交流负反馈对放大倍数稳定性的影响

课程设计说明书NO.1一、设计目的低频电子线路课程设计是继低频电子线路理论学习和试验教学之后又一重要的实践性教学环节，它的任务是在掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，综合所学知识进一步学习电子电路系统的设计方法和试验方法，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。二、设计方案论证1.软件介绍Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。2.设计原理在电子电路中，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）的措施称为负反馈。如果反馈量只含有直流量，则称为直流反馈，如果反馈量只含有交流量，则为交流反馈。沈阳大学课程设计说明书NO.2上图则为一种交流负反馈的原理框图。在放大电路中，利用负反馈可以稳定静态工作点和放大倍数，可以减小非线性失真、扩展频带，还可以改变放大器的输入阻抗和输出抗阻。电压负反馈可以稳定放大电路的输出电压，因而输出阻抗比无负反馈时减小；电流负反馈可稳定放大电路的输出电流，因而输出阻抗比无反馈时增大；串联负反馈由于在输入端串入反馈支路，因而输入阻抗得以提高；并联负反馈的输入端由于并联了反馈支路，因而输入阻抗得以降低。放大电路引入负反馈后，放大倍数虽有所降低，但对改善放大电路的性能有重要的作用。3.设计任务设计一个含有交流负反馈的放大电路，并进行仿真得出结果，研究交流负反馈对放大电路的电压放大倍数稳定性的影响。4.仿真电路沈阳大学课程设计说明书NO.3如图所示，采用虚拟集成电路运放，运放U1、U2分别引入了局部电压并联负反馈，其闭环电压放大倍数分别为Auf1≈-Rf1/R1，Auf2≈-Rf2/R2，可以认为该负反馈放大电路中基本放大电路的放大倍数A≈Auf1Auf2整个电路引入了级间电压串联负反馈，闭环电压放大倍数Auf≈Auf1Auf2/(1+Auf1Auf2F)，F=R/(R+Rf)分别测量Rf2=100KΩ和10KΩ时的Auf。从示波器可以读出电压的幅值，得到电压放大的倍数变化。电路输出波形如下：沈阳大学课程设计说明书NO.4上图中波峰较高的为Rf2=100KΩ时的输出波形；波峰较低的为Rf2=10KΩ时的输出波形。若想比较电路的开环、闭环的电压放大倍数的变化，需要得出示波器的A与B两输出端的电压峰峰值。三、仿真结果与分析沈阳大学课程设计说明书NO.5上图则为A与B两输出端的峰峰值。通过观察示波器的仿真效果可以得出以下结果：A输出端口：信号源峰值Uip=10mV反馈电阻Rf2=100KΩ运放U2输出电压峰值Uop=1290mV闭环电压放大倍数Auf=97.9mV电压放大倍数Auf1=-100mV电压放大倍数Auf2=-100mV开环电压放大倍数A=104B输出端口：信号源峰值Uip=10mV反馈电阻Rf2=10KΩ运放U2输出电压峰值Uop=1185mV闭环电压放大倍数Auf=89.9mV电压放大倍数Auf1=-100mV沈阳大学课程设计说明书NO.6电压放大倍数Auf2=-100mV开环电压放大倍数A=1031.由以上结果可知，当Rf2从100KΩ变为10KΩ时，电路的开环电压放大倍数变化量：ΔA/A=(103-104)/104=-0.9，闭环电压放大倍数变化量，ΔAuf/Auf=(89.9-97.9)/97.9≈-0.082∣ΔAuf/Auf∣∣ΔA/A∣由此说明，负反馈提高了放大倍数的稳定性。2.根据式A≈Auf1Auf2，可知Rf2从100KΩ变为10KΩ时，开环电压放大倍数A从104变为103，闭环电压放大倍数Auf分别为99和90.9，与仿真结果近似。3.当开环电压放大倍数A由104变为103时，闭环电压放大倍数变化量的计算结果为ΔAuf/Auf=[103/(1+103F)–104/(1+104F)]/[104/(1+104F)]≈-0.082沈阳大学课程设计说明书NO.7与仿真结果相同。放大电路引入交流负反馈后，其性能会得到多方面的改善；比如，可以稳定放大倍数，改变输入电阻和输出电阻，展宽频带，减小非线性失真等。对以上仿真结果的内涵进行分析可知，引入交流负反馈，因坏境温度的变化、电源电压的波动、元件的老化、器件的更换等原因引起的放大倍数的减小。特别是在制成产品时，因半导体器件参数的分散性所造成的放大倍数的差别也将明显减小，从而使放大能力具有很好的一致性。应当指出，Af的稳定性是以损失放大倍数为代价的，即Af减小到A的(1+AF)分之一，才使其稳定性提高到A的(1+AF)倍。该放大电路采用直接耦合的方式，且反馈网络为纯电阻网络，则附加仅产生于放大电路，且为滞后相移，电路只可产生高频振荡。故放大电路的级数越多，引入负反馈后越容易产生高频振荡。而且(1+AF)越大，即反馈越深，满足幅值条件的可能性越大，产生自激振荡的可能性就越大。应当指出电路的自激振荡是由自身条件决定的，不因其输入信号的改变而消除。要消除自激振荡，就必须破坏产生振荡的条件；而只有消除了自激振荡，放大电路才能稳定地工作。Uo作用于反馈网络，得到反馈量Xf=FUo，-Xf又作为净输入量作用于基本放大电路，产生输出电压为-AFUo。基本放大电路的输出电阻为Ro，因为在基本放大电路中已考虑了反馈网络的负载效应的影响，因而Ro中的电流为Io，其表达式为Io=(1+AF)Uo/Ro=[Uo-(-AFUo)]/Ro由此可得Rof=Ro/(1+AF)表明引入负反馈后输出的电阻仅为其基本放大电路的输出电阻的(1+AF)分之一。当(1+AF)趋于无穷大时，Rof趋于零，此时电压负反馈电路的输出具有恒压源特性。沈阳大学课程设计说明书NO.8根据输入电阻的定义，基本放大电路的输入电阻为Ri=Ui’/Ii而整个电路的输入电阻为：Rif=Ui/Ii=(Ui’+Uf)/Ii=(Ui’+AFUi’)/Ii从而得出串联负反馈放大电路Rif的表达式为Rif=(1+AF)Ri表明输入电阻增大到Ri的(1+AF)倍。引入串联负反馈增大输入电阻。从而得出下表：沈阳大学课程设计说明书NO.9四、设计体会电路的设计和选择很重要,在软件运行中电路一定要接地,否则显示不出来运行结果。在电路设计的起初没有对电路接地，但是在软件仿真的过程中总是没有运行结果，在与同学和老师的交流过程中发现在仿真中的电路一定要接地，这是在以后的实验和设计中所要注意的。由于在multisim中第一次接触到示波器，在电路的第一次仿真中显示出来的波形不是很理想，通过回忆实验课指导教师讲解的示波器使用和查阅相关资料，将示波器得刻度调整到合适的单位，最终得到了如上图所示的输出波形。并且可以清晰地看到相关得电压和周期与关系表格。在这次课程设计中体会很多，首先是对低频电子技术的基础知识掌握要扎实和熟练，这样在设计的中出现的问题才能得到及时的解决，其次对multisim软件的功能要熟悉掌握，这样在电路的设和计仿真过程中才能进行的顺利。五、参考文献[1]童诗白.模拟电子技术基础（第四版[M],北京：高等教育出版社,2006.5：260-313。[2]李中发.电子技术基础[M].北京：中国水利水电出版社,2004：225-230[3]熊伟.Multisim8电路实践及仿真应用[M].北京：清华大学出版社，2004：15-37，109-130[4]朱力恒.电子技术仿真实验教程[M].北京：电子工业出版社,2003：20-25沈阳大学课程设计说明书NO.10沈阳大学课程设计说明书NO.11沈阳大学课程设计说明书NO.12沈阳大学