模拟电路仿真实验

模拟电路仿真实验

实验报告

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多级负反馈放大器的研究

一、实验目的

（1）掌握用仿真软件研究多级负反馈放大电路。

（2）学习集成运算放大器的应用，掌握多级集成运放电路的工作特点。

（3）研究负反馈对放大器性能的影响，掌握负反馈放大器性能指标的测试方法。

1.测试开环和闭环的电压放大倍数、输入电阻、反馈网络的电压反馈系数的通频带；

2.比较电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和通频带在开环和闭环时的差别；

3.观察负反馈对非线性失真的改善。 二、实验原理及电路 （1）基本概念：

1.在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。 若反馈的结果使净输入量减小，则称之为负反馈；反之，称之为正反馈。若反馈存在于直流通路，则称为直流反馈；若反馈存在于交流通路，则称为交流反馈。

2.交流负反馈有四种组态：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。若反馈量取自输出电压，则称之为电压反馈；若反馈量取自输出电流，则称之为电流反馈。输入量、反馈量和净输入量以电压形式相叠加，称为串联反馈；以电流形式相叠加，称为并联反馈。

3.在分析反馈放大电路时，“有无反馈”决定于输出回路和输入回路是否存在反馈支路。“直流反馈或交流反馈”决定于反馈支路存在于直流通路还是交流通路；“正负反馈”的判断可采用瞬时极性法，反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，使净输入量增大的为正反馈；“电压反馈或电流反馈”的判断可以看反馈支路与输出支路是否有直接接点，如果反馈支路与输出支路有直接接点则为电压反馈，否则为电流反馈；“串联反馈或并联反馈”的判断可以看反馈支路与输入支路是否有直接接点，如果反馈支路与输入支路有直接接点则为并联反馈，否则为串联反馈。

4.引入交流负反馈后，可以改善放大电路多方面的性能：提高放大倍数的稳定性、改变输入电阻和输出电阻、展宽通频带、减小非线性失真等。实验电路如图所示。该放大电路由两级运放构成的反相比例器组成，在末级的输出端引入了反馈网路C f 、R f2和R f1，构成了交流电压串联负反馈电路。

R110kΩ

R2100kΩ

R3

10kΩ

R43.9kΩ

R53.9kΩ

R63.9kΩ

R7200kΩ

R81kΩ

R94.7kΩR10300kΩ

U1A

LM324N

3

2

11

41

U1C

LM324N 10

9

11

4

8

C110uF

C210uF

C3

10uF

J1

Key = Space J2

Key = A VCC

10V

VEE

-10V 1

4

10

8

11

12

13

7

3

6

5VEE VCC

2

9

（2）放大器的基本参数： 1.开环参数：

将反馈之路的A 点与P 点断开、与B 点相连，便可得到开环时的放大电路。由此可测出开环时的放大电路的电压放大倍数AV 、输入电阻Ri 、输出电阻Ro 、反馈网路的电压反馈系数Fv 和通频带BW ，即：

1

'1i

i o v i i N

o o

L

o f V

o

H L

V A V V R R V V V R R V V F V BW f f =⎫=⎪⎪⎪⎪-⎪⎪⎛⎫⎪=-⎬ ⎪⎝⎭

⎪⎪⎪=⎪⎪=-⎪⎪⎭

式中：VN 为N 点对地的交流电压；Vo ’为负载RL 开路时的输出电压；Vf 为B 点对地的交

流电压；fH 和fL 分别为放大器的上、下限频率，其定义为放大器的放大倍数下降为中频放大倍数的12时的频率值，即

()

(

)1

0.70721

0.7072

V H

VI VI V

L VI VI A jf A A A jf A A ⎫=

=⎪⎪⎬⎪=

=⎪⎭

2.闭环参数：

通过开环时放大电路的电压放大倍数Av 、输入电阻Ri 、输出电阻Ro 、反馈网络的电压反馈系数Fv 和上、下限频率fH 、fL ，可以计算求得多级负反馈放大电路的闭环电压放大倍数AVf 、输入电阻Rif 、输出电阻Rof 和通频带BWf 的理论值，即

'

''

1(1)()1(1)()1V

Vf V V

if i V V o o

of V v V i

Hf H V V f Hf Lf L Lf V V A A A F R R A F R V R A A F V f f A F BW f f f f A F

⎫=

⎪+⎪

=+⎪

⎪⎪==⎬+⎪

⎪

=+⎧⎪⎪

=-⎪⎨

=⎪⎪+⎩⎭其中：其中：

测量放大电路的闭环特性时，应将反馈电路的A 点与B 点断开、与P 点相连，以构成反馈网络。此时需要适当增大输入信号电压Vi ，使输出电压Vo （接入负载RL 时的测量值）达到开环时的测量值，然后分别测出Vi 、VN 、Vf 、BWf 和Vo ’（负载RL 开路时的测量值）的大小，并由此得到负反馈放大电路闭环特性的实际测量值为

1

'1i

i o

vf i if N

o of L o f

V o f Hf Lf V A V V R R V V V R R V V F V BW f f =⎫=

⎪⎪⎪⎪

-⎪⎪

⎛⎫⎪

=-⎬

⎪⎝⎭⎪

⎪⎪=

⎪

⎪=-⎪

⎪⎭

上述所得结果应与开环测试时所计算的理论值近似相等，否则应找出原因后重新测量。 在进行上述测试时，应保证各点信号波形与输入信号为同频率且不失真的正弦波，否则应找出原因，排除故障后再进行测量。 三、实验内容 计算机仿真部分：

1.根据电路画出实验仿真电路图。其中得到的波特图绘制仪的命令为“Simulate →Instrument →Bode Plotter ”

。

2.调节J1，使开关A 端与B 端相连，测试电路的开环基本特性。

(1)将信号发生器输出调为1kHz 、20mV （峰峰值）正弦波，然后接入放大器的输入端到网络的波特图如图

(2)保持输入信号不变，用示波器观察输入和输出的波形。

（3）接入负载RL，用示波器分别测出Vi、VN、Vf、Vo’记入表中。

（4）将负载RL开路，保持输入电压Vi的大小不变，用示波器测出输出电压Vo’记入表中。

（5）从波特图上读出放大器的上限频率fH与下限频率fL记入表中。

（6）由上述测试结果，计算放大电路开环时的Av、Ri、Ro和Fv的值，并计算出放大器闭环式Avf，Rif和Rof的理论值。

3.调节J1，使开关A端与P端相连，测试电路的闭环基本特性。

（1）将信号发生器输入调为1kHz、20mV（峰峰值）正弦波，然后接入放大器的输入端，得到网络的波特图。

（2）接入负载RL，逐渐增大输入信号Vi，使输入电压Vo达到开环时的测量值，然后用示波器分别测出Vi、VN和Vf的值，记入表格。

（3）将负载RL开路，保持输入电压Vi的大小不变，用示波器分别测出V’0的值，记入表中。

（4）闭环式放大器的频率特性测试同开环时的测试，即重复开环测试（5）步。

（5）有上述结果并根据公式计算出闭环时的Avf、Rif、Rof和Fv的实际值，记入表中。（6）由波特图测出上下限频率，计算通频带BW。

①闭环网络的通频带

②闭环网络的通频带

四、实验数据：

表1负反馈放大电路仿真测试数据

mv V i /

mv V N /

mv V f / '0V /V

V V /0

'

V A '

vf A

A v A vf

Ω/if f

R R

Ω

/of O

R R

V F

开环测试 9.997 0.1O10 21.03

6

1.900 1.644 190.438

164.378

10102.24 745.122 0.01282

7

闭环测试 33.08

1

21.014 21.02

1

1.729 1.638 5

2.266 49.51

5

27414.44 261.111 0.01282

9

理论计算

55.316 52.88

31402.59 239.706

相对误差 5.5％ 6.4％ 11.7％

8.9％

0.16‰

误差分析：

1、 理论计算采用近似估算，有较大误差

2、 在进性多次计算，会损失精度

3、 元器件本身会存在误差

表2 负反馈放大电路上下限频率测试数据

H

f

L f

BW

开环测试 43.32kHz

3.64Hz

43.316kHz 闭环测试 155.113kHz 3.323Hz 155.113kHz 理论计算

135.034kHz 1.168Hz

135.034kHz

闭环时：fLf=3.323Hz ， fHf=155.113kHz ，

通频带BW 值为BW = 155.113-0.003323=155.113kHz 开环时：fLf=3.64Hz ， fHf=43.32kHz ，通频带BW=43.3164kHz

理论值：fHf=fH(1+AVFv)=135.034kHz ，fHf=fL/(1+AVFV)=1.168Hz, 通频带BW=135.034kHz 误差分析：

1.相对于开环，闭环通频带扩宽了。

2.理论计算采用近似估算，有较大误差

3.在进性多次计算，会损失精度

4.元器件本身会存在误差

5.当估算值比较小时，估算失效

五、实验总结：

通过本次试验，基本上掌握了如何用仿真软件研究多级负反馈放大电路，而且通过学习集成运算放大器的应用，了解并掌握多级集成运放电路的工作特点。通过研究负反馈对放大器性能的影响，学会并且能够基本掌握负反馈放大器性能指标的测试方法，测试开环和闭环的电压放大倍数、输入电阻、反馈网络的电压反馈系数和通频带，更重要的是通过几次的模电实验，我明白了理论结合实践的重要性，实践检验理论，理论指导实践。