電壓及電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路課程設(shè)計

1、電子技術(shù)課程設(shè)計扌艮告題 目：基于MultisindO電壓及電流并聯(lián)負(fù)反饋電路仿真設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：年 級：專 業(yè)：班 級：指導(dǎo)教"帀：機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2016年門月目錄1緒論-1-2課程設(shè)計的目的-1-3設(shè)計內(nèi)容及要求-1-4設(shè)計原理框圖-2-框圖及基本公式及其分析-2-電壓及電流并聯(lián)負(fù)反饋適用條件-3-5性能指標(biāo)-3-放大倍數(shù)-3-輸入電阻一3一輸出電阻一3一通頻帶和頻率失真-4-6電壓及電流的并聯(lián)負(fù)反饋的仿真實現(xiàn)-4-multisimIO仿真軟件的介紹一4-電壓并聯(lián)負(fù)反饋的仿真-4-電流并聯(lián)反饋電路-6-反饋放大電路的頻帶擴(kuò)展-7-電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的模擬仿真與計

2、算-9-開環(huán)與閉環(huán)測試-9-輸入電阻和輸出電阻-9-理論計算-10-電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的模擬仿真與計算-10-靜態(tài)工作點-11-開環(huán)增益-11-閉環(huán)增益-11一輸出電阻一 12一輸入電阻-12-7設(shè)計總結(jié)-12-參考文獻(xiàn)-12-1緒論隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用，EDA（電子設(shè)計自動 化）技術(shù)在電子電路的分析設(shè)計中顯得越來越重要。EDA技術(shù)可以根據(jù)電路的 結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)對電路進(jìn)行仿真，獲得電路的技術(shù)指標(biāo)，從而可以快速方便 精確地評價電路設(shè)計的正確性，節(jié)省大量的時間和費用。本設(shè)計介紹了新 版仿真軟件MultisimIO的功能特點以及實現(xiàn)電壓及電流并聯(lián)負(fù)及饋放大電 路的仿真分析

3、。2課程設(shè)計的目的K積極調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，最大限度的發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能；2、對所學(xué)知識進(jìn)行階段性的綜合訓(xùn)練，初步了解一般模電產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的 基本程序、方法、及過程，掌握相關(guān)電路設(shè)計應(yīng)用及一定的電子元器件的 應(yīng)用、產(chǎn)品制作的技能；3、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)術(shù)交流、再學(xué)習(xí)（查找理解相關(guān)技術(shù)資料）及獨立完成的能力；4、學(xué)會撰寫課程設(shè)計報告，為做畢業(yè)設(shè)計論文奠定基礎(chǔ)。3設(shè)計內(nèi)容及要求反饋模式的識別是模擬電子技術(shù)的難點之一。就電流及電壓相加（并聯(lián)） 負(fù)反饋放大電路訓(xùn)練及饋模式的識別、進(jìn)行輸出與輸入關(guān)系的分析計算和實 驗并且在MultisimIO平臺上仿真。要求學(xué)生自行分析計算所給電路輸出與輸 入的函數(shù)關(guān)系，

4、自行選定電阻阻值，確立輸出與輸入的具體數(shù)值關(guān)系，在 MultisimIO平臺上仿真，達(dá)到掌握反饋模式的識別要領(lǐng)、使用輸出與輸入關(guān) 系的分析計算方法、熟悉Multisiml0仿真平臺，進(jìn)一步掌握實驗技能，并如 深鞏固對已學(xué)模擬電子技術(shù)知識的理解和掌握。4設(shè)計原理框圖框圖及基本公式及其分析圖1負(fù)反饋放大電路原理框圖圖1中x表示電壓或電流信號；箭頭表示信號傳輸?shù)姆较?；符號口表?輸入求和；+-表示輸入信號Xj與反饋信號是相減關(guān)系(負(fù)反饋)，即放大電 路的凈輸入信號為：xid=xX,基本放大電路的增益(開環(huán)增益)為：A二X°/Xid反饋系數(shù)為：F 二 Xf/X。反饋放大電路的增益(閉環(huán)增益)

5、為：Af=Xo/Xi綜合上述各式可得負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式為：Af=Xo/X, =A/(1+AF)由上式知，引入負(fù)反饋后，放大電路的閉環(huán)增益人減小了，減小的程度與 (1+AF)有關(guān)。(1+AF)是衡量反饋程度的重要指標(biāo)，負(fù)反饋放大電路所有性 能的改變程度都與(1+AF)有關(guān)。通常把(1+AF)稱為反饋深度，而將AF二A/ Xw稱為環(huán)路增益。當(dāng)考慮信號頻率的影響時，對Af的表達(dá)式進(jìn)行討論。1. 當(dāng)|1+AF|>1時，則|Af|A|,及引入反饋增益下降了，這時的反饋是 負(fù)反饋，|1+AF|>> 1時稱為深度負(fù)反饋，說明在深度負(fù)反饋條件下，閉環(huán) 增益幾乎只取決反饋系數(shù)，而與

6、開環(huán)增益的具體數(shù)值無關(guān)。2. 當(dāng)|1+AF|<1時，則|A>|A|,說明已從原來的負(fù)反饋變成了正反饋。3. 當(dāng)|1+AF|=O時，則|A|too,這就是說放大電路在沒有輸入信號時，也會 有輸出信號，產(chǎn)生了自激振蕩，使放大電路不能正常工作，在負(fù)反饋放大 電路中，自激振蕩現(xiàn)象必須消除。電壓及電流并聯(lián)負(fù)反饋適用條件通常情況下，我們根據(jù)負(fù)載的要求及信號情況來選擇反饋方式.在負(fù)載 變化的情況下.要求放大電路定壓輸出時，就需要電壓負(fù)反饋：在負(fù)載變化 的情況下，要求放大電路恒流輸出時，就要釆用電流負(fù)反饋。當(dāng)要求放大電 路具有底的輸入電阻時，宜采用并聯(lián)反饋。5性能指標(biāo)放大倍數(shù)放大倍數(shù)是橫量放大電路

7、放大能力的指標(biāo)，它有電壓放大倍數(shù)、電流放大 倍數(shù)和功率路放大倍數(shù)等表示方法，其中電壓放大倍數(shù)應(yīng)用最多。放大電路的輸出電壓和輸入電壓之比，稱為電壓放大倍數(shù)九，即A =uo/ui: 放大電路的輸出電流和輸入電流之比，稱為電流放大倍數(shù)人，即A：二i°/ii； 放大電路的輸出功率和輸入功率之比，稱為功率放大倍數(shù)，即Ap=p0/p,0輸入電阻放大電路的輸入電阻是從輸入端向放大電路內(nèi)看進(jìn)去的等效電阻，它等 于放大電路輸出端接實際負(fù)載電阻后輸入電壓與輸入電流之比，即R-u/i,輸出電阻對負(fù)載而言，放大電路的輸出端可等效為一個信號源將放大電路輸出端 斷開接入一信號源電壓，求出由U產(chǎn)生的電流i,則可得

8、到放大電路的輸出 電阻為:Ro=u/i o通頻帶和頻率失真一般情況下，放大電路只用于某個頻率范圍內(nèi)。放大電路所需的通頻帶 由輸入信號的頻帶來確定，為了不失真的放大信號，要求放大電路的通頻帶 應(yīng)大于信號的通頻帶。6電壓及電流的并聯(lián)負(fù)反饋的仿真實現(xiàn)mu 11 i s iml 0仿真軟件的介紹MultisimIO軟件前身是加拿大IIT公司在20世紀(jì)八十年代E期推出的 電路仿真軟件EWB (Electronics Workbench)，后來，EWB將原先版本中的仿 真設(shè)計更名為multisimIO, 2005年之后，加拿大I IT公司隸屬于美國國家儀 器公司(National Instrument,簡

9、稱NI公司)，美國NI公司于2006年初首 次推出版本。目前最新版本是美國NI公司推出的multisimlOo包含了電路 原理圖的圖形輸入、電路的硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真能力。 它具有更形象直觀的人機(jī)交互界面，并且提供了更加豐富的元件庫、儀表庫 和各種分析方法。完全滿足電路的各種仿真需要。Multisiml0軟件是迄今為止使用最方便、最直觀的仿真軟件，其基本元 件的數(shù)學(xué)模型是基于Spice版本，但增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真 更復(fù)雜的數(shù)學(xué)元器件，另外解決了 Spice模型對高頻仿真不精確的問題。 MultisimIO在保留了 EWB形象直觀等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大大增強(qiáng)了軟件的

10、仿真 測試和分析功能，大大擴(kuò)充了元件庫中的元件的數(shù)目，特別是增加了大量與 實際元件對應(yīng)得元件模型，使得仿真設(shè)計的結(jié)果更加精確、更可靠、更具有 實用性。MultisimIO的特點有1:可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀 器；2:所有的虛擬信號都可以通過計算機(jī)輸出到實際的電路上；3:所有硬 件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。電壓并聯(lián)負(fù)反焼的仿真在MultisimIO中建立圖2所示電路圖2電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路如圖2所示的電壓并聯(lián)負(fù)反饋中，集成運(yùn)放采用741,并用一個開關(guān)來 控制電路有無反饋的存在。用示波器來觀察反饋時的情況。其中輸入信號V1 是一個交流電壓源信號，示波器的A通道

11、接輸出信號，B通道接輸入信號。 開關(guān)打向下邊時，沒有負(fù)反饋，輸入輸出的信號波形如圖3所示，上而A通 道的波形是輸出波形；下而B通道的波形為輸入波形，可以看到，此時輸出 波形已嚴(yán)重失真。圖3波形嚴(yán)重失真開關(guān)打到上面時，加入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入輸出的信號波形如圖4所 示，上面A通道的波形是輸入波形，下面B通道波形是輸出波形，可以看出 此時輸出波形沒有失真。但是輸出信號的幅度減小了。與理論上引入負(fù)反饋 放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。圖4波形未失真電流并聯(lián)反饋電路在MultisimIO中建立圖5所示電路:j： Xsci 7|：圖5電流并聯(lián)負(fù)反饋電路如圖5所示，集成運(yùn)放釆用LM307H,其中

12、輸入信號為交流源信號，示波 器的A通道接輸入信號，B通道接輸出信號。開關(guān)打向左邊時，沒有負(fù)反饋, 輸入輸出的信號波形如圖6所示，上面A通道的波形是輸入波形；下而B通道的波形為輸出波形，可以看到，此時輸出波形已嚴(yán)重失真。示波器XSC1X圖6波形嚴(yán)重失真開關(guān)打到右面時，加入電流并聯(lián)負(fù)反饋，輸入輸出的信號波形如圖7所 示，上而A通道的波形是輸入波形，下面B通道波形是輸出波形，可以看出 此時輸出波形沒有失真。但是輸出信號的幅度減小了。與理論上引入負(fù)反饋 放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。示波器XSC1圖7波形沒有失真反饋放大電路的頻帶擴(kuò)展如圖8所示，開關(guān)打向下而時，沒有交流負(fù)反饋，打開波特儀顯

13、示而板,按下仿真按鈕，看到波特儀顯示的幅頻特性曲線如圖9所示。波特泌試儀XBP11000THz100pHz線性-0.02dB-100dB圖9無反饋的幅頻特性曲線開關(guān)打到上而時，加入交流負(fù)反饋，看到波特儀顯示的幅頻特性如圖10所示。波特泌試儀-XBP1豐 100 uHz-93.23 dB+I 幅值 I 相位 水平垂直F1000THzF0.02dBI100UHzI-100dB控件反向保存設(shè)置.1+ 進(jìn)卜 出財敎線性財敎線性 /圖10有反饋的幅頻特性曲線電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的模擬仿真與計算 電路圖11所示圖們電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路開環(huán)與閉環(huán)測試改變S狀態(tài)，可以測得開環(huán)輸入電流I,開環(huán)輸出電流I八

14、及饋電流If以及閉環(huán)輸出電流I旳 具體仿真結(jié)果如表表1開環(huán)與閉環(huán)測試結(jié)果li/u Alo/mAI if/ U AI./UA對上而數(shù)據(jù)進(jìn)行計算： 開環(huán)電流增益：二1。兒二u A二： 電路反饋系數(shù)：F,Fh/LFuA/=; 閉環(huán)電流增益：Aiif=lof/lif= UA=; 反饋深度：1+ Ah Fli=1+*=: 負(fù)反饋放大電路增益:A,./(1+ Ah Fh)=：由上面計算可得A,=A/1+AF (在誤差允許的范圍內(nèi))滿足開環(huán)增益與閉環(huán)增益 的基本關(guān)系式。輸入電阻和輸出電阻1) 、輸入電阻由表1數(shù)據(jù)計算可得,開環(huán)時Rf(I-iDRs/la,閉環(huán)時&產(chǎn)(1廠l“)R*lif, 結(jié)果見表2

15、.可以得知并聯(lián)負(fù)及饋輸入電阻滿足如下關(guān)系式險二 R/1+AF表2 輸入電阻、輸出電阻計算R,/Q Rfi/Q R,/(1+AU,F,U) Ro/kQ Rof/kQ R/(1+f hAq)2) 輸出電阻斷開負(fù)載電阻乩(RToo)，得開環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)下的開路電壓U°L、UoH=, 兩者相同。從電路圖上不難理解，斷開負(fù)載后其輸出電壓就是運(yùn)放的輸出。 而輸出短路電流(RC0)在開環(huán)和閉環(huán)條件下分別為1“二和I。仆二，利用公示 R。二U。/1 “可以分別求得R°. R“.另外可以求得負(fù)載短路時相應(yīng)的源電流增益心 為 A8ii=lon/L=50uA=有(1+Fi,*Aj 二，求得 R。(

16、1+F.Aj,結(jié)果見表 2,滿足 關(guān)系式 R”二(1+FAii)。理論計算1)反饋放大器對圖十所示反饋放大器列寫節(jié)點方程有(1/R5+1/R,+1/R0 U" - (1/Rf)Ua=l5另外根據(jù)電路可以寫出輸入、輸出電流表達(dá)式I.F (LR-U.)侃，lOf=Ua-(-R2/R,)Uif/R3+R>©經(jīng)過計算得IfI。尸Ai i I of/1 if其大小與仿真結(jié)果非常接近，說明了兩者的一致性。表3 理論與仿真結(jié)果比較A,Ajjf理論計算仿真結(jié)果2）基本放大器對于基本放大器，列寫方程(1/R4+1/RF1/Rf+Ri) Ui=L代入數(shù)據(jù)計算可得l,= pA, 1。二，從

17、而得到A尸，二，滿足負(fù)反饋放大電路基本關(guān)系式。電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的模擬仿真與計算電路圖12所示V1-L12VR1AAA'KkO ORAM3T VIRTUA* R2 WV10kQ Rf-AAA-100kQRb12kQ10mVrms"S1鍵二空格lC 103VlOhmRL2.7kQ圖12電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路靜態(tài)工作點對于基本放大器，將單端輸入差分放大電路輸入端短路，不考慮備電阻 壓降，可得、T2管靜態(tài)工作點1八4為LfLf1/2*+12)V/15KQ=開環(huán)增益在Multisim中設(shè)置晶體管的B值為100,則有厲。二(1 + B) VT/IE1=O,而 5二rv b+ rb

18、-e= (+) =Q o由電路圖12可知，運(yùn)算放大器的電壓增益A、尸(-R2/R>).而單端輸入、單端 同相輸出時差分放大電路電壓增益凡2為Av2=1/2*BRc/Rbl+rbe ?因為AfAv,Av2所以運(yùn)放-差分放大器電壓增益為A=1/2*BRc/Rbl+rix) * (R2/R,)?結(jié)合圖十一數(shù)據(jù)的開環(huán)電壓增益為Ar5=閉環(huán)增益Af=A/1+k,A, Kf1 /R,得 Af.經(jīng)過與理論值(人二一)計算比較，誤差,驗證了開、閉環(huán)互阻增益的基本 關(guān)系式。輸出電阻根據(jù)電路分析可知，可以通過斷開負(fù)載，利用R。二(Rg/Vo-1) &得到相應(yīng)輸 出電阻，根據(jù)等效小信號模型電路分析Ro,= Q ,開環(huán)下的輸出電阻可以根據(jù) 圖十一計算得到，RO=RC5版，北京：高等教育出版社，2005年.2 秦新燕、黃曉明主編，