負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)與仿真課程

1、.SHANGHAI UNIVERSITY課程論文COURSE PAPER裝訂線題 目: 仿真設(shè)計(jì)與分析學(xué) 院 機(jī)自學(xué)院學(xué) 號(hào) 11122558學(xué)生姓名 于嚴(yán)嚴(yán)授課教師 邵勇一 功率放大電路仿真一. OTL功率放大器的原理如圖1所示為OTL功率放大器。其中由晶體三極管VT1組成推動(dòng)級(jí)（也稱前置放大級(jí)），VT2、VT3是一對(duì)參數(shù)對(duì)稱的NPN和PNP型晶體三極管，它們組成互補(bǔ)推挽OTL功率放大電路。由于每一個(gè)管子都接成射極輸出器形式，因此具有輸出電阻低，負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于作功率輸出級(jí)。VT1管工作于甲類狀態(tài)，它的集電極電流IC1由電位器RP1(RP1)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 IC1 的一部分流經(jīng)電位器RP

2、2及二極管VD，給VT2、VT3提供偏壓。調(diào)節(jié)RP2，可以使VT2、VT3得到合適的靜態(tài)電流而工作于甲、乙類狀態(tài)，以克服交越失真。靜態(tài)時(shí)要求輸出端中點(diǎn)A的電位，可以通過調(diào)節(jié)PR1來實(shí)現(xiàn)，又由于RP1的一端接在A點(diǎn)，因此在電路中引入交、直流電壓并聯(lián)負(fù)反饋，一方面能夠穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)也改善了非線性失真。C4和R 構(gòu)成自舉電路，用于提高輸出電壓正半周的幅度，以得到大的動(dòng)態(tài)范圍。 圖1OTL功率放大器當(dāng)輸入正弦交流信號(hào)ui時(shí)，經(jīng)VT1放大、倒相后同時(shí)作用于VT2、VT3的基極，ui的負(fù)半周使VT2管導(dǎo)通（VT3管截止），有電流通過負(fù)載RL，同時(shí)向電容C2(C2)充電，在ui的正半周，VT3

3、導(dǎo)通（VT2截止），則已充好電的電容器C2起著電源的作用，通過負(fù)載RL放電，這樣在RL上就得到完整的正弦波，其波形如圖所示。在仿真中若輸出端接喇叭，在仿真時(shí)只要輸入不同的頻率信號(hào)，就能在喇叭中能聽到不同的聲音。2. OTL電路的主要性能指標(biāo)1）最大不失真輸出功率Pom：理想情況下，在電路中可通過測(cè)量RL兩端的電壓有效值UO或RL的電流來求得實(shí)際的2）效率：PV-直流電源供給的平均功率，理想情況下，max 78.5 ?？蓽y(cè)量電源供給的平均電流IdC，從而求得PvUCC·IdC，負(fù)載上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以計(jì)算實(shí)際效率了。在仿真平臺(tái)上也可用功率表分別測(cè)出最大不失真功率和

4、電源供給的平均功率。二、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器及器材雙蹤示波器、信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表、數(shù)字萬用表等儀器三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.如下圖2所示的電路圖圖2 OTL功率放大電路2靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整分別調(diào)整R4和R1滑動(dòng)變阻器器，使得萬用表XMM2和XMM3的數(shù)據(jù)分別為5-10mA和2.5V，然后測(cè)試各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)填入下表：（注意，信號(hào)發(fā)生器的大小為0）Ic1=Ic2= 7.56mA，U12=2.5Q1Q2Q3Ub0.83V3.22V1.76Uc1.76V5.00V2.51VUe0.15V2.51V0V3測(cè)量最大不失真輸出功率理想情況下，最大不失真輸出功率，在實(shí)驗(yàn)中可通過測(cè)量RL兩端的電壓有效值，來求得實(shí)際的?；?/p>

5、通過測(cè)量流過RL的電流有效值，來求得實(shí)際的。如下圖3所示。 圖(a) RL 兩端的電壓有效值 圖(b) 流過RL的電流圖 3 Pom的測(cè)量4測(cè)量功率放大器的效率，其中是直流電源供給的平均功率。理想情況下，。在實(shí)驗(yàn)中，可測(cè)量電源供給的平均電流IDC，如圖3.7-4所示，從而求得PvUCC·IdC.。圖4 電源供給的平均電流IdC在本例中也可用兩塊瓦特表分別測(cè)量電源供給的平均功率Pv及最大不失真輸出功率Pom，其圖標(biāo)和面板如圖5所示。該圖標(biāo)中有兩組端子，左邊兩個(gè)端子為電壓輸入端子，與所要測(cè)試電路并聯(lián)，右邊兩個(gè)端子為電流輸入端子，與所要測(cè)試電路串聯(lián)。圖5 瓦特表圖標(biāo)和面板5輸入靈敏度輸入靈

6、敏度是指輸出最大不失真功率時(shí)，輸入信號(hào)Vi之值。6頻率響應(yīng)的測(cè)試實(shí)測(cè)幅頻率特性如下圖所示： 其中：fL=242Hz，fH=3.45MHz。四、實(shí)驗(yàn)分析1理想情況下，最大不失真功率為，而實(shí)測(cè)功率只有1.25mW，主要原因是功率三極管的管壓降比較高，實(shí)際輸出最大電壓不到1V。2由于功率輸出電路直流工作電流較大，幾乎工作在甲類狀態(tài)，加上三極管管壓降較高，電源提供的功率大部分由三極管消耗了，所以實(shí)測(cè)效率較低。負(fù)反饋放大電路的仿真一、實(shí)驗(yàn)元件2N2222A三極管（2個(gè)）、1mV 10KHz 正弦電壓源、12V直流電壓源、10uF電容（5個(gè)）、5.11%負(fù)反饋電阻、3.05%集電極電阻（2個(gè)）、1.501

7、%電阻、1.401%電阻、1.001%負(fù)載電阻、1001%電阻、20.01%基極電阻（2個(gè)）、10.01%基極電阻（2個(gè)）、開關(guān)、萬用表、示波器等。二、實(shí)驗(yàn)原理由于電容對(duì)直流量的電抗為無窮大，因而阻容耦合放大電路各級(jí)之間的直流通路各不相通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，本次實(shí)驗(yàn)采用了實(shí)驗(yàn)一的數(shù)據(jù)，所以可不必重新調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)電路中引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，將引回的反饋量與輸入量相減，從而調(diào)整電路的凈輸入量與輸出量，改變電壓放大倍數(shù)、輸入電阻與輸出電阻。參數(shù)選擇：為了使反饋達(dá)到深度負(fù)反饋，實(shí)驗(yàn)中選取了5.1的負(fù)反饋電阻，同時(shí)為了不會(huì)在引入負(fù)反饋后出現(xiàn)交流短路的現(xiàn)象，將Re1分為兩個(gè)部分Re11（1

8、00）和Re12（1.4）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)的兩級(jí)阻容耦合放大電路如圖1：圖1 兩級(jí)阻容耦合放大電路原理圖三、電路頻率特性測(cè)試 1、未引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋前的電路頻率特性將電路中的開關(guān)J1打開，則此時(shí)電路為未引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的情況，對(duì)電路進(jìn)行頻率仿真，得到如圖2的電路頻率特性圖。圖2 未引入負(fù)反饋的頻率特性曲線和通頻帶指針讀數(shù)根據(jù)上限頻率和下限頻率的定義當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻的0.707倍對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，即將讀數(shù)指針移到幅度為中頻的0.707倍處，如圖2，讀出指針的示數(shù)，即下限頻率fL=761.6815 Hz, 上限頻率 fH=348.2346 KHz, 因此通頻帶為（348.2346×

9、;761.6815）Hz。調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅度，當(dāng)信號(hào)源幅度為1mV時(shí)，輸出波形不失真，如圖3：圖3 信號(hào)源幅度為1mV時(shí)的不失真輸出波形繼續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅度，當(dāng)信號(hào)源幅度為2mV時(shí)，輸出波形出現(xiàn)了較為明顯的失真，如圖4：圖4 信號(hào)源幅度為2mV時(shí)出現(xiàn)截止失真的輸出波形2、引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后的電路頻率特性將電路中的開關(guān)J1閉合，則此時(shí)電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，對(duì)電路進(jìn)行頻率仿真，得到如圖5所示的引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后的電路頻率特性圖。圖5引入負(fù)反饋后的頻率特性和通頻帶指針讀數(shù)將讀數(shù)指針移到幅度為中頻的0.707倍處，如圖5，讀出指針的示數(shù)，即下限頻率fL=33.6584 Hz, 上限頻率 fH=4.

10、7302 MHz, 因此通頻帶為（4.7302×33.6584）Hz，明顯比未引入負(fù)反饋前放寬！再來觀察引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，整個(gè)電路的最大不失真電壓值。當(dāng)信號(hào)源幅度為1mV時(shí)，可以被不失真放大，調(diào)節(jié)信號(hào)源幅度至24mV時(shí)，輸出波形仍未失真，如圖6：圖6 信號(hào)源幅度為24mV時(shí)的臨界不失真輸出波形繼續(xù)增大至25mV時(shí)，輸出波形開始出現(xiàn)了飽和失真，如圖7:圖7信號(hào)源幅度為25mV時(shí)飽和失真的輸出波形可見加入負(fù)反饋后，電路的動(dòng)態(tài)范圍增大，即電路可不失真放大的最大信號(hào)幅度增大.四、電路的放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻1、測(cè)量放大倍數(shù)按圖8，圖9所示連接，分別測(cè)出J1打開和閉合時(shí)的輸入電壓Ui、輸

11、出電壓Uo，放大倍數(shù)即為Au= Uo/Ui，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的電壓放大倍數(shù)。a）未引入負(fù)反饋的放大倍數(shù)打開J1，如圖9，測(cè)得輸入電壓Ui1mV，輸出電壓Uo=598.033mV，則Au= Uo/Ui=598.033。圖8測(cè)量無負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)的電路圖b）引入負(fù)反饋后的放大倍數(shù)閉合J1，如圖9，測(cè)得輸入電壓Ui1mV，輸出電壓Uo=47.551mV，則Au= Uo/Ui=47.551。圖9測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)的電路圖 可見電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得電壓放大倍數(shù)明顯減小，兩者相差約12.6倍。2、測(cè)量輸入電阻按圖10，圖11所示連接電路，分別測(cè)出J1打開和閉合時(shí)的輸入電壓

12、Ui、輸入電流Ii，輸入電阻即為Ri=Ui/Ii，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的輸入電阻。a）未引入負(fù)反饋的輸入電阻打開J1，如圖10，測(cè)得輸入電壓Ui1mV，輸入電流Ii=194.329 nA，則Ri=Ui/Ii=5.146 。圖10 測(cè)量無負(fù)反饋時(shí)的輸入電阻的電路圖b）引入負(fù)反饋后的輸入電阻閉合J1，如圖11，測(cè)得輸入電壓Ui1mV，輸入電流Ii=154.017 nA，則Ri=Ui/Ii=6.493 。圖11 測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的輸入電阻的電路圖可見電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得輸入電阻增大。3、測(cè)量輸出電阻按圖12，圖13所示連接電路，分別測(cè)出J1打開和閉合時(shí)的輸出電壓Uo、輸出電流Io，輸出電

13、阻即為Ro= Uo/Io，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的輸出電阻。a）未引入負(fù)反饋的輸出電阻打開J1，如圖12，測(cè)得輸出電壓Uo1mV，輸出電流Ii=353.57nA，則Ro= Uo/Io=2.828 。圖12測(cè)量無負(fù)反饋時(shí)的輸出電阻的電路圖b）引入負(fù)反饋后的輸出電阻閉合J1，如圖13，測(cè)得輸出電壓Uo1mV，輸出電流Ii=17.159 uA，則Ro= Uo/Io=58.278 。圖13測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的輸出電阻的電路圖可見電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得輸出電阻減小。五、AF »1/F的驗(yàn)證 按如圖14所示連接電路，閉合J1。由于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的AF =Auuf =Uo/Ui、F=Fuu =U/Uo，因此，需要測(cè)量輸出電壓Uo、輸入電壓Ui、反饋電壓U。圖14 AF »1/F的驗(yàn)證電路測(cè)得Ui1mV，Uo=47.551mV，U=991.747uF，則AF =Auuf =Uo/Ui=47.551，F(xiàn)=Fuu =U/Uo=0.02086，1/F=47.939，因此AF »1/F得到驗(yàn)證。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)二級(jí)阻容耦合放大電路引入電