基于Multisim 7的负反馈放大电路的研究
时间:10-25
来源:互联网
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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,如用示波器对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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134025owd4tv3acb0.jpg)
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:
![](../img/eec-Analog/Analog-134026dxi5bqzjsgb.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134027l1oxfuoaica.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134028sowitdztsji.jpg)
因此,闭环电压放大倍数为:
![](../img/eec-Analog/Analog-134029xd2auxppzjk.jpg)
理论计算如下。
1) 开环
![](../img/eec-Analog/Analog-134030gtlvjfhnjxs.jpg)
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
![](../img/eec-Analog/Analog-134031xxu5s1kpmsz.jpg)
![](../img/eec-Analog/Analog-1340321eckbrd5zdd.jpg)
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:
![](../img/eec-Analog/Analog-134033fzf4izgs4v3.jpg)
闭环电压放大倍数的稳定度为:
![](../img/eec-Analog/Analog-1340345slggq4qmyv.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-1340354mikoslv0nk.jpg)
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。
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134025owd4tv3acb0.jpg)
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:
![](../img/eec-Analog/Analog-134026dxi5bqzjsgb.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134027l1oxfuoaica.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-134028sowitdztsji.jpg)
因此,闭环电压放大倍数为:
![](../img/eec-Analog/Analog-134029xd2auxppzjk.jpg)
理论计算如下。
1) 开环
![](../img/eec-Analog/Analog-134030gtlvjfhnjxs.jpg)
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
![](../img/eec-Analog/Analog-134031xxu5s1kpmsz.jpg)
![](../img/eec-Analog/Analog-1340321eckbrd5zdd.jpg)
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:
![](../img/eec-Analog/Analog-134033fzf4izgs4v3.jpg)
闭环电压放大倍数的稳定度为:
![](../img/eec-Analog/Analog-1340345slggq4qmyv.jpg)
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。
![](../img/eec-Analog/Analog-1340354mikoslv0nk.jpg)
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。