負(fù)反饋對(duì)多級(jí)放大電路的影響

李澤彬，張 剛，姚有峰，趙江東

(皖西學(xué)院 傳感網(wǎng)與信息處理綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，安徽 六安 237012)

反饋在電子技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，其中負(fù)反饋在各種電子設(shè)備中的應(yīng)用更為普遍.在放大電路中，引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋會(huì)使放大電路多方面的性能得以改善，如提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性和放大器增益的穩(wěn)定性、降低非線性失真、改善輸入和輸出電阻、擴(kuò)展通頻帶、抑制干擾和噪聲等[1-2]，正因如此，大多數(shù)放大器都會(huì)引入不同程度和不同類型的負(fù)反饋.同時(shí)，在電子技術(shù)課程中，負(fù)反饋電路也是重要內(nèi)容之一[3]，亦是教學(xué)中的難點(diǎn)，學(xué)生在知識(shí)接受和應(yīng)用方面較困難.從以上的闡述可知，負(fù)反饋在放大電路中的重要性是不言而喻的，但在實(shí)際應(yīng)用放大器時(shí)，引入負(fù)反饋就需要考慮很多因素，很多學(xué)者都在該方面做了有意義的探究[1-2,4-5]，可是大多數(shù)學(xué)者的研究僅局限于靜態(tài)工作點(diǎn)、放大器增益、輸入和輸出電阻以及通頻帶等基本性能的改善，而對(duì)引入負(fù)反饋后非線性因素、溫度以及反饋深度等的影響考慮較少，致使實(shí)際設(shè)計(jì)出來的放大器存在很多不足.為此，本文設(shè)計(jì)了一種電壓串聯(lián)型負(fù)反饋放大電路，利用Multisim軟件仿真，對(duì)引入負(fù)反饋后的放大電路的基本性能進(jìn)行了研究，并詳細(xì)地探討了溫度、反饋深度對(duì)電路的影響以及影響負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的因素.

1 電路結(jié)構(gòu)

本文采用的電路是電壓串聯(lián)型負(fù)反饋放大電路，主要包括兩部分，即由Q1、Q2構(gòu)成兩級(jí)基本電壓放大電路和Rf1、Rf、Cf構(gòu)成的電壓串聯(lián)型交流負(fù)反饋電路[4]，如圖1所示.信號(hào)US經(jīng)R和C1后，通過Q1、Q2兩級(jí)放大后，加載到負(fù)載RL上.在電路工作時(shí)，從負(fù)載RL上取得電壓信號(hào)通過Rf、Cf反饋到放大電路輸入端，用于調(diào)節(jié)電路對(duì)信號(hào)的處理能力.放大電路之間采用阻容耦合方式連接，目的是隔離前后級(jí)直流的影響.在反饋電路中加入電容Cf構(gòu)成交流反饋，目的是防止因反饋網(wǎng)絡(luò)的接入造成靜態(tài)工作點(diǎn)的失調(diào)，保證電路放大功能.在電路中設(shè)置了開關(guān)J2，用于連接和斷開負(fù)反饋電路.要進(jìn)行電路研究與分析，首先需調(diào)整電路的靜態(tài)工作點(diǎn)到合適位置，本電路可以通過調(diào)整RW1、RW2來設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，為了便于分析，本文設(shè)置Q1和Q2集電極電路為2mA.

圖1 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

2 仿真研究

2.1 直流工作點(diǎn)分析

利用Multisim軟件的直流工作點(diǎn)分析功能，得到負(fù)反饋放大電路有、無反饋時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，其分析結(jié)果如表1所示.

表1 直流工作點(diǎn)分析結(jié)果

由表1可得，無負(fù)反饋時(shí)Q1和Q2兩個(gè)晶體管極間電壓滿足UBE≈6.2V、UC>UB>UE，說明各級(jí)放大電路均工作在放大區(qū)，能滿足不失真放大，即電路參數(shù)設(shè)置合理；有負(fù)反饋與無反饋的結(jié)果基本相同，其原因是靜態(tài)時(shí)電容C2、Cf和C4的隔直通交作用，使得各級(jí)電路之間、輸入與輸出之間直流都彼此獨(dú)立，無相互作用所致.

2.2 電路性能指標(biāo)測試

(1)電壓放大倍數(shù).

圖2 電路正常工作時(shí)仿真波形

在電路輸入端加入有效值為3mV、頻率為1kHz的正弦信號(hào)US，虛擬示波器觀察到的信號(hào)如圖2所示，各級(jí)輸出信號(hào)無明顯非線性失真，第一級(jí)輸出信號(hào)波形與輸入信號(hào)反相，第二級(jí)輸出信號(hào)波形與輸入信號(hào)同相.

利用虛擬萬用表對(duì)輸入電壓和輸出電壓進(jìn)行有效值測量，結(jié)果如表2所示，其中Ui是圖1中節(jié)點(diǎn)1處相對(duì)地的電壓，UoL是圖1中開關(guān)J1閉合時(shí)負(fù)載RL兩端電壓.由表2可知，引入負(fù)反饋電路Rf、Cf后，電路輸出電壓UoL明顯減小，對(duì)應(yīng)的電路放大增益A也有較大幅度減小，這主要是由于負(fù)反饋抑制了凈輸入量，導(dǎo)致了電路放大能力下降.

表2 電壓放大倍數(shù)測量結(jié)果

(2)輸入電阻和輸出電阻.根據(jù)等效電路推導(dǎo)，得到輸入電阻Ri和輸出電阻Ro的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

其中式(1)中的Ui是圖1中節(jié)點(diǎn)1處相對(duì)地的電壓，Ii是圖1中節(jié)點(diǎn)1處的電流；式(2)中的Uo和UoL分別是圖1中開關(guān)J1斷開和閉合時(shí)負(fù)載RL兩端電壓.測量結(jié)果如表3所示，由表3可知，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路后，輸入電阻變大，輸出電阻變小，這與理論分析結(jié)果[3]一致.

表3 輸入電阻和輸出電阻測量結(jié)果

(3)頻率特性.利用Multisim軟件的交流分析功能分別對(duì)有、無反饋的放大電路進(jìn)行交流分析，分析結(jié)果如圖3所示.圖3(a)為無反饋時(shí)幅頻特性曲線，其中幅頻放大增益為50.7dB，下降3dB測得上下限截止頻率分別為153Hz和224.7kHz.圖3(b)為有反饋幅頻特性曲線，其中幅頻放大增益為32.6dB，下降3dB測得上下限截止頻率分別為45.6Hz和1.6MHz.由此可知，引入Rf和Cf構(gòu)成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，使得幅頻特性曲線上限截止頻率減小了，下限截止頻率提高了，較大幅度地拓寬了放大電路的通頻帶.

圖3 幅頻特性分析

由上述分析結(jié)果可知，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，雖然在電路放大倍數(shù)上有所犧牲，但對(duì)增大輸入電阻、提高負(fù)載能力(減小輸出電阻)、拓寬通頻帶是有明顯改善的.

(4)失真度分析.非線性失真是由放大電路中的非線性元件(如晶體管)造成的.非線性失真度，即諧波總功率與基波總功率之比[5]，可以利用Multisim軟件中的失真度分析儀來進(jìn)行測量.在圖1所示條件下，測得無反饋時(shí)非線性失真度為5.888%，有反饋時(shí)非線性失真度為0.117%，兩種情況下的信號(hào)與失真度，如圖4所示.

圖4 US為3mV時(shí)，信號(hào)與失真度

圖5 US為10mV時(shí)，輸出波形

在圖1條件下，增大信號(hào)源輸出信號(hào)，當(dāng)達(dá)到有效值為10mV后，放大電路電壓輸出波形如圖5所示.結(jié)果表明，無反饋時(shí)電壓輸出有明顯失真，其非線性失真度為26.305%；加入負(fù)反饋后，電路輸出波形失真明顯得到改善[6]，其非線性失真度也減小到0.412%.

由上分析可知，引入負(fù)反饋后，非線性失真度有較大程度的降低，其主要原因是引入負(fù)反饋后保持了信號(hào)基波成分，抑制了諧波成分.

2.3 溫度對(duì)電路的影響

溫度是影響電子電路性能最常見和最基本的因素之一，溫度參數(shù)的測量與調(diào)節(jié)又是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要任務(wù)[7].通常情況下，電子元器件的電氣參數(shù)會(huì)隨溫度的變化而改變，因此環(huán)境溫度的變化在一定程度上會(huì)對(duì)電路的性能指標(biāo)造成一定的影響.

圖6 溫度掃描分析

為了分析溫度變化對(duì)電路性能的影響，本文采用了Multisim軟件中的溫度掃描分析功能.輸入信號(hào)源Us是有效值為3mV、頻率為1kHz的正弦信號(hào)，溫度值設(shè)置為-20℃、20℃、60℃和100℃，其仿真結(jié)果如圖6所示.沒有負(fù)反饋時(shí)放大電路輸出信號(hào)的幅度隨溫度升高而變小，即對(duì)應(yīng)的電路放大倍數(shù)隨溫度升高而變小；而在放大電路中引入負(fù)反饋后，輸出信號(hào)隨溫度的升高而變化很小，即對(duì)應(yīng)的電路放大倍數(shù)隨溫度升高幾乎不變.造成這種結(jié)果的主要原因是三極管等非線性器件的性能受溫度影響較大所致，在放大電路中引入負(fù)反饋后，能夠較大程度地抑制這種非線性的影響，從而提高放大電路放大倍數(shù)的穩(wěn)定性.

2.4 反饋深度對(duì)電路的影響

圖7 對(duì)Rf的參數(shù)掃描分析

在放大電路中通常會(huì)引入負(fù)反饋來提高電路的某些性能，這些性能往往都與反饋深度有關(guān)，因此，在電路設(shè)計(jì)過程中，反饋深度是需要著重考慮的問題之一.

在圖1電路中，反饋系數(shù)為：

(3)

閉環(huán)放大倍數(shù)[8]：

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，電路中反饋電阻Rf越大，反饋系數(shù)F越小，對(duì)應(yīng)的Af越大.對(duì)圖1電路進(jìn)行參數(shù)掃描分析，設(shè)置Rf電阻分別為560Ω、1kΩ、2kΩ、8.2kΩ和16kΩ，分析結(jié)果如圖7所示.由圖8(a)可以看出，反饋電阻Rf越小，電路放大增益越小，與理論分析結(jié)果一致，同時(shí)也說明引入反饋深度愈深，電壓放大倍數(shù)愈小，其對(duì)電路的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng).由圖7(b)可以看出，反饋電阻Rf對(duì)通頻帶也有一定影響.

2.5 反饋回路對(duì)電路穩(wěn)定性的影響

放大器引入負(fù)反饋后可以改善性能，而且反饋越深，改善效果越顯著，但加入負(fù)反饋在一定條件下也可以完全破壞放大器的正常工作.在電路工作過程中，由于各種原因使得信號(hào)中包含有各種各樣不同的頻率，有高頻含量，也有中頻、低頻的含量，因此，由文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)電路的附加相移和反饋系數(shù)達(dá)到一定條件后，在某一頻率上產(chǎn)生的附加相移達(dá)到180°時(shí)，輸入、輸出就會(huì)由中頻區(qū)的同相變?yōu)榉聪?，則引入的負(fù)反饋在該頻率下會(huì)變?yōu)檎答仯划?dāng)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，從而破壞放大器的正常性能.因此，在該電路中加入負(fù)反饋后，也可能影響電路正常的穩(wěn)定性能.為進(jìn)一步說明，本文利用Multisim軟件的交流分析功能，可以得到加入負(fù)反饋的放大電路的相頻特性曲線，結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，在通頻帶以外的一定范圍內(nèi)，隨著頻率增大相移也增大，本電路在頻率為30.8247MHz處獲得的最大相移為-178.76≈180，即在此頻率處可能使輸入、輸出相位相反，再經(jīng)過反饋環(huán)路后，可能會(huì)使原來的負(fù)反饋?zhàn)兂烧答乕10]，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)，電路就會(huì)出現(xiàn)自激震蕩，放大器的放大能力將被完全破壞，由負(fù)反饋獲得的性能改善也就失去了意義，因此在放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，要避免這種情況.

圖8 負(fù)反饋放大電路的相頻特性分析

3 結(jié)束語

通過Multisim軟件卓越的仿真分析功能，研究了負(fù)反饋對(duì)多級(jí)放大電路的影響，得到：有、無負(fù)反饋放大電路的直流工作點(diǎn)基本相同；引入負(fù)反饋后電路的基本性能得到了較大的改善，但放大倍數(shù)減小了；負(fù)反饋能夠較大程度地抑制溫度造成的非線性影響；反饋深度愈深，電壓放大倍數(shù)愈小，對(duì)電路的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)；在一定條件下，負(fù)反饋可能變成正反饋破壞放大電路的正常性能.所以，在多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中，要選擇合適的負(fù)反饋才能有效地改善電路的性能.文中所得的結(jié)論為多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)提供了更多的依據(jù)，同時(shí)，也為電子技術(shù)課程教學(xué)作了有意義的補(bǔ)充.