手机电路仿真App的负反馈放大电路教学应用

手机电路仿真App的负反馈放大电路教学应用
刘金辉，孙小飞，
李丹妮，彭方成（海军潜艇学院，山东青岛266199）
虚拟仿真教学早已得到全面应用，
虚拟仿真除了能替代大部分实际实物实验外，
还能完成很多教学中实物实验比较难以实现和观察到的极端现象，
同时虚拟仿真在可重复性、安全性、
经济性、操作方便性等方面有其独特优势[１-３]。

现在电子技术仿真教学绝大多
数通过计算机仿真软件，比如Multisim、Protues、Altium
Designer、Matlab、Pspice等实现，这些仿真软件功能强大、仿真精确、操作形象逼真、应用广泛[４-６]。

同时因为
这些软件是电子工程师的必备工具，
因此应用它们可以做到与学生未来实际工作结合紧密。

但是这些软件也有因功能强大而操作相对复杂，
对电子技术初学者来讲，基本知识理解掌握困难，仿真软件又造成手忙脚乱，容易引起学生学习抵触。

作为移动互联网原住民的现代青年学生，
手机已经成为其一刻不能离手的工具，
同时信息技术高度发展造成学生更为关注新事物。

因此教学中有必要就如何高效发挥手机的正面和积极作用进行深入研究和
应用。

手机电路仿真App很多，其中EveryCircuit是其中功能比较强、操作又简便的一种。

EveryCircuit基于理
想元件构成电路并实施仿真，特别适合于初学者分析和设计电路使用，将抽象又深奥的电子技术理论生动又形象地展现在手机上。

负反馈是电子技术课程的重要概念，反馈的理解和负反馈对放大器性能的影响是课程教学中的重点，
也是学生理解和掌握的难点。

负反馈对放大电路的
影响主要表现在稳定放大倍数、
改变输入电阻和输出电阻、展宽频带以及减小非线性失真等四个方面[７]，理
论讲解后实验室实验对学生学习来讲较困难，
教学效果不好。

将手机电路仿真App引入到负反馈放大电路
教学，在理论教学中融入手机仿真，
学生边学变自己做，能帮助和提高其分析能力，
可以得到很好的教学效果。

EveryCircuit建立两级晶体管放大电路如图1所
示，图中20kΩ电阻和39μF电容组成的反馈网络，
给放大电路引入了电压串联负反馈。

一、负反馈对放大电路放大倍数影响的研究
放大电路无反馈和有反馈时的输入输出波形如图2所示。

在不失真情况下，根据仿真结果可以计算无反馈和有反馈时电压放大倍数[８]：
［摘
要］针对手机成为学生不离手的工具，
提出了利用手机仿真App开展负反馈放大电路辅助教学，给出了手机仿真分析负反馈对放大电路影响的方法。

教学实践证明，学生学习兴趣明显提升，教学效率得到提高。

［关键词］手机App；仿真教学；
负反馈［作者简介］刘金辉（1976—），男，山东潍坊人，工学硕士，海军潜艇学院副教授，主要从事电子技术教学与研究；孙小飞（1982—），女，山
东临沂人，教育学硕士，海军潜艇学院讲师，
主要从事电子技术教学与研究。

［中图分类号］G642.0
［文献标识码］A
［文章编号］1674-9324（2020）52-0260-03
［收稿日期］2020-04-09
图1
两级放大电路引入负反馈
（b ）有反馈图2
输入输出电压波形
（a ）无反馈
（a ）无反馈
A=
U op-p U ip-p
=75.45，A f =
U ofp-p U ip-p
=9.565
其中为便于计算，输入输出电压采用峰峰值，
输入信号U ip-p =20mV 。

外界条件发生变化（如环境温度、晶体管老化等）会引起放大电路放大倍数变化。

假设某种原因引起晶体管电流放大系数由原来的100降低为80，则放大电
路放大倍数相应变化，
仿真结果见表1。

放大倍数变化率通过下列公式计算：
ΔA A =A 2-A 1A 1×100%，ΔA f A f =A f 2-A f 1A f 1×100%
通过表1比较晶体管电流放大倍数正常和因老化
而降低的电压放大倍数变化率，可以明显得出，负反
馈能降低放大电路放大倍数，却能提高放大倍数稳定性。

二、负反馈改变放大电路输入和输出电阻的研究（一）输入电阻
因为仿真用信号源是内阻为零的理想电压源，所以测量输入电流则可以由欧姆定律求出输入电阻。

仿真分析有反馈和无反馈情况下39μF 输入耦合电容的电流分别为I ip-p =5.4μA 和I ifp-p =5.32μA ，如图3所示。

则
R i =
U ip-p I ip-p
=3.7kΩ，R if =
U ip-p I ifp-p
=3.76kΩ
首先，无反馈时输入电阻3.7kΩ与理论计算值基
本一致。

但是，看起来串联负反馈增大输入电阻不明
显，这时应该引导学生思考：
有反馈和无反馈时输入电阻都要并联两个基极电阻RB ，这是输入电阻变化不大的原因。

事实上，负反馈从第一级放大电路的晶体
管发射极引入，因此其增加的输入电阻是两个R B 之后的输入电阻R′B 。

同样方法可以分别仿真分析有反馈和无反馈时的输入电阻R′B 分别为200kΩ和1MΩ，显然有明显增
大。

在此需要指出的是，引入串联负反馈后输入电阻
很大，输入电流就很小，因此这时的仿真结果误差也大，但是这不影响学生理解负反馈对输入电阻影响的理解。

（二）输出电阻
依据输出电阻的定义，可以分别测量带负载情况下和不带负载情况下的输出电压U oo 和U oL ，然后利用下列公式计算输出电阻
R o =U oo
U oL
-1()
R L 输入信号不变情况下，分析放大倍数时已得到带负载输出电压，此处仅仿真测量空载时输出电压分别为U oo =2.26V 和U oof =198.7mV 。

则无反馈和有反馈时输出电阻分别为R o =4.98kΩ
和R of =386.8Ω，事实上无反馈时的输出电阻理论值为
第二级放大的集电极电阻5kΩ，仿真结果与理论值基
本一致。

仿真结果可见引入电压负反馈后输出电阻明显降低。

三、负反馈展宽放大电路通频带的研究
EveryCircuit 可直接分析电路频率特性。

无负反馈和有负反馈时的输出频率特性如图4所示。

通过移动频率特性图中的光标可得到无反馈时
的上下限截止频率分别为f L =92.3Hz 和f H =196kHz ；有反馈时的上下限截止频率分别为f Lf =13.3Hz 和f Hf =
1.72MHz 。

通频带分别为，无反馈时f bw =196kHz ，有反馈
表1
负反馈对放大倍数影响
（b ）有反馈图3
输入电压电流波形
（b ）有反馈
图4输出频率特性
（a ）
无反馈
时f bwf =1.72MHz 。

负反馈明显展宽了通频带。

四、改善放大电路波形失真的研究
无反馈两级放大电路输入信号为U ip-p =20mV 时输
出没有失真，如果输入信号增加为U ip-p =110mV ，则输出信号如图5（a ）所示。

这时如果引入串联电压负反
馈，输出波形如图5（b ）所示。

图（a ）（b ）对比可得，
负反馈能明显改善非线性失真。

结束语
将手机仿真App 引入负反馈放大电路教学中，由于EveryCircuit 操作方便、简单易学的特性，以及与电子技术理论知识贴合紧密的特点，学生不仅可以在课堂上亲自动手仿真，还可以随时随地利用手机完成仿真研究学习，真正高效地将手机用于学习；不仅能够学中做、做中学，还能够把碎片时间充分利用，提高了学习效率；不仅能够完成电子电路仿真分
析，还能够将自己设计的电路进行仿真验证，
教学效果明显提升。

参考文献
［1］王世伟.基于Proteus 仿真的电工电子技术课程教学改革［J ］.教育教学论坛,2020,(2):171-172.
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［3］王海山.虚拟仿真教学在高校实训培训中的探索［J ］.教育教学论坛,2019(51):161-612.
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［6］王鹏.以Altium Designer 为平台的EDA 实践教学探讨［J ］.电子世界,2012(3):164-165.
［7］童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第五版)［M ］.北京:高等教育出版社,2015.
［8］徐经纶.基于Multisim10仿真的负反馈放大电路［J ］.现代电子技术,2014,37(4):115-117.
（b ）有反馈
图5负反馈改善非线性失真
（a ）
无反馈
Teaching Application of Negative Feedback Amplifier Circuit Base on Mobile Phone Circuit Simulation App
LIU Jin-hui,SUN Xiao-fei,LI Dan-ni,PENG Fang-cheng （Navy Submarine Academy,Qingdao,Shandong 266199,China）
Abstract:In view of the fact that mobile phones are a tool for students,this paper proposes to use mobile phone simulation App to carry out the auxiliary teaching of negative feedback amplifier circuit,and gives the method of mobile phone simulation to analyze the influence of negative feedback on amplifier circuit.Teaching practice has proved that students'interest in learning has been significantly improved and the teaching efficiency has been im-proved too.
Key words:mobile phone App;simulation teaching;negative feedback。