电压及电流并联负反馈放大电路专业课程设计.doc

电子技术课程设计报告

题 目：基于Multisim10电压及电流并联负反馈电路仿真设计

学生姓名：
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指引教师：

机械与电气工程学院制
11月

目录
1绪论 - 1 -
2课程设计的目的 - 1 -
3 设计内容及要求 - 1 -
4 设计原理框图 - 2 -
4.1 框图及基本公式及其分析 - 2 -
4.2电压及电流并联负反馈适用条件 - 3 -
5 性能指标 - 3 -
5.1 放大倍数 - 3 -
5.2 输入电阻 - 3 -
5.3 输出电阻 - 3 -
5.4 通频带和频率失真 - 4 -
6 电压及电流的并联负反馈的仿真实现 - 4 -
6.1 multisim10仿真软件的介绍 - 4 -
6.2 电压并联负反馈的仿真 - 4 -
6.3 电流并联反馈电路 - 6 -
6.4 反馈放大电路的频带扩展 - 7 -
6.5电流并联负反馈放大电路的模拟仿真与计算 - 9 -
6.5.1开环与闭环测试 - 9 -
6.5.2输入电阻和输出电阻 - 9 -
6.5.3理论计算 - 10 -
6.6电压并联负反馈放大电路的模拟仿真与计算 - 10 -
6.6.1 静态工作点 - 11 -
6.6.2开环增益 - 11 -
6.6.3闭环增益 - 11 -
6.6.4输出电阻 - 12 -
6.6.5输入电阻 - 12 -
7设计总结 - 12 -
参考文献 - 12 -

1绪论
随着电子技术飞速发展和计算机技术普遍应用,EDA(电子设计自动化)技术在电子电路分析设计中显得越来越重要。EDA技术可以依照电路构造和元件参数对电路进行仿真，获得电路技术指标，从而可以迅速 以便 精准地评价电路设计对的性，节约大量时间和费用[1]。本设计简介了新版仿真软件Multisim10功能特点以及实现电压及电流并联负反馈放大电路仿真分析。
2课程设计目
1、 积极调动和激发学生学习热情，最大限度发挥学生学习潜能；
2、 对所学知识进行阶段性综合训练，初步理解普通模电产品研发设计基本程序、办法、及过程，掌握有关电路设计应用及一定电子元器件应用、产品制作技能；
3、 培养学生学术交流、再学习(查找理解有关技术资料)及独立完毕能力；
4、 学会撰写课程设计报告，为做毕业设计论文奠定基本。
3 设计内容及规定
反馈模式辨认是模仿电子技术难点之一。就电流及电压相加(并联)负反馈放大电路训练反馈模式辨认、进行输出与输入关系分析计算和实验并且在Multisim10平台上仿真。规定学生自行分析计算所给电路输出与输入函数关系，自行选定电阻阻值，确立输出与输入详细数值关系，在Multisim10平台上仿真，达到掌握反馈模式辨认要领、使用输出与输入关系分析计算办法、熟悉Multisim10仿真平台，进一步掌握实验技能，并加深巩固对已学模仿电子技术知识理解和掌握。
4 设计原理框图
4.1 框图及基本公式及其分析

图1 负反馈放大电路原理框图
图1中x表达电压或电流信号；箭头表达信号传播方向；符号¤表达输入求和；+ -表达输入信号xi与反馈信号是相减关系（负反馈），即放大电路净输入信号为：
Xid=Xi—Xf ①
基本放大电路增益（开环增益）为：
A=Xo/Xid ②
反馈系数为：
F=Xf/Xo ③
反馈放大电路增益（闭环增益）为：
Af=Xo/Xi ④
综合上述各式可得负反馈放大电路增益普通表达式为：
Af=Xo/Xi =A/(1+AF) ⑤
由上式知，引入负反馈后，放大电路闭环增益Af减小了，减小限度与（1+AF）关于。（1+AF）是衡量反馈限度重要指标，负反馈放大电路所有性能变化限度都与（1+AF）关于。普通把（1+AF）称为反馈深度，而将AF= Af/ Xid称为环路增益。当考虑信号频率影响时，对Af表达式进行讨论[2]。
1. 当|1+AF|>1时 ,则|Af|<|A|,及引入反馈后，增益下降了，这时反馈是负反馈，|1+AF|>>1时称为深度负反馈，阐明在深度负反馈条件下，闭环增益几乎只取决反馈系数，而与开环增益详细数值无关。
2. 当|1+AF|<1时，则|Af|>|A|,阐明已从本来负反馈变成了正反馈。
3. 当|1+AF|=0时，则|Af|→∞，这就是说放大电路在没有输入信号时，也会有输出信号，产生了自激振荡，使放大电路不能正常工作，在负反馈放大电路中，自激振荡现象必要消除。
4.2电压及电流并联负反馈合用条件
普通状况下，咱们依照负载规定及信号状况来选取反馈方式．在负载变化状况下．规定放大电路定压输出时，就需要电压负反馈：在负载变化状况下，规定放大电路恒流输出时，就要采用电流负反馈。当规定放大电路具备底输入电阻时，宜采用并联反馈。
5 性能指标
5.1 放大倍数
放大倍数是横量放大电路放大能力指标,它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率路放大倍数等表达办法,其中电压放大倍数应用最多。
放大电路输出电压和输入电压之比，称为电压放大倍数Au，即Au=uo/ui；
放大电路输出电流和输入电流之比，称为电流放大倍数AI，即Ai=io/ii；
放大电路输出功率和输入功率之比，称为功率放大倍数，即Ap=po/pi。
5.2 输入电阻
放大电路输入电阻是从输入端向放大电路内看进去等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后输入电压与输入电流之比，即
Ri=ui/ii ⑥
5.3 输出电阻
对负载而言，放大电路输出端可等效为一种信号源将放大电路输出端断开接入一信号源电压，求出由u产生电流i，则可得到放大电路输出电阻为：Ro=u/i。
5.4 通频带和频率失真
普通状况下，放大电路只用于某个频率范畴内。放大电路所需通频带由输入信号频带来拟定，为了不失真放大信号，规定放大电路通频带应不不大于信号通频带。
6 电压及电流并联负反馈仿真实现
6.1 multisim10仿真软件简介
Multisim10软件前身是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出电路仿真软件EWB（Electronics Workbench）,日后，EWB将原先版本中仿真设计改名为multisim10，之后，加拿大IIT公司从属于美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI公司），美国NI公司于初初次推出Multisim9.0版本。当前最新版本是美国NI公司推出multisim10。包括了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具备丰富仿真能力。它具备更形象直观人机交互界面，并且提供了更加丰富元件库、仪表库和各种分析办法。完全满足电路各种仿真需要。
Multisim10软件是迄今为止使用最以便、最直观仿真软件，其基本元件数学模型是基于Spice版本，但增长了大量VHDL元件模型，可以仿真更复杂数学元器件，此外解决了Spice模型对高频仿真不精准问题。 Multisim10在保存了EWB形象直观等长处基本上，大大增强了软件仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中元件数目，特别是增长了大量与实际元件相应得元件模型，使得仿真设计成果更加精准、更可靠、更具备实用性。
Multisim10特点有1：可以依照自己需求制造出真正属于自己仪器；2：所有虚拟信号都可以通过计算机输出到实际电路上；3：所有硬件电路产生成果都可以输回到计算机中进行解决和分析。
6.2 电压并联负反馈仿真
在Multisim10中建立图2所示电路

图2 电压并联负反馈电路
如图2所示电压并联负反馈中，集成运放采用741，并用一种开关来控制电路有无反馈存在。用示波器来观测反馈时状况。其中输入信号V1是一种交流电压源信号，示波器A通道接输出信号，B通道接输入信号。
开关打向下边时，没有负反馈，输入输出信号波形如图3所示，上面A通道波形是输出波形；下面B通道波形为输入波形，可以看到，此时输出波形已严重失真。

图3波形严重失真
开关打到上面时，加入电压并联负反馈，输入输出信号波形如图4所示，上面A通道波形是输入波形，下面B通道波形是输出波形，可以看出此时输出波形没有失真。但是输出信号幅度减小了。与理论上引入负反馈放大倍数减少了，减少非线性失真是相符合。

图4 波形未失真
6.3 电流并联反馈电路
在Multisim10中建立图5所示电路：

图5 电流并联负反馈电路
如图5所示，集成运放采用LM307H,其中输入信号为交流源信号，示波器A通道接输入信号，B通道接输出信号。开关打向左边时，没有负反馈，输入输出信号波形如图6所示，上面A通道波形是输入波形；下面B通道波形为输出波形，可以看到，此时输出波形已严重失真。

图6 波形严重失真
开关打到右面时，加入电流并联负反馈，输入输出信号波形如图7所示，上面A通道波形是输入波形，下面B通道波形是输出波形，可以看出此时输出波形没有失真。但是输出信号幅度减小了。与理论上引入负反馈放大倍数减少了，减少非线性失真是相符合。

图7 波形没有失真
6.4 反馈放大电路频带扩展
原理图如图8所示

图8反馈放大电路频带扩展
如图8所示，开关打向下面时，没有交流负反馈，打开波特仪显示面板，按下仿真按钮，看到波特仪显示幅频特性曲线如图9所示。

图9 无反馈幅频特性曲线
开关打到上面时，加入交流负反馈，看到波特仪显示幅频特性如图10所示。

图10 有反馈幅频特性曲线

6.5电流并联负反馈放大电路模仿仿真与计算
电路图11所示

图11 电流并联负反馈放大电路
6.5.1开环与闭环测试
变化S状态，可以测得开环输入电流Ii、开环输出电流Iif、反馈电流If以及闭环输出电流Iof，详细仿真成果如表1。
表1 开环与闭环测试成果
Ii/μA Io/mA Iif/μA If/μA Iof/mA
49.02 2.128 49.52 25.76 1.044

对上面数据进行计算：
① 开环电流增益：Aii=Io/Ii=2.128mA/49.02μA=43.41；
② 电路反馈系数：Fii=If/Iof=25.76μA/1.044mA=0.02467；
③ 闭环电流增益：Aiif=Iof/Iif=1.044mA/49.52μA=21.08；
④ 反馈深度：1+ Aii Fii=1+43.41*0.02467=2.071；
⑤ 负反馈放大电路增益：Aii/(1+ Aii Fii)=43.41/2.071=20.96；
由上面计算可得Af=A/1+AF（在误差容许范畴内）满足开环增益与闭环增益基本关系式。
6.5.2输入电阻和输出电阻
1)、输入电阻
由表1数据计算可得，开环时Ri=(Is-Ii)Rs/Ii ,闭环时Rif=(Is-Iif)Rs/Iif ,成果见表2.可以得知并联负反馈输入电阻满足如下关系式
Rif=Ri/1+AF ⑦
表2 输入电阻、输出电阻计算
Ri/Ω Rfi/Ω Ri/(1+AuiFiu) Ro/kΩ Rof/kΩ Ro/(1+fiiAsuiΩ)
999.6 484.7 482.7 5.816 13.00 13.02
2)输出电阻
断开负载电阻Rl（Rl→∞）,得开环、闭环状态下开路电压Uot=14.63V、Uoft=14.63V，两者相似。从电路图上不难理解，断开负载后其输出电压就是运放输出。而输出短路电流（Rl→0）在开环和闭环条件下分别为Ion=2.496mA和Iofn=1.125mA，运用公示Ro=Uot/Ion可以分别求得Ro、Rof。此外可以求得负载短路时相应源电流增益Asii为Asii=Ion/Is=2.496mA/50μA=49.92有（1+Fii*Aii）=2.222，求得Ro（1+Fii*Aii），成果见表2，满足关系式Rof=（1+FiiAii）。
6.5.3理论计算
1）反馈放大器
对图十所示反馈放大器列写节点方程有
（1/Rs+1/R1+1/Rf）Uif –(1/Rf)Ua=Is ⑧
此外依照电路可以写出输入、输出电流表达式
Iif=（IsRs-Ui）/Rs,Iof=Ua-(-R2/R1)Uif/R3+Rl ⑨
通过计算得
Ii=0.049521mA
Iof=1.044156Ma
Aii=Iof/Iif=21.085018
其大小与仿真成果非常接近，阐明了两者一致性。
表3 理论与仿真成果比较

Aii
Aiif
理论计算
43.01
21.09
仿真成果
43.01
21.08
2）基本放大器
对于基本放大器，列写方程
（1/R4+1/R1=1/Rf+Rl）Ui=Ii ⑩
代入数据计算可得Ii=49.02μA，Io=2.128mA，从而得到Aii=43.01，Aiif=20.99，满足负反馈放大电路基本关系式。

6.6电压并联负反馈放大电路模仿仿真与计算
电路图12所示

图12 电压并联负反馈放大电路
6.6.1 静态工作点
对于基本放大器，将单端输入差分放大电路输入端短路，不考虑Rb1电阻压降，可得T1、T2管静态工作点Ie1、Ie2为
Ie1=Ie2=1/2*(-0.7+12)V/15KΩ=0.3767mA
6.6.2开环增益
在Multisim中设立晶体管Β值为100，则有rb‘e=（1+Β）VT/IE1=6.971kΩ,而rbe=rb’b+ rb‘e=（0.3+6.791）=7.271kΩ。
由电路图12可知，运算放大器电压增益Av1=（-R2/R1）.而单端输入、单端同相输出时差分放大电路电压增益Av2为
Av2=1/2*ΒRc/Rb1+rbe ⑪
由于AV=AV1Av2因此运放-差分放大器电压增益为
Av=1/2*ΒRc/Rb1+rbe *(R2/R1) ⑫
结合图十一数据开环电压增益为
Ars=—104.23
6.6.3闭环增益
Af=A/1+kfA,Kf=—1/Rf 得Af=—51.04.
通过与理论值（Af=—48.01）计算比较，误差5.94%，验证了开、闭环互阻增益基本关系式。
6.6.4输出电阻
依照电路分析可知，可以通过断开负载，运用Ro=（Ro∞/V0-1）RL得到相应输出电阻，依照等效小信号模型电路分析Rof=1.544kΩ，开环下输出电阻可以依照图十一计算得到，Ro=Rc//Rf=9.09 kΩ,则电压负反馈时输出电阻Rof=1.540 kΩ，与实际输出电阻1.544 kΩ非常接近，验证了开闭环输出电阻关系。
6.6.5输入电阻
输入电阻RL=VI/II,有图十一可知抱负运放放大器反相输入端为虚地，有VI/II=R1，即开环下输入电阻Ri=R1，闭环时Rif=R1，与开环状态下相似。这是由于输入电阻R1某些不在反馈环内所致。
7设计总结
通过本次实验咱们熟悉了电压及电流并联负反馈基本原理，并且通过对放大电路放大倍数，输入输出电阻以及通频带和频率失真等几种基本性能指标进行了研究分析，得出引入负反馈后可以使电路性能得以改进。引入负反馈，虽然减少了闭环增益，但是提高了电路稳定性，减小了反馈环内非线性失真，也使通频带得到了扩展。并且反馈越深，性能改进越明显。在实际电路仿真过程中，咱们通过在电路中引入负反馈和不引入负反馈两种状况，得出了引入负反馈可以抑制失真。
在咱们充分理解电压及电流并联负反馈电路基本原理之后，咱们进行了仔细运算和公示推导。依照各自电路原理图分别对电压并联和电流并联负反馈电路进行了仿真计算，虽然推导计算环节很复杂，但是咱们通过不断努力和查阅资料，最后完毕了最后仿真计算。
参照文献
[1] 康华光主编，电子技术基本（数字某些）[M].第5版，北京：高等教诲出版社，.
[2] 秦新燕、黄晓明主编，《Multisim在模仿电子技术教学中应用》[J]. 湖北第二师范学院报，.
[3]李士雄、丁康源主编，《数字集成电子技术教程》[M].北京：高等教诲出版社，1993年
[4]黄智伟、李传奇、皱其洪主编，《基于NI Multisim电子电路计算机仿真设计与分析》[M] . 北京：电子工业出版社， 年.
[5]张建华主编，《数字电子技术》[M].北京：机械工业出版社，1994年.
[6]华成英，童诗白 模仿电子技术基本[M],北京 高等教诲出版社 .

指引教师评语

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年 月 日
答辩过程及评价

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年 月 日
院综合意见
综合成绩

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