反馈放大电路的特性分析与仿真

1长春理工大学国家级电工电子实验教学示范中心学生实验报告2016——2017学年第一学期实验课程反馈放大电路的特性分析与仿真实验地点学院专业学号姓名2实验项目反馈放大电路的特性分析与仿真实验时间11.14实验台号A10预习成绩报告成绩一、实验目的1、熟悉利用软件平台来进行电路频率特性分析的方法；2、通过仿真特性曲线分析来验证在放大电路中引入负反馈对其性能的影响。二、实验原理在应用方框图法分析反馈对放大电路性能的影响时，需要将反馈放大电路分解成基本放大电路和反馈网络两部分，在分解时既要除去反馈，又要保留反馈网络对基本放大电路的负载效应。为了考虑反馈网络对基本放大电路输入端和输出端的负载效应，在画出基本放大电路时，应按以下两条法则进行：1．求输入电路如果是电压反馈，则令V0=0，即将输出端对地短路；如果是电流反馈，则令I0=0，即将输出回路开路。2．求输出电路如果是并联反馈，则令Vi=0，即将输入端对地短路；如果是串联反馈，则令Ii=0，即将输入回路开路。【例】电流并联负反馈放大电路的性能分析与参数估算。图2-1电流并联负反馈放大电路电流并联负反馈放大电路如图2-1所示。图2-1由两极放大单元组成。输入信号电流为ii，输出信号电流为i0=iC2。电阻R6，R4组成反馈网络，电流反馈系数Fi=if/i0≈-R6/（R6+R4）≈0.244。为了把图2-1所示的反馈放大电路分解成基本放大电路和反馈网络两部分，根据前面所述的两条法则，可画出基本放大电路如图2-2所示。图中直流电压V3、直流电流IE2均为保证直流工作点不变而加入的直流偏置，其数值可由对反馈放大电路进行直流分析得到。3图2-2电路的基本放大电路三、预习内容1、预习用PSPICE进行电路频率特性分析的语句描述方法。2、熟悉反馈放大器所对应的基本放大器的等效原则。四、实验内容1、根据题目要求编写输入网单文件,运行程序，分别获得负反馈电路和对应的基本放大器的电流增益、电压增益、输入电阻、输出电阻的频率特性仿真波形。2、根据仿真波形测量两种电路的电流增益、电压增益、输入电阻、输出电阻及频带宽度（电流增益）。3、进行数据分析，得出实验结论。五、实验步骤【例】参考输入网单文件如下：AFEEDBACKAMPVI10AC1;注：求输出电阻时有**VI10;注：求输出电阻时使输入源为0，无*RS121KC12310UQ1534MQ1R1305.6KR25810KR340470C24050UQ2756MQ1R4366.2K;注：闭环时无*，开环时有**R43106.2K;注：以下三行，闭环时有*，开环时无**R161002K*IE20101.214MR5783.9KR6602K*R146116.2K;注：以下二行，闭环时有*，开环时无**V31100.9687C37910URL903.9K;注：在求输出电阻时，加*。*VOUT90AC1;注：在求输出电阻时无*。在输出端接入电压源，代替RL。VCC809.MODELMQ1NPNIS=2.5E-15BF=120RB=704+CJC=2PTF=4E-10VAF=80.OP.ACDEC1010100MEG.PROBE.END1、通过输出文件可获得图2-1电路的静态工作点，其中V3=0.9687V，IEQ2≈1.21mA。这个数据是获得到图2-2的依据。2、理论计算和实验结果进行比较（1）图2-3、图2-4分别为电路的开环电流、电压增益幅频特性和闭环电流、电压增益幅频特性曲线。图2-5、图2-6分别为电路的闭环电流、电压增益幅频特性曲线。可测出中频开环电流增益AiM=i0/ii，上限截止频率fH，下限截止频率fL。中频开环源电压增益AVSM=υ0/υs，上限截止频率fH，下限截止频率fL。中频闭环电流增益Aif，上限截止频率fHF，下限截止频率fLF→0。中频闭环源电压增益AVSF，上限截止频率fHF，下限截止频率fLF。图2-4开环电压增益的幅频特性图2-3开环电流增益的幅频特性（2）理论上，因为电流反馈系数Fi≈-R6/（R4+R6），所以反馈深度D=1+AiMFi。按方框图法，可计算闭环电流增益Aif=AiM/D，把这个结果与对图2-1所示电路直接计算所得结果进行比较，看两者是否很接近。闭环源电压增益AVSf=υ0/υs=-i0RL′/[（RS+Rif）ii]=-AifRL′/（RS+Rif），输入电阻Rif由下面的图2-8分析获得，则计算出的|AVSf|（上面的计算忽略了Q2管的rCe的影响），与图2-6计算所得结果是否接近。图2-5闭环电流增益的幅频特性图2-6闭环电压增益的幅频特性5（3）输入电阻图2-7及图2-8分别为开环输入阻抗与闭环输入阻抗特性曲线。可得到在中频区，开环输入电阻Ri≈，闭环输入电阻Rif的值。按方框图法计算，闭环输入电阻Rif=Ri/D，判断其值与直接计算结果是否相近。可是否能证明电流并联负反馈使输入电阻下降（下降至开环输入电阻的1/D）。图2-7开环输入阻抗特性图2-8闭环输入阻抗特性（4）输出电阻图2-9所示为开环输出阻抗特性曲线。其中图（a）是由晶体管Q2集电极看进去的阻抗特性（不包括集电极电阻R5），可测得中频下输出电阻R0，该值较大其原因是基本放大电路中Q2射极下接有负反馈电阻R6//R14≈1.51KΩ的原因。图（b）是从输出端往左看进去的输出阻抗特性，包括R5，在测得中频下R0R0′=R0//R5≈R5。图2-10所示为闭环输出阻抗特性曲线。其中图（a）是晶体管Q2集电极看进去的输出阻抗特性，中频下输出电阻Rof≈6.31MΩ。图（b）是从输出端往左看进去的输出阻抗特性，中频Rof′≈3.90KΩ，即Rof′=Rof//R5≈R5。6图2-9开环输出电阻图2-10闭环输出电阻由上面数据可看出，图2-1所示的电流并联负反馈，提高了从Q2集电极看进去的输出电阻（稳定输出电流i0）。由于ROf》R5，所以反馈放大电路的总输出电阻Rof′≈R5。数据处理：（1）图1-1、图1-2分别为电路的开环电流、电压增益幅频特性和闭环电流、电压增益幅频特性曲线。图2-5、图2-6分别为电路的闭环电流、电压增益幅频特性曲线。可测出中频开环电流增益AiM=i0/ii，上限截止频率fH，下限截止频率fL。中频开环源电压增益AVSM=υ0/υs，上限截止频率fH，下限截止频率fL。中频闭环电流增益Aif，上限截止频率fHF，下限截止频率fLF→0。中频闭环源电压增益AVSF，上限截止频率fHF，下限截止频率fLF。7Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHz10MHzIC(Q2)/I(VI)0100200300图1-1Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHz10MHzV(9)0V50V100V150V200V图1-2（1）理论上，因为电流反馈系数Fi≈-R6/（R4+R6），所以反馈深度D=1+AiMFi。闭环源电压增益AVSf=υ0/υs=-i0RL′/[（RS+Rif）ii]=-AifRL′/（RS+Rif），输入电阻Rif由下面的图1-6分析获得，则计算出的|AVSf|（上面的计算忽略了Q2管的rCe的影响），与图1-3计算所得结果接近。8Frequency100Hz10KHz1.0MHz100MHz10Hz1.0GHzIC(Q2)/I(VI)1.02.03.04.05.0图1-3Frequency100Hz10KHz1.0MHz100MHz10Hz1.0GHzV(9)0V2.0V4.0V6.0V8.0V图1-4（3）输入电阻图1-5及图1-6分别为开环输入阻抗与闭环输入阻抗特性曲线。可得到在中频区，开环输入电阻Ri≈，闭环输入电阻Rif的值。按方框图法计算，闭环输入电阻Rif=Ri/D，其值与直接计算结果相近。证明电流并联负反馈使输入电阻下降（下降至开环输入电阻的1/D）。9Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHzV(2)/I(VI)01.0K2.0K3.0K4.0K图1-5Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHzV(2)/I(VI)0255075100图1-6（4）输出电阻图1-7，1-8所示为开环输出阻抗特性曲线。其中图1-7是由晶体管Q2集电极看进去的阻抗特性（不包括集电极电阻R5），可测得中频下输出电阻R0，该值较大其原因是基本放大电路中Q2射极下接有负反馈电阻R6//R14≈1.51KΩ的原因。图1-8是从输出端往左看进去的输出阻抗特性，包括R5，在测得中频下R0R0′=R0//R5≈R5。图1-9，1-10所示为闭环输出阻抗特性曲线。其中图1-9是晶体管Q2集电极看进去的输出阻抗特性，中频下输出电阻Rof≈6.31MΩ。图1-10是从输出端往左看进去的输出阻抗特性，中频Rof′≈3.90KΩ，即Rof′=Rof//R5≈R5。10Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHz10MHzV(9)/IC(Q2)00.4M0.8M1.2M图1-7Frequency100Hz10KHz1.0MHz100MHz10Hz1.0GHzV(9)/I(VOUT)02.0K4.0K5.0K图1-811Frequency10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHz10MHzV(9)/IC(Q2)02.0M4.0M6.0M8.0M图1-9Frequency100Hz10KHz1.0MHz100MHz10Hz1.0GHzV(9)/I(VOUT)02.0K4.0K5.0K图1-10由上面数据可看出，图2-1所示的电流并联负反馈，提高了从Q2集电极看进去的输出电阻（稳定输出电流i0）由于ROf》R5，所以反馈放大电路的总输出电阻Rof′≈R5。12六、思考题1、说明电流并联负反馈使电流增益如何变化？答：相对比于开环增益，电流并联负反馈使电流增益减小。2、说明电流并联负反馈使输入电阻如何变化？答：相对比于开环增益，电流并联负反馈使输入电阻减小了。3、说明电流并联负反馈使输出电阻如何变化？答：相对比于开环增益，电流并联负反馈使输出电阻增大了。4、说明电流并联负反馈的电流增益的频带如何变化？答：相对比于开环增益，电流并联负反馈的电流增益的频带增大了。5、说明电流并联负反馈的电压增益如何变化？其变化的程度与哪些因素有关？答：相对比于开环增益，电流并联负反馈的电压增益减小了，通频带变宽，提高了增益稳定性，它的变化程度与负反馈的深度有关，即与反馈单元的反馈系数有关。七、总结分析实验结论：通过实验，更清晰的看到了负反馈对放大电路的影响：1、提高了增益的稳定性；2、它可以改变输入、输出电阻，是电路的性能得到提升，减小了功率的损耗；3、使通频带变宽，可以减小失真；4、在增益及稳定性要求下，电路难以两全，深刻认识到了电路的局限性，激励了我学更多电路知识的兴趣。体会：通过对PSpice软件的学习，学会了基础的操作，借助PSpice软件平台，通过实例的具体数据，具体图像关系分析，更进一步理解了反馈放大电路的工作原理，通过亲自操作，对它的学习有进一步加深，并且对反馈的知识掌握有了更多信心；我会进一步加深学习，利用好这一软件，继续学好专业知识。