负反馈对多级放大电路的影响

李泽彬，张 刚，姚有峰，赵江东

(皖西学院 传感网与信息处理综合应用实验室，安徽 六安 237012)

反馈在电子技术中具有广泛的应用，其中负反馈在各种电子设备中的应用更为普遍.在放大电路中，引入适当的负反馈会使放大电路多方面的性能得以改善，如提高静态工作点的稳定性和放大器增益的稳定性、降低非线性失真、改善输入和输出电阻、扩展通频带、抑制干扰和噪声等[1-2]，正因如此，大多数放大器都会引入不同程度和不同类型的负反馈.同时，在电子技术课程中，负反馈电路也是重要内容之一[3]，亦是教学中的难点，学生在知识接受和应用方面较困难.从以上的阐述可知，负反馈在放大电路中的重要性是不言而喻的，但在实际应用放大器时，引入负反馈就需要考虑很多因素，很多学者都在该方面做了有意义的探究[1-2,4-5]，可是大多数学者的研究仅局限于静态工作点、放大器增益、输入和输出电阻以及通频带等基本性能的改善，而对引入负反馈后非线性因素、温度以及反馈深度等的影响考虑较少，致使实际设计出来的放大器存在很多不足.为此，本文设计了一种电压串联型负反馈放大电路，利用Multisim软件仿真，对引入负反馈后的放大电路的基本性能进行了研究，并详细地探讨了温度、反馈深度对电路的影响以及影响负反馈放大电路稳定性的因素.

1 电路结构

本文采用的电路是电压串联型负反馈放大电路，主要包括两部分，即由Q1、Q2构成两级基本电压放大电路和Rf1、Rf、Cf构成的电压串联型交流负反馈电路[4]，如图1所示.信号US经R和C1后，通过Q1、Q2两级放大后，加载到负载RL上.在电路工作时，从负载RL上取得电压信号通过Rf、Cf反馈到放大电路输入端，用于调节电路对信号的处理能力.放大电路之间采用阻容耦合方式连接，目的是隔离前后级直流的影响.在反馈电路中加入电容Cf构成交流反馈，目的是防止因反馈网络的接入造成静态工作点的失调，保证电路放大功能.在电路中设置了开关J2，用于连接和断开负反馈电路.要进行电路研究与分析，首先需调整电路的静态工作点到合适位置，本电路可以通过调整RW1、RW2来设置静态工作点，为了便于分析，本文设置Q1和Q2集电极电路为2mA.

图1 电压串联负反馈放大电路

2 仿真研究

2.1 直流工作点分析

利用Multisim软件的直流工作点分析功能，得到负反馈放大电路有、无反馈时的静态工作点，其分析结果如表1所示.

表1 直流工作点分析结果

由表1可得，无负反馈时Q1和Q2两个晶体管极间电压满足UBE≈6.2V、UC>UB>UE，说明各级放大电路均工作在放大区，能满足不失真放大，即电路参数设置合理；有负反馈与无反馈的结果基本相同，其原因是静态时电容C2、Cf和C4的隔直通交作用，使得各级电路之间、输入与输出之间直流都彼此独立，无相互作用所致.

2.2 电路性能指标测试

(1)电压放大倍数.

图2 电路正常工作时仿真波形

在电路输入端加入有效值为3mV、频率为1kHz的正弦信号US，虚拟示波器观察到的信号如图2所示，各级输出信号无明显非线性失真，第一级输出信号波形与输入信号反相，第二级输出信号波形与输入信号同相.

利用虚拟万用表对输入电压和输出电压进行有效值测量，结果如表2所示，其中Ui是图1中节点1处相对地的电压，UoL是图1中开关J1闭合时负载RL两端电压.由表2可知，引入负反馈电路Rf、Cf后，电路输出电压UoL明显减小，对应的电路放大增益A也有较大幅度减小，这主要是由于负反馈抑制了净输入量，导致了电路放大能力下降.

表2 电压放大倍数测量结果

(2)输入电阻和输出电阻.根据等效电路推导，得到输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式如下：

(1)

(2)

其中式(1)中的Ui是图1中节点1处相对地的电压，Ii是图1中节点1处的电流；式(2)中的Uo和UoL分别是图1中开关J1断开和闭合时负载RL两端电压.测量结果如表3所示，由表3可知，引入电压串联负反馈电路后，输入电阻变大，输出电阻变小，这与理论分析结果[3]一致.

表3 输入电阻和输出电阻测量结果

(3)频率特性.利用Multisim软件的交流分析功能分别对有、无反馈的放大电路进行交流分析，分析结果如图3所示.图3(a)为无反馈时幅频特性曲线，其中幅频放大增益为50.7dB，下降3dB测得上下限截止频率分别为153Hz和224.7kHz.图3(b)为有反馈幅频特性曲线，其中幅频放大增益为32.6dB，下降3dB测得上下限截止频率分别为45.6Hz和1.6MHz.由此可知，引入Rf和Cf构成的电压串联负反馈后，使得幅频特性曲线上限截止频率减小了，下限截止频率提高了，较大幅度地拓宽了放大电路的通频带.

图3 幅频特性分析

由上述分析结果可知，引入电压串联负反馈后，虽然在电路放大倍数上有所牺牲，但对增大输入电阻、提高负载能力(减小输出电阻)、拓宽通频带是有明显改善的.

(4)失真度分析.非线性失真是由放大电路中的非线性元件(如晶体管)造成的.非线性失真度，即谐波总功率与基波总功率之比[5]，可以利用Multisim软件中的失真度分析仪来进行测量.在图1所示条件下，测得无反馈时非线性失真度为5.888%，有反馈时非线性失真度为0.117%，两种情况下的信号与失真度，如图4所示.

图4 US为3mV时，信号与失真度

图5 US为10mV时，输出波形

在图1条件下，增大信号源输出信号，当达到有效值为10mV后，放大电路电压输出波形如图5所示.结果表明，无反馈时电压输出有明显失真，其非线性失真度为26.305%；加入负反馈后，电路输出波形失真明显得到改善[6]，其非线性失真度也减小到0.412%.

由上分析可知，引入负反馈后，非线性失真度有较大程度的降低，其主要原因是引入负反馈后保持了信号基波成分，抑制了谐波成分.

2.3 温度对电路的影响

温度是影响电子电路性能最常见和最基本的因素之一，温度参数的测量与调节又是生产过程自动化的重要任务[7].通常情况下，电子元器件的电气参数会随温度的变化而改变，因此环境温度的变化在一定程度上会对电路的性能指标造成一定的影响.

图6 温度扫描分析

为了分析温度变化对电路性能的影响，本文采用了Multisim软件中的温度扫描分析功能.输入信号源Us是有效值为3mV、频率为1kHz的正弦信号，温度值设置为-20℃、20℃、60℃和100℃，其仿真结果如图6所示.没有负反馈时放大电路输出信号的幅度随温度升高而变小，即对应的电路放大倍数随温度升高而变小；而在放大电路中引入负反馈后，输出信号随温度的升高而变化很小，即对应的电路放大倍数随温度升高几乎不变.造成这种结果的主要原因是三极管等非线性器件的性能受温度影响较大所致，在放大电路中引入负反馈后，能够较大程度地抑制这种非线性的影响，从而提高放大电路放大倍数的稳定性.

2.4 反馈深度对电路的影响

图7 对Rf的参数扫描分析

在放大电路中通常会引入负反馈来提高电路的某些性能，这些性能往往都与反馈深度有关，因此，在电路设计过程中，反馈深度是需要着重考虑的问题之一.

在图1电路中，反馈系数为：

(3)

闭环放大倍数[8]：

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，电路中反馈电阻Rf越大，反馈系数F越小，对应的Af越大.对图1电路进行参数扫描分析，设置Rf电阻分别为560Ω、1kΩ、2kΩ、8.2kΩ和16kΩ，分析结果如图7所示.由图8(a)可以看出，反馈电阻Rf越小，电路放大增益越小，与理论分析结果一致，同时也说明引入反馈深度愈深，电压放大倍数愈小，其对电路的调节能力越强.由图7(b)可以看出，反馈电阻Rf对通频带也有一定影响.

2.5 反馈回路对电路稳定性的影响

放大器引入负反馈后可以改善性能，而且反馈越深，改善效果越显著，但加入负反馈在一定条件下也可以完全破坏放大器的正常工作.在电路工作过程中，由于各种原因使得信号中包含有各种各样不同的频率，有高频含量，也有中频、低频的含量，因此，由文献[9]可知，当电路的附加相移和反馈系数达到一定条件后，在某一频率上产生的附加相移达到180°时，输入、输出就会由中频区的同相变为反相，则引入的负反馈在该频率下会变为正反馈；当反馈足够强时，就会产生自激振荡，从而破坏放大器的正常性能.因此，在该电路中加入负反馈后，也可能影响电路正常的稳定性能.为进一步说明，本文利用Multisim软件的交流分析功能，可以得到加入负反馈的放大电路的相频特性曲线，结果如图8所示.由图8可以看出，在通频带以外的一定范围内，随着频率增大相移也增大，本电路在频率为30.8247MHz处获得的最大相移为-178.76≈180，即在此频率处可能使输入、输出相位相反，再经过反馈环路后，可能会使原来的负反馈变成正反馈[10]，当正反馈足够大时，电路就会出现自激震荡，放大器的放大能力将被完全破坏，由负反馈获得的性能改善也就失去了意义，因此在放大电路设计时，要避免这种情况.

图8 负反馈放大电路的相频特性分析

3 结束语

通过Multisim软件卓越的仿真分析功能，研究了负反馈对多级放大电路的影响，得到：有、无负反馈放大电路的直流工作点基本相同；引入负反馈后电路的基本性能得到了较大的改善，但放大倍数减小了；负反馈能够较大程度地抑制温度造成的非线性影响；反馈深度愈深，电压放大倍数愈小，对电路的调节能力越强；在一定条件下，负反馈可能变成正反馈破坏放大电路的正常性能.所以，在多级放大电路设计中，要选择合适的负反馈才能有效地改善电路的性能.文中所得的结论为多级放大电路的设计提供了更多的依据，同时，也为电子技术课程教学作了有意义的补充.