仿真软件在负反馈放大电路教学中的应用

2015-10-15郭映

中国现代教育装备 2015年21期

郭映

天津理工大学电子信息工程学院天津 300384

模拟电路是理论性、工程性和实践性很强的电类专业本科生必修基础课程，在本科教学中起着重要作用。该课程的理论教学多以板书加多媒体课件为主，学生在课堂上被动接受知识，学习兴趣不能够被激发；课后有限的实验条件和设备也制约了学生对知识全面深入的理解。随着计算机技术的发展，利用计算机仿真技术对电路进行分析、设计和调试已成为当今高校辅助教学的一种趋势。学生在接受理论知识的同时，通过仿真软件运行观察电路的功能和特性，加深对电路的理解，掌握所学的内容。[1,2]

Multisim10是美国国家仪器公司推出的电路仿真软件，该软件基于Window操作系统，界面友好，操作方便，易于使用。16 000余种元器件、20余种虚拟仪器外形与实物接近，学生可用鼠标直接操作元器件，搭建电路，并对其进行各种仿真分析。数据的测量、波形的显示如同在真实仪器上看到一样，具有很强的直观性。在软件上进行教学和练习，没有任何元件、辅料的损耗，仪表也不存在损坏的问题，教学成本大大降低，非常适合电类专业课程的辅助教学。[3]

1 Multisim仿真软件在负反馈放大电路教学中的应用

负反馈放大电路在实际应用中极为广泛，电路形式繁多，因此是模拟电路教学的重点。学生普遍反映该部分内容抽象、缺乏感性认识，特别是反馈对电路的影响及反馈电路的稳定性概念理解困难。在教学过程中结合Multisim10进行电路仿真，通过对示波器等仿真仪器结果的观察，加深学生的理解，减轻教师的负担，提高教学效果。[4]

1.1 负反馈对放大电路性能的影响

在放大电路中引入负反馈，虽然会导致闭环增益的下降，但能使放大电路的许多性能得到改善，如可以提高增益的稳定性，扩展频带，减小非线性失真等。[5]

1.1.1 提高增益的稳定性

理论上，在深度负反馈电路中，反馈网络由无源线性元件组成时，闭环增益Af的相对变化量是基本放大电路(未引入负反馈)增益A相对变化量的(1+AF)分之一，即Af的稳定性是A的(1+AF)倍。[5]

图2 闭环电路输入输出波形

通过改变元件Rf2的阻值，获得相应开环和闭环增益值(见表1)。分析发现，元件参数的变化，引起增益的变化，闭环增益(引入负反馈)与开环增益相比有所下降，但其稳定性得到了很大提高，放大能力具有很好的一致性。

表1 电阻变化对增益(放大倍数)的影响

1.1.2 展宽频带

引入负反馈后，各种原因引起的放大倍数变化都将减小，其中包括因信号频率变化而引起放大倍数的变化，其效果是展宽了频带。[5]

教材对此概念同样只做了公式推算，频带如何展宽？通带增益如何变化？学生缺乏感性认识。利用Multisim10提供的波特图仪(Bode Plotter)可以方便地测量和显示电路的频率响应。波特图仪适合于分析电路的频率特性，特别易于观察截止频率，类似于实验室的频率特性测试仪。波特图仪有IN和OUT两组接线端，IN端口接被测电路输入端，OUT接输出端，电路如图1所示(图中XBP1为波特图仪图标)。

打开J1，使电路工作在开环状态，用频率测试仪测得此时通带电压增益为26.02 dB，移动游标至其下降3 dB，测得上限截止频率为126.886 KHz，即放大电路通频带(-3 dB带宽)BW≈fH≈126.886 kHz，如图3a所示。

闭合J1，电路工作在闭环状态，测得此时通带电压增益为18.314 dB，移动游标至其下降3 dB，测得上限截止频率为364.783 KHz，即此时电路通频带(-3 dB带宽)BW≈fH≈364.783 kHz，如图3b所示。

图3 放大电路幅频特性

通过对图3的观察得出，引入负反馈后，中频段电压增益下降，上限截止频率升高，通频带展宽。

1.1.3 减小非线性失真

由于组成放大电路的半导体器件的非线性，当输入信号的幅值较大时，电路中的半导体器件工作在非线性部分，使输出波形产生非线性失真。引入负反馈后，非线性失真减小。[5]

通过仿真，观察波形，学生可以很好地理解负反馈电路的这一特性。采用图1所示的放大电路进行仿真，在其他参数不变的情况下，增大信号源幅值至1 V，打开J1，使电路工作在开环状态，半导体器件工作在非线性区，输出波形产生明显的失真，如图4a所示；闭合J1，使电路工作在闭环情况下，非线性失真被负反馈抑制，输出波形失真明显减小，如图4b所示。

图4 放大电路减小非线性失真仿真

1.2 负反馈放大电路的稳定性

负反馈的引入可以改善放大电路多方面的性能，而且反馈愈深，性能改善得愈好。但是，有时反馈过深，电路不能稳定工作，产生自激振荡。[5]什么是自激振荡？怎样消除振荡获得稳定电路？这些问题是负反馈电路的难点。借助仿真软件，对电路进行仿真，学生可以直接从示波器中清晰观察到振荡波形。同时借助仿真软件，学生尝试对电路进行局部修改，调整参数，消除振荡，通过观察示波器波形，判断什么样的电路是稳定的负反馈电路，以达到对理论概念的深入理解和对知识的灵活应用。