负反馈放大电路的计算及Multisim12仿真

赵华峰

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714099)

通常在实际应用的放大电路里都要引入负反馈，它把输出电压或输出电流的一部分或全部通过反馈网络，用需要的方式回送到放大电路的输入回路，来影响输入电量.存在于放大电路交流通路中的反馈为交流反馈.引入交流负反馈可以改善放大电路的许多性能指标，如提高放大电路增益的稳定性，减小非线性失真，抑制干扰和噪声，提高或者降低输入电阻、输出电阻，扩展通频带.存在于直流通路的反馈为直流反馈.在电路中引入直流负反馈的目的是稳定放大电路的静态工作点［1］.根据实际设计的要求可以选择直流负反馈或者交流负反馈，为了检验设计的效果是否满足要求指标，必然要对设计的负反馈放大电路进行计算.反馈放大电路实质上是一个带反馈回路的有源线性网络，利用电路理论中的节点电位法、回路电流法或双口网络理论都可求解.但是当电路较复杂时可能使用起来不方便.下面主要针对交流负反馈放大电路计算作以探讨并在Multisim12上予以仿真.

1 负反馈放大电路的计算

1.1 负反馈放大电路的一般计算方法

图1 负反馈放大电路的组成框图

负反馈放大电路的组成包含基本放大电路A和反馈网络F两部分，如图1所示.其中xi、xo、xf、xid分别表示输入信号、输出信号、反馈信号、净输入信号.放大电路无反馈网络也称开环，放大电路有反馈网络也称闭环.

为了简化计算，假定信号的传输是单向的:信号的放大只经过基本放大电路而不通过反馈网络，因为反馈网络一般由无源元件组成，无放大作用，其正向传输作用可以忽略;信号的反馈只通过反馈网络而不经过基本放大电路，因为基本放大电路内部反馈作用很小，可以忽略.

由图1所示的负反馈放大电路组成框图可得:

基本放大电路的净输入信号为

基本放大电路的增益(即开环增益)为

反馈网络的反馈系数为

负反馈放大电路的增益(即闭环增益)为

将式(1)(2)(3)式代入(4)式得到负反馈放大电路增益的一般表达式为

要说明的是以上表达式针对不同的反馈类型，xi、xo、xf、xid所代表的电量不同，A、Af、F也相应地具有不同的含义和量纲，但环路增益AF总是无量纲的.

另外，若要确定A的值时，不能将电路简单地断开拆环.在框图中看到基本放大电路和反馈网络是完全分开的两部分，但实际的电路并不容易区分.为了得到基本放大电路，既要实现无反馈，又要保留反馈网络的负载效应，应做到:(1)在基本放大器输入端，考虑反馈网络的负载效应时，对于电压反馈将输出端短路，对于电流反馈将输出端开路;(2)在基本放大器输出端，考虑反馈网络的负载效应时，对于串联反馈，应使输入端流入反馈网络的电流为0，将输入回路断开.对于并联反馈，应使输入端加到反馈网络的电压为0，将输入端短路.

1.2 深度负反馈放大电路的近似计算

通常多数负反馈放大电路都能满足深度负反馈的条件，有

由式(3)(4)(6)式得

故有

即在深度负反馈时，有vid≈0(虚短)和iid≈0(虚断)同时存在，利用这两个概念可以快速方便地估算出负反馈放大电路的闭环增益或闭环电压增益.

2 负反馈放大电路的Multisim12仿真

2.1 用Multisim12仿真负反馈放大电路

NI Multisim12是由美国国家仪器公司(NI，National Instruments)推出的，用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”“软件即仪器”，是一个集原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件.提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全，既有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源，还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图测试仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等.具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能.

首先在Multisim12中搭建一个常见的两级放大电路，并设置好每个元件的参数，电压源、信号源、电阻、电容的数值，如图2 所示，Q1、Q2的β值分别为β1=120，β2=120，在这个电路中主要讨论由R9、C5、R10反馈网络引入的级间交流电压串联负反馈，再接上示波器和波特测试仪进行仿真，波特测试仪有In和Out两对端口，其中In端口的+和－分别接电路输入端的正端和负端;Out端口的+和－分别接电路输出端的正端和负端.使用波特测试仪时，必须在电路的输入端接入AC(交流)信号源.仿真结果和波形数据如图3、图5、图 7、图 9 所示.

图2 带负反馈的放大电路电压和频率特性的测量图

图3 带负反馈的放大电路的输入、输出电压波形图

图4 基本放大电路的输入、输出电压波形图

图5 带负反馈的放大电路下限频率附近的特性

图6 基本放大电路下限频率附近的特性

图7 带负反馈的放大电路1 kHz附近的频率特性

图8 基本放大电路1 kHz附近的频率特性

图9 带负反馈的放大电路上限频率附近的特性

图10 基本放大电路上限频率附近的特性

图11 基本放大电路电压和频率特性的测量图

然后，再仿真基本放大器电路，既要让图2中的反馈信号为0，又要考虑到反馈网络对基本放大器输入端和输出端的负载效应，得到如图11所示的电路连接图，再接上示波器和波特测试仪进行仿真.仿真结果和波形数据如图4、图6、图8、图10所示.

2.2 Multisim12仿真结果的计算和分析

先计算闭环时的情况:

由图 3 计算出闭环增益 Af=43.540/2.000=21.77，20lg|Af|=20*lg21.77=26.76 dB.

由图2估算出反馈系数 F=220/5220=0.042，1/F=23.73.

由图5读出下限频率约为8.185 Hz.

由图7读出中频增益约为26.76 dB.

由图9读出上限频率约为fHf=5.484 MHz.

计算表明:Af和1/F接近相等，相差1.96.

再计算基本放大器电路的情况:

由图4计算开环增益，取输出最大值为两个游标的平均值5268.093 mV，

由图6读出下限频率约为36.485 Hz.

由图8读出中频增益约为48.687 dB，与计算有点误差的原因在于游标选择的频率为1.036 kHz.

由图10读出上限频率约为fH=436.266 kHz.

由 A和F计算闭环增益［2］Af=263.68/(1+263.68*0.042)=21.84，这和图3 测得值相差0.07，比近似估算的误差1.96小.

由 A、F 和fH的值估算闭环上限频率 fHf=(1+263.68*0.042)*436.266 kHz=5.268 MHz和图9 上限频率的数值5.484 MHz比较接近.

通过以上的计算和分析表明，闭环和开环仿真得到的增益之间的关系、通频带之间的关系都和理论分析吻合得很好.

3 结语

负反馈放大电路的计算当电路较复杂时非常不方便，为此经过理论探讨之后，利用计算机软件进行仿真，在仿真时要充分考虑反馈网络对基本放大器输入端、输出端的负载效应的影响.在Multisim12上对常用的带负反馈的放大电路仿真，经过对仿真波形和数据的分析计算表明，闭环和开环仿真得到的增益之间的关系、通频带之间的关系都和理论分析吻合得很好.

［1］江晓安，董秀峰.模拟电子技术［M］.第2版.西安:西安电子科技大学出版社，2004.

［2］康华光，陈大钦，张林.电子技术基础(模拟部分)［M］.第5版.北京:高等教育出版社，2006.