基于Multisim的负反馈放大电路仿真分析

韩晓霞，张庆顺，肖真真

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定071002）

基于Multisim的负反馈放大电路仿真分析

韩晓霞，张庆顺，肖真真

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定071002）

负反馈放大电路是“模拟电路”课程中的重要内容，利用Multisim 10对负反馈放大电路进行仿真分析，验证了负反馈对放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、非线性失真和通频带的影响。该教学方法将理论知识与实验仿真相结合，不仅能加深学生对理论的理解，而且提高了学生的学习兴趣。

负反馈；放大电路；Multisim；仿真

反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，在放大器中应用也很广泛。放大器的增益对晶体管参数的依赖性很大，而晶体管参数的离散性又很大，这给电路设计和成批生产带来了困难。但是，如果在放大器中不仅引入直流负反馈，也引入交流负反馈，则可以减少晶体管静态工作点对晶体管参数的依赖性，同时又减少了放大倍数对晶体管参数的依赖性。不仅如此，在引入负反馈后，还可以改善放大器的一系列重要性能[1]，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等。负反馈放大电路各组态电路及其影响是很难掌握的[2]，在教学中结合Multisim软件进行仿真，可以将结果生动形象地表现出来，激发学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的理解，取得了良好的教学效果[3]。

1 反馈的基本概念

1.1 反馈的定义

反馈也称为“回授”，应用于各个领域[1]。在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。

按照反馈放大电路各部分电路的主要功能可将其分为基本放大电路和反馈网络两个部分。具体如图1所示[1]。

图1 反馈放大电路的方块图

1.2 反馈的分类

（1）根据反馈的极性分类，可分为正反馈和负反馈。根据反馈的效果可以区分反馈的极性：使放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。由于反馈的结果影响了净输入量，必然影响输出量，所以也可以根据输出量的变化来判断反馈的极性，反馈的结果使输出量的变化增大的为正反馈，使输出量的变化减小的为负反馈。

（2）根据反馈信号的组成分类，可分为直流反馈和交流反馈。直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。在很多放大电路中，常常是交、直流反馈兼而有之，称为交、直流反馈。

（3）根据输出端取样对象分类，可分为电压反馈和电流反馈。电压反馈的反馈信号取自输出电压，反馈量与输出电压成正比；电流反馈的反馈信号取自输出电流，反馈量与输出电流成正比。

（4）根据与输入端的连接方式分类，可分为串联反馈和并联反馈。反馈量与输入量若以电压方式叠加，则称为串联反馈，若以电流方式叠加，则称为并联反馈。

1.3 反馈的判断方法

1.3.1 有无反馈的判断

若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，并由此影响放大电路的净输入量，则表明电路引入了反馈，反之则没有引入反馈。

1.3.2 反馈类型的判断

（1）正反馈与负反馈的判断。正负反馈的简易判别方法是瞬时极性法。即先假设放大电路输入端信号在某一瞬间对地的极性为（+）或（-）；然后，根据各级电路输出端与输入端信号的相位关系（同相或反相），标出反馈回路中各点的瞬时极性；再得到反馈端信号的极性；最后，通过比较反馈端信号与输入端信号的极性来判断电路的净输入信号是加强还是削弱，从而确定是正反馈还是负反馈。

（2）直流反馈与交流反馈的判断。根据直流反馈与交流反馈的定义，可以通过反馈存在于放大电路的直流通路之中还是交流通路之中，来判断电路引入的是直流反馈还是交流反馈。

（3）电压负反馈与电流负反馈的判断。电压反馈与电流反馈的区别在于基本放大电路的输出回路与反馈网络的连接方式不同。电压、电流反馈简易判别方法是：令输出端短路，若反馈量消失，则说明电路中引入了电压负反馈；若反馈量仍然存在，则说明电路中引入了电流负反馈。需要注意的是，此处的“短路”为假设的，不是真正的短接。

（4）串联反馈与并联反馈的判断。串联反馈与并联反馈的区别在于基本放大电路的输入回路与反馈网络的连接方式不同。若反馈信号为电压量，与输入电压求差而获得净输入电压，则为串联反馈；若反馈信号为电流量，与输入电流求差而获得净输入电流，则为并联反馈。串联、并联反馈简易判别方法是：输入信号和反馈信号在不同节点引入为串联反馈，在同一节点引入为并联反馈。

2 负反馈放大电路的仿真分析

负反馈放大电路的四种基本组态有电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈和电流并联负反馈。利用Multisim 10分别设计了由集成运放和分立元件组成的两种类型的负反馈放大电路并进行仿真分析，验证了其对放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、频带、非线性失真的影响。

2.1 电压串联负反馈

电压串联负反馈电路的方块图如图2所示[4]。

图2 电压串联负反馈方块图

在Multisim 10的电路窗口中建立由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路的电路，如图3所示。

图3 电压串联负反馈电路

图3中用的是集成运放741，利用一个开关来控制是否引入反馈，用示波器来观察波形，用万用表来测量电压和电流。示波器的A通路连接输入端，B通路连接输出端，用波特图示仪来测量幅频特性和相频特性。

通过改变图3中R2的参数，观测有无反馈时的输出电压和放大倍数的变化，结果如表1所示。

表1 当改变R2的值时，仿真结果

结论：电压串联负反馈对放大电路的电压放大倍数起到了稳定的作用，并且当引入负反馈时，净输入量减小，所以同时又降低了放大倍数。

通过观测有无反馈时的输入电压和输入电流进而计算输入电阻，结果如表2所示。

表2 输入电压电流的万用表数值

结论：无负反馈时，输入电压与输入电流之比即输入电阻为4.5236MΩ，有负反馈时，输入电阻为9.2678MΩ，可知加入电压串联负反馈后，输入电阻增大，验证了串联负反馈增大输入电阻。

通过观测有无反馈时的输出电压和输出电流，进而计算输出电阻，结果如表3所示。

表3 输出电压电流的万用表数值

结论：无负反馈时，输出电压与输出电流之比即输出电阻为6.8030KΩ，有负反馈时，输出电阻为5.0767KΩ，输出电阻减小，验证了电压负反馈减小输出电阻。

电压串联负反馈对放大电路的频带的影响如图4所示。将图3中的开关J1打到下面时，电路中没有反馈，其幅频特性如图4（a），将图3中的开关J1打到上面时，电路中有负反馈，其幅频特性如图4（b）。

图4 幅频特性的波特图

由加入负反馈前后的变化可知，有负反馈时的fH为491.388kHz，无负反馈时的fH为29.527kHz，可见负反馈对放大电路有展宽频带的作用。

电压串联负反馈对放大电路的非线性失真的影响如图5所示，图5中上面波形为输入正弦信号的波形，下面波形为输出信号的波形，可见有负反馈时输出波形没有失真。从而可知电路中引入负反馈可以减小非线性失真。

图5 输入输出仿真波形

2.2 分立元件组成的负反馈放大电路仿真分析

在Multisim 10的电路窗口中建立由分立元件组成的电压并联负反馈放大电路的电路[5]，如图6所示。利用一个开关来控制是否引入反馈，用示波器来观察波形。示波器的A通路连接输入端，B通路连接输出端。

图6 分立元件组成的一个负反馈放大电路

通过改变图6中R6的参数，观测有无反馈时的输出电压和放大倍数的变化，结果如表4所示。

表4 改变R6时，仿真结果

无反馈时，电压放大倍数的变化量为46.32%；有反馈时，电压放大倍数的变化量为10.756%。

结论：电压负反馈对放大电路的电压放大倍数起到了稳定的作用。当引入负反馈时，净输入量减小，所以降低了放大倍数。

通过观测有无反馈时的输入电压和输入电流进而计算输入电阻，结果如表5所示。

表5 输入电压电流的万用表数值

结论：无负反馈时，输入电阻为2.699kΩ，有负反馈时，输入电阻为0.1517kΩ，加入负反馈后，输入电阻减小，验证了并联负反馈减小输入电阻。

通过观测有无反馈时的输出电压和输出电流，进而计算输出电阻，结果如表6所示。

表6 输出电压电流的万用表数值

结论：无负反馈时，输出电阻为1kΩ，有负反馈时，输出电阻为0.9999kΩ，输出电阻减小，验证了电压负反馈减小输出电阻。

将图2-5中的开关J1打开，电路中无反馈，由幅频特性图（见图7）可知其为带通电路，幅度最大时为31.573dB，由于截止频率所对应的分贝与最大值相差3dB，所以截止频率所对应的幅度为28.573dB。右击游标设置y的值为28.573dB，分别找到与之对应的下限频率fL为158.439Hz（如图7（a）），及与之对应的上限频率fH为7.449MHz（如图7（b）），计算出带宽fbw=fH-fL≈7.449MHz。

图7 无反馈时幅频特性的波特图

将图6中的开关J1闭合时，电路中有反馈，幅频特性如图8所示，幅度最大时为16.227dB，3dB截止频率所对应的幅度为13.227dB，与之对应的上限频率fL为160.982Hz（如图8（a）），下限频率fH为40.423MHz（如图8（b）），可计算出带宽fbw=fH-fL≈40.423MHz。

图8 有反馈时幅频特性的波特图

由加入负反馈前后的变化可知，无负反馈时的频带约为7.449MHz，有负反馈时的频带约为40.423MHz。可见负反馈对放大电路有展宽频带的作用。

电压并联负反馈对放大电路的非线性失真的影响如图9所示。图9中上面波形为输入正弦信号的波形，下面波形为输出信号的波形，说明有负反馈时输出波形没有失真。可见电路中引入负反馈可以减小非线性失真。

图9 输入输出仿真波形

3 结论

通过分别对由集成运放和分立元件组成的负反馈放大电路的仿真结果可以验证负反馈对放大电路具有以下影响：

（1）稳定放大电路的放大倍数。若电路为电压负反馈放大电路，则可以稳定电压；若电路为电流负反馈放大电路，则可以稳定电流。但是由于加入了负反馈，使得净输入量减小，从而放大倍数减小。

（2）改变输入电阻和输出电阻。从仿真结果可以验证，串联负反馈可以增大输入电阻，并联负反馈可以减小输入电阻，电压负反馈可以减小输出电阻，电流负反馈可以增大输出电阻。

（3）展宽频带。引入负反馈后，因频率变化而引起放大倍数的变化，其效果是展宽了通频带。

（4）减小非线性失真。非线性失真产生于电路内部，引入负反馈后可以有效抑制这种非线性失真。

把Multisim引入模拟电路的教学当中，启发学生开发仿真程序，既帮助学生理解了理论知识，又锻炼了学生的实践能力。

［1］童师白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2006：259-323.

［2］赵蓉.浅谈负反馈组态电路的分析及仿真［J］.广西轻工业，2007：44-45.

［3］袁利平.Multisim在电子线路实验教学中的应用［J］.现代电子技术，2009：112-115.

［4］百度文库.负反馈放大电路［EB/OL］.［2014-12-22］. http：//wenku.baidu.com/view/b03924a8dd3383c4bb4cd 267.html

［5］梁青，侯传教，熊伟，等.Multisim 11电路仿真与实践［M］.北京：清华大学出版社，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

河北大学教学改革项目“独立学院电路、信号与系统课程教学改革与实践”（JX201312）

韩晓霞（1977-），女，河北保定人，讲师，研究方向为电路与系统；张庆顺（1979-），男，陕西汉中人，讲师，研究方向为电路与系统、高速数据通信。