1、基于 Multisim 的负反馈电路性能分析 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 摘 要： 负反馈是模拟电子课程中的重要概念, 内容抽象繁杂, 与基本放大电路关系密切, 经常造成学生理解混乱。本文以电压串联负反馈电路为例, 利用 Multisim软件仿真功能, 直观的计算负反馈电路的各性能指标和输入输出波形, 将较为抽象的理论知识具体化, 结果表明, 加强了学生对负反馈作用的理解, 教学效果明显提高。关键词： 晶体管; 模拟; 负反馈; Multisim; 电路性能; 作者简介：汪海波 (1983-) , 男, 安徽池州人, 讲师, 博士, 研究方向:集成电路工
2、艺。收稿日期：2017-04-20基金：人才科研启动基金 (2015rcjj07) Performance Analysis of Negative Feedback Circuit Based on MultisimWANG Haibo JIANG Xianwei WANG Feifei YANG Jin LU Shibin School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University; Abstract： Negative feedback is an important concept in anal
3、og electronic courses with abstract content, and closely related to the basic amplification circuit, which often causes confusion for students.In this paper, taking the voltage series negative feedback for example, Using Multisim software circuit simulation function, We calculate intuitively negativ
4、e feedback circuit performance indicators of input and output waveforms, enalbe the abstract theoretical knowledge to become concrete, which helps students understand the role of negative feedback.Keyword： transistor; simulation; negative feedback; Multisim; circuit performance; Received： 2017-04-20
5、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 Mult
6、isim 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
7、, 晶体管选用 2N2221NPN型硅管, 采用共射接法。2 主要性能指标1) 闭环电压放大倍数 为基本放大器 (无反馈) 的电压放大倍数, 即开环电压放大倍数。 (1+A VFV) 为反馈深度, 它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度;3) 输入电阻 Rif= (1+AVFV) Ri, Ri为基本放大器的输入电阻;4) 输出电阻 , RO为基本放大器的输出电阻, A VO为基本放大器 RL时的电压放大倍数;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
8、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 下载原图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)
9、 由于输入端是串联负反馈, 因此需将反馈放大器的输入端 (T 1管的射极) 开路, 此时 (R f+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 下载原图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
10、下载原表 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 下载原图考虑非线性失真问题, 本次仿真将输入信号的有效
11、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。用万用表测试 Ui、U L、U O的有效值, U L指的是图 1 和图 2 中负载电阻 2.4k 的电压, U O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
12、值一致, 注意图中显示的是幅值, 而表中显示的是有效值。图 4 输入电压有效值为 5mV 时, 基本放大器输入输出波形 下载原图图 5 输入电压有效值为 5mV 时, 负反馈放大器输入输出波形 下载原图表 2 输入和输出电压有效值 下载原表 最后用软件的交流分析功能, 起始频率设为 0Hz, 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。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
13、所示。根据公式下列公式:图 6 基本放大器、负反馈放大器的通频带 下载原图将计算结果列在表 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 10.89k, 负反馈放大器的输入电阻 Rif值为 49.62k, 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 1.03k, 负反馈放大器的输出电阻 ROf值为 0.24k, 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
14、果带到相关表达式中, 得到下面的结果。反馈系数反馈深度闭环放大倍数与仿真 的结果 72 相近, 说明仿真符合理论。两者的输入电阻满足 Rif= (1+AVFV) Ri, 将基本放大器输入电阻 Ri代入后计算出 Rif为 78.30k, 与仿真值 49.62k 差距较大。同理, 按照公式计算出的 AVO为 359.18, RO为 0.20k, 与仿真测试值相差 0.04k。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
15、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 2797.34kHz, 但仿真出来的负反馈放大器通频带 1584.86kHz, 小于计算值。表 3 放大倍数、输入和输出电阻 下载原表 表 4 上下限频率和通频带 下载原表 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
16、与 Multisim 的 E-M 模型有关。6 结语本文以电压串联负反馈为例, 介绍了负反馈电路和基本放大电路关系, 并利用Multisim 软件对电路进行仿真, 测试了主要性能参数。结果显示负反馈的引入能够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。通过仿真, 能够将较为抽象的理论知识具体化, 加深了学生对负反馈作用的理解, 教学效果明显提高。参考文献1童诗白, 华成英.模拟电子技术基础M.4 版北京:高等教育出版社, 2006. 2郝宁眉, 李芳.双极型晶体管温度特性的 Multisim 仿真研究J.仪表技术与传感器, 2010, 4:81-98. 3蒋先伟, 鲁世斌, 范程华, 等.Multisim l0 在模拟电子技术教学中的应用J.合肥师范学院学报, 2014, 32:83-85. 4罗映详, 谭泽富.Multisim 2001 电路仿真软件在负反馈电路教学中的应用J.现代电子技术, 2008, 7:161-162. 5师彦荣, 曾伟.Multisim 10 仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用J.电子与封装, 2011, 5:42-44.
