电压及电流并联负反馈放大电路课程设计报告书.docx

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1、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： 学生学号： 年 级： 专 业： 班 级： 指导教师： 机械与电气工程学院制2016年11月目录1绪论- 1 -2课程设计的目的- 1 -3 设计容及要求- 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、.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绪论随着电子技术的飞速发展和计算机技术的普遍应用,EDA(电子设计自动化)技术在

3、电子电路的分析设计中显得越来越重要。EDA技术可以根据电路的结构和元件参数对电路进行仿真，获得电路的技术指标，从而可以快速 方便 精确地评价电路设计的正确性，节省大量的时间和费用1。本设计介绍了新版仿真软件Multisim10的功能特点以及实现电压及电流并联负反馈放大电路的仿真分析。2课程设计的目的1、 积极调动和激发学生的学习热情，最大限度的发挥学生的学习潜能； 2、 对所学知识进行阶段性的综合训练，初步了解一般模电产品研发设计的基本程序、方法、及过程，掌握相关电路设计应用及一定的电子元器件的应用、产品制作的技能； 3、 培养学生学术交流、再学习(查找理解相关技术资料)及独立完成的能力；4、

4、 学会撰写课程设计报告，为做毕业设计论文奠定基础。3 设计容及要求反馈模式的识别是模拟电子技术的难点之一。就电流及电压相加(并联)负反馈放大电路训练反馈模式的识别、进行输出与输入关系的分析计算和实验并且在Multisim10平台上仿真。要求学生自行分析计算所给电路输出与输入的函数关系，自行选定电阻阻值，确立输出与输入的具体数值关系，在Multisim10平台上仿真，达到掌握反馈模式的识别要领、使用输出与输入关系的分析计算方法、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拟电子技术知识的理解和掌握。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

5、理框图图1中x表示电压或电流信号；箭头表示信号传输的方向；符号表示输入求和；+ -表示输入信号xi与反馈信号是相减关系（负反馈），即放大电路的净输入信号为：Xid=XiXf 基本放大电路的增益（开环增益）为：A=Xo/Xid 反馈系数为： F=Xf/Xo 反馈放大电路的增益（闭环增益）为：Af=Xo/Xi 综合上述各式可得负反馈放大电路增益的一般表达式为：Af=Xo/Xi =A/(1+AF) 由上式知，引入负反馈后，放大电路的闭环增益Af减小了，减小的程度与（1+AF）有关。（1+AF）是衡量反馈程度的重要指标，负反馈放大电路所有性能的改变程度都与（1+AF）有关。通常把（1+AF）称为反馈深

6、度，而将AF= Af/ Xid称为环路增益。当考虑信号频率的影响时，对Af的表达式进行讨论2。1. 当|1+AF|1时 ,则|Af|1时称为深度负反馈，说明在深度负反馈条件下，闭环增益几乎只取决反馈系数，而与开环增益的具体数值无关。2. 当|1+AF|A|,说明已从原来的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，自激振荡现象必须消除。4.2电压及电流并联负反馈适用条件通常情况下，我们根据负载的要求及信号情况来选择反馈方式在负载变化的情况下要求放大电路定压输出时，就需要

7、电压负反馈：在负载变化的情况下，要求放大电路恒流输出时，就要采用电流负反馈。当要求放大电路具有底的输入电阻时，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的指标,它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率路放大倍数等表示方法,其中电压放大倍数应用最多。放大电路的输出电压和输入电压之比，称为电压放大倍数Au，即Au=uo/ui；放大电路的输出电流和输入电流之比，称为电流放大倍数AI，即Ai=io/ii；放大电路的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 输入电阻放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际

8、负载电阻后输入电压与输入电流之比，即Ri=ui/ii 5.3 输出电阻对负载而言，放大电路的输出端可等效为一个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产生的电流i，则可得到放大电路的输出电阻为：Ro=u/i。5.4 通频带和频率失真一般情况下，放大电路只用于某个频率围。放大电路所需的通频带由输入信号的频带来确定，为了不失真的放大信号，要求放大电路的通频带应大于信号的通频带。6 电压及电流的并联负反馈的仿真实现6.1 multisim10仿真软件的介绍Multisim10软件前身是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB（Electronics Workbenc

9、h）,后来，EWB将原先版本中的仿真设计更名为multisim10，2005年之后，加拿大IIT公司隶属于美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI公司），美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美国NI公司推出的multisim10。包含了电路原理图的图形输入、电路的硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真能力。它具有更形象直观的人机交互界面，并且提供了更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。完全满足电路的各种仿真需要。Multisim10软件是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，其基本元件的数学模型是基于Spice版本，但增加了大量

10、的VHDL元件模型，可以仿真更复杂的数学元器件，另外解决了Spice模型对高频仿真不精确的问题。 Multisim10在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应得元件模型，使得仿真设计的结果更加精确、更可靠、更具有实用性。Multisim10的特点有1：可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；2：所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的电路上；3：所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。6.2 电压并联负反馈的仿真在Multisim10中建立图2所示电路图2 电压并联负反馈电路

11、如图2所示的电压并联负反馈中，集成运放采用741，并用一个开关来控制电路有无反馈的存在。用示波器来观察反馈时的情况。其中输入信号V1是一个交流电压源信号，示波器的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，输入输出的信号波形如图3所示，上面A通道的波形是输出波形；下面B通道的波形为输入波形，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，输入输出的信号波形如图4所示，上面A通道的波形是输入波形，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。但是输出信号的幅度减小了。与理论上引入负反馈放大倍数降低了，减少非线性失真是相符合的。图

12、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，示波器的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，输入输出的信号波形如图6所示，上面A通道的波形是输入波形；下面B通道的波形为输出波形，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，输入输出的信号波形如图7所示，上面A通道的波形是输入波形，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。但是输出信号的幅度减小了。与理论上引入负反馈放大倍数降低了，减少非线性

13、失真是相符合的。图7 波形没有失真6.4 反馈放大电路的频带扩展原理图如图8所示图8反馈放大电路的频带扩展如图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，看到波特仪显示的幅频特性曲线如图9所示。图9 无反馈的幅频特性曲线开关打到上面时，加入交流负反馈，看到波特仪显示的幅频特性如图10所示。图10 有反馈的幅频特性曲线6.5电流并联负反馈放大电路的模拟仿真与计算电路图11所示 图11 电流并联负反馈放大电路6.5.1开环与闭环测试改变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，具体仿真结果如表1。表1 开环与闭环测试结果

14、Ii/A Io/mA Iif/A If/A Iof/mA49.02 2.128 49.52 25.76 1.044对上面数据进行计算： 开环电流增益：Aii=Io/Ii=2.128mA/49.02A=43.41； 电路反馈系数：Fii=If/Iof=25.76A/1.044mA=0.02467； 闭环电流增益：Aiif=Iof/Iif=1.044mA/49.52A=21.08； 反馈深度：1+ Aii Fii=1+43.41*0.02467=2.071； 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（在误差允许的围）

15、满足开环增益与闭环增益的基本关系式。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 ,结果见表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 表2 输入电阻、输出电阻计算 Ri/ Rfi/ Ri/(1+AuiFiu) Ro/k Rof/k Ro/(1+fiiAsui)999.6 484.7 482.7 5.816 13.00 13.022)输出电阻断开负载电阻Rl（Rl）,得开环、闭环状态下的开路电压Uot=14.63V、Uoft=14.63V，两者相同。从电路图上不难理解，断

16、开负载后其输出电压就是运放的输出。而输出短路电流（Rl0）在开环和闭环条件下分别为Ion=2.496mA和Iofn=1.125mA，利用公示Ro=Uot/Ion可以分别求得Ro、Rof。另外可以求得负载短路时相应的源电流增益Asii为Asii=Ion/Is=2.496mA/50A=49.92有（1+Fii*Aii）=2.222，求得Ro（1+Fii*Aii），结果见表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 另外根据电路可以写出输入、输出电流表达式Iif=（IsR

17、s-Ui）/Rs,Iof=Ua-(-R2/R1)Uif/R3+Rl 经过计算得Ii=0.049521mAIof=1.044156MaAii=Iof/Iif=21.085018其大小与仿真结果非常接近，说明了两者的一致性。表3 理论与仿真结果比较Aii Aiif理论计算43.0121.09仿真结果43.01 21.082）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 代入数据计算可得Ii=49.02A，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的模拟仿真与计算电路图12所

18、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/15K=0.3767mA6.6.2开环增益在Multisim中设置晶体管的值为100，则有rbe=（1+）VT/IE1=6.971k,而rbe=rbb+ rbe=（0.3+6.791）=7.271k。由电路图12可知，运算放大器的电压增益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*Rc/Rb1+rbe 因为AV=AV1Av2所以运放

19、-差分放大器电压增益为Av=1/2*Rc/Rb1+rbe *(R2/R1) 结合图十一数据的开环电压增益为Ars=104.236.6.3闭环增益Af=A/1+kfA,Kf=1/Rf 得Af=51.04.经过与理论值（Af=48.01）计算比较，误差5.94%，验证了开、闭环互阻增益的基本关系式。6.6.4输出电阻根据电路分析可知，可以通过断开负载，利用Ro=（Ro/V0-1）RL得到相应输出电阻，根据等效小信号模型电路分析Rof=1.544k，开环下的输出电阻可以根据图十一计算得到，Ro=Rc/Rf=9.09 k,则电压负反馈时输出电阻Rof=1.540 k，与实际输出电阻1.544 k非常接

20、近，验证了开闭环输出电阻的关系。6.6.5输入电阻输入电阻RL=VI/II,有图十一可知理想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，与开环状态下相同。这是由于输入电阻R1部分不在反馈环所致。7设计总结通过本次试验我们熟悉了电压及电流并联负反馈的基本原理，并且通过对放大电路的放大倍数，输入输出电阻以及通频带和频率失真等几个基本的性能指标进行了研究分析，得出引入负反馈后可以使电路的性能得以改善。引入负反馈，虽然降低了闭环增益，但是提高了电路的稳定性，减小了反馈环的非线性失真，也使通频带得到了扩展。而且反馈越深，性能改善越明显。在实际的电路仿真

21、过程中，我们通过在电路中引入负反馈和不引入负反馈两种情况，得出了引入负反馈可以抑制失真。在我们充分了解电压及电流的并联负反馈电路的基本原理之后，我们进行了仔细的运算和公示的推导。根据各自的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，虽然推导计算的步骤很复杂，但是我们经过不断的努力和查阅资料，最终完成了最后的仿真计算。参考文献1 康华光主编，电子技术基础（数字部分）M.第5版，：高等教育，2005年.2 新燕、黄晓明主编，Multisim在模拟电子技术教学中的应用J. 第二师学院报，2010年.3士雄、丁康源主编，数字集成电子技术教程M.：高等教育，1993年4黄智伟、传奇、皱其洪主编，基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析M . ：电子工业，2004 年.5建华主编，数字电子技术M.：机械工业，1994年.6华成英，童诗白 模拟电子技术基础M, 高等教育 2006年.指导教师评语成绩（60%）指导教师签字：年 月 日答辩过程及评价成绩（40%）答辩小组签字：年 月 日院综合意见综合成绩分管院长签字（盖章）：年 月 日