基于Multisim 7的負反饋放大電路的研究

引 言

負反饋在電子線路中有著非常廣泛的應用，采用負反饋是以降低放大倍數(shù)為代價的，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、擴展通頻帶等，所以在實用放大器中幾乎都引入負反饋。在以往的教學中發(fā)現(xiàn)，即使教師對負反饋的概念、反饋的類型等都做了全面的分析，但學生掌握得不夠好。分析其原因，主要有以下幾個方面。首先，因反饋類型較多，如串聯(lián)、并聯(lián)反饋；電流、電壓反饋；直流、交流反饋及正、負反饋等不同類型的反饋，導致學生概念的混淆和理解的困難，即使通過上實驗課，也因教學時間限制不可能將全部反饋類型都進行；其次，實驗所需時間較長，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，如用示波器對反饋電路中放大的信號波形簡單采集，然后計算放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻，其結果與理論值有較大偏差，效果不太理想。這幾年我院將《電子技術基礎》作為精品課程，按照“五個一流”的標準建設，探索教學改革之路，如應用EDA(電子設計自動化)軟件Pro-tel、EWB等，特別是使用Multisim 2001及升級版Mul-tisim 7軟件，作為教學和實驗的一種輔助手段，由最初的創(chuàng)建電路圖到現(xiàn)在的仿真實驗及電路設計，取得了顯著的教學效果。

1 仿真電路

Multisim 7軟件用虛擬的元件搭建各種電路、用虛擬的儀表進行各種參數(shù)和性能的測試，在理論課的教學中，為了增加學生的感性認識，運用Multisim 7進行原理電路設計、電路功能測試，將信號發(fā)生器、波特圖儀、示波器等儀器在屏幕上直觀地顯示出來，對電路進行直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、靈敏度分析、溫度掃描分析等，并即時顯示電路的仿真結果。再通過實驗課的親自操作、觀察現(xiàn)象、得出結論，使電路理論與實驗現(xiàn)象緊密結合，學生對電子技術基礎課程產(chǎn)生了極大的興趣，增強了學習的主動性與積極性，分析問題與解決問題的能力有了較大提高，考試成績比前幾年也有了顯著提高。本文以交流電壓串聯(lián)負反饋放大電路為例，用Multisim 7進行負反饋放大電路的研究。

首先在Multisim 7中創(chuàng)建仿真電路。進入Multi-sim 7仿真環(huán)境，從元件庫中調(diào)用晶體管(2N2222A，默認值β=200、UBE=0.75 V)、電阻、電容、直流電源、開關等元件，從虛擬儀器工具欄中取出函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器，創(chuàng)建仿真電路如圖1所示。

信號源沒置頻率1 kHz、幅值1 mV的正弦波；連接地線、節(jié)點等，在Options菜單中，打開參數(shù)Prefer-ences對話框，單擊Show node names對所創(chuàng)建的電路的節(jié)點自動編號，其輸出端節(jié)點為14，在圖1中為了簡化，使電路圖清晰，刪除了其余節(jié)點編號，至此電路圖已創(chuàng)建。開關A向左扳，開關B打開時，為兩級阻容耦合放大電路，開關B閉合時，為兩級阻容耦合電壓串聯(lián)負反饋放大電路。

首先，測兩級的靜態(tài)工作點，將信號源短接，用直流電流表、電壓表分別測出基極、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。開環(huán)和閉環(huán)時靜態(tài)工作點相同。

理論計算如下：

可見，理論值與實驗值基本相同。

2 電壓放大倍數(shù)

將開關A、C向左扳，D向右扳，即RS串入電路，相當于信號源內(nèi)阻。開關B打開(基本放大器)，啟動仿真開關，在示波器Timebase區(qū)設置X軸的時基掃描時間，在Channel A和Channel B區(qū)分別設置A、B通道輸入信號在Y軸的顯示刻度。仿真結果見圖2。

移動游標讀出輸出電壓、輸入電壓的幅值，則開環(huán)時的電壓放大倍數(shù)為Au=uo／uj=148.916 6；再將開關B閉合(負反饋放大器)，方法同上。其仿真結果見圖3。

因此，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

理論計算如下。

1) 開環(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，分別測出開環(huán)和閉環(huán)時的電壓放大倍數(shù)，Au(12V)=138.469 3，Auf(12V)=10.106 4，則開環(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，引入負反饋電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了。

4 信號源內(nèi)阻對反饋效果的影響

用參數(shù)掃描法分析。單擊Simulate菜單中Analy-sis選項下的Parameter Sweep Analysis命令，在彈出的對話框中，點擊Analysis Parameter標簽，設置將要掃描分析的信號源內(nèi)阻的起始值start 100，終止值stop5000，掃描點數(shù)#of 2，點擊Output variables標簽，沒置分析的節(jié)點，選取輸出節(jié)點14作為仿真分析變量，點擊More按扭，在Analysis to下拉菜單中選擇Transientanalysis(瞬態(tài)分析)，默認Group all traces on one plot，即將所有的分析曲線放在同一個圖中顯示。最后單擊Simulate按扭進行仿真，其仿真結果見圖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，不能參與對輸出電壓uo的控制作用，uo不受串聯(lián)反饋的影響?？梢?，信號源內(nèi)阻對反饋影響較大，為使串聯(lián)反饋能取得最好效果，信號源內(nèi)阻RS應盡可能小。

5 輸入電阻

將交流電壓表和電流表接在輸入端，測得開環(huán)時，Ui=6.98 mV，Ii=0.901μA，則Ri=Ui／Ii=7.75 kΩ；閉環(huán)時，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?？梢?，串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大。

6 輸出電阻

在輸出端接交流電壓表，測出開環(huán)和閉環(huán)的輸出電壓，Uo=1.031 V，Uo′=0.07 V，再將開關C打開，即負載RL開路，分別測出開環(huán)和閉環(huán)時的開路電壓，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，分別測量開環(huán)和閉環(huán)的上下限截止頻率。單擊Simulate菜單中Analyses選項下的ACAnalysis(交流分析)命令，在彈出的對話框中，點擊Frequency Parameters標簽，設置AC分析時的參數(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、縱坐標的刻度Linear。最后單擊Simulate按扭進行仿真，其仿真結果見圖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)頻時的增益約為10.094。由此直觀地反映了引入負反饋后增益降低了，但是擴寬了通頻帶。

8 觀察負反饋對非線性失真的改善

打開開關B(開環(huán))，增大輸入信號的幅值(頻率不變)，使輸出電壓波形出現(xiàn)輕度非線性失真，仿真結果見圖7。再閉合開關B(閉環(huán))，觀察輸出電壓波形，見圖8?？梢娯摲答伕纳屏朔蔷€性失真。

9 反饋深度對反饋效果的影響

用參數(shù)掃描法分析，方法同第4節(jié)。仿真結果見圖9。

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

10 結束語

通過Multisim 7的仿真分析，直觀形象地反映了放大電路引入負反饋后，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。教學實踐證明，在電子技術的理論課教學中應用計算機軟件進行仿真分析，加深了對電路原理、信號流通過程、元器件參數(shù)及電路性能的了解，使抽象的理論形象化，使復雜的電路分析變得生動形象、真實可信，讓學生在課堂上就能感受到實驗才能具有的測試效果，克服了傳統(tǒng)理論教學的不足，對提高教學質量、激發(fā)學習熱情、增強學習的主動性積極性、培養(yǎng)電路設計能力和創(chuàng)新能力具有重要作用。在預習實驗或電路設計時用EWB模擬，不僅實驗能較快地進行，而且不消耗元器件。有利于培養(yǎng)學生的邏輯思維、工程觀點和分析解決問題的能力，方便快捷的仿真實驗優(yōu)化了教學效果，值得研究和推廣。