虚实结合负反馈放大电路性能分析实验

丁守成， 肖利梅， 闫 珂， 王贵锋

(兰州理工大学 电气工程与信息工程学院， 兰州 730050)

负反馈放大电路的内容是“模拟电子技术”课程中重要部分，通过负反馈放大电路实验掌握常用仪器：示波器、信号发生器、波特仪、万用表等工作原理和使用方法；掌握常用的电子元器件使用方法；掌握基本电路的测量及故障处理方法；掌握实验数据的处理方法；加深负反馈放大电路知识的理解与自激振荡产生及消除条件的理解；对培养学生的动手能力、良好的实验习惯具有重要作用[1-4]。

受限于实验学时和经费，很多学校电子技术实验室教学设备没有配置频谱分析仪，负反馈放大电路实验仅仅测试放大电路的基本放大功能，而对负反馈放大电路系统分析内容很少。虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容, 而加速信息化教学建设是很多高校“十三五”规划的重要建设内容之一[5-9]。各高校已经开始了不同方向专业的虚拟仿真实验探索与实验[10-12]。因此开发基于线上的虚实结合负反馈放大电路设计势在必行。

相比于传统的Multisim、Protel等虚拟仿真软件，本虚实结合负反馈放大电路实验系统最大的特色是实验系统中应用到所有元器件为真实的元器件，测试仪器则为虚拟仪器，学生通过浏览器登录虚拟实验平台后，学生前台的通过页面实验操作均在后台通过软硬件结合技术，对相关的实际元器件进行连接，并通过虚拟测试仪器进行结果输出。本虚拟结合负反馈放大电路实验系统综合了线下实际实验室的真实器件，同时克服了线下实验室设备成本高、存在时空限制、测试仪器损坏风险和实验安全风险等因素。

1 实验电路方案与原理分析

1.1 负反馈放大电路图

图1所示为虚拟实验负反馈放大电路图，OP07运算放大器的放大倍数典型值为A=4×105，OP07运算放大器单位增益带宽典型值为GBW=0.6 MHz，电阻R2=R3=20 kΩ，R1=100 kΩ，R4=10 kΩ，设置可变电容器的初始值C1=160 pF，电位器初始电阻值为Rf=20 kΩ。

图1 负反馈放大电路

1.2 负反馈放大电路原理分析

图1所示负反馈放大电路的前向传输可分为三个部分，第一部分为前向开环放大电路，第二部分为RC电路，第三部分为同向比例运算电路。图1所示负反馈放大电路的前向传递函数[13]为

(1)

前向传递相移量为

(2)

反馈通道由R4和Rf组成，负反馈放大电路反馈传递函数为

(3)

反馈通道相移量φF(jf)=0。

根据负反馈放大电路产生自激振荡必须满足相位平衡条件和起振条件。即：

(4)

(5)

1.3 自激振荡的消除

根据自激振荡产生条件，可以通过电容滞后补偿或减小反馈深度消除自激振荡[14-16]。负反馈放大电路消除自激振荡条件只需要不满足相位平衡条件或不满足起振条件，在此条件下负反馈放大电路不会产生自激振荡。

1)电容滞后补偿改变附加相移

2) 减小反馈深度

2 虚实结合实验电路设计与实践

2.1 虚拟仿真实验平台登录

选课学生通过浏览器访问虚拟仿真实验平台网址，登录学生对应学号和密码，选择虚拟实验，选择负反馈放大电路，进入虚拟实验操作界面。如图2所示为学生实验操作界面。

图2 学生登录负反馈放大电路实验界面

2.2 负反馈放大电路实验具体操作

根据图1所示电路图，通过拖动登录界面左侧的实际元器件至实验电路平台中，电路输入与输出分别连接示波器CH1通道和CH2通道观察输入和输出波形，如图3所示。

图3 负反馈放大电路虚拟实验电路图

调节信号发生器，使得输入信号峰峰值为1 V，频率1 kHz的正弦信号，通过示波器观察输入和输出信号，如图4所示。

图4 负反馈放大电路输入、输出信号波形

将图3开关由bc切换至ab，对开环放大电路输出信号通过频谱分析仪进行幅频和相频特性曲线分析，如图5所示为输出信号的幅频曲线和相频曲线。

图5 开环放大电路信号幅频图和相频图

由图5可知，根据信号幅频特性曲线和相频特性曲线可知，在相移为-180°时，频率为54.9 kHz。仿真实验结果和理论分析结果f=54.6 kHz，在误差范围内实验结果与理论计算结果一致，此频率下开环增益为11.69 dB，即开环放大倍数为3.84，AVOF=1.28>1，虚拟仿真结果与理论计算值AVOF=1.29，在误差范围内基本一致。满足负反馈放大电路产生自激振荡条件，通过本虚拟仿真负反馈放大电路实验系统频谱分析仪观察输出结果与理论计算结果一致。

2.3 负反馈放大电路实验自激振荡消除

1) 电容滞后补偿改变附加相移

改变电容器值为C1=1.6 pF，输出波形如图6所示。

由图6可知，输出信号是一个放大的正弦信号，放大倍数为3倍。理论计算放大倍数为1/F，代入条件得输出信号幅值放大倍数为输入信号幅值3倍与示波器观察到虚拟仿真实验结果一致。

图6 负反馈放大电路输入、输出信号波形图

对输出信号通过示波器进行频谱分析，得到频谱图如图7所示。

图7 负反馈放大电路输出信号频谱图

由图7可知输出信号为与输入信号相同的频率为1 kHz的单频信号。

在图3其他条件不变，可变电容器值调节为C1=1.6 pF下，将开关由bc切换至ab，对开环输出信号进行幅频和相频特性曲线分析，如下图8所示为输出信号的幅频曲线和相频曲线。

图8 开环放大电路输出信号幅频、相频特性曲线

由图8幅频、相频特性曲线可知相位为-180°情况下，频率为547 kHz与理论计算结果基本一致。此频率下开环增益为-0.7 dB，即开环放大倍数为0.93，与理论计算结果0.93一致，AVOF=0.31<1，不满足负反馈放大电路产生自激振荡条件。

2)减小反馈深度消除自激振荡

由理论计算知，在初始条件不变的情况下，当反馈回路可变电阻Rf>28.8 kΩ，不满足产生负反馈放大电路自激振荡起振条件。改变反馈回路电位器电阻值使Rf=30 kΩ，通过示波器观察到输入、输出信号波形图如下图9所示。

图9 负反馈放大电路输入、输出波形图

由图9可知输出信号为频率为1 kHz的正弦信号，输出信号幅值相比于输入信号放大4倍，虚拟仿真实验输出信号放大倍数与理论计算放大倍数1/F=4一致。

在图3其他条件不变，改变负反馈回路电阻Rf=30 kΩ条件下，开关由bc切换至ab，对开环放大电路输出信号进行幅频和相频特性曲线进行分析，如图5所示，根据相频特性曲线，在相位为-180°条件下，对应的信号频率为54.9 kHz，此时增益为11.69 dB，即开环放大倍数为3.84，AVOF=0.96<1，不满足负反馈放大电路产生自激振荡条件。

通过调节电容器值进行电容滞后补偿或通过调节反馈回路电位器电阻值改变反馈深度消除自激振荡，通过实验系统自带的示波器可以直观的观察输出信号波形的变化，并掌握示波器的使用，以及频谱分析仪进行幅频特性曲线和相频特性曲线观察，将理论应用到实践中，领会理论的意义。

3 结语

负反馈放大电路作为“模拟电子技术”重要的内容。学生通过本虚拟实验仿真，使学生更加直观深入地掌握负反馈放大电路的工作原理及自激振荡的产生及消除条件。使学生从抽象的课本概念实现到实际的输出波形图像的建立，同时虚拟实验摆脱了实验条件和实验场地的限制以及用电安全问题，使学生随时随地进行实验操作与实验复习，调动了学生的积极性和探索性。教师也可以通过后台更加方便地掌握学生实验完成情况，虚拟仿真实验将助力学生更好地学习。