EWB在負(fù)反饋放大電路中的應(yīng)用

張春霞

（四川省達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,635001）

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EWB在負(fù)反饋放大電路中的應(yīng)用

張春霞

（四川省達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,635001）

摘要：采用負(fù)反饋是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)，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、輸出電阻，減小非線性失真和抑制干擾，擴(kuò)展通頻帶等，所以在實(shí)用電子電路中幾乎都要引入負(fù)反饋。理論分析負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響較為抽象，因此本文通過虛擬實(shí)驗(yàn)，用EWB仿真軟件對(duì)一個(gè)具體的負(fù)反饋放大電路進(jìn)行分析，得出了負(fù)反饋放大電路開環(huán)與閉環(huán)的放大倍數(shù)、輸出電阻、頻率響應(yīng)和失真系數(shù)，也體現(xiàn)了仿真軟件在電路分析中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：EWB；負(fù)反饋；放大電路；仿真分析

0　引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新要求，推動(dòng)了電子線路設(shè)計(jì)方法和手段的進(jìn)步。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法逐步被EDA取代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新要求覆蓋以下三個(gè)方面的內(nèi)容:電路設(shè)計(jì)、電路仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它代表著現(xiàn)代電子商務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的潮流。其中EWB是常見的電路仿真軟件。

EWB軟件一經(jīng)推出就受到各界好評(píng)，尤其在教育領(lǐng)域取得了巨大成功。與其他電子電路設(shè)計(jì)軟件相比具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)創(chuàng)建電路、選用元器件和測(cè)試儀器等均可直接從屏幕上元件庫和儀器庫中直接選取。電子電路的分析、設(shè)計(jì)與仿真工作都可以通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)，不僅為電路設(shè)計(jì)者帶來了無盡的樂趣，而且大大提高了電子設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率。

本文介紹了負(fù)反饋放大電路的特點(diǎn)，負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響，通過軟件搭建實(shí)驗(yàn)對(duì)負(fù)反饋放大電路開環(huán)與閉環(huán)的放大倍數(shù)、輸出電阻、頻率響應(yīng)和失真系數(shù)進(jìn)行分析?？梢院苤庇^地得出結(jié)果。

1　EWB軟件的特點(diǎn)和功能

EWB軟件可以進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，在桌面上提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口。

2　負(fù)反饋放大電路的特點(diǎn)

圖3.1.1　電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的原理圖

提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，減小非線性失真和抑制噪聲，由于負(fù)反饋可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，所以引入負(fù)反饋后，在中頻區(qū)和高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降程度將減小，從而使通頻帶展寬，改變電路的輸入輸出電阻?？傊糯箅娐分幸胴?fù)反饋后，雖然降低了放大倍數(shù)，但大大改善了放大電路的性能。

3　負(fù)反饋放大電路的實(shí)驗(yàn)仿真分析

3.1負(fù)反饋放大電路原理圖的搭建

圖3.1.1是利用EWB軟件搭建的電路圖。它是由分立元件構(gòu)成的兩級(jí)共發(fā)射放大器，可判斷出該電路引入的是交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋，并可計(jì)算出電路的反饋系數(shù)為：Fv=Ref/（Ref+Rf）=R3/ （R3+Rf）=0.2/（0.2+3）=0.063

3.2靜態(tài)工作點(diǎn)分析

靜態(tài)工作點(diǎn)分析是在交流輸入信號(hào)視為零、電路中電容視為開路、電感視為短路時(shí)，電路中只有靜態(tài)的情況下來計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。在電路工作時(shí)，都必須給半導(dǎo)體器件以正確的偏置，靜態(tài)分析就是要分析半導(dǎo)體的偏置。

分析電路在無外加交流輸入信號(hào)下的靜態(tài)電壓和電流。只有正確設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)，才能正常地放大交流信號(hào)，使電路能正常工作。求解電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是電路進(jìn)行交流與瞬態(tài)分析過程的基礎(chǔ)。

（1） 創(chuàng)建電路

（2） 顯示節(jié)點(diǎn)標(biāo)志（ID）

選擇Circuit/Schematic Options/Show/Hide 欄下的Show nodes，電路中各節(jié)點(diǎn)標(biāo)志（ID）就會(huì)顯示在電路中。

（3） 啟動(dòng)靜態(tài)工作點(diǎn)的分析工具

啟動(dòng)靜態(tài)工作點(diǎn)的分析工具，即選擇Analysis/DC operating point 命令，屏幕顯示出Analysis Graphs 窗口，并給出DC Bias的分析結(jié)果，即所有節(jié)點(diǎn)電壓和電源支路電流值。如圖3.2.1所示。

圖3.2.1　負(fù)反饋放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)分析

圖3.3.1　開環(huán)波形圖

（4）測(cè)試結(jié)果

Q1：UC=11.144V（測(cè)試點(diǎn)4）

UB=1.3935V（測(cè)試點(diǎn)3）

UE=0.68794V（測(cè)試點(diǎn)5）

Q2：UC=6.1006V（測(cè)試點(diǎn)10）

UB=4.714V（測(cè)試點(diǎn)9）

UE=3.9537V（測(cè)試點(diǎn)11）

3.3開環(huán)與閉環(huán)的電壓放大倍數(shù)的比較

（1）測(cè)量開環(huán)電壓放大倍數(shù)

按鍵盤的字母“Q”，將開關(guān)K1打向下方，K2閉合，斷開反饋回路，使Rf作為負(fù)載電阻，輸入峰值為2mV，頻率為10KHZ的正弦電壓（Vi），用示波器測(cè)得輸出電壓的峰值為Vo。放大器開環(huán)時(shí)的輸入、輸出波形如圖3.3.1

其中：Channel A（黑色波形）代表輸入波形，5mV/Div。

Channel B（紅色波形）代表輸出波形，1V/Div。

Time base（時(shí)基）0.50mv/Div

根據(jù)波形圖可求得該電路開環(huán)電壓放大倍數(shù)為322

反饋深度：1+AF=1+322 *0.063=21.286

（2）測(cè)量閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

按鍵盤上“Q”鍵，將開關(guān)K1閉合，K2使Rf和R3構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)上述步驟。放大器閉環(huán)時(shí)輸入、輸出波形如圖3.3.2

其中：Channel A（黑色波形）代表輸入波形，5mv/Div。

Channel B（紅色波形）代表輸出波形，200mv/Div。

Time base（時(shí)基）0.5mv/Div。

根據(jù)波形圖可求得該電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為13.68

理論計(jì)算：Avf=A/（1+AF）=322/21.286=15.13

結(jié)論：放大電路引入負(fù)反饋后放大倍數(shù)降低了。

3.4開環(huán)輸出電阻與閉環(huán)輸出電阻的比較

（(1）測(cè)量負(fù)反饋放大器開環(huán)工作輸出電阻

通過控制開關(guān)K1，K2的斷開和閉合，使放大電路處于開環(huán)工作狀態(tài)。打開萬用表，置于正弦電壓有效值測(cè)試檔，分別測(cè)得負(fù)載開路時(shí)輸出電壓為1.35V,負(fù)載接入時(shí)輸出電壓為1.09V

開環(huán)輸出電阻Ro =（/—1）RL=（1.35/1.09—1）6K=1.43K

理論計(jì)算值：Ro =Rc =1.5K

（2）測(cè)量反饋放大器閉環(huán)工作輸出電阻

通過控制開關(guān)K2的斷開和閉合，使放大電路處于閉環(huán)工作狀態(tài)。打開萬用表，置于正弦電壓有效值測(cè)試檔，分別測(cè)得負(fù)載開路時(shí)輸出電壓為38.67mV，負(fù)載接入時(shí)輸出電壓為38.44mV。

閉環(huán)輸出電阻 Ro=（/—1）RL=（38.67/38.44—1）6K=0.036K

理論計(jì)算值： Rof=Ro/（1+AvFv）0.036K

結(jié)論：放大電路中引入負(fù)反饋后輸出電阻變小，因該電路引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，所以能夠穩(wěn)定輸出電壓，降低輸出電阻，同時(shí)提高輸入電阻，如果是其他類型的負(fù)反饋，對(duì)放大電路的交流性能改善也隨之不同。

3.5開環(huán)的頻率響應(yīng)與閉環(huán)的頻率響應(yīng)的比較

（1）負(fù)反饋放大電路在開環(huán)狀態(tài)時(shí)的頻率響應(yīng)

當(dāng)負(fù)反饋放大電路處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，將交流頻率分析設(shè)置對(duì)話框里掃頻的終止頻率和起始頻率分別設(shè)置為1HZ和1GHZ，掃描的形式選擇十進(jìn)制，顯示點(diǎn)按缺省設(shè)置，縱向標(biāo)度選擇線性，選擇節(jié)點(diǎn)12為輸出點(diǎn)。按仿真鍵后的負(fù)反饋放大電路開環(huán)頻率響應(yīng)曲線如圖3.5.1，調(diào)節(jié)測(cè)試針的位置，大約為電路輸出中頻電壓幅值的70%。

電路處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)的下限頻率：FL=100Hz

電路處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)的上限頻率：FH=421KHz

通頻帶寬：Fbw= FH—FL≈421KHz

（2）負(fù)反饋放大電路處于在閉環(huán)狀態(tài)時(shí)的頻率響應(yīng)

用同樣的方法可得放大器閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線，如圖3.5.2

電路處于閉環(huán)狀態(tài)下的上限頻率：FH=13.33MHz

電路處于閉環(huán)狀態(tài)下的下限頻率：FL=9.74Hz

通頻帶寬：Fbw= FH—FL≈13.32MHz

結(jié)論：通過以上分析放大電路引入負(fù)反饋后拓寬了通頻帶。

圖3.5.1　開環(huán)交流頻率分析

4　結(jié)論

通過用EWB軟件對(duì)負(fù)反饋放大電路進(jìn)行仿真，可以明顯觀察到放大電路引入負(fù)反饋之后，放大倍數(shù)雖然下降了，但放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻大大地提高了，同時(shí)穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流，減小了抑制干擾和非線性失真，拓寬了通頻帶，改變了輸出/輸入電阻。與傳統(tǒng)的反饋實(shí)驗(yàn)比較，利用EWB進(jìn)行仿真分析更直觀，簡潔。在傳統(tǒng)的負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)中，由于元器件參數(shù)受溫度影響的不穩(wěn)定性，儀器儀表本身的缺陷，加上測(cè)試帶來的誤差等等因素，必然造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差很大，其次對(duì)放大電路的頻率特性分析，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難以實(shí)現(xiàn)，必須有1Hz~1GHz頻率寬度的信號(hào)發(fā)生器，而且數(shù)據(jù)采集有一定難度。因此通過EWB電路仿真軟件對(duì)負(fù)反饋放大電路進(jìn)行仿真分析，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，更有利于加深對(duì)負(fù)反饋電路的理解。

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作者簡介

張春霞，性別：女，出生年：1976，籍貫：四川省南充市，研究方向：電工電子

圖3.5.2　閉環(huán)交流頻率分析

圖3.3.2　閉環(huán)波形圖

The application of EWB in the negative feedback amplification circuits

Zhang Chunxia
（Dazhou Vocational and Technological College,Dazhou Sichuan,635001,China）

Abstract：The objective of adopting negative feedback only at the cost of lower magnification is to improv e function of amplification circuits, such as the stabilization of magnification times, the change of the i nput and output resistance, the reduction of nonlinear distortion and restraining interference,the extensio n of pass band and so on. The negative feedback is almost introduced in the practical electronic circuits. Theoretical analysis of the influence of negative feedback of amplifier circuit is very abstract.Analyzing a specific negative feedback amplifier circuit with EWB simulation software in the virtual experiment, thi s article drew a conclusion that magnification times of open loop and closed loop in the negative feedback amplifier circuit, output resistance, frequency response and distortion factor also reflected the superiori ty of the simulation software in the analysis of the circuits.

Keywords：EWB, negative feedback;amplification circuits;simulation analysis