基于Multisim的負(fù)反饋電路性能分析

汪海波，蔣先偉，王菲菲，楊 金，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

1 引言

模擬電子技術(shù)是高校電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的理論性和抽象性[1]。負(fù)反饋在電子電路中有著非常廣泛的應(yīng)用，雖然它使放大器的放大倍數(shù)降低，但能在多方面改善放大器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如穩(wěn)定放大倍數(shù)，改變輸入、輸出電阻，減小非線性失真和展寬通頻帶等。因此，幾乎所有的實(shí)用放大器都帶有負(fù)反饋。負(fù)反饋放大器有四種組態(tài)，即電壓串聯(lián)，電壓并聯(lián)，電流串聯(lián)，電流并聯(lián)。

教材上雖然講述了引入負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響，但內(nèi)容較為復(fù)雜，電路形式多種多樣，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，學(xué)生體會(huì)不深，因此有必要對(duì)這一部分內(nèi)容做一個(gè)理論和實(shí)際的對(duì)比，并詳細(xì)分析，加深對(duì)這一方面知識(shí)的理解。

NI Multisim軟件適合于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路的仿真分析與設(shè)計(jì)，其內(nèi)核是SPICE，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器可以對(duì)器件建模及仿真。SPICE模型庫(kù)采用E-M模型，可模擬晶體管組成的電路特性[2]。Multisim仿真輸出直觀圖形，亦可以輸出數(shù)據(jù)的形式，在電路設(shè)計(jì)和教學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用[3-5]。

本文以電壓串聯(lián)負(fù)反饋為例，首先計(jì)算負(fù)反饋電路的開(kāi)、閉環(huán)放大倍數(shù)，輸入、輸出電阻，通頻帶等參數(shù)，利用Multisim軟件的模型構(gòu)建負(fù)反饋電路，模擬對(duì)應(yīng)參數(shù)，便于直觀的理解負(fù)反饋的各種特性，以及負(fù)反饋對(duì)放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響。文中所選用軟件的版本是Multisim 12.0，晶體管選用2N2221 NPN型硅管，采用共射接法。

2 主要性能指標(biāo)

3)輸入電阻Rif=(1+AVFV)Ri，Ri為基本放大器的輸入電阻；

5)通頻帶fbwf=(1+AVFV)fbw，fbw為基本放大器的通頻帶。

3 實(shí)驗(yàn)電路

圖1為帶有負(fù)反饋的兩級(jí)阻容耦合放大電路，在電路中通過(guò)Rf把輸出電壓uo引回到輸入端，加在晶體管T1的發(fā)射極上，在發(fā)射極電阻RF1上形成反饋電壓uf。根據(jù)反饋的判斷法可知，它屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

圖1 帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩級(jí)阻容耦合放大器

為了對(duì)比反饋的引入對(duì)基本放大器性能參數(shù)的影響，需要了解上述電路的基本放大器的動(dòng)態(tài)參數(shù)。要想得到基本放大器，在負(fù)反饋電路中，不能簡(jiǎn)單地去掉反饋支路，而是要去掉反饋?zhàn)饔?，又要把反饋網(wǎng)絡(luò)的影響(負(fù)載效應(yīng))考慮到基本放大器中去。由于反饋類型是電壓串聯(lián)，故可以按照以下方式得到基本放大器電路。

1)因?yàn)槭请妷贺?fù)反饋，所以可將負(fù)反饋放大器的輸出端交流短路，即令UO=0，此時(shí)Rf相當(dāng)于并聯(lián)在RF1上。

2)由于輸入端是串聯(lián)負(fù)反饋，因此需將反饋放大器的輸入端(T1管的射極)開(kāi)路，此時(shí)(Rf+RF1)相當(dāng)于并接在輸出端，可近似認(rèn)為Rf并接在輸出端。根據(jù)上述規(guī)律，就可得到所要求的如圖2所示的基本放大器。

圖2 基本放大器

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先按照?qǐng)D1和圖2測(cè)試兩級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)晶體管三極的電位值，可以發(fā)現(xiàn)兩級(jí)放大器處于放大狀態(tài)；并且基本放大電路和負(fù)反饋電路的靜態(tài)工作點(diǎn)完全相同，原因是負(fù)反饋為交流反饋，不影響直流通路的電路參數(shù)；另外兩級(jí)放大器是通過(guò)電容耦合，所以兩級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。

表1 負(fù)反饋電路靜態(tài)工作點(diǎn)

其次測(cè)試動(dòng)態(tài)參數(shù)。在測(cè)試動(dòng)態(tài)參數(shù)過(guò)程中，必須用示波器觀察輸出波形。由于實(shí)驗(yàn)電路是阻容耦合兩級(jí)放大，對(duì)于基本放大電路，放大倍數(shù)較高，當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性失真。圖3為典型的基本放大器飽和失真圖形。圖中輸入信號(hào)有效值為10mV時(shí)，輸出信號(hào)產(chǎn)生失真，因此這種電路的輸入信號(hào)需要盡量小，才能不產(chǎn)生誤差?；蛘吒淖僐B2電阻以改變靜態(tài)工作點(diǎn)，減小失真。而對(duì)于相應(yīng)的負(fù)反饋電路，由于負(fù)反饋的存在，導(dǎo)致放大倍數(shù)大幅度降低，出現(xiàn)失真的可能性較小。

圖3 輸入電壓有效值為10mV時(shí)，基本放大器輸入輸出波形

考慮非線性失真問(wèn)題，本次仿真將輸入信號(hào)的有效值設(shè)置為5mV，中頻頻率設(shè)為1kHz。負(fù)反饋放大器、基本放大器輸入輸出波形如圖4、5所示。從圖中可以看出，兩種放大器輸出波形完整，未出現(xiàn)失真情況。在圖4中，輸入信號(hào)的幅值7mV，與設(shè)置值一致，輸出信號(hào)幅值為1.8V；在圖5中，輸出信號(hào)幅值為0.41V。比較兩種電路的輸出幅值，可以看出，在相同輸入信號(hào)下，負(fù)反饋大幅度降低輸出值，也即降低電路放大倍數(shù)。

圖4 輸入電壓有效值為5mV時(shí)，基本放大器輸入輸出波形

圖5 輸入電壓有效值為5mV時(shí)，負(fù)反饋放大器輸入輸出波形

用萬(wàn)用表測(cè)試Ui、UL、UO的有效值，UL指的是圖1和圖2中負(fù)載電阻2.4kΩ的電壓，UO指的是負(fù)載電阻斷開(kāi)時(shí)候的輸出電壓。測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果與圖4、圖5所示波形的值一致，注意圖中顯示的是幅值，而表中顯示的是有效值。

表2 輸入和輸出電壓有效值

最后用軟件的交流分析功能，起始頻率設(shè)為0 Hz，停止頻率設(shè)為10 MHz，掃描類型設(shè)為十倍頻程，以RL的電位值作為分析變量，測(cè)試基本放大電路和負(fù)反饋放大電路的通頻帶，如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為頻率，以對(duì)數(shù)形式顯示，縱坐標(biāo)為放大倍數(shù)。

圖6 基本放大器、負(fù)反饋放大器的通頻帶

5 負(fù)反饋對(duì)放大電路影響分析

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，計(jì)算基本放大器和負(fù)反饋放大器的輸入、輸出電阻，結(jié)果如表3所示。根據(jù)公式下列公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

將計(jì)算結(jié)果列在表3中，其中基本放大器的放大倍數(shù)AV值為513.35，負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)AVf為72，說(shuō)明電路引入負(fù)反饋后，會(huì)大幅度降低電路的放大能力；基本放大器的輸入電阻Ri值為10.89 kΩ，負(fù)反饋放大器的輸入電阻Rif值為49.62 kΩ,說(shuō)明負(fù)反饋的引入能夠提高輸入電阻；同樣的，基本放大器的輸出電阻RO值為1.03 kΩ，負(fù)反饋放大器的輸出電阻ROf值為0.24 kΩ,說(shuō)明負(fù)反饋的引入能夠較大幅度降低輸出電阻。

負(fù)反饋電路與基本放大電路之間性能指標(biāo)應(yīng)該滿足前文提到的關(guān)系，將測(cè)試結(jié)果帶到相關(guān)表達(dá)式中，得到下面的結(jié)果。

反饋系數(shù)

反饋深度

同樣的，通頻帶也應(yīng)該滿足fbwf=(1+AVFV)fbw關(guān)系，按照?qǐng)D6中的仿真結(jié)果，根據(jù)通頻帶的定義，分別找出基本放大器和負(fù)反饋放大器的上限頻率fH和下限頻率fL，并計(jì)算出△f，即為通頻帶，數(shù)據(jù)如表4所示。從數(shù)據(jù)可以看出，引入負(fù)反饋能夠大幅度擴(kuò)展電路的上限頻率，符合理論。結(jié)合反饋深度與基本放大電路通頻帶，計(jì)算反饋電路通頻帶值為2797.34 kHz，但仿真出來(lái)的負(fù)反饋放大器通頻帶1584.86 kHz，小于計(jì)算值。

表3 放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻

表4 上下限頻率和通頻帶

綜合對(duì)比仿真值和計(jì)算值，可以發(fā)現(xiàn)電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋大幅度降低放大倍數(shù)，提高輸入電阻、降低輸出電阻、擴(kuò)展通頻帶，使得電路性能得到大幅度提升，與理論符合。但兩種電路之間的定量關(guān)系只有放大倍數(shù)和輸出電阻仿真值與實(shí)際值匹配得較好，而輸入電阻和通頻帶的仿真值并沒(méi)有理論值大，這可能與Multisim的E-M模型有關(guān)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以電壓串聯(lián)負(fù)反饋為例，介紹了負(fù)反饋電路和基本放大電路關(guān)系，并利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，測(cè)試了主要性能參數(shù)。結(jié)果顯示負(fù)反饋的引入能夠大幅度降低放大倍數(shù)、提高輸入電阻、降低輸出電阻、擴(kuò)展通頻帶。通過(guò)仿真，能夠?qū)⑤^為抽象的理論知識(shí)具體化，加深了學(xué)生對(duì)負(fù)反饋?zhàn)饔玫睦斫?，教學(xué)效果明顯提高。

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