基于Multisim的负反馈电路性能分析

2018-01-17汪海波蒋先伟王菲菲鲁世斌

合肥师范学院学报 2017年6期

汪海波，蒋先伟，王菲菲，杨金，鲁世斌

(合肥师范学院电子信息工程学院，安徽合肥 230601)

1 引言

模拟电子技术是高校电子类专业的基础课程，具有较强的理论性和抽象性[1]。负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等。因此，几乎所有的实用放大器都带有负反馈。负反馈放大器有四种组态，即电压串联，电压并联，电流串联，电流并联。

教材上虽然讲述了引入负反馈对放大电路性能的影响，但内容较为复杂，电路形式多种多样，导致教学效果不佳，学生体会不深，因此有必要对这一部分内容做一个理论和实际的对比，并详细分析，加深对这一方面知识的理解。

NI Multisim软件适合于板级的模拟/数字电路的仿真分析与设计，其内核是SPICE，利用工业标准SPICE模拟器可以对器件建模及仿真。SPICE模型库采用E-M模型，可模拟晶体管组成的电路特性[2]。Multisim仿真输出直观图形，亦可以输出数据的形式，在电路设计和教学方面有着广泛的应用[3-5]。

本文以电压串联负反馈为例，首先计算负反馈电路的开、闭环放大倍数，输入、输出电阻，通频带等参数，利用Multisim软件的模型构建负反馈电路，模拟对应参数，便于直观的理解负反馈的各种特性，以及负反馈对放大器各项性能指标的影响。文中所选用软件的版本是Multisim 12.0，晶体管选用2N2221 NPN型硅管，采用共射接法。

2 主要性能指标

3)输入电阻Rif=(1+AVFV)Ri，Ri为基本放大器的输入电阻；

5)通频带fbwf=(1+AVFV)fbw，fbw为基本放大器的通频带。

3 实验电路

图1为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，在电路中通过Rf把输出电压uo引回到输入端，加在晶体管T1的发射极上，在发射极电阻RF1上形成反馈电压uf。根据反馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈。

图1 带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器

为了对比反馈的引入对基本放大器性能参数的影响，需要了解上述电路的基本放大器的动态参数。要想得到基本放大器，在负反馈电路中，不能简单地去掉反馈支路，而是要去掉反馈作用，又要把反馈网络的影响(负载效应)考虑到基本放大器中去。由于反馈类型是电压串联，故可以按照以下方式得到基本放大器电路。

1)因为是电压负反馈，所以可将负反馈放大器的输出端交流短路，即令UO=0，此时Rf相当于并联在RF1上。

2)由于输入端是串联负反馈，因此需将反馈放大器的输入端(T1管的射极)开路，此时(Rf+RF1)相当于并接在输出端，可近似认为Rf并接在输出端。根据上述规律，就可得到所要求的如图2所示的基本放大器。

图2 基本放大器

4 仿真与实验结果

首先按照图1和图2测试两级放大器的静态工作点，测试结果如表1所示。根据晶体管三极的电位值，可以发现两级放大器处于放大状态；并且基本放大电路和负反馈电路的静态工作点完全相同，原因是负反馈为交流反馈，不影响直流通路的电路参数；另外两级放大器是通过电容耦合，所以两级静态工作点相互独立。

表1 负反馈电路静态工作点

其次测试动态参数。在测试动态参数过程中，必须用示波器观察输出波形。由于实验电路是阻容耦合两级放大，对于基本放大电路，放大倍数较高，当输入信号较大时，会出现非线性失真。图3为典型的基本放大器饱和失真图形。图中输入信号有效值为10mV时，输出信号产生失真，因此这种电路的输入信号需要尽量小，才能不产生误差。或者改变RB2电阻以改变静态工作点，减小失真。而对于相应的负反馈电路，由于负反馈的存在，导致放大倍数大幅度降低，出现失真的可能性较小。

图3 输入电压有效值为10mV时，基本放大器输入输出波形

考虑非线性失真问题，本次仿真将输入信号的有效值设置为5mV，中频频率设为1kHz。负反馈放大器、基本放大器输入输出波形如图4、5所示。从图中可以看出，两种放大器输出波形完整，未出现失真情况。在图4中，输入信号的幅值7mV，与设置值一致，输出信号幅值为1.8V；在图5中，输出信号幅值为0.41V。比较两种电路的输出幅值，可以看出，在相同输入信号下，负反馈大幅度降低输出值，也即降低电路放大倍数。

图4 输入电压有效值为5mV时，基本放大器输入输出波形

图5 输入电压有效值为5mV时，负反馈放大器输入输出波形

用万用表测试Ui、UL、UO的有效值，UL指的是图1和图2中负载电阻2.4kΩ的电压，UO指的是负载电阻断开时候的输出电压。测试结果如表2所示。测试结果与图4、图5所示波形的值一致，注意图中显示的是幅值，而表中显示的是有效值。

表2 输入和输出电压有效值

最后用软件的交流分析功能，起始频率设为0 Hz，停止频率设为10 MHz，扫描类型设为十倍频程，以RL的电位值作为分析变量，测试基本放大电路和负反馈放大电路的通频带，如图6所示。图中横坐标为频率，以对数形式显示，纵坐标为放大倍数。

图6 基本放大器、负反馈放大器的通频带

5 负反馈对放大电路影响分析

根据仿真数据，计算基本放大器和负反馈放大器的输入、输出电阻，结果如表3所示。根据公式下列公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

将计算结果列在表3中，其中基本放大器的放大倍数AV值为513.35，负反馈放大器的放大倍数AVf为72，说明电路引入负反馈后，会大幅度降低电路的放大能力；基本放大器的输入电阻Ri值为10.89 kΩ，负反馈放大器的输入电阻Rif值为49.62 kΩ,说明负反馈的引入能够提高输入电阻；同样的，基本放大器的输出电阻RO值为1.03 kΩ，负反馈放大器的输出电阻ROf值为0.24 kΩ,说明负反馈的引入能够较大幅度降低输出电阻。

负反馈电路与基本放大电路之间性能指标应该满足前文提到的关系，将测试结果带到相关表达式中，得到下面的结果。

反馈系数

反馈深度

同样的，通频带也应该满足fbwf=(1+AVFV)fbw关系，按照图6中的仿真结果，根据通频带的定义，分别找出基本放大器和负反馈放大器的上限频率fH和下限频率fL，并计算出△f，即为通频带，数据如表4所示。从数据可以看出，引入负反馈能够大幅度扩展电路的上限频率，符合理论。结合反馈深度与基本放大电路通频带，计算反馈电路通频带值为2797.34 kHz，但仿真出来的负反馈放大器通频带1584.86 kHz，小于计算值。

表3 放大倍数、输入和输出电阻

表4 上下限频率和通频带

综合对比仿真值和计算值，可以发现电路引入电压串联负反馈大幅度降低放大倍数，提高输入电阻、降低输出电阻、扩展通频带，使得电路性能得到大幅度提升，与理论符合。但两种电路之间的定量关系只有放大倍数和输出电阻仿真值与实际值匹配得较好，而输入电阻和通频带的仿真值并没有理论值大，这可能与Multisim的E-M模型有关。