基于Multisim 7的负反馈放大电路的研究

2007-08-14 15:33:11来源: 电子工程师

引 言

负反馈在电子线路中有着非常广泛的应用,采用负反馈是以降低放大倍数为代价的,目的是为了改善放大电路的工作性能,如稳定放大倍数、改变输入和输出电阻、减少非线性失真、扩展通频带等,所以在实用放大器中几乎都引入负反馈。在以往的教学中发现,即使教师对负反馈的概念、反馈的类型等都做了全面的分析,但学生掌握得不够好。分析其原因,主要有以下几个方面。首先,因反馈类型较多,如串联、并联反馈;电流、电压反馈;直流、交流反馈及正、负反馈等不同类型的反馈,导致学生概念的混淆和理解的困难,即使通过上实验课,也因教学时间限制不可能将全部反馈类型都进行;其次,实验所需时间较长,加上仪器本身的缺陷,所采集到的数据量较少且误差较大,如用示波器反馈电路中放大的信号波形简单采集,然后计算放大倍数、输入和输出电阻,其结果与理论值有较大偏差,效果不太理想。这几年我院将《电子技术基础》作为精品课程,按照“五个一流”的标准建设,探索教学改革之路,如应用EDA(电子设计自动化)软件Pro-tel、EWB等,特别是使用Multisim 2001及升级版Mul-tisim 7软件,作为教学和实验的一种辅助手段,由最初的创建电路图到现在的仿真实验及电路设计,取得了显著的教学效果。

1 仿真电路

Multisim 7软件用虚拟的元件搭建各种电路、用虚拟的仪表进行各种参数和性能的测试,在理论课的教学中,为了增加学生的感性认识,运用Multisim 7进行原理电路设计、电路功能测试,将信号发生器、波特图仪、示波器等仪器在屏幕上直观地显示出来,对电路进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、灵敏度分析温度扫描分析等,并即时显示电路的仿真结果。再通过实验课的亲自操作、观察现象、得出结论,使电路理论与实验现象紧密结合,学生对电子技术基础课程产生了极大的兴趣,增强了学习的主动性与积极性,分析问题与解决问题的能力有了较大提高,考试成绩比前几年也有了显著提高。本文以交流电压串联负反馈放大电路为例,用Multisim 7进行负反馈放大电路的研究。

首先在Multisim 7中创建仿真电路。进入Multi-sim 7仿真环境,从元件库中调用晶体管(2N2222A,默认值β=200、UBE=0.75 V)、电阻、电容、直流电源、开关等元件,从虚拟仪器工具栏中取出函数信号发生器、双踪示波器,创建仿真电路如图1所示。

信号源没置频率1 kHz、幅值1 mV的正弦波;连接地线、节点等,在Options菜单中,打开参数Prefer-ences对话框,单击Show node names对所创建的电路的节点自动编号,其输出端节点为14,在图1中为了简化,使电路图清晰,删除了其余节点编号,至此电路图已创建。开关A向左扳,开关B打开时,为两级阻容耦合放大电路,开关B闭合时,为两级阻容耦合电压串联负反馈放大电路。

首先,测两级的静态工作点,将信号源短接,用直流电流表、电压表分别测出基极、集电极电流及管压降,其值为IB1=5.63μA,IC1=1.2 mA,UCE1=7.13 V,IB2=7.58μA,IC2=1.6 mA,UCE2=5.18 V。开环和闭环时静态工作点相同。

理论计算如下:

可见,理论值与实验值基本相同。

2 电压放大倍数

将开关A、C向左扳,D向右扳,即RS串入电路,相当于信号源内阻。开关B打开(基本放大器),启动仿真开关,在示波器Timebase区设置X轴的时基扫描时间,在Channel A和Channel B区分别设置A、B通道输入信号在Y轴的显示刻度。仿真结果见图2。

移动游标读出输出电压、输入电压的幅值,则开环时的电压放大倍数为Au=uo/uj=148.916 6;再将开关B闭合(负反馈放大器),方法同上。其仿真结果见图3。

因此,闭环电压放大倍数为:

理论计算如下。

1) 开环

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) 闭环



可以看出,引入负反馈后电压放大倍数降低了。

3 电压放大倍数的稳定性

将直流电压源改为12 V,方法同上,分别测出开环和闭环时的电压放大倍数,Au(12V)=138.469 3,Auf(12V)=10.106 4,则开环电压放大倍数的稳定度为:

闭环电压放大倍数的稳定度为:

可见,引入负反馈电压放大倍数的稳定性提高了。

4 信号源内阻对反馈效果的影响

用参数扫描法分析。单击Simulate菜单中Analy-sis选项下的Parameter Sweep Analysis命令,在弹出的对话框中,点击Analysis Parameter标签,设置将要扫描分析的信号源内阻的起始值start 100,终止值stop5000,扫描点数#of 2,点击Output variables标签,没置分析的节点,选取输出节点14作为仿真分析变量,点击More按扭,在Analysis to下拉菜单中选择Transientanalysis(瞬态分析),默认Group all traces on one plot,即将所有的分析曲线放在同一个图中显示。最后单击Simulate按扭进行仿真,其仿真结果见图4。

若RS=0,则Aus=Au,Aufs=Auf;若RS=∞,反馈电压加不到基本放大电路的输入端,不能参与对输出电压uo的控制作用,uo不受串联反馈的影响。可见,信号源内阻对反馈影响较大,为使串联反馈能取得最好效果,信号源内阻RS应尽可能小。

5 输入电阻

将交流电压表和电流表接在输入端,测得开环时,Ui=6.98 mV,Ii=0.901μA,则Ri=Ui/Ii=7.75 kΩ;闭环时,Iif=0.061μA,Rif=Uif/Iif=115.13 kΩ。理论值为:Ri=Rb11∥Rb12∥[rbe1+(1+β)Ref]=7.72 kΩ,Rif=Ri(1+AuFu)=114.68 kΩ。可见,串联负反馈使输入电阻增大。

6 输出电阻

在输出端接交流电压表,测出开环和闭环的输出电压,Uo=1.031 V,Uo′=0.07 V,再将开关C打开,即负载RL开路,分别测出开环和闭环时的开路电压,Uoc=1.534 V,Uoc=0.072 V,则Ro=(Uoc/Uo-1)RL=4.88 kΩ,Rof=(U′oc/U′o-1)RL=0.29 kΩ。理论值为:Ro∥RC2=5 kΩ,Rof=Ro/(1+AusFu)=0.337 kΩ,输出电阻减小了。

7 通频带

用交流分析法,分别测量开环和闭环的上下限截止频率。单击Simulate菜单中Analyses选项下的ACAnalysis(交流分析)命令,在弹出的对话框中,点击Frequency Parameters标签,设置AC分析时的参数频率:交流分析的起始频率1 Hz、终止频率10 GHz、扫描方式Decade、取样数量10、纵坐标的刻度Linear。最后单击Simulate按扭进行仿真,其仿真结果见图5、图6。

图5中fL=28.3924 Hz,fH=462.407 2 kHz,通频带fbw=fH-fL=462.378 9 kHz,稳频时的增益约为148.088。由图6,fLf=9.665 4 Hz,fHf=7.880 5 kHz,通频带fbwf=fHf-fLf=7.880 4 MHz,稳频时的增益约为10.094。由此直观地反映了引入负反馈后增益降低了,但是扩宽了通频带。

8 观察负反馈对非线性失真的改善

打开开关B(开环),增大输入信号的幅值(频率不变),使输出电压波形出现轻度非线性失真,仿真结果见图7。再闭合开关B(闭环),观察输出电压波形,见图8。可见负反馈改善了非线性失真。

9 反馈深度对反馈效果的影响

用参数扫描法分析,方法同第4节。仿真结果见图9。

设置将要扫描分析的反馈电阻Rf的起始值、终止值、扫描点数,即设置start 5100,stop 51000,#of 2,点击More按扭,在Analysis to下拉菜单中选择AC analysis(交流分析),默认Croup all traces on 0ne plot,最后单击Simulate按扭进行仿真。由图9可见Rf越大,反馈深度(1+AuFu)越小,增益越大,通频带越窄,即反馈深度对反馈效果的影响较大。

10 结束语

通过Multisim 7的仿真分析,直观形象地反映了放大电路引入负反馈后,虽然降低了放大倍数,但放大电路的其他性能得到了改善。教学实践证明,在电子技术的理论课教学中应用计算机软件进行仿真分析,加深了对电路原理、信号流通过程、元器件参数及电路性能的了解,使抽象的理论形象化,使复杂的电路分析变得生动形象、真实可信,让学生在课堂上就能感受到实验才能具有的测试效果,克服了传统理论教学的不足,对提高教学质量、激发学习热情、增强学习的主动性积极性、培养电路设计能力和创新能力具有重要作用。在预习实验或电路设计时用EWB模拟,不仅实验能较快地进行,而且不消耗元器件。有利于培养学生的逻辑思维、工程观点和分析解决问题的能力,方便快捷的仿真实验优化了教学效果,值得研究和推广。

关键字:信号  温度  扫描  仿真

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