仿真軟件在負反饋放大電路教學中的應用

郭 映

天津理工大學電子信息工程學院 天津 300384

模擬電路是理論性、工程性和實踐性很強的電類專業(yè)本科生必修基礎課程，在本科教學中起著重要作用。該課程的理論教學多以板書加多媒體課件為主，學生在課堂上被動接受知識，學習興趣不能夠被激發(fā)；課后有限的實驗條件和設備也制約了學生對知識全面深入的理解。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機仿真技術(shù)對電路進行分析、設計和調(diào)試已成為當今高校輔助教學的一種趨勢。學生在接受理論知識的同時，通過仿真軟件運行觀察電路的功能和特性，加深對電路的理解，掌握所學的內(nèi)容。[1,2]

Multisim10是美國國家儀器公司推出的電路仿真軟件，該軟件基于Window操作系統(tǒng)，界面友好，操作方便，易于使用。16 000余種元器件、20余種虛擬儀器外形與實物接近，學生可用鼠標直接操作元器件，搭建電路，并對其進行各種仿真分析。數(shù)據(jù)的測量、波形的顯示如同在真實儀器上看到一樣，具有很強的直觀性。在軟件上進行教學和練習，沒有任何元件、輔料的損耗，儀表也不存在損壞的問題，教學成本大大降低，非常適合電類專業(yè)課程的輔助教學。[3]

1 Multisim仿真軟件在負反饋放大電路教學中的應用

負反饋放大電路在實際應用中極為廣泛，電路形式繁多，因此是模擬電路教學的重點。學生普遍反映該部分內(nèi)容抽象、缺乏感性認識，特別是反饋對電路的影響及反饋電路的穩(wěn)定性概念理解困難。在教學過程中結(jié)合Multisim10進行電路仿真，通過對示波器等仿真儀器結(jié)果的觀察，加深學生的理解，減輕教師的負擔，提高教學效果。[4]

1.1 負反饋對放大電路性能的影響

在放大電路中引入負反饋，雖然會導致閉環(huán)增益的下降，但能使放大電路的許多性能得到改善，如可以提高增益的穩(wěn)定性，擴展頻帶，減小非線性失真等。[5]

1.1.1 提高增益的穩(wěn)定性

理論上，在深度負反饋電路中，反饋網(wǎng)絡由無源線性元件組成時，閉環(huán)增益Af的相對變化量是基本放大電路(未引入負反饋)增益A相對變化量的(1+AF)分之一，即Af的穩(wěn)定性是A的(1+AF)倍。[5]

圖2 閉環(huán)電路輸入輸出波形

通過改變元件Rf2的阻值，獲得相應開環(huán)和閉環(huán)增益值(見表1)。分析發(fā)現(xiàn)，元件參數(shù)的變化，引起增益的變化，閉環(huán)增益(引入負反饋)與開環(huán)增益相比有所下降，但其穩(wěn)定性得到了很大提高，放大能力具有很好的一致性。

表1 電阻變化對增益(放大倍數(shù))的影響

1.1.2 展寬頻帶

引入負反饋后，各種原因引起的放大倍數(shù)變化都將減小，其中包括因信號頻率變化而引起放大倍數(shù)的變化，其效果是展寬了頻帶。[5]

教材對此概念同樣只做了公式推算，頻帶如何展寬？通帶增益如何變化？學生缺乏感性認識。利用Multisim10提供的波特圖儀(Bode Plotter)可以方便地測量和顯示電路的頻率響應。波特圖儀適合于分析電路的頻率特性，特別易于觀察截止頻率，類似于實驗室的頻率特性測試儀。波特圖儀有IN和OUT兩組接線端，IN端口接被測電路輸入端，OUT接輸出端，電路如圖1所示(圖中XBP1為波特圖儀圖標)。

打開J1，使電路工作在開環(huán)狀態(tài)，用頻率測試儀測得此時通帶電壓增益為26.02 dB，移動游標至其下降3 dB，測得上限截止頻率為126.886 KHz，即放大電路通頻帶(-3 dB帶寬)BW≈fH≈126.886 kHz，如圖3a所示。

閉合J1，電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，測得此時通帶電壓增益為18.314 dB，移動游標至其下降3 dB，測得上限截止頻率為364.783 KHz，即此時電路通頻帶(-3 dB帶寬)BW≈fH≈364.783 kHz，如圖3b所示。

圖3 放大電路幅頻特性

通過對圖3的觀察得出，引入負反饋后，中頻段電壓增益下降，上限截止頻率升高，通頻帶展寬。

1.1.3 減小非線性失真

由于組成放大電路的半導體器件的非線性，當輸入信號的幅值較大時，電路中的半導體器件工作在非線性部分，使輸出波形產(chǎn)生非線性失真。引入負反饋后，非線性失真減小。[5]

通過仿真，觀察波形，學生可以很好地理解負反饋電路的這一特性。采用圖1所示的放大電路進行仿真，在其他參數(shù)不變的情況下，增大信號源幅值至1 V，打開J1，使電路工作在開環(huán)狀態(tài)，半導體器件工作在非線性區(qū)，輸出波形產(chǎn)生明顯的失真，如圖4a所示；閉合J1，使電路工作在閉環(huán)情況下，非線性失真被負反饋抑制，輸出波形失真明顯減小，如圖4b所示。

圖4 放大電路減小非線性失真仿真

1.2 負反饋放大電路的穩(wěn)定性

負反饋的引入可以改善放大電路多方面的性能，而且反饋愈深，性能改善得愈好。但是，有時反饋過深，電路不能穩(wěn)定工作，產(chǎn)生自激振蕩。[5]什么是自激振蕩？怎樣消除振蕩獲得穩(wěn)定電路？這些問題是負反饋電路的難點。借助仿真軟件，對電路進行仿真，學生可以直接從示波器中清晰觀察到振蕩波形。同時借助仿真軟件，學生嘗試對電路進行局部修改，調(diào)整參數(shù)，消除振蕩，通過觀察示波器波形，判斷什么樣的電路是穩(wěn)定的負反饋電路，以達到對理論概念的深入理解和對知識的靈活應用。

圖5 振蕩電路仿真

圖6 消除自激振蕩補償電路

2 結(jié)束語

通過利用Multisim對負反饋放大電路進行仿真，觀察波形、測量仿真結(jié)果，全面、直觀認識負反饋對放大電路性能的影響，以及反饋深度對電路穩(wěn)定性的影響。加深學生對反饋概念的理解，激發(fā)了學生的學習興趣，有利于提高教學效果。[6]

[1]張寧.基于Multisim的電子線路分析與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(2):31-33.

[2]劉潤華,任旭虎,劉廣孚.基于multisim的模擬電子技術(shù)基礎課程研究型教學模式探索與實踐[J].高等理科教育,2014,118(06):109-113.

[3]聶典.Multisim10計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京:電子工業(yè)出版,2009.

[4]蒙樹森.基于Multisim10負反饋放大電路的仿真[J].山西電子技術(shù),2010(2):34-36.

[5]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎[M].北京:高等教育出版社,2010.

[6]吳貞煥,鐘慶賓,張新蓮.負反饋放大電路穩(wěn)定性動態(tài)仿真研究[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):34-36.