负反馈放大电路的仿真分析.docx

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负反馈放大电路的仿真分析

摘要

负反馈电路在科学领域中的应用很多，电子放大电路中采纳负反馈的目的是为了改善放大电路的工作性能。

负反馈放大电路是由是由大体放大电路和反馈网络组成，在电子技术中应用十分普遍，它对电路的性能指标有较大的阻碍。

它可作为整机放大器的输入级和中间级，具有电压、电流的放大能力。

理论分析负反馈对放大电路的阻碍较为抽象，因此本文运用EWB软件对负反馈放大电路进行仿真，分析了负反馈放大电路开环与闭环的放大倍数、输出电阻、频率响应和失真系数阻碍。

最后通过仿真分析得出负反馈放大电路具有减少放大倍数，提高了放大倍数的稳固性,减小了非线性失真和抑制干扰,拓宽了通频带,改变了输入／输出电阻。

关键词:

EWB；负反馈；放大电路；仿真

Abstract

Negativefeedbackcircuitinthefieldofscience,electronicapplicationusingnegativefeedbackamplifiercircuit,thepurposeistoimprovetheperformanceofamplifyingcircuit.Negativefeedbackamplifyingcircuitisdrivenbythebasicamplifyingcircuitandthefeedbacknetwork,inelectronictechnology,itiswidelyusedinthecircuitperformanceindexhasconsiderableinfluence.Itcanbeusedastheinputstageamplifierandmiddleclass,withcurrentandvoltageamplifier.

ThroughtheapplicationofEWBsoftwaresimulationtonegativefeedbackamplifyingcircuitsandnegativefeedbackamplifyingcircuitofopenloopandclosed-loopmagnification,outputresistance,frequencyresponseanddistortioncoefficientisanalyzed.Theoreticalanalysisoftheeffectofnegativefeedbackamplifiercircuitisabstract,useEWBsimulationsoftware,youcanobtaintheresult.Visualimagereflectsfeedbackamplifiercircuit,afterintroducingreducedmagnification,improvethestabilityofthemagnification,reducedthenonlineardistortionsandrestraintheinterference,broadenthepassband,changetheinput/outputresistance.

Keywords:

EWB,Negativefeedback,Magnifyingcircuit,Simulation,

负反馈放大电路的仿真分析

引言

随着电子技术和运算机技术的飞速进展，电子电路的设计已进入高集成度、高智能化的时期。

而传统的电子电路与系统的设计方式，周期长、效率低、耗材多，难以知足现代化电子技术的进展要求。

近几年来，迅速进展的电子设计自动化（EDA）技术，使电子工程师在运算机上就能够完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。

加拿大Interactive Image Technologies公司推出的专门用于电子电路设计与仿真的软件虚拟“电子工作台”EWB是支撑EDA技术的优秀骨干软件之一，该软件在电子工程设计、电子类课程教学等领域取得普遍的应用。

1绪论

选题背景及意义

负反馈电路在科学领域中的应用很多，电子放大电路中采纳负反馈的目的是为了改善放大电路的工作性能。

但在实验中所碰到的问题要紧有以下几个方面:

第一，因反馈类型较多，其中有：

串联，并联，电流、交流正负反馈等；反馈类型的不同致使在学习进程中易造成明白得上的混淆，因此通过运算机仿真，有利于加深对负反馈电路的明白得。

第二，实验所需时刻长加上仪器本身的缺点，所搜集到的数据量较少及不准确性。

如用示波器对反馈电路中的信号波形简单搜集，然后计算放大倍数、输入输出电阻，结果误差大，能说明的问题也少。

最后，对放大电路的频率特性分析，本身就具有必然难度，即便是实验也难以实现;须有1Hz~1GHz频率宽度的信号发生器和数据搜集有必然难度。

要紧完成任务

介绍EWB软件的功能特点，采纳直观的图形界面创建电路，在运算机上仿照真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器，介绍负反馈放大电路的特点，对放大器性能的阻碍，通过搭建实验对负反馈放大电路进行仿真。

本文应用EWB软件对负反馈放大电路进行仿真，对负反馈放大电路开环与闭环的放大倍数、输出电阻、频率响应和失真系数进行分析。

理论分析负反馈对放大电路的阻碍较为抽象，采纳EWB软件进行仿真能够很直观地得出结果。

2EWB软件的功能特点[5]

EWB软件简介

EWB软件为用户提供了一个集成一体化的设计实验环境，成立电路、仿真分析和结果输出在一个集成菜单中能够全数完成。

其显著特点时仿真手腕符合实际，选用元器件与实际况超级接近，电路图所需的元器件仪表都可在相应库中直接选取，其元件库中不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各类元器件的理想值，同时还提供了超级丰硕的分析功能，包括电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、噪声分析和失真、离散傅里叶分析等14种分析工具，还能够对仿真电路中所用元器件设置故障。

与目前较经常使用的电子电路分析软件PSPICE的元器件完全兼容。

同时在该软件下完成的电路，能够直接输出至经常使用的印刷线路排版软件，如输出到PROTHL、ORCAD等软件自动排出印刷电路板图。

因此采纳运算机仿真手腕对电子产品进行前期工作的调试，大大加速产品的开发速度、提高效率，同时仿真技术超级适合电子类课程的教学和实验，使学生提高对电路的分析和设计能力。

EWB软件的特点

（1）采纳直观的图形界面创建电路：

在运算机屏幕上仿照真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器都可直接从屏幕上选取。

（2）软件仪器的操纵面板外形和操作方式都与实物相似，能够实时显示测量结果。

（3）EWB软件带有丰硕的电路元件库，提供多种电路分析方式。

（4）作为设计工具，它能够同其它流行的电路分析、设计和制板软件互换数据。

（5）EWB仍是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器能够用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情形，熟悉经常使用电子仪器测量方式。

3负反馈放大电路的特点[1]

3 .1负反馈对放大器性能的阻碍

负反馈的电路形式很多，但就大体形式来讲，能够分为四种：

即电流串联负反馈；电压串联负反馈；电流串联负反馈；电压并联负反馈。

一个放大器，加入了负反馈环节后，尽管会捐躯一部份增益，但对放大器一系列性能指标产生了专门大的阻碍和提高。

（1）负反馈对放大器放大倍数的阻碍：

假设无反馈时大体放大器的放大倍数为A，反馈系数为F，那么加反馈后的闭环增益为：

（2）负反馈能提高放大器倍数的稳固性：

放大器倍数的稳固性经常使用放大倍数的相对转变率来反映。

因此dＡ／Ａ的大小能够衡量增益的稳固性，该值越小，放大器的稳固性越高。

（3）负反馈能使放大器的通频带展宽：

假设无负反馈时的大体放大器的上限频率和下限频率别离为FH和FL，闭环时放大器的上、下限频率为FHf和FLf那么有：

FHf=（1+A0F）

FH

（4）负反馈能够减少非线性失真

可见，加了负反馈后，上限频率提高，下限频率降低，通频带展宽1+AF倍。

另外，负反馈还能够改善放大器的失真情形；还能够改变放大器的输入、输出阻抗等。

3 .2放大电路的幅频特性

在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率太低或太高时，不但放大倍数的值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移。

说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性。

放大电路中的耦合电容，对信号组成了高通电路，即关于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到必然程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而致使放大倍数的数值减少且产生相移。

与偶和电容相反，由于半导体管极间电容的存在，对信号组成了低通电路，即关于频率足够低的信号相当于开路，对电路不产生阻碍；而当信号频率高到必然程度时，极间电容将分流，从而致使放大倍数的数值减少且产生相移。

对一个具体的放大电路来讲，都存在某一个频带，在这一频带范围内，放大电路对信号的放大有较高的增益和较小的相移，这确实是放大电路的同频带。

假设电路中的中频电压放大倍数为Aus，当电压放大倍数下降到%Aus时，所对应的低端频率称下限频率fL;所对应的高端频率称上限频率fH。

上限频率与下限频率之差确实是它的通频带fbw，即

fbw=fH－fL

4负反馈放大电路的实验电路图的搭建

4 .1负反馈放大电路的方框图

图

任何反馈放大器都能够抽象为一个模型来分析，其大体放大器和反馈网络都具有单向性。

图中各函数之间的关系为：

上式中

为大体放大电路的输入信号，

、

别离为反馈放大电路的输入、输出信号，

为反馈网络的输出信号，

为大体放大电路的增益，

为反馈网络的传输系数，

称为环路增益。

假设用

表示反馈放大电路的增益，那么有

上式中

称为放大电路的反馈深度，它是衡量反馈程度的一个重要指标。

即引入反馈后，增益减少了，这种反馈一样称为负反馈。

即引入反馈后，增益增大了，这种反馈一样称为正反馈。

正反馈尽管能够提高放大电路的增益，但性能不稳固，一样很少用。

这确实是说，放大电路在没有输入信号时，也有输出信号，叫做放大电路的自激。

负反馈放大电路所用元器件简介[5]

本文要紧用到信号发生器、示波器、数字多用表、2个2N3904BJT三极管和电阻电容。

（1）信号发生器能够产生正弦、三角波和方波信号，其图标和面板如以下图所示。

可调剂方波和三角波的占空比。

（2）示波器

示波器为双踪模拟式，其图标和面板如下图所示。

（3）数字多用表

数字多用表的量程能够自动调整。

以下图是其图标和面板。

（4）2N3904BJT三极管

2N3904BJT三极管属于NPN型。

集电极－发射集最小雪崩电压Vceo（V）:

40集电极最大电流Ic（max）（mA）:

直流电流增益hFE最小值（dB）:

100直流电流增益hFE最大值（dB）:

300最小电流增益带宽乘积Ft（MHz）:

250封装/温度。

负反馈放大电路图的搭建

依照负反馈放大电路的原理，利用EWB软件搭建电路图。

图4.3.1是在EWB512环境下工作的分立元件组成的两级共射放大器图，电路引入交流电压并联负反馈，反馈网络由Rf、Cf和R1组成。

通过开关K的通断操纵反馈网络的接入与断开。

电路的反馈系数为：

FV=Ref／（Ref+Rf）=R1／（R1+Rf）=／+=

图4.3.1电压串联负反馈放大电路的原理图

5负反馈放大电路的实验仿真分析

直流大作点分析

直流工作点分析也称静态工作点分析，电路的直流分析是在交流输入信号视为零、电路中电容视为开路、电感视为短路时，电路中数字器件视为高阻接地的情形下来计算电路的直流工作点。

在电路工作时，都必需给半导体器件以正确的偏置，直流分析确实是要分析半导体的偏置，

分析电路在无外加交流输入信号下的静态电压和电流。

了解电路的直流工作点，才能进一步分析电路在交流信号作用下电路可否正常工作。

求解电路的直流工作点是电路进行交流与瞬态分析进程的基础。

（1）创建电路

（2）显示节点标志（ID）

选择Circuit/SchematicOptions/Show/Hide栏下的Shownodes，电路中各节点标志（ID）就会显示在电路中。

（3）启动直流工作点分析工具

启动直流工作点分析工具，即选择Analysis/DCOperatingPoint命令，屏幕显示出

AnalysisGraphs窗口，并给出DCBias的分析结果，即所有节点电压和电源支路电流值。

如下图。

图负反馈放大电路的直流工作点分析

（4）测试结果

Q1：

UC=V（测试点5）

UB=（测试点25）

UE=（测试点4）

Q2：

UC=V（测试点9）

UB=（测试点5）

UE=（测试点7）

开环与闭环的电压放大倍数的比较

（1）测量开环电压放大倍数

按键盘的数字键“１”，将开关K断开，输入正弦电压（Vi）峰值为1mV，频率为1KHZ。

用示波器测得输入、输出电压的峰值Vo。

放大器开环时的输入、输出波形如图5.2.1

图5.2.1开环波形图

其中：

ChannelA（黑色波形）代表输入波形，1mv/Div。

ChannelB（红色波形）代表输出波形，500mv/Div。

Timebase（时基）Div

依照输出、输入波形波峰与波谷的幅差值求得：

开环电压放大倍数：

（2）测量闭环电压放大倍数

按数字“1”键，将开关K闭合，重复上述步骤。

放大器闭环时输入、输出波形如图5.2.2

图5.2.2闭环波形图

其中：

ChannelA（黑色波形）代表输入波形，1mv/Div。

ChannelB（红色波形）代表输出波形，500mv/Div。

Timebase（时基）Div

依照输入与输出波形波峰与波谷的幅差值求得：

闭环电压放大倍数：

小结：

引入负反馈后降低了放大倍数。

开环与闭环的输出电阻比较

（1）测量反馈放大器开环工作时的输出电阻

在放大电路开环工作时通过操纵开关K2的断开与闭合。

打开数字多用表，置于正弦电压有效值测试档，别离测得负载开路时输出电压Vo′=

负载接入时输出电压Vo=

开环输出电阻：

Ro=（Vo′／Vo－1）×RL=／—1）×1K＝

理论计算Ro=ro／Rc≈

（2）测量反馈放大器闭环工作时的输出电阻

在放大电器闭环工作时通过操纵开关K2的断开与闭合。

打开数字多用表，置于正弦电压有效值测试档，别离测得负载开路时输出电压Vof′=

负载接入时输出电压Vof=

闭环输出电阻：

Ro=（Vof′／Vof－1）×RL=／—1）×1K＝

理论计算Rof=Ro／（1+AvFv）≈2K

小结：

引入负反馈后输出电阻变小，而放大电路中引入负反馈后对输入输出电阻的阻碍与反馈类型有区别。

如阻碍放大电路的输出电阻与电压或电流反馈有关，文中为电压反馈使输出电阻降低，反之电流反馈使输出电阻提高。

串联反馈使放大电路的输入电阻增高，并联使之降低。

开环与闭环的频率响应比较

（1）测反馈放大器工作在开环时的频率响应

令反馈放大器工作在开环状态，选择分析（Analysis）中的交流频率分析（AcFrequency）项，将交流频率分析设置对话框中扫频的起始和终止频率别离设置为1HZ和1GHZ，扫描形式选择十进制，显示点按缺省设置，纵向标度选择线性，选择节点10为输出点。

按仿真键后，得反馈放大器开环频率响应曲线如图5.4.1调剂两测试针的位置，使其大约为电路输出中频电压幅值的70%（因通频放大倍数A=1／Ao。

从图右表查得。

图5.4.1开环交流频率分析

电路开环时的下限频率：

fL=

电路开环时的上限频率：

fH=

通频带宽：

fBM=fH－fL=－≈MHz

（2）令反馈放大器工作在闭环状态下，同理可得放大器闭环频率响应曲线，如图5.4.2

图5.4.2闭环交流频率分析

电路闭环时的上限频率：

fH=MHz

电路闭环时的下限频率：

fL=

通频带宽：

fBM=fH－fL=MHz－≈

小结：

通过以上分析引入负反馈后拓宽通频带。

傅里叶分析

傅里叶分析是分析复杂多谐波周期信号的一种数学方式。

能够用来评估时刻持续信号的直流、基波和各次谐波分量，把电压波形表示从时域转换到频域，取得时域信号的频谱函数。

此分析是在瞬态分析终止后，对时域分析结果进行傅里叶变换。

EWB进行傅里叶分析时将自动执行瞬态分析，再进行傅里叶变换，最终产生傅里叶分析结果，分析结果以直观的图形和报告形式显现。

分析时必需选定输出节点，同时选择一个基频。

（1）创建电路

创建一个实验电路图，如图4.3.1所示。

选择节点10为电路的输出节点。

（2）设置分析参数

选择Analysis/Fourier命令，选择电路的输出节点10号节点为电压分析对象，再依照电路参数，选择基频1KHz，谐波次数为9。

（3）启动傅里叶分析工具

单击Simulate按钮，那么启动傅里叶分析工具，屏幕显示出Fourier的分析曲线，如5.5.1和所示。

总谐波失真是指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外成份。

谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，它通经常使用百分数来表示。

所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。

一样说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此均以该频率的失真作为它的指标。

K断开和闭合时别离运行傅里叶分析，并测试出无反馈时：

总谐波失真系数THD：

%。

引入反馈后：

THD：

%。

直观准确地反映了引入负反馈后，能够减少非线性失真。

如图和图所示。

图5.5.1开环傅立叶

图5.5.2闭环傅立叶

（4）开环与闭环输出波形的比较

将输入正弦电压（Vi）峰值改成2mV，频率为1KHZ。

K断开和闭合时别离观看输出的波形如图5.5.3和所示。

图5.5.3开环输出波形

图5.5.4闭环输出波形

小结：

通过以上分析负反馈能够减小了非线性失真和抑制干扰。

终止语

通过用EWB对负反馈放大电路进行仿真，直观形象地反映了放大电路引入负反馈后,减小了放大倍数，提高了放大倍数的稳固性,减小了非线性失真和抑制干扰,拓宽了通频带,改变了输入／输出电阻。

通过对负反馈放大电路进行仿真使我对负反馈放大电路的工作原理和负反馈对放大器性能的阻碍有了更深刻的熟悉，同时使我对EWB软件的操作和应用有了更深刻的明白得。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础模拟部份（第五版）[M].高等教育出版社.2005年7月（277-306）

[2]唐雅邻，张鹏.电子报[J].电子科技大学出版社.2007年12月（48-50）

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[5]

[6]蒋黎红、黄培根等主编.模电数电基础及Multisim仿真[M].浙江大学出版社.2006年9月（48-62）

致谢

感谢我的老师周教师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的表率；他们循循善诱的教诲和不拘一格的思路给予我无尽的启发。

当我刚接到毕业设计任务书时，我超级的茫然，头脑里是一片空白，无从下手，通过讲义的学习，参考书籍和教师和同窗的辅导，慢慢的理清了头绪。

依照程序写出了毕业设计书的大体要求摘要、目录、正文（绪论、方案、进程分析、结果分析、结论）最后一篇完整的毕业设计书完成。

本课题在选题及研究进程中取得周艳萍教师的悉心指导。

周艳萍教师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮忙我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓舞。

周艳萍教师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时四载，却给以终生受益无穷之道。

对周教师的感激之情是无法用言语表达的

在论文完成之际，我的心情万分兴奋。

从论文的选题、资料的搜集到论文的撰写编排整个进程中，我取得了许多的热情帮忙。

我第一要感激周艳萍教师，让我的视野进入了一个新的高度。

对电路有了一个新的熟悉，并对以后有了新的向往。

周教师对我的研究提出了很多宝贵的意见，使我的研究工作有了目标和方向

光阴匆匆如流水，转眼即是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。

离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。

从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开教师、同窗、朋友给我热情的帮忙，在那个地址请同意我。

签名：

张程

2020年5月1日