汪海波，蔣先偉，王菲菲，楊 金，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

1 引言

模擬電子技術(shù)是高校電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有較強的理論性和抽象性[1]。負反饋在電子電路中有著非常廣泛的應(yīng)用，雖然它使放大器的放大倍數(shù)降低，但能在多方面改善放大器的動態(tài)指標，如穩(wěn)定放大倍數(shù)，改變輸入、輸出電阻，減小非線性失真和展寬通頻帶等。因此，幾乎所有的實用放大器都帶有負反饋。負反饋放大器有四種組態(tài)，即電壓串聯(lián)，電壓并聯(lián)，電流串聯(lián)，電流并聯(lián)。

教材上雖然講述了引入負反饋對放大電路性能的影響，但內(nèi)容較為復(fù)雜，電路形式多種多樣，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，學(xué)生體會不深，因此有必要對這一部分內(nèi)容做一個理論和實際的對比，并詳細分析，加深對這一方面知識的理解。

NI Multisim軟件適合于板級的模擬/數(shù)字電路的仿真分析與設(shè)計，其內(nèi)核是SPICE，利用工業(yè)標準SPICE模擬器可以對器件建模及仿真。SPICE模型庫采用E-M模型，可模擬晶體管組成的電路特性[2]。Multisim仿真輸出直觀圖形，亦可以輸出數(shù)據(jù)的形式，在電路設(shè)計和教學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用[3-5]。

本文以電壓串聯(lián)負反饋為例，首先計算負反饋電路的開、閉環(huán)放大倍數(shù)，輸入、輸出電阻，通頻帶等參數(shù)，利用Multisim軟件的模型構(gòu)建負反饋電路，模擬對應(yīng)參數(shù)，便于直觀的理解負反饋的各種特性，以及負反饋對放大器各項性能指標的影響。文中所選用軟件的版本是Multisim 12.0，晶體管選用2N2221 NPN型硅管，采用共射接法。

2 主要性能指標

3)輸入電阻Rif=(1+AVFV)Ri，Ri為基本放大器的輸入電阻；

5)通頻帶fbwf=(1+AVFV)fbw，fbw為基本放大器的通頻帶。

3 實驗電路

圖1為帶有負反饋的兩級阻容耦合放大電路，在電路中通過Rf把輸出電壓uo引回到輸入端，加在晶體管T1的發(fā)射極上，在發(fā)射極電阻RF1上形成反饋電壓uf。根據(jù)反饋的判斷法可知，它屬于電壓串聯(lián)負反饋。

圖1 帶有電壓串聯(lián)負反饋的兩級阻容耦合放大器

為了對比反饋的引入對基本放大器性能參數(shù)的影響，需要了解上述電路的基本放大器的動態(tài)參數(shù)。要想得到基本放大器，在負反饋電路中，不能簡單地去掉反饋支路，而是要去掉反饋作用，又要把反饋網(wǎng)絡(luò)的影響(負載效應(yīng))考慮到基本放大器中去。由于反饋類型是電壓串聯(lián)，故可以按照以下方式得到基本放大器電路。

1)因為是電壓負反饋，所以可將負反饋放大器的輸出端交流短路，即令UO=0，此時Rf相當于并聯(lián)在RF1上。

2)由于輸入端是串聯(lián)負反饋，因此需將反饋放大器的輸入端(T1管的射極)開路，此時(Rf+RF1)相當于并接在輸出端，可近似認為Rf并接在輸出端。根據(jù)上述規(guī)律，就可得到所要求的如圖2所示的基本放大器。

圖2 基本放大器

4 仿真與實驗結(jié)果

首先按照圖1和圖2測試兩級放大器的靜態(tài)工作點，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)晶體管三極的電位值，可以發(fā)現(xiàn)兩級放大器處于放大狀態(tài)；并且基本放大電路和負反饋電路的靜態(tài)工作點完全相同，原因是負反饋為交流反饋，不影響直流通路的電路參數(shù)；另外兩級放大器是通過電容耦合，所以兩級靜態(tài)工作點相互獨立。

表1 負反饋電路靜態(tài)工作點

其次測試動態(tài)參數(shù)。在測試動態(tài)參數(shù)過程中，必須用示波器觀察輸出波形。由于實驗電路是阻容耦合兩級放大，對于基本放大電路，放大倍數(shù)較高，當輸入信號較大時，會出現(xiàn)非線性失真。圖3為典型的基本放大器飽和失真圖形。圖中輸入信號有效值為10mV時，輸出信號產(chǎn)生失真，因此這種電路的輸入信號需要盡量小，才能不產(chǎn)生誤差?；蛘吒淖僐B2電阻以改變靜態(tài)工作點，減小失真。而對于相應(yīng)的負反饋電路，由于負反饋的存在，導(dǎo)致放大倍數(shù)大幅度降低，出現(xiàn)失真的可能性較小。

圖3 輸入電壓有效值為10mV時，基本放大器輸入輸出波形

考慮非線性失真問題，本次仿真將輸入信號的有效值設(shè)置為5mV，中頻頻率設(shè)為1kHz。負反饋放大器、基本放大器輸入輸出波形如圖4、5所示。從圖中可以看出，兩種放大器輸出波形完整，未出現(xiàn)失真情況。在圖4中，輸入信號的幅值7mV，與設(shè)置值一致，輸出信號幅值為1.8V；在圖5中，輸出信號幅值為0.41V。比較兩種電路的輸出幅值，可以看出，在相同輸入信號下，負反饋大幅度降低輸出值，也即降低電路放大倍數(shù)。

圖4 輸入電壓有效值為5mV時，基本放大器輸入輸出波形

圖5 輸入電壓有效值為5mV時，負反饋放大器輸入輸出波形

用萬用表測試Ui、UL、UO的有效值，UL指的是圖1和圖2中負載電阻2.4kΩ的電壓，UO指的是負載電阻斷開時候的輸出電壓。測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果與圖4、圖5所示波形的值一致，注意圖中顯示的是幅值，而表中顯示的是有效值。

表2 輸入和輸出電壓有效值

最后用軟件的交流分析功能，起始頻率設(shè)為0 Hz，停止頻率設(shè)為10 MHz，掃描類型設(shè)為十倍頻程，以RL的電位值作為分析變量，測試基本放大電路和負反饋放大電路的通頻帶，如圖6所示。圖中橫坐標為頻率，以對數(shù)形式顯示，縱坐標為放大倍數(shù)。

圖6 基本放大器、負反饋放大器的通頻帶

5 負反饋對放大電路影響分析

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，計算基本放大器和負反饋放大器的輸入、輸出電阻，結(jié)果如表3所示。根據(jù)公式下列公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

將計算結(jié)果列在表3中，其中基本放大器的放大倍數(shù)AV值為513.35，負反饋放大器的放大倍數(shù)AVf為72，說明電路引入負反饋后，會大幅度降低電路的放大能力；基本放大器的輸入電阻Ri值為10.89 kΩ，負反饋放大器的輸入電阻Rif值為49.62 kΩ,說明負反饋的引入能夠提高輸入電阻；同樣的，基本放大器的輸出電阻RO值為1.03 kΩ，負反饋放大器的輸出電阻ROf值為0.24 kΩ,說明負反饋的引入能夠較大幅度降低輸出電阻。

負反饋電路與基本放大電路之間性能指標應(yīng)該滿足前文提到的關(guān)系，將測試結(jié)果帶到相關(guān)表達式中，得到下面的結(jié)果。

反饋系數(shù)

反饋深度

同樣的，通頻帶也應(yīng)該滿足fbwf=(1+AVFV)fbw關(guān)系，按照圖6中的仿真結(jié)果，根據(jù)通頻帶的定義，分別找出基本放大器和負反饋放大器的上限頻率fH和下限頻率fL，并計算出△f，即為通頻帶，數(shù)據(jù)如表4所示。從數(shù)據(jù)可以看出，引入負反饋能夠大幅度擴展電路的上限頻率，符合理論。結(jié)合反饋深度與基本放大電路通頻帶，計算反饋電路通頻帶值為2797.34 kHz，但仿真出來的負反饋放大器通頻帶1584.86 kHz，小于計算值。

表3 放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻

表4 上下限頻率和通頻帶

綜合對比仿真值和計算值，可以發(fā)現(xiàn)電路引入電壓串聯(lián)負反饋大幅度降低放大倍數(shù)，提高輸入電阻、降低輸出電阻、擴展通頻帶，使得電路性能得到大幅度提升，與理論符合。但兩種電路之間的定量關(guān)系只有放大倍數(shù)和輸出電阻仿真值與實際值匹配得較好，而輸入電阻和通頻帶的仿真值并沒有理論值大，這可能與Multisim的E-M模型有關(guān)。

6 結(jié)語

本文以電壓串聯(lián)負反饋為例，介紹了負反饋電路和基本放大電路關(guān)系，并利用Multisim軟件對電路進行仿真，測試了主要性能參數(shù)。結(jié)果顯示負反饋的引入能夠大幅度降低放大倍數(shù)、提高輸入電阻、降低輸出電阻、擴展通頻帶。通過仿真，能夠?qū)⑤^為抽象的理論知識具體化，加深了學(xué)生對負反饋作用的理解，教學(xué)效果明顯提高。

[1] 童詩白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 郝寧眉，李芳. 雙極型晶體管溫度特性的Multisim仿真研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010, 4: 81-98.

[3] 蔣先偉， 魯世斌， 范程華， 等. Multisim l0在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 合肥師范學(xué)院學(xué)報, 2014, 32: 83-85.

[4] 羅映詳，譚澤富. Multisim 2001電路仿真軟件在負反饋電路教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2008, 7: 161-162.

[5] 師彥榮，曾偉. Multisim 10仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 電子與封裝, 2011, 5: 42-44.