基于Multisim 7的負(fù)反饋放大電路的研究

引 言

負(fù)反饋在電子線路中有著非常廣泛的應(yīng)用，采用負(fù)反饋是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)的，目的是為了改善放大電路的工作性能，如穩(wěn)定放大倍數(shù)、改變輸入和輸出電阻、減少非線性失真、擴(kuò)展通頻帶等，所以在實(shí)用放大器中幾乎都引入負(fù)反饋。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，即使教師對(duì)負(fù)反饋的概念、反饋的類(lèi)型等都做了全面的分析，但學(xué)生掌握得不夠好。分析其原因，主要有以下幾個(gè)方面。首先，因反饋類(lèi)型較多，如串聯(lián)、并聯(lián)反饋；電流、電壓反饋；直流、交流反饋及正、負(fù)反饋等不同類(lèi)型的反饋，導(dǎo)致學(xué)生概念的混淆和理解的困難，即使通過(guò)上實(shí)驗(yàn)課，也因教學(xué)時(shí)間限制不可能將全部反饋類(lèi)型都進(jìn)行；其次，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)，加上儀器本身的缺陷，所采集到的數(shù)據(jù)量較少且誤差較大，如用示波器對(duì)反饋電路中放大的信號(hào)波形簡(jiǎn)單采集，然后計(jì)算放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻，其結(jié)果與理論值有較大偏差，效果不太理想。這幾年我院將《電子技術(shù)基礎(chǔ)》作為精品課程，按照“五個(gè)一流”的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，探索教學(xué)改革之路，如應(yīng)用EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件Pro-tel、EWB等，特別是使用Multisim 2001及升級(jí)版Mul-tisim 7軟件，作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一種輔助手段，由最初的創(chuàng)建電路圖到現(xiàn)在的仿真實(shí)驗(yàn)及電路設(shè)計(jì)，取得了顯著的教學(xué)效果。

1 仿真電路

Multisim 7軟件用虛擬的元件搭建各種電路、用虛擬的儀表進(jìn)行各種參數(shù)和性能的測(cè)試，在理論課的教學(xué)中，為了增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，運(yùn)用Multisim 7進(jìn)行原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試，將信號(hào)發(fā)生器、波特圖儀、示波器等儀器在屏幕上直觀地顯示出來(lái)，對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、靈敏度分析、溫度掃描分析等，并即時(shí)顯示電路的仿真結(jié)果。再通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的親自操作、觀察現(xiàn)象、得出結(jié)論，使電路理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象緊密結(jié)合，學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程產(chǎn)生了極大的興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力有了較大提高，考試成績(jī)比前幾年也有了顯著提高。本文以交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為例，用Multisim 7進(jìn)行負(fù)反饋放大電路的研究。

首先在Multisim 7中創(chuàng)建仿真電路。進(jìn)入Multi-sim 7仿真環(huán)境，從元件庫(kù)中調(diào)用晶體管(2N2222A，默認(rèn)值β=200、UBE=0.75 V)、電阻、電容、直流電源、開(kāi)關(guān)等元件，從虛擬儀器工具欄中取出函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器，創(chuàng)建仿真電路如圖1所示。

信號(hào)源沒(méi)置頻率1 kHz、幅值1 mV的正弦波；連接地線、節(jié)點(diǎn)等，在Options菜單中，打開(kāi)參數(shù)Prefer-ences對(duì)話框，單擊Show node names對(duì)所創(chuàng)建的電路的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)，其輸出端節(jié)點(diǎn)為14，在圖1中為了簡(jiǎn)化，使電路圖清晰，刪除了其余節(jié)點(diǎn)編號(hào)，至此電路圖已創(chuàng)建。開(kāi)關(guān)A向左扳，開(kāi)關(guān)B打開(kāi)時(shí)，為兩級(jí)阻容耦合放大電路，開(kāi)關(guān)B閉合時(shí)，為兩級(jí)阻容耦合電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。

首先，測(cè)兩級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，將信號(hào)源短接，用直流電流表、電壓表分別測(cè)出基極、集電極電流及管壓降，其值為IB1=5.63μA，IC1=1.2 mA，UCE1=7.13 V，IB2=7.58μA，IC2=1.6 mA，UCE2=5.18 V。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)相同。

理論計(jì)算如下：

可見(jiàn)，理論值與實(shí)驗(yàn)值基本相同。

2 電壓放大倍數(shù)

將開(kāi)關(guān)A、C向左扳，D向右扳，即RS串入電路，相當(dāng)于信號(hào)源內(nèi)阻。開(kāi)關(guān)B打開(kāi)(基本放大器)，啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，在示波器Timebase區(qū)設(shè)置X軸的時(shí)基掃描時(shí)間，在Channel A和Channel B區(qū)分別設(shè)置A、B通道輸入信號(hào)在Y軸的顯示刻度。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。

移動(dòng)游標(biāo)讀出輸出電壓、輸入電壓的幅值，則開(kāi)環(huán)時(shí)的電壓放大倍數(shù)為Au=uo／uj=148.916 6；再將開(kāi)關(guān)B閉合(負(fù)反饋放大器)，方法同上。其仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

因此，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

理論計(jì)算如下。

1) 開(kāi)環(huán)

式中：rbel=4.77 kΩ；rbe2=3.59 kΩ；RL1=RC1∥Rb21∥Rb22∥[rbe2+(1+β)Re3]=2.92kΩ；RL=RC2∥RL=3.33 kΩ。

因此，Au=Au1Au2=155.67。

2) 閉環(huán)

可以看出，引入負(fù)反饋后電壓放大倍數(shù)降低了。

3 電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

將直流電壓源改為12 V，方法同上，分別測(cè)出開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)的電壓放大倍數(shù)，Au(12V)=138.469 3，Auf(12V)=10.106 4，則開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定度為：

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定度為：

可見(jiàn)，引入負(fù)反饋電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了。

4 信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)反饋效果的影響

用參數(shù)掃描法分析。單擊Simulate菜單中Analy-sis選項(xiàng)下的Parameter Sweep Analysis命令，在彈出的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Analysis Parameter標(biāo)簽，設(shè)置將要掃描分析的信號(hào)源內(nèi)阻的起始值start 100，終止值stop5000，掃描點(diǎn)數(shù)#of 2，點(diǎn)擊Output variables標(biāo)簽，沒(méi)置分析的節(jié)點(diǎn)，選取輸出節(jié)點(diǎn)14作為仿真分析變量，點(diǎn)擊More按扭，在Analysis to下拉菜單中選擇Transientanalysis(瞬態(tài)分析)，默認(rèn)Group all traces on one plot，即將所有的分析曲線放在同一個(gè)圖中顯示。最后單擊Simulate按扭進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

若RS=0，則Aus=Au，Aufs=Auf；若RS=∞，反饋電壓加不到基本放大電路的輸入端，不能參與對(duì)輸出電壓uo的控制作用，uo不受串聯(lián)反饋的影響?？梢?jiàn)，信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)反饋影響較大，為使串聯(lián)反饋能取得最好效果，信號(hào)源內(nèi)阻RS應(yīng)盡可能小。

5 輸入電阻

將交流電壓表和電流表接在輸入端，測(cè)得開(kāi)環(huán)時(shí)，Ui=6.98 mV，Ii=0.901μA，則Ri=Ui／Ii=7.75 kΩ；閉環(huán)時(shí)，Iif=0.061μA，Rif=Uif／Iif=115.13 kΩ。理論值為：Ri=Rb11∥Rb12∥[rbe1+(1+β)Ref]=7.72 kΩ，Rif=Ri(1+AuFu)=114.68 kΩ。可見(jiàn)，串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大。

6 輸出電阻

在輸出端接交流電壓表，測(cè)出開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的輸出電壓，Uo=1.031 V，Uo′=0.07 V，再將開(kāi)關(guān)C打開(kāi)，即負(fù)載RL開(kāi)路，分別測(cè)出開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)的開(kāi)路電壓，Uoc=1.534 V，Uoc=0.072 V，則Ro=(Uoc／Uo-1)RL=4.88 kΩ，Rof=(U′oc／U′o-1)RL=0.29 kΩ。理論值為：Ro∥RC2=5 kΩ，Rof=Ro／(1+AusFu)=0.337 kΩ，輸出電阻減小了。

7 通頻帶

用交流分析法，分別測(cè)量開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的上下限截止頻率。單擊Simulate菜單中Analyses選項(xiàng)下的ACAnalysis(交流分析)命令，在彈出的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Frequency Parameters標(biāo)簽，設(shè)置AC分析時(shí)的參數(shù)頻率：交流分析的起始頻率1 Hz、終止頻率10 GHz、掃描方式Decade、取樣數(shù)量10、縱坐標(biāo)的刻度Linear。最后單擊Simulate按扭進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5中fL=28.3924 Hz，fH=462.407 2 kHz，通頻帶fbw=fH-fL=462.378 9 kHz，穩(wěn)頻時(shí)的增益約為148.088。由圖6，fLf=9.665 4 Hz，fHf=7.880 5 kHz，通頻帶fbwf=fHf-fLf=7.880 4 MHz，穩(wěn)頻時(shí)的增益約為10.094。由此直觀地反映了引入負(fù)反饋后增益降低了，但是擴(kuò)寬了通頻帶。

8 觀察負(fù)反饋對(duì)非線性失真的改善

打開(kāi)開(kāi)關(guān)B(開(kāi)環(huán))，增大輸入信號(hào)的幅值(頻率不變)，使輸出電壓波形出現(xiàn)輕度非線性失真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。再閉合開(kāi)關(guān)B(閉環(huán))，觀察輸出電壓波形，見(jiàn)圖8。可見(jiàn)負(fù)反饋改善了非線性失真。

9 反饋深度對(duì)反饋效果的影響

用參數(shù)掃描法分析，方法同第4節(jié)。仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

設(shè)置將要掃描分析的反饋電阻Rf的起始值、終止值、掃描點(diǎn)數(shù)，即設(shè)置start 5100，stop 51000，#of 2，點(diǎn)擊More按扭，在Analysis to下拉菜單中選擇AC analysis(交流分析)，默認(rèn)Croup all traces on 0ne plot，最后單擊Simulate按扭進(jìn)行仿真。由圖9可見(jiàn)Rf越大，反饋深度(1+AuFu)越小，增益越大，通頻帶越窄，即反饋深度對(duì)反饋效果的影響較大。

10 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Multisim 7的仿真分析，直觀形象地反映了放大電路引入負(fù)反饋后，雖然降低了放大倍數(shù)，但放大電路的其他性能得到了改善。教學(xué)實(shí)踐證明，在電子技術(shù)的理論課教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析，加深了對(duì)電路原理、信號(hào)流通過(guò)程、元器件參數(shù)及電路性能的了解，使抽象的理論形象化，使復(fù)雜的電路分析變得生動(dòng)形象、真實(shí)可信，讓學(xué)生在課堂上就能感受到實(shí)驗(yàn)才能具有的測(cè)試效果，克服了傳統(tǒng)理論教學(xué)的不足，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性積極性、培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力具有重要作用。在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)或電路設(shè)計(jì)時(shí)用EWB模擬，不僅實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^快地進(jìn)行，而且不消耗元器件。有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、工程觀點(diǎn)和分析解決問(wèn)題的能力，方便快捷的仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了教學(xué)效果，值得研究和推廣。