、深度挖掘概念、数据、方法之间的关联。 虽然本书的内容很系统，该讲的基本都涉及了，但重点还在于关注很多同类图书中叙述不详或一笔带过的问题。传统教材最大的问题在于脱离实践，很多概念表达相当晦涩，对于初次接触三极管的读者可以说非常不友好，（对于懂的人来说）表达无疑是正确的，但由于缺少诸多关键背景知识（或知识点之间的关键枢纽）导致读者获益并不多，甚至引发“教材无用”的负面评价。
例如，为什么教材上有时用gm有时用hfe呢？使用gm的必要性在哪里呢？为什么较大的集电极电流能使三极管的频率特性变好呢？为什么说共基放大电路适合于高频宽带放大电路呢？为什么说有源负载能够提升放大电路的性能？对于单端输入单端出的差分放大电路，共模信号是什么？差模信号又是什么？它又是怎么样抑制共模信号的呢？ 等等等等
4、理论与实践的真正结合： 学习三极管的目的在于应用，所以本书始终把重点放在对工程师进行放大电路设计有着非凡意义的数据手册，但为了使三极管的整个讲解过程不那么枯燥，我们把相关的参数合理地分散在了全书，在适当的时候也会结合仿真模型来应证理论分析的结果，这非常有助于读者透彻理解三极管各种参数及其对放大电路性能的影响。
例如，为什么三极管的发射结反向击穿电压那么小？为什么通常VCBO总是会大于VCEO呢？怎么样通过数据手册为功率器件选择散热片呢？你可以从数据手册中推断出厂家测试耗散功率的环境吗？什么是三极管的噪声系数？如何根据数据手册设计低噪声放大电路呢？Cob是怎么样影响高频特性的呢？哪些参数会影响三极管电流源电路的恒流特性呢？td,tr,ts,tf是什么？它们之间有什么关系？它们影响电路哪方面的性能呢？rbb.Cbc又是什么东东？
5、独特的行文思路： 我很早就已经提过，独特的思路不仅仅体现在某段或某章节，还有整本书的讲解思路，当我在讲三国演义，或在打篮球，或在卖场对客户进行技术支持，或不自量力跟铃木雅臣比较写作水平等等时候，请务必相信，我真的是一个对写作非常认真的人。
实际上，写一本好书是非常困难的，尤其是在力求使用区别于传统教材的全新思路时，灵感非常重要，这个东西可不是你整天坐在电脑前打字就能出来的，所以我经常在整理一半没思路之后就出去走走……所以说，写书真的不能急。
例如，我们在谈到非线性失真时，首先会非常巧妙地引导出傅立叶变换，使用手工对某些波形的谐波进行分析后，再利用傅立叶分析的仿真结果对照手工计算的数据，这样我们很明确也很直观地明白傅立叶分析的数据到底是什么，最后还会使用另一种谐波仿真分析，并探讨两种分析方式之间的数据对应关系。这样的行文思路充斥着整本图书，对于简单的静态工作点或交流参数（电压放大倍数与输入输出电阻）分析是这样，对于各种电路的频率响应、温度特性、谐波、噪声也是如此，你一定会有“原来是这样”的感觉，而且绝对不止一个。
6、图文并茂： 这也许不算是特点，却是我个人对写作的要求。我绝不希望撰写的图书出现连续数页都只有文字的现象，因为我不愿意看到读者掉入枯燥的陷阱（尽管无图并不代表枯燥）。如果真的是这样，那肯定是写作方法有待改进。对于写作，我是一个追求完美的人，图当然要画，而且要画得漂亮；仿真电路要整理得很干净，在占用较小篇幅的前提下尽量美观；网络节点尽量统一（例如5表示输出信号节点，3表示信号源节点）；仿真波形也要统一标记风格；输出波形宽度会设置为2像素（默认为1像素）等等，或许你会认为这是强迫症，但一个人理应把自己感兴趣的事情做到极致，不是吗？
说实话，迄今为止还没有看到哪怕一本令我感到惊艳的图书，我指的是那种以独特思路撰写且形象易懂的技术类图书（不是说图越多越好，这样理解就太肤浅了），但不是说好书没有，只不过更多所谓的经典书籍阅读起来可能会很枯燥，经典虽然可期，上乘之作却未必（至少我以为），我可能啃得下，但很多读者却不一定熬得下去，真的是相当无聊。例如,霍罗威茨的《电子学》（The art of electronics）被誉为哈佛大学经典教材，但我却并不认为是优秀的，尤其当你想系统学习某一方面知识时（例如三极管），它甚至都不能算是合格的（请原谅我这么说，不信你可以去啃啃看），毕竟《电子学》是作者根据讲稿改编的，课堂与图书的表现手法会有很大的不一样，然而如果只是参考或查阅一些知识点还是很有帮助的，因为涉及的知识面很宽，而且有些内容也讲到了点子上。
总之，我觉得惊艳的图书应该是大众都看得懂，看得轻松，且内容并不肤浅的。如果一本书只是写给懂的人去看的，那就没有出版的必要。有位购买过《电容》的读者是这么评价的（好像是某宝上）：写得太简单了。如果我把看似复杂的内容写得太简单也是一种错的话，那就让我错到底吧！《三极管》越到后面内容会越深。例如，我们会详细讨论史密斯圆图的来源，并使用它为高频放大电路设计匹配网络；我们会详细讨论非线性失真相关的傅里叶变换理论及谐波分析，并通过仿真结果阐述两者的关系；我们会对各种噪声进行详细阐述，并使用仿真验证手工计算结果；我们还会讨论高频应用中的传输线理论，并涉及一些高速高频PCB设计方面的知识；书中虽然也有一些数学理论知识，但这只是一种巧妙的过渡，并且以一种令你惊艳的方式登场的。简单的说，你不必有任何负担！
让我们拭目以待！
搞电子它必须学，模电原来这简单之功率放大器的设计与实现课题
1 绪论
1.1 课题背景功放全称为功率放大电路，在我们的日常生活中会遇到许许多多的功放（扩
音机），比如我们常用的电脑、手机、收音机、 MP3、音响、扩音器等上面都会有功放，可以说在我们生活中遇到的凡是能发出声音的仪器设备上面都会有功放，可见功放和我们的生活联系的是多么的紧密。在我们学习《模拟电子技术》时知道，功放的种类有很多，按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放、乙类功放、甲乙类功放和丁类功放；按电路所用的器材分类， 功放可以分为电子管放大器、 晶体放大器和集成电路放大器； 按照功能分类，功放可以分为前级功放、后级功放和合并式功放；按用途不同，可以分为 AV 功放， Hi-Fi 功放；其中甲乙类是我们比较熟悉的功放。基于功放的实用性与可操作性，这次我们小组选取《功放电路设计》作为设计题目，采用集成功放芯片 TDA2030 为核心 ,设计一个带音量控制、 高音控制、低音控制、左右声道均衡控制的功率放大器。 由此能更加的熟悉功放以及在设计与制作过程中体会设计电子器件的乐趣。
1.2 课题目标
（1）．学习综合性电路设计和电子系统设计、电路装配、指标调测、故障处
理、设计报告的撰写等方法。
（2）．学习电路焊接的基本技巧，熟练使用电烙铁、剪钳、万用表等电子工
具，以及焊接完成后的电路调试、故障处理的能力。
（3）．以小组的方式完成，锻炼我们的团队协作能力，为以后做别的课题打
下基础。
（4）．学习先进的电子电路设计理念，综合应用电子电路的基本知识，采用
EDA 技术独立设计电子电路的方法，（5）．了解 Multisim 的使用方法，学会使用 Multisim 进行模拟电路的设
计、调试，为以后自己能独立设计电路打下基础。（6）．培养理论联系实际的正确设计思路，训练综合应用所学电子电路的理
论知识去分析和解决工程实际问题的能力，培养创新能力。
1.3 TDA2030 的介绍TDA2030A是电话机根生产的音频功放电路，采用 V型 5 脚单列直插式塑料封装结构。如下图所示，按引脚的形状引可分为 H型和 V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。 意大利 SGS公司、美国 RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。
内部结构图
2
1脚是正向输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端
3
TDA2030 特点：
（1）.外接元件非常少。（2）.输出功率大， Po=18W(RL=4Ω)。（3）.采用超小型封装（ TO-220）,可提高组装密度。（4）.开机冲击极小。（5）.内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（ Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。（6）TDA2030A能在最低± 6V最高±22V的电压下工作在± 19V、8Ω阻抗时能够输出 16W的有效功率， THD≤0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。
1.4 双联电位器简介电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。 当电刷沿电阻体移动时， 在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。 电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器。 而双联电位器简单来说就是有两个三脚电位器构成。
1.5 Multisim 软件简介Multisim 是美国国家仪器（NI）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。它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。Multisim 的具体功能为：构建仿真电路、仿真电路环境、 multi mcu（单片机仿真）、 FPGA、PLD，CPLD等仿真、通信系统分析与设计、 PCB设计、自动布线、器件建模及仿真、电路的构建及仿真、系统的组成及仿真、仪表仪器原理及制造仿真。由此可见 Multisim 的功能很是强大，特别是在电子信息方面的应用非常的广泛，使用该软件设计电路由于能实现仿真， 所以既省时间又省物力， 可以实现快速、高效的设计电路。
2 功率放大器设计
2.1功放电路研究的主要问题
（1）要求输出功率尽可能大： 要求输出电流和电压都大， 管子运行在极限状态。
（2）电路效率要高：效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。
（3）非线性失真尽可能小： 功率与失真是一对矛盾， 一般输出功率越大失真越严重。
（4）半导体的散热问题： 功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉， 使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。
（5）功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。
2.2 功率放大器的组成多功能高质量的功率放大器分为两大部分， 即前置放大部分和功率放大及电源部分。
前置放大器： 前置放大器起匹配作用，其输入阻抗高（不小于 10kΩ），可以将前面的信号大部分吸收过去，输出阻抗低（几十Ω以下），可以将信号大部风传送出去。同时，它本身又是一种电流放大器， 将输入的电压信号转化成电流信号，并给予适当的放大。前置放大部分又分为信号源前置放大器和主控前置放大器二部分。信号源前置放大器的作用：均衡输入信号并改善其信噪比。主控前置放大器的作用：三个功能：放大微弱的音频信号，获得平直的频响，进行控制并美化音质。 控制并美化音质是指音量、 响度、音调和通道间的平衡等具体功能。音量控制器：音量控制器一般使用电位器或步进式衰减器。 在双通路立体音系统中，左右两声道的音量控制器一般是采用同轴电位器联动的。音调控制器：弥补扬声器系统或放音环境频率响应的不足， 满足听音者对频响的要求。功率放大：主要功能是对前置放大器输出的信号进行功率放大， 以推动扬声器系统放音。电源：提供稳定的整机电源。音量控制器：音量控制器一般使用电位器或步进式衰减器。 在双通路立体音系统中，左右两声道的音量控制器一般是采用同轴电位器联动的。音调控制器：弥补扬声器系统或放音环境频率响应的不足， 满足听音者对频响的要求。
2.3 稳压电源的设计
C1、C2容量为2200uF的点解电容， C3、C4容量为100000pF的涤纶电容。220V、50Hz的室内电压， 通过13:1的变压器形成 Va-Vb=16.9V、50Hz的交流电压，再经过桥式整流电路和纹波电路形成 Vo+≈+12V、Vo- ≈-12V的直流电压。
2.4 前置放大电路的设计
上图为前置放大器中的音调控制部分，其中电位器 W4为高音控制、电位器 W2为低音控制。当 W4滑至 C23端时，高音经 C23得到衰减； 下图为此时的简图。
3 功率放大器的安装与调试
3.1 安装步骤（1）.将元器件按照类别，大小识别、分类，与说明说上的清单进行对比看有没有遗漏的，然后对二极管等元件进行检测，看是否能正常工作。（2）.先安装并焊接矮小，耐热的元件，如电阻、瓷片电容、导线等，再安装高接+12V大的元件，如电解电容，最后焊接特殊元件，如怕热的三极管（ TDA2030）。（3）.安装散热片。（4）.检查有无未安装焊接完成的部分。
3.2 电路板的检查与调试
检查电路
（1）.检查有无错焊、漏焊、虚焊，焊接部位有无热损伤或机械损伤。通过检查，发现一个电位器疑似虚焊，用万用表电阻档检测，阻值应为
0<r<100k,但实际测量阻值为无穷大。故将此电位器焊点重新焊接，在进行测试，问题得到解决。
（2）.然后对电路板外观进行整体检查后未发现错误，焊点均光亮，无拉尖，接通电源后予以调试时发现右声道无输出。
测试电路
1、当输入 5mV，200Hz的信号时：（1）、W6滑至最左端， W4、W2滑至最右端，调节 W1，得到 77mV的信号，增益约为 15.4；（2）、W6滑至最左端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 14.4V 的信号，增益约为 3000；（3）、W6滑至最右端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 3.5mV的信号，增益约为 0.7（4）、W6滑至最右端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 2.45V 的信号，增益约为 500；
2、当输入 5mV，100Hz的信号时：（1）、W6滑至最左端， W4、W2滑至最右端，调节 W1，得到 22mV的信号，增益约为 4.5；（2）、W6滑至最左端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 4.32V 的信号，增益约为 860；（3）、W6滑至最右端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 1.1mV的信号，增益约为 0.2；（4）、W6滑至最右端， W4、W2滑至最左端，调节 W1，得到 0.74V 的信号，增益约为 150；
误差分析
1. 均衡两边的电压不完全相等，主要是电阻、电容的实际值与标称值之间存在误差，属于元件误差。主要是由于温度的变化引起元件值出现误差。
2. 在交流变直流的输出理论值为 12v 但实际测量值为 12.4v 与理论值之间存在差距， 主要由于中间存在变压、整流、滤波的步骤，但是滤波不一定能滤干净，总之最后出来的波
不一定为完全为一条直线，其结果也不完全为 12v。3. TDA2030为放大低频的放大器，如果选用的频率较高，例如 10kHZ，会导致其增益很低，放大效果不是很好，只有选择 50-100HZ 时，才会有很好的放大效果。
13
4 总结
这三周的课程设计就那么快的过去了， 经过这三周，我们真的觉得自己学的东西还很少，只是用到模电这个知识领域里的很小一部分。通过这次课程设计，我们了解了 TDA2030各个引脚的功能以及用它做功放电路的优势。 知道要保证电路功率放大的作用， 要尽可能减小失真， 防止产生自激振荡， 并要将杂质成分过滤掉，在连接电路图的过程中， 知道了各个元器件的作用， 在课程设计的过程中，加深了对课本知识的理解， 让我们懂得了一点点的知识， 通过这次实训， 我们也借助很多东西去学会了仿真电子技术， 懂得去用仿真来看看设计的正确性。 通过三周，也我们实现了知识与能力的结合， 但是却很难去完成。 在课程设计中我们发现我们的焊接技术是很差的， 出现了很多虚焊， 一开始焊接完后电路板不能正常工作，只有一个音箱响， 通过检查才发现调节右声道的电位器出现了虚焊， 当老师提醒我们时，我们把电位器重新焊接才发现有虚焊。其次在选用电骡铁时，应该选用温度上升较快，且温度持续时间较长的，有利于更好的焊接。 TDA2030为放大低频的放大器，如果选用的频率较高，例如 10kHZ，会导致其增益很低，放大效果不是很好，只有选择 50-100HZ时，才会有很好的放大效果。最后，我们应该好好学习专业的理论知识，当用于实践时，才能更好的明白其原理。
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