西北工業(yè)大學多級負反饋放大器的研究

1、班級： 姓名： 學號：模擬電子技術實驗報告實驗名稱：多級負反饋放大器的研究學院： 班級：姓名：學號：完成時間： 2.5 多級負反饋放大器的研究一、實驗目的（1）掌握用仿真軟件研究多級負反饋放大電路。（2）學習集成運算放大器的應用，掌握多級集成運放電路的工作特點。（3）研究負反饋對放大器性能的影響，掌握負反饋放大器性能指標的測試方法。 1)測試開環(huán)和閉環(huán)的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、反饋網(wǎng)絡的電壓反饋系數(shù)和通頻帶； 2)比較電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和通頻帶在開環(huán)和閉環(huán)時的差別； 3)觀察負反饋對非線性失真的改善。二、實驗原理1、集成運算放大器LM324介紹LM324是四運放集成芯片，它采用1

2、4腳雙列直插塑料封裝。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源公用外，四組運算放大器相互獨立。每一組運算放大器可用圖2.5-1所示的符號來表示，它有5個引腳，其中“Vi+”、“Vi-”分別為同相、反相信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“VO”為輸出端。LM324的引腳排列如圖2.5-2所示。 圖2.5-1 運算放大器引腳圖 圖2.5-2 LM324引腳排列由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。2、實驗原理及電路（1）基本概念。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

3、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。若反饋的結果使凈輸入量減小，則稱之為負反饋；反之，稱之為正反饋。若反饋存在于直流通路，則稱為直流反饋；若反饋存在于交流通路，則稱為交流反饋。交流負反饋有四種組態(tài)：電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。若反饋量取自輸出電壓，則稱之為電壓反饋；若反饋量取自輸出電流，則稱之為電流反饋。輸入量、反饋量和凈輸入量以電壓形式相疊加，稱為串聯(lián)反饋；以電流形式相疊加，稱為并聯(lián)反饋。在分析反饋放大電路時，“有無反饋”決定于輸出回路和輸入回路是否存在反饋支路。“直流反饋或交流反饋”決定于反饋支路存在于直流通

4、路還是交流通路；“正負反饋”的判斷可采用瞬時極性法，反饋的結果使凈輸入量減小的為負反饋，使凈輸入量增大的為正反饋；“電壓反饋或電流反饋”的判斷可以看反饋支路與輸出支路是否有直接接點，如果反饋支路與輸出支路有直接接點則為電壓反饋，否則為電流反饋；“串聯(lián)反饋或并聯(lián)反饋”的判斷可以看反饋支路與輸入支路是否有直接接點，如果反饋支路與輸入支路有直接接點則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋。引入交流負反饋后，可以改善放大電路多方面的性能：提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、改變輸入電阻和輸出電阻、展寬通頻帶、減小非線性失真等。 實驗電路如圖2.5-3所示。該放大電路由兩級運放構成的反相比例器組成，在末級的輸出端引入了反饋網(wǎng)路C

5、f、Rf2和Rf1，構成了交流電壓串聯(lián)負反饋電路。 圖2.5-3 多級集成運放負反饋放大電路（2）放大器的基本參數(shù)：1）開環(huán)參數(shù)。將反饋之路的A點與P點斷開、與B點相連，便可得到開環(huán)時的放大電路。由此可測出開環(huán)時的放大電路的電壓放大倍數(shù)AV、輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、反饋網(wǎng)路的電壓反饋系數(shù)Fv和通頻帶BW，即（2.5-1）式中：VN為N點對地的交流電壓；Vo為負載RL開路時的輸出電壓；Vf為B點對地的交流電壓；fH和fL分別為放大器的上、下限頻率，其定義為放大器的放大倍數(shù)下降為中頻放大倍數(shù)的時的頻率值，即（2.5-2） 2）閉環(huán)參數(shù)。通過開環(huán)時放大電路的電壓放大倍數(shù)Av、輸入電阻Ri、輸出電

6、阻Ro、反饋網(wǎng)絡的電壓反饋系數(shù)Fv和上、下限頻率fH、fL，可以計算求得多級負反饋放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)AVf、輸入電阻Rif、輸出電阻Rof和通頻帶BWf的理論值，即（2.5-3） 測量放大電路的閉環(huán)特性時，應將反饋電路的A點與B點斷開、與P點相連，以構成反饋網(wǎng)絡。此時需要適當增大輸入信號電壓Vi，使輸出電壓Vo（接入負載RL時的測量值）達到開環(huán)時的測量值，然后分別測出Vi、VN、Vf、BWf和 Vo'（負載RL開路時的測量值）的大小，并由此得到負反饋放大電路閉環(huán)特性的實際測量值為（2.5-4） 上述所得結果應與開環(huán)測試時由式（2.5-3）所計算的理論值近似相等，否則應找出原因后

7、重新測量。 在進行上述測試時，應保證各點信號波形與輸入信號為同頻率且不失真的正弦波，否則應找出原因，排除故障后再進行測量。三、實驗內容及結果電路圖計算機仿真部分：(1) 根據(jù)圖2.5-3電路畫出實驗仿真電路圖如圖2.5-4所示。其中得到的波特圖繪制儀的命令為“SimulateàInstrumentàBode Plotter”。（模擬儀器à工具欄à波特圖示儀）圖2.5-4多級集成運放負反饋放大電路（2） 調節(jié)J1，使開關A端與B端相連，測試電路的開環(huán)基本特性。1)將信號發(fā)生器輸出調為1kHz、20mVp（峰峰值）正弦波，然后接入放大器的輸入端，得到網(wǎng)絡的波

8、特圖如圖2.5-5所示。圖2.5-5多級集成運放網(wǎng)絡開環(huán)波特圖2）保持輸入信號不變，用示波器觀察輸入和輸出的波形。3）接入負載RL，用示波器分別測出Vi、VN、Vf、Vo，記錄表2.51中。4）將負載RL開路，保持輸入電壓Vi的大小不變，用示波器測出輸出電壓 Vo'記入表2.51中。5）從波特圖上讀出放大器的上限頻率fH與下限頻率fL記入表2.5-1中。6）由上述測試結果，根據(jù)式（2.5-1）計算出放大電路開環(huán)時的Av、Ri、Ro和Fv的值，并由式（2.5-3）計算出放大器閉環(huán)式Avf，Rif和Rof的理論值，計入表2.5-1中。（3）調節(jié)J1，使開關A端與P端相連，測試電路的閉環(huán)基本

9、特性。1） 將信號發(fā)生器輸入調為1kHz、20mVp（峰峰值）正弦波，然后接入放大器的輸入端，得到網(wǎng)絡的波特圖如圖2.5-6所示。2） 接入負載RL，逐漸增大輸入信號Vi，使輸入電壓Vo達到開環(huán)時的測量值，然后用示波器分別測出Vi、VN和Vf的值，記入表格2.5-1。3） 將負載RL開路，保持輸入電壓Vi的大小不變，用示波器分別測出Vo的值，記入表2.5-1中。4） 閉環(huán)式放大器的頻率特性測試同開環(huán)時的測試，即重復開環(huán)測試（5）步。5） 由上述結果并根據(jù)公式（2.5-4）計算出閉環(huán)時的Avf、Rif、Rof和Fv的實際值，記入表2.5-1中。6） 由波特圖測出上、下限頻率，計算通頻帶BW。表2

10、.51 負反饋放大電路仿真測試數(shù)據(jù) Vi/mVVN/mVVf/mVvo'/VV0/VAVAVIAVAVI開環(huán)測試理論計算閉環(huán)測試 fH/kHzfL/mHzBW/kHzRiRif/RoRof/FV開環(huán)測試理論計算閉環(huán)測試四、 實驗波形及結果1.實驗波形（1） 調節(jié)J1，使開關A端與B端相連，測試電路的開環(huán)基本特性。圖一、開環(huán)情況下網(wǎng)絡的波特圖圖二、開環(huán)、不接入負載情況下輸入（如圖中藍線所示）,紅線為VN圖三、開環(huán)、接入負載情況下輸入（如圖中藍線所示）及,紅線為VN 圖四、開環(huán)、接入負載情況下XSC2示波器所示波形（橙色線為Vf，藍色線為V0） 圖五、開環(huán)、不接入負載情況下XSC2示波器所

11、示波形（橙色線為Vf，藍色線為vo'）圖六、開環(huán)、接入負載情況放大器的下限頻率圖七、開環(huán)、接入負載情況放大器的上限頻率（2） 調節(jié)J1，使開關A端與P端相連，測試電路的閉環(huán)基本特性。圖八、閉環(huán)情況下網(wǎng)絡的波特圖圖九、閉環(huán)、接入負載情況下輸入（如圖中藍線所示）及,紅線為VN圖十、閉環(huán)、不接入負載情況下輸入（如圖中藍線所示）及,紅線為VN圖十一、閉環(huán)、接入負載情況下XSC2示波器所示波形（橙色線為Vf，藍色線為V0）圖十二、閉環(huán)、不接入負載情況下XSC2示波器所示波形（橙色線為Vf，藍色線為vo'）圖十三、閉環(huán)、接入負載情況放大器的下限頻率圖十四、閉環(huán)、接入負載情況放大器的上限頻率

12、2.實驗數(shù)據(jù)表2.51 負反饋放大電路仿真測試數(shù)據(jù)Vi/mVVN/mVVf/mVvo'/VV0/VAVAVfAVAVf開環(huán)測試9.9860.1010.1471.9911.643199.379166.633理論計算199.3456164.474閉環(huán)測試32.96020.92321.0981.7231.63452.27549.575fH/kHzfL/HzBW/kHzRiRif/RoRof/FV開環(huán)測試129.2741.22129.27310102.124995.4968.956*10-5理論計算27382.238255.9981.291%閉環(huán)測試223.3171.22223.3161000

13、03730010002301.66%主要計算過程： 1、開環(huán)測試：Av = = 1.643V9.986mV166.633 Av' = = 1.991V9.986mV199.379Ri = = 9.9986×10×1039.986-0.101166.633 R0 = Vo'VO-1RL = (1.9911.643-1)×4.7×103995.496FV = VfV0 = 0.147×10-31.6438.956×10-5 BW =fH-fL=129.274 kHz-1.22 Hz 129.273 kHz 2、閉環(huán)測試：

14、Avf = = 1.634V32.960mV49.575 Avf' = = 1.723V32.960mV52.275Rif = = 32.960×10×10332.960-20.92327382.238 R0f = Vo'VO-1RL = (1.7231.634-1)×4.7×103255.998FV = VfV0 = 20.098×10-31.6341.291% BW = fH-fL =223.317 kHz-1.22 Hz 223.316 kHz五、 實驗中遇到的困難及誤差分析1、 在實驗過程中不知道測量波特圖時到底負載應該

15、開路還是應該接入電路，最后通過查閱課本，并根據(jù)以往的經(jīng)驗和與同學討論，確定將負載接入電路來測量波特圖；2、 在算理論值的時候遇到了不少麻煩，自己的知識學的還是不扎實；3、 在連接電路圖的時候，由于自己對于軟件還不是很熟悉，對一些功能還是比較生疏，找一些元器件還是有點困難，所以造成了一些麻煩；4、 實驗有一些誤差是正?，F(xiàn)象，但是自己覺得其中有幾個值可能還是有問題，例如Rif的測量值與理論值差距就很大，不知道是什么原因造成的。六、 選做實驗級聯(lián)放大器的性能指標的測試1、實驗目的理解級聯(lián)放大器的有關性能指數(shù)的計算與測試2、實驗原理分析級聯(lián)放大器的性能指標，一般采用的方法是：通過計算每一單級指標來分析

16、多級指標。在級聯(lián)放大器中，由于后級電路相當于前級的負載，而該負載正是后級放大器的輸入電阻，所以在計算前級輸出時，只要將后級的輸入電阻作為其負載，則該級的輸出信號就是后級的輸入信號。因此，一個n級放大器的總電壓放大倍數(shù)可以表示為 AV=VOVI=VO1VIVO2VO1VOVON-1=AV1AV2AVn (2.5-5)可見，AV為各級電壓放大倍數(shù)的乘機。級聯(lián)放大器的輸入電阻就是第一級的輸入電阻Ri1，不過在計算Ri1時應將后級的輸入電阻Ri2作為其負載，即Ri=Ri1|RL1=Ri2 (2.5-6)而級聯(lián)放大器的輸出電阻就是最末級的輸出電阻Ron，不過在計算Ron時應將前級的輸出電阻R0（n-1）

17、作為信號源的內阻，即Ro=Ron|Rsn=Ro(n-1) (2.5-7)實驗電路如圖2.5-3所示。3、實驗內容 （1）去掉反饋網(wǎng)絡Cf、Rf2和Rf1。實驗電路如上圖所示。 （2）分別測試計算第一級、第二級和級聯(lián)總放大器的放大倍數(shù)AV1，AV2，AV，輸入電阻Ri1，Ri2，Ri和輸出電阻Ro1，Ro2，Ro，自制表格并記錄數(shù)據(jù)。 （3）比較所得的數(shù)據(jù)，得出結論。4、實驗波形及結果 實驗輸入信號為1kHz，20mV（峰峰值）正弦波。（1）實驗波形圖一、第一級放大器接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形（如圖中藍線所示）圖二、第一級放大器不接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形

18、（如圖中藍線所示）圖三、第二級放大器接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形（如圖中藍線所示） 圖四、第二級放大器不接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形（如圖中藍線所示）圖五、級聯(lián)總級放大器接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形（如圖中藍線所示）圖六、級聯(lián)總級放大器不接入負載時的輸入波形（如圖中紅線所示）輸出波形（如圖中藍線所示）圖七、級聯(lián)總級放大器接入負載時的VN1波形（如圖中紅線所示）VN2波形（如圖中藍線所示） （2）實驗數(shù)據(jù)輸入電壓輸出電壓放大倍數(shù)Vi/mVVO1/mVVi/mVVO1/mVVO2/VVO/VAV1AV2AV測得數(shù)據(jù)9.99095.8359.96895.9751.6531.653