基于Multisim的負(fù)反饋放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真分析

楊 潔，谷肖飛，路書祥，鐘英輝

（鄭州大學(xué) 物理學(xué)院（微電子學(xué)院），河南 鄭州 450001）

0 引 言

模擬電子技術(shù)是電子類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的工程類課程，主要內(nèi)容包括常用半導(dǎo)體器件、基本放大電路、集成運(yùn)算放大器以及放大電路設(shè)計(jì)等。負(fù)反饋放大電路是模擬電子技術(shù)的重點(diǎn)，是設(shè)計(jì)其他實(shí)用放大電路的基礎(chǔ)[1,2]。學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)課程對于學(xué)生來講最重要的是要用工程師的視角去認(rèn)識(shí)和解決問題，而不能像基礎(chǔ)理論課一樣僅僅局限于理論層面的認(rèn)知，因此在該課程的教學(xué)過程中必須與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，才能夠使得學(xué)生更加深刻的理解電路設(shè)計(jì)過程[3,4]。由于目前教學(xué)時(shí)間的限制，在模擬電子技術(shù)課程每一次教學(xué)過程中都采用搭建真實(shí)電路的方法教學(xué)是不現(xiàn)實(shí)的，而Multisim仿真軟件很好地解決了這個(gè)問題[5]。在教學(xué)過程中，通過Multisim軟件對放大電路進(jìn)行仿真，可以直觀地給學(xué)生展示電路測試結(jié)果。下面以兩級耦合負(fù)反饋放大電路為例來闡述Multisim軟件在放大電路學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用。兩級共射負(fù)反饋放大電路如圖1所示。

圖1 兩級共射負(fù)反饋放大電路

1 放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真分析

1.1 放大倍數(shù)測量

在電路信號輸入端接入20 mV/10 kHz正弦波測試信號，用Multisim軟件的虛擬示波器同時(shí)測試電路輸入端和輸出端波形如圖2所示，輸入端信號峰峰值為39.920 mV，輸出端信號峰峰值為3.601 V，計(jì)算可得出放大倍數(shù)為90.2倍，比預(yù)設(shè)的100倍約小10%。這是因?yàn)?00倍是根據(jù)開環(huán)增益為無窮大時(shí)的估算值，而實(shí)際的兩極共射放大電路的放大倍數(shù)并不能像集成運(yùn)算放大電路一樣達(dá)到近似于無窮大的放大倍數(shù)[6]。

圖2 放大電路輸入與輸出信號波形圖

1.2 輸入電阻的測量

圖3 信號源端與放大電路輸入端信號波形圖

1.3 輸出電阻的測量

如果將整個(gè)放大電路等效成為一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源，那么這個(gè)電壓源內(nèi)阻即是該放大電路的輸出電阻，因此放大電路的輸出電阻與負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系。當(dāng)放大電路空載時(shí)的輸出電壓即是這個(gè)等效電壓源的電壓值，當(dāng)放大電路帶上負(fù)載之后，負(fù)載與輸出電阻一起串聯(lián)分壓，因此負(fù)載上獲得的電壓值會(huì)降低。由于負(fù)載電阻是已知的，根據(jù)空載與帶載時(shí)的電壓之比可以推算出輸出電阻值[8]。

2 負(fù)反饋對放大電路性能的影響

2.1 負(fù)反饋對放大倍數(shù)的影響

設(shè)置輸入信號為2 mV/1 kHz，首先將反饋支路斷開，測試無反饋時(shí)的輸出信號。輸入信號峰峰值為3.975 mV，輸出信號峰峰值為3.959 V。由此算出沒有反饋時(shí)放大倍數(shù)A為996倍。接上反饋支路后再次測試輸入信號峰峰值為3.982 mV，輸出信號峰峰值為359.4 mV。計(jì)算得出接入反饋后的放大倍數(shù)為90.3倍，很顯然，接入反饋后放大倍數(shù)減小了。由于該反饋支路的反饋系數(shù)F為100 Ω/(100 Ω+10 kΩ)≈0.009 9，根據(jù)理論計(jì)算放大倍數(shù)應(yīng)該減小為1/（1+AF）倍，即0.092倍，仿真測試結(jié)果恰好驗(yàn)證了這一結(jié)論[9]。

2.2 電壓串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻，減小輸出電阻

在2.1的仿真測試中，斷開反饋時(shí)輸入信號峰峰值為3.975 mV，有反饋時(shí)輸入信號峰峰值為3.982 mV，很顯然放大電路的輸入信號增大了，因此可以推斷出加上串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻增大了[10]。

斷開負(fù)反饋支路，用1.3中測量輸出電阻的方法測量沒有反饋支路時(shí)的輸出電阻。設(shè)置負(fù)載電阻為10 kΩ，帶載時(shí)，輸出信號峰峰值為3.969 V，空載時(shí)輸出信號峰峰值為4.9 V。計(jì)算得出輸出電阻為2.35 kΩ。與1.3中計(jì)算的接入電壓串聯(lián)反饋之后的輸出電阻272 Ω做比較，可以得出輸出電阻明顯減小。

3 結(jié) 論

負(fù)反饋放大電路是模擬電子技術(shù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生通過理論課程的學(xué)習(xí)，對相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)往往停留在理論的認(rèn)知，沒有直觀的理解。通過Multisim軟件仿真，可以分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，可以測量動(dòng)態(tài)參數(shù)，如放大倍數(shù)、輸入電阻以及輸出電阻，還可以深刻理解負(fù)反饋對放大電路性能的影響。通過Multisim仿真練習(xí)，可以達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)際電路的學(xué)習(xí)效果。因而，Multisim軟件對學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)課程具有重要的意義。