負反饋放大電路的計算及Multisim12仿真

趙華峰

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714099)

通常在實際應用的放大電路里都要引入負反饋，它把輸出電壓或輸出電流的一部分或全部通過反饋網(wǎng)絡，用需要的方式回送到放大電路的輸入回路，來影響輸入電量.存在于放大電路交流通路中的反饋為交流反饋.引入交流負反饋可以改善放大電路的許多性能指標，如提高放大電路增益的穩(wěn)定性，減小非線性失真，抑制干擾和噪聲，提高或者降低輸入電阻、輸出電阻，擴展通頻帶.存在于直流通路的反饋為直流反饋.在電路中引入直流負反饋的目的是穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點［1］.根據(jù)實際設計的要求可以選擇直流負反饋或者交流負反饋，為了檢驗設計的效果是否滿足要求指標，必然要對設計的負反饋放大電路進行計算.反饋放大電路實質(zhì)上是一個帶反饋回路的有源線性網(wǎng)絡，利用電路理論中的節(jié)點電位法、回路電流法或雙口網(wǎng)絡理論都可求解.但是當電路較復雜時可能使用起來不方便.下面主要針對交流負反饋放大電路計算作以探討并在Multisim12上予以仿真.

1 負反饋放大電路的計算

1.1 負反饋放大電路的一般計算方法

圖1 負反饋放大電路的組成框圖

負反饋放大電路的組成包含基本放大電路A和反饋網(wǎng)絡F兩部分，如圖1所示.其中xi、xo、xf、xid分別表示輸入信號、輸出信號、反饋信號、凈輸入信號.放大電路無反饋網(wǎng)絡也稱開環(huán)，放大電路有反饋網(wǎng)絡也稱閉環(huán).

為了簡化計算，假定信號的傳輸是單向的:信號的放大只經(jīng)過基本放大電路而不通過反饋網(wǎng)絡，因為反饋網(wǎng)絡一般由無源元件組成，無放大作用，其正向傳輸作用可以忽略;信號的反饋只通過反饋網(wǎng)絡而不經(jīng)過基本放大電路，因為基本放大電路內(nèi)部反饋作用很小，可以忽略.

由圖1所示的負反饋放大電路組成框圖可得:

基本放大電路的凈輸入信號為

基本放大電路的增益(即開環(huán)增益)為

反饋網(wǎng)絡的反饋系數(shù)為

負反饋放大電路的增益(即閉環(huán)增益)為

將式(1)(2)(3)式代入(4)式得到負反饋放大電路增益的一般表達式為

要說明的是以上表達式針對不同的反饋類型，xi、xo、xf、xid所代表的電量不同，A、Af、F也相應地具有不同的含義和量綱，但環(huán)路增益AF總是無量綱的.

另外，若要確定A的值時，不能將電路簡單地斷開拆環(huán).在框圖中看到基本放大電路和反饋網(wǎng)絡是完全分開的兩部分，但實際的電路并不容易區(qū)分.為了得到基本放大電路，既要實現(xiàn)無反饋，又要保留反饋網(wǎng)絡的負載效應，應做到:(1)在基本放大器輸入端，考慮反饋網(wǎng)絡的負載效應時，對于電壓反饋將輸出端短路，對于電流反饋將輸出端開路;(2)在基本放大器輸出端，考慮反饋網(wǎng)絡的負載效應時，對于串聯(lián)反饋，應使輸入端流入反饋網(wǎng)絡的電流為0，將輸入回路斷開.對于并聯(lián)反饋，應使輸入端加到反饋網(wǎng)絡的電壓為0，將輸入端短路.

1.2 深度負反饋放大電路的近似計算

通常多數(shù)負反饋放大電路都能滿足深度負反饋的條件，有

由式(3)(4)(6)式得

故有

即在深度負反饋時，有vid≈0(虛短)和iid≈0(虛斷)同時存在，利用這兩個概念可以快速方便地估算出負反饋放大電路的閉環(huán)增益或閉環(huán)電壓增益.

2 負反饋放大電路的Multisim12仿真

2.1 用Multisim12仿真負反饋放大電路

NI Multisim12是由美國國家儀器公司(NI，National Instruments)推出的，用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”“軟件即儀器”，是一個集原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件.提供的虛擬測試儀器儀表種類齊全，既有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源，還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖測試儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀等.具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設計人員分析電路的性能.

首先在Multisim12中搭建一個常見的兩級放大電路，并設置好每個元件的參數(shù)，電壓源、信號源、電阻、電容的數(shù)值，如圖2 所示，Q1、Q2的β值分別為β1=120，β2=120，在這個電路中主要討論由R9、C5、R10反饋網(wǎng)絡引入的級間交流電壓串聯(lián)負反饋，再接上示波器和波特測試儀進行仿真，波特測試儀有In和Out兩對端口，其中In端口的+和－分別接電路輸入端的正端和負端;Out端口的+和－分別接電路輸出端的正端和負端.使用波特測試儀時，必須在電路的輸入端接入AC(交流)信號源.仿真結果和波形數(shù)據(jù)如圖3、圖5、圖 7、圖 9 所示.

圖2 帶負反饋的放大電路電壓和頻率特性的測量圖

圖3 帶負反饋的放大電路的輸入、輸出電壓波形圖

圖4 基本放大電路的輸入、輸出電壓波形圖

圖5 帶負反饋的放大電路下限頻率附近的特性

圖6 基本放大電路下限頻率附近的特性

圖7 帶負反饋的放大電路1 kHz附近的頻率特性

圖8 基本放大電路1 kHz附近的頻率特性

圖9 帶負反饋的放大電路上限頻率附近的特性

圖10 基本放大電路上限頻率附近的特性

圖11 基本放大電路電壓和頻率特性的測量圖

然后，再仿真基本放大器電路，既要讓圖2中的反饋信號為0，又要考慮到反饋網(wǎng)絡對基本放大器輸入端和輸出端的負載效應，得到如圖11所示的電路連接圖，再接上示波器和波特測試儀進行仿真.仿真結果和波形數(shù)據(jù)如圖4、圖6、圖8、圖10所示.

2.2 Multisim12仿真結果的計算和分析

先計算閉環(huán)時的情況:

由圖 3 計算出閉環(huán)增益 Af=43.540/2.000=21.77，20lg|Af|=20*lg21.77=26.76 dB.

由圖2估算出反饋系數(shù) F=220/5220=0.042，1/F=23.73.

由圖5讀出下限頻率約為8.185 Hz.

由圖7讀出中頻增益約為26.76 dB.

由圖9讀出上限頻率約為fHf=5.484 MHz.

計算表明:Af和1/F接近相等，相差1.96.

再計算基本放大器電路的情況:

由圖4計算開環(huán)增益，取輸出最大值為兩個游標的平均值5268.093 mV，

由圖6讀出下限頻率約為36.485 Hz.

由圖8讀出中頻增益約為48.687 dB，與計算有點誤差的原因在于游標選擇的頻率為1.036 kHz.

由圖10讀出上限頻率約為fH=436.266 kHz.

由 A和F計算閉環(huán)增益［2］Af=263.68/(1+263.68*0.042)=21.84，這和圖3 測得值相差0.07，比近似估算的誤差1.96小.

由 A、F 和fH的值估算閉環(huán)上限頻率 fHf=(1+263.68*0.042)*436.266 kHz=5.268 MHz和圖9 上限頻率的數(shù)值5.484 MHz比較接近.

通過以上的計算和分析表明，閉環(huán)和開環(huán)仿真得到的增益之間的關系、通頻帶之間的關系都和理論分析吻合得很好.

3 結語

負反饋放大電路的計算當電路較復雜時非常不方便，為此經(jīng)過理論探討之后，利用計算機軟件進行仿真，在仿真時要充分考慮反饋網(wǎng)絡對基本放大器輸入端、輸出端的負載效應的影響.在Multisim12上對常用的帶負反饋的放大電路仿真，經(jīng)過對仿真波形和數(shù)據(jù)的分析計算表明，閉環(huán)和開環(huán)仿真得到的增益之間的關系、通頻帶之間的關系都和理論分析吻合得很好.

［1］江曉安，董秀峰.模擬電子技術［M］.第2版.西安:西安電子科技大學出版社，2004.

［2］康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎(模擬部分)［M］.第5版.北京:高等教育出版社，2006.