韓曉霞，張慶順，肖真真

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002）

基于Multisim的負(fù)反饋放大電路仿真分析

韓曉霞，張慶順，肖真真

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002）

負(fù)反饋放大電路是“模擬電路”課程中的重要內(nèi)容，利用Multisim 10對負(fù)反饋放大電路進(jìn)行仿真分析，驗證了負(fù)反饋對放大電路的放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、非線性失真和通頻帶的影響。該教學(xué)方法將理論知識與實驗仿真相結(jié)合，不僅能加深學(xué)生對理論的理解，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

負(fù)反饋；放大電路；Multisim；仿真

反饋在電子電路中有著非常廣泛的應(yīng)用，在放大器中應(yīng)用也很廣泛。放大器的增益對晶體管參數(shù)的依賴性很大，而晶體管參數(shù)的離散性又很大，這給電路設(shè)計和成批生產(chǎn)帶來了困難。但是，如果在放大器中不僅引入直流負(fù)反饋，也引入交流負(fù)反饋，則可以減少晶體管靜態(tài)工作點對晶體管參數(shù)的依賴性，同時又減少了放大倍數(shù)對晶體管參數(shù)的依賴性。不僅如此，在引入負(fù)反饋后，還可以改善放大器的一系列重要性能[1]，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。負(fù)反饋放大電路各組態(tài)電路及其影響是很難掌握的[2]，在教學(xué)中結(jié)合Multisim軟件進(jìn)行仿真，可以將結(jié)果生動形象地表現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解，取得了良好的教學(xué)效果[3]。

1 反饋的基本概念

1.1 反饋的定義

反饋也稱為“回授”，應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。在電子電路中，將輸出量（輸出電壓或輸出電流）的一部分或全部通過一定的電路形式作用到輸入回路，用來影響其輸入量（放大電路的輸入電壓或輸入電流）的措施稱為反饋。

按照反饋放大電路各部分電路的主要功能可將其分為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個部分。具體如圖1所示[1]。

圖1 反饋放大電路的方塊圖

1.2 反饋的分類

（1）根據(jù)反饋的極性分類，可分為正反饋和負(fù)反饋。根據(jù)反饋的效果可以區(qū)分反饋的極性：使放大電路凈輸入量增大的反饋稱為正反饋，使放大電路凈輸入量減小的反饋稱為負(fù)反饋。由于反饋的結(jié)果影響了凈輸入量，必然影響輸出量，所以也可以根據(jù)輸出量的變化來判斷反饋的極性，反饋的結(jié)果使輸出量的變化增大的為正反饋，使輸出量的變化減小的為負(fù)反饋。

（2）根據(jù)反饋信號的組成分類，可分為直流反饋和交流反饋。直流通路中存在的反饋稱為直流反饋，交流通路中存在的反饋稱為交流反饋。在很多放大電路中，常常是交、直流反饋兼而有之，稱為交、直流反饋。

（3）根據(jù)輸出端取樣對象分類，可分為電壓反饋和電流反饋。電壓反饋的反饋信號取自輸出電壓，反饋量與輸出電壓成正比；電流反饋的反饋信號取自輸出電流，反饋量與輸出電流成正比。

（4）根據(jù)與輸入端的連接方式分類，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋量與輸入量若以電壓方式疊加，則稱為串聯(lián)反饋，若以電流方式疊加，則稱為并聯(lián)反饋。

1.3 反饋的判斷方法

1.3.1 有無反饋的判斷

若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路相連接的通路，并由此影響放大電路的凈輸入量，則表明電路引入了反饋，反之則沒有引入反饋。

1.3.2 反饋類型的判斷

（1）正反饋與負(fù)反饋的判斷。正負(fù)反饋的簡易判別方法是瞬時極性法。即先假設(shè)放大電路輸入端信號在某一瞬間對地的極性為（+）或（-）；然后，根據(jù)各級電路輸出端與輸入端信號的相位關(guān)系（同相或反相），標(biāo)出反饋回路中各點的瞬時極性；再得到反饋端信號的極性；最后，通過比較反饋端信號與輸入端信號的極性來判斷電路的凈輸入信號是加強(qiáng)還是削弱，從而確定是正反饋還是負(fù)反饋。

（2）直流反饋與交流反饋的判斷。根據(jù)直流反饋與交流反饋的定義，可以通過反饋存在于放大電路的直流通路之中還是交流通路之中，來判斷電路引入的是直流反饋還是交流反饋。

（3）電壓負(fù)反饋與電流負(fù)反饋的判斷。電壓反饋與電流反饋的區(qū)別在于基本放大電路的輸出回路與反饋網(wǎng)絡(luò)的連接方式不同。電壓、電流反饋簡易判別方法是：令輸出端短路，若反饋量消失，則說明電路中引入了電壓負(fù)反饋；若反饋量仍然存在，則說明電路中引入了電流負(fù)反饋。需要注意的是，此處的“短路”為假設(shè)的，不是真正的短接。

（4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判斷。串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的區(qū)別在于基本放大電路的輸入回路與反饋網(wǎng)絡(luò)的連接方式不同。若反饋信號為電壓量，與輸入電壓求差而獲得凈輸入電壓，則為串聯(lián)反饋；若反饋信號為電流量，與輸入電流求差而獲得凈輸入電流，則為并聯(lián)反饋。串聯(lián)、并聯(lián)反饋簡易判別方法是：輸入信號和反饋信號在不同節(jié)點引入為串聯(lián)反饋，在同一節(jié)點引入為并聯(lián)反饋。

2 負(fù)反饋放大電路的仿真分析

負(fù)反饋放大電路的四種基本組態(tài)有電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋和電流并聯(lián)負(fù)反饋。利用Multisim 10分別設(shè)計了由集成運(yùn)放和分立元件組成的兩種類型的負(fù)反饋放大電路并進(jìn)行仿真分析，驗證了其對放大電路的放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、頻帶、非線性失真的影響。

2.1 電壓串聯(lián)負(fù)反饋

電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的方塊圖如圖2所示[4]。

圖2 電壓串聯(lián)負(fù)反饋方塊圖

在Multisim 10的電路窗口中建立由集成運(yùn)放組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的電路，如圖3所示。

圖3 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路

圖3中用的是集成運(yùn)放741，利用一個開關(guān)來控制是否引入反饋，用示波器來觀察波形，用萬用表來測量電壓和電流。示波器的A通路連接輸入端，B通路連接輸出端，用波特圖示儀來測量幅頻特性和相頻特性。

通過改變圖3中R2的參數(shù)，觀測有無反饋時的輸出電壓和放大倍數(shù)的變化，結(jié)果如表1所示。

表1 當(dāng)改變R2的值時，仿真結(jié)果

結(jié)論：電壓串聯(lián)負(fù)反饋對放大電路的電壓放大倍數(shù)起到了穩(wěn)定的作用，并且當(dāng)引入負(fù)反饋時，凈輸入量減小，所以同時又降低了放大倍數(shù)。

通過觀測有無反饋時的輸入電壓和輸入電流進(jìn)而計算輸入電阻，結(jié)果如表2所示。

表2 輸入電壓電流的萬用表數(shù)值

結(jié)論：無負(fù)反饋時，輸入電壓與輸入電流之比即輸入電阻為4.5236MΩ，有負(fù)反饋時，輸入電阻為9.2678MΩ，可知加入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻增大，驗證了串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻。

通過觀測有無反饋時的輸出電壓和輸出電流，進(jìn)而計算輸出電阻，結(jié)果如表3所示。

表3 輸出電壓電流的萬用表數(shù)值

結(jié)論：無負(fù)反饋時，輸出電壓與輸出電流之比即輸出電阻為6.8030KΩ，有負(fù)反饋時，輸出電阻為5.0767KΩ，輸出電阻減小，驗證了電壓負(fù)反饋減小輸出電阻。

電壓串聯(lián)負(fù)反饋對放大電路的頻帶的影響如圖4所示。將圖3中的開關(guān)J1打到下面時，電路中沒有反饋，其幅頻特性如圖4（a），將圖3中的開關(guān)J1打到上面時，電路中有負(fù)反饋，其幅頻特性如圖4（b）。

圖4 幅頻特性的波特圖

由加入負(fù)反饋前后的變化可知，有負(fù)反饋時的fH為491.388kHz，無負(fù)反饋時的fH為29.527kHz，可見負(fù)反饋對放大電路有展寬頻帶的作用。

電壓串聯(lián)負(fù)反饋對放大電路的非線性失真的影響如圖5所示，圖5中上面波形為輸入正弦信號的波形，下面波形為輸出信號的波形，可見有負(fù)反饋時輸出波形沒有失真。從而可知電路中引入負(fù)反饋可以減小非線性失真。

圖5 輸入輸出仿真波形

2.2 分立元件組成的負(fù)反饋放大電路仿真分析

在Multisim 10的電路窗口中建立由分立元件組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的電路[5]，如圖6所示。利用一個開關(guān)來控制是否引入反饋，用示波器來觀察波形。示波器的A通路連接輸入端，B通路連接輸出端。

圖6 分立元件組成的一個負(fù)反饋放大電路

通過改變圖6中R6的參數(shù)，觀測有無反饋時的輸出電壓和放大倍數(shù)的變化，結(jié)果如表4所示。

表4 改變R6時，仿真結(jié)果

無反饋時，電壓放大倍數(shù)的變化量為46.32%；有反饋時，電壓放大倍數(shù)的變化量為10.756%。

結(jié)論：電壓負(fù)反饋對放大電路的電壓放大倍數(shù)起到了穩(wěn)定的作用。當(dāng)引入負(fù)反饋時，凈輸入量減小，所以降低了放大倍數(shù)。

通過觀測有無反饋時的輸入電壓和輸入電流進(jìn)而計算輸入電阻，結(jié)果如表5所示。

表5 輸入電壓電流的萬用表數(shù)值

結(jié)論：無負(fù)反饋時，輸入電阻為2.699kΩ，有負(fù)反饋時，輸入電阻為0.1517kΩ，加入負(fù)反饋后，輸入電阻減小，驗證了并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻。

通過觀測有無反饋時的輸出電壓和輸出電流，進(jìn)而計算輸出電阻，結(jié)果如表6所示。

表6 輸出電壓電流的萬用表數(shù)值

結(jié)論：無負(fù)反饋時，輸出電阻為1kΩ，有負(fù)反饋時，輸出電阻為0.9999kΩ，輸出電阻減小，驗證了電壓負(fù)反饋減小輸出電阻。

將圖2-5中的開關(guān)J1打開，電路中無反饋，由幅頻特性圖（見圖7）可知其為帶通電路，幅度最大時為31.573dB，由于截止頻率所對應(yīng)的分貝與最大值相差3dB，所以截止頻率所對應(yīng)的幅度為28.573dB。右擊游標(biāo)設(shè)置y的值為28.573dB，分別找到與之對應(yīng)的下限頻率fL為158.439Hz（如圖7（a）），及與之對應(yīng)的上限頻率fH為7.449MHz（如圖7（b）），計算出帶寬fbw=fH-fL≈7.449MHz。

圖7 無反饋時幅頻特性的波特圖

將圖6中的開關(guān)J1閉合時，電路中有反饋，幅頻特性如圖8所示，幅度最大時為16.227dB，3dB截止頻率所對應(yīng)的幅度為13.227dB，與之對應(yīng)的上限頻率fL為160.982Hz（如圖8（a）），下限頻率fH為40.423MHz（如圖8（b）），可計算出帶寬fbw=fH-fL≈40.423MHz。

圖8 有反饋時幅頻特性的波特圖

由加入負(fù)反饋前后的變化可知，無負(fù)反饋時的頻帶約為7.449MHz，有負(fù)反饋時的頻帶約為40.423MHz。可見負(fù)反饋對放大電路有展寬頻帶的作用。

電壓并聯(lián)負(fù)反饋對放大電路的非線性失真的影響如圖9所示。圖9中上面波形為輸入正弦信號的波形，下面波形為輸出信號的波形，說明有負(fù)反饋時輸出波形沒有失真?？梢婋娐分幸胴?fù)反饋可以減小非線性失真。

圖9 輸入輸出仿真波形

3 結(jié)論

通過分別對由集成運(yùn)放和分立元件組成的負(fù)反饋放大電路的仿真結(jié)果可以驗證負(fù)反饋對放大電路具有以下影響：

（1）穩(wěn)定放大電路的放大倍數(shù)。若電路為電壓負(fù)反饋放大電路，則可以穩(wěn)定電壓；若電路為電流負(fù)反饋放大電路，則可以穩(wěn)定電流。但是由于加入了負(fù)反饋，使得凈輸入量減小，從而放大倍數(shù)減小。

（2）改變輸入電阻和輸出電阻。從仿真結(jié)果可以驗證，串聯(lián)負(fù)反饋可以增大輸入電阻，并聯(lián)負(fù)反饋可以減小輸入電阻，電壓負(fù)反饋可以減小輸出電阻，電流負(fù)反饋可以增大輸出電阻。

（3）展寬頻帶。引入負(fù)反饋后，因頻率變化而引起放大倍數(shù)的變化，其效果是展寬了通頻帶。

（4）減小非線性失真。非線性失真產(chǎn)生于電路內(nèi)部，引入負(fù)反饋后可以有效抑制這種非線性失真。

把Multisim引入模擬電路的教學(xué)當(dāng)中，啟發(fā)學(xué)生開發(fā)仿真程序，既幫助學(xué)生理解了理論知識，又鍛煉了學(xué)生的實踐能力。

［1］童師白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006：259-323.

［2］趙蓉.淺談負(fù)反饋組態(tài)電路的分析及仿真［J］.廣西輕工業(yè)，2007：44-45.

［3］袁利平.Multisim在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009：112-115.

［4］百度文庫.負(fù)反饋放大電路［EB/OL］.［2014-12-22］. http：//wenku.baidu.com/view/b03924a8dd3383c4bb4cd 267.html

［5］梁青，侯傳教，熊偉，等.Multisim 11電路仿真與實踐［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Negative Feedback Amplifier Circuit Simulation and Analysis Based on Multisim

HAN Xiao-xia,ZHANG Qing-shun,XIAO Zhen-zhen (Electronic Information Engineering Institute of Hebei University,Hebei Baoding 071002,China)

Negative feedback amplifier circuit is the important content of the course of Analog Circuit.The simulation analysis of the negative feedback amplifier circuit is proposed based on multisim 10.It verifies the effects of negative feedback to the amplifier circuit,includingmagnification,input resistance,output resistance,the nonlinear distortion and pass band.The teaching method can integrate the theoretical knowledge and experimental simulation,make theory easy to be understood,improve study interest of students.

negative feedback；amplifier circuit；multisim；simulation

TN911.7

A

1673-2022（2015）03-0044-05

2015－01－30

河北大學(xué)教學(xué)改革項目“獨立學(xué)院電路、信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐”（JX201312）

韓曉霞（1977-），女，河北保定人，講師，研究方向為電路與系統(tǒng)；張慶順（1979-），男，陜西漢中人，講師，研究方向為電路與系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)通信。