清华大学模拟电路实验报告2_负反馈放大电路

R5 0.023 ，则反馈深度 R4 R5

D 1 A F 26.6 10
5．动态范围 用 Time Domain(Transient)扫描时间，观察瞬态波形。 在输入电压 Vim=35mV 时，输出波形幅值为 Vom=1.4V，有效值 Vo=1V。
6．容差分析 设定所有电阻最大相对误差为 10%，所有电容最大相对误差为 20%，用 Monte Carlo 分 析，得到结果如下：
二、实验任务
采用双极型晶体管以及电阻、电容系列，设计一个负反馈电压放大电路，输入、输出采 用电容耦合。要求 当 RL =2kΩ 时：
Avf =40（1±10%） ，反馈深度不低于 10 Ri ≥15kΩ Ro ≤100Ω
频率响应 f L ≤10Hz， f H ≥1MHz。 当负载 RL = 2.2kΩ时
Af


A 1 A F


其中 D 1 A F 为反馈深度。深度负反馈 D 1 条件下
Af

1 F

（2）负反馈提高增益的稳定性 易得
d Af Af


1 dA 1 A F A D A
1
dA


上式表明，反馈越深，闭环增益的稳定性越好。 （3）负反馈对输入电阻和输出电阻的影响 串联负反馈使 Ri 增加，并联负反馈使 Ri 下降。程度取决于反馈深度。
则


BW f H f L 2.39MHz
七、思考题
（1）在设计多级放大电路时，各级静态工作电流选取的一般原则是什么？ 解：静态工作点的设置要求使各管都工作于放大区，且有足够的动态范围。另外，由于 增益与工作点有关，设置工作点时要兼顾增益的要求。
（2）按本实验的指标要求设计电路时，在选择负反馈放大电路的反馈类型、反馈深度、反 馈系数、开环增益及基本放大电路的级数等问题上应如何考虑？ 解：由于本实验要求高输入电阻、低输出电阻，因此选择电压串联负反馈。由于要求增 益稳定， 因此宜选择深度负反馈， 要求反馈深度较大。 根据闭环与开环增益的关系，A 是 Af 的 D 倍，因此开环增益应较大。由于要得到较大的开环增益，可能要有足够的级数，如 2 到 3 级左右。
Vo ≥1.0V（有效值） 。
三、实验原理
1．负反馈的类型 在输出端，取样方式分为电压取样（电压反馈）和电流取样（电流反馈） ，在输入端， 比较方式分为串联比较（串联反馈）和并联比较（并联反馈） 。因此负反馈放大电路有四种 类型：电压串联、电压并联、电流串联、电流并联。 2．负反馈对放大电路性能的影响 （1）引入负反馈使增益下降 闭环增益表达式为

A D Af 400
即开环增益必须大于 400。这是选取电阻阻值和设置静态工作点的标准。


五、电路仿真
下面对图 2.1 所示电路进行仿真，仿真软件 Pspice®。 1．闭环增益 用 AC Sweep/Noise 扫描频率，中频增益
Af
结果如下：

V out V in


可见，中频闭环增益 Af =39.7，低频截止频率 fL=0.81Hz，高频截止频率 fH=4.2MHz。 频带宽度 BW=fH－fL=4.2MHz。 2．输入电阻 输入电阻
Ri Vi p-p R1 =74.7kΩ Vip-p Vi p-p
3．输出电阻
RL =1kΩ 时，测得 Vop-p =1.18V， VoL p-p =1.145V，则 Vop-p Ro 1 RL =30.6Ω Vo p-p
4．幅频特性
AfM 时，测得 Af 2 f L =0.67Hz， f H =6.7MHz
(电流负反馈) (电压负反馈)
（4）负反馈展宽频带 基本放大电路高、低频响应均只有一个极点时，闭环上、下限截止频率为
f Hf (1 AF ) f H f Lf f L (1 AF )
（5）负反馈改善非线性失真
四、电路设计
设计电路如图 2.1 所示。 电路由三级放大电路构成，分别为 CE、CE、CC 组态。输入输出端用电容 C1、C2 作为 耦合电容。下面分别分析。 R3=50Ω 作为射极的负反馈电阻， 第一级为 CE 放大电路。 R1=1MΩ 为 Q1 提供基极偏置， 同时也是级间反馈网络的一部分。R2=10kΩ 为 Q1 的集电极电阻。 第二级也为 CE 放大电路。R5=2.7kΩ 为 Q2 的集电极电阻。二极管 D1、D2 为直流电平移 动元件，提高 Q2 的射极电位，使第一级 Q1 的集电极有足够的直流电位以保证第一级的动态 范围。同时，二极管的交流动态电阻很小，降低了射极交流电阻，以提高增益，得到足够高 的开环增益，保证深度负反馈条件。
可见此时电路非常稳定。在实际中，R1、R2 可采用精密的电阻，而其它电阻值可容许 较大误差。
六、实验数据处理
1．电压增益
RL =2kΩ 时，测得 Vi p-p =50.0mV， Vo p-p =1.91V，则
Av

Vo p-p Vi p-p
=38.2
2．输入电阻
R1 =53kΩ 时，测得 Vip-p =49.4mV， Vi p-p =28.9mV，则
（5）有人在实验中使用示波器探头的×1 档测试输出电压波形，发现电路产生了高频自激 振荡，他在探头的探针处串入一只几千欧姆的电阻，通过该电阻再接电路的测试点，示 波器屏幕上显示波形正常（即没有高频振荡波形） ，请分析这是什么原因。 解： 这个问题类似于 CMOS 运放中出现的相位补偿问题。 用示波器测量时， 相当于在某级的输入输出间连接一个补偿电容， 会使系统变成二阶一 零系统，传输函数有两个负值极点，一个正值零点。如果零点的值较小，则这个正值零点会 在通频带内引入额外的负的附加相移， 使总的附加相移增大， 减小相位裕度， 从而产生自激。 其根本原因是补偿电容的直通效应。 当在探针处串入一只电阻时，可以减弱直通效应，使正值零点增大，移出通频带，使在 通频带内的负附加相移减小，从而消除了自激。
可见，多数情况下电路可以正常工作，但少数情况下会出现较严重的切顶。 经分析，其主要原因在于 R1、R2 的误差。第一级的偏置电阻 R1=1MΩ 较大，稍有误差 即会影响第一级 Q1 的工作点；第一级的集电极负载电阻 R2 影响第二级的基极电位，而第二 级的基极电位大约为 VBE2+VD1+VD2=0.7×3=2.1V，若 R2 误差太大，势必造成 Q2 的基极电位 不合适。 将 R1、R2 的误差取消，重新仿真，结果如下：
实验日期
2010 年 5 月 10 日
实验室
229
实验台
21
清华大学电子工程系
电子技术实验报告
模拟电路实验二 负反馈放大电路
系别 班级 学号 姓名
电子系 无 87 班 2008011222 高鸣宇
一、实验目的
（1）通过实验，学习并初步掌握负反馈放大电路的设计及调试方法。 （2）深入理解负反馈对放大电路性能的影响。 （3）巩固放大电路主要指标的测试方法。


F
因此由深度负反馈条件有闭环增益

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R3 R4 R3 R4 R3 R3
Af



1
F


为得到 Af =40，应令 R4 Af R3 40 R3 。同时考虑到将 R3 尽量取小以使第一级有尽 量高的开环增益，取 R3=50Ω，R4=2.1kΩ。 为了达到深度负反馈条件，需要反馈深度 D 1 A F 10 ，由此得开环增益
（4）为消除电源内阻和分布电容等寄生参数可能引起的寄生振荡，通常采用什么方法？ 解：通常采用电源去耦电路。即在各级放大电路的直流供电线间串接一个电阻 R 、电 容 C 分压网络，使信号压降几乎全部降在电阻 R 上，反馈回来的信号很小。同时有时还可 以在直流电源的输出端与地之间接入电容， 将电源的输出端交流接地， 可有效消除电源内阻 引起的寄生振荡。
R A F ) Ri (1 if Ri Rif 1 A F
(串联负反馈) (并联负反馈)
电压负反馈使 Ro 下降，电流负反馈使 Ro 增加。程度取决于反馈深度。
R (1 A of so F ) Ro Ro Rof 1 A so F

Ri
结果如下：
V in I in


可见，中频输入电阻 Ri=92.5kΩ > 15kΩ。
3．输出电阻 输出电阻
Ro
结果如下：
V out I out

RL

可见，中频输出电阻 Ro=15.4Ω < 100Ω。 4．反馈深度 ，增益如下： 电路开环时（R4 开路）
即开环增益 A =1100，又反馈系数 F


（3）在你所设计的电路中，为消除自激振荡所加入的相位补偿电容接在什么位置最合理？ 为什么？在实验中确定其容量的大小的方法是什么？ 解： 首先应加在反相放大的输入输出两端间作为密勒补偿电容， 再考虑到利用密勒效应 应使反相放大的增益尽可能大， 以使等效的密勒电容值尽可能大， 因此密勒补偿电容应接在 增益最高的第二级的输入输出两端间最合理。 由于此电容等效为输入端对地电容时要密勒倍 增，因此其本身的容量应很小。在实验中，可从最小的电容开始，增大容量逐个尝试，直至 自激消除。
第三级是 CC 放大电路，即射极跟随器。R6=2kΩ 为 Q3 的射极电阻。该级作为输出级， 一方面作为前级的负载有很高的输入电阻， 将外接负载与前级隔离， 一方面有很小的输出电 阻，大大提高了电路带负载的能力。
下面重点分析电路中的反馈部分。首先，根据设计要求，电路要稳定增益，并且具有高 输入电阻、低输出电阻。因此应该引入深度负反馈，且类型为电压串联型。由于开环增益 A 是闭环增益 Af 的 D 倍，开环增益应较大，要有足够的级数，这就是采用三级放大电路的原 因，其中前两级提供足够高的开环增益，输出级提供带负载能力。 在电路中， 最主要的级间反馈连在第一级和第二级之间。 将最后一级射级跟随器放在反 馈环外的原因是由于 CC 在深度负反馈情况下带容性负载时为负阻，极易引起自激振荡，因 此将之置于反馈环外。对于前两级，反馈系数