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差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分 析 摘要 构建直接耦合差分-共集电极电压串联负反馈放大电路，采用多级放大器 的分析方法对其进行理论计算以及仿真分析。另外对所构建差分-共集电极电压 串联负反馈放大电路，首先经过计算节点电压，进而求解电路方程得到了反馈放 大器的开环增益，闭环增益，两者满足电压串联负反馈放大电路中的基本关系， 并对增益的稳定性进行分析。同时,启用仿真软件 ewb,分别对基本组态放大器和 反馈放大器做仿真分析。在合理的近似处理下，静态工作点、开环和闭环放大倍 数的理论计算与 ewb 软件的仿真结果基本一致，验证了负反馈放大电路中的基本 关系式，说明计算分析的正确性。 关键词 差分-共集电极电压串联负反馈；理论计算；ewb 仿真 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 the simulation and analysis for differential-common collect amplifying circuit with negative feedback of voltage series abstractabstract a direct coupled differential-common collect amplifying circuit with negative feedback of voltage series is built, and the theoretical calculations and simulation analysis is conduct with the methods of multistage amplifiers. moreover, after calculate the node voltages, the open-loop gain and closed-loop gain of differential-common collect amplifying circuit with negative feedback of voltage series is also derived by solving the circuit equations, the results show that the basic relationship of a negative feedback amplifier circuit is satisfied. and then carry on the analysis to the stability of gain. furthermore, the basic amplifier voltage gain and the feedback amplifier gain are simulated with ewb software. the results indicate that they are same as the theoretical values. with approximate dealing with the circuit on a reasonable condition, the theoretic values of static working point are almost similar to the direct current simulating results for voltage in every point of the circuit with ewb software which shows the correctness of calculation and analysis. keywords differential-common collect amplifying circuit with negative feedback of voltage series; simulation; ewb software 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 目 次 1 引言 .1 2 ewb5.0 的简介与仿真步骤.2 2.1 ewb5.0 的简介与特点 .2 2.2 ewb5.0 的仿真实验步骤 .2 3 电路及其理论计算4 3.1 电路的基本构成 .4 3.2 静态工作点 .5 3.3 开环增益 .5 3.4 闭环增益 .6 3.5 电路增益的相对稳定性 .6 4 电路的仿真与分析.10 结论 13 参考文献 14 致谢 15 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 1 1引言 计算机技术和电子技术在近几十年间取得突飞猛进的发展，加速产品的更新 与换代，而相应的计算机技术、仿真技术则成为分析电路、设计电路的主要方法 之一。近年来经常出现一些使用仿真软件对负反馈放大电路分析的报道，引起人 们的关注1-4。ewb5.0 软件可将实际电子元器件采用理想模型替代, 为电路分析 和设计带来了极大的便利。电路中引入电压串联负反馈后，反馈信号的大小与输 出电压成比例，反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极，使输入 电阻增加，输出电压稳定；在放大器中引入负反馈，降低了放大倍数，使放大器 的性能得以改善，减少非线性失真，扩展频带，改变输入电阻和输出电阻。本文 设计了直接耦合差分-共集电极电压串联负反馈放大电路, 理论计算下的基本放 大器的开环、闭环电压增益满足反馈放大器中的基本关系式，与 ewb5.0 开、闭 环环境下的仿真结果一致；此外，本文推导还了反馈放大器相对稳定性的一般公 式，并结合电压串联负反馈电路，通过理论计算与仿真结果，在说明基本放大器 与反馈放大增益满足反馈放大电路基本关系的基础上，验证了所推导的一般公式 的正确性。 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 2 2 ewb5.0 简介和仿真步骤 2.1 ewb5.0 软件简介 虚拟电子工作台(electronics workbench，简称 ewb)，是用于电路仿真分 析、设计的软件，以其方便、直观、强大的仿真功能和电路分析能力引起工程技 术人员和广大高校教师的重视，得到广泛的应用。它将原理图的创建、电路的测 试分析以及结果的显示等全部集成到同一个电路窗口中。整个仿真操作界面如同 一个真实的实验工作台，有元件库、仪器库和进行仿真分析的各种操作命令在， 所用的器件(包括型号、参数)、测试所用的仪器仪表、信号源、导线及电路连接 等都可以利用 ewb5.0 软件得以实现。使用者使用软件在这样的虚拟现实环境中 设计和测试各种电路，对电路进行仿真实验，就如同置身于真实的实验室使用真 正仪器调试电路，而且虚拟示波器可以显示从通电时刻开始，一直持续很长一段 时间的电路波形。这样有利于对电路的暂态过程实行不间断跟踪和记录。 ewb5.0 可以输入存储、打印测试点的所有数据、波形以及试验电路图，也可以 把 ewb5.0 环境下创建的电原理图文件输出到 protel 等常见软件进行印制电路板 设计。 2.2 ewb5.0 软件仿真实验步骤 ewb5.0 不仅可以给出以数值和曲线表示的分析结果，而且由于增加了虚拟 测量仪器，可以进行实时监测，显示电路的变化，波形。仿真过程分以下几步进 行5： （1）输入电路原理图，用鼠标在工作区放置元件的电路图符号，设置元件参 数，连接导线。 （2）用鼠标在工作区放置和连接测量仪器，设置测量仪器参数。 （3）启动仿真开关，在仪器上观察仿真结果。 （4）修改设计，直到达到设计要求后，保存电路图和仿真结果。 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 3 图 1 ewb5.0 的仿真过程图 电路原理图 用 ewb 模拟连接电路 确定原件参数 用 ewb 虚拟仪器测 实验数据 试验数据分析报告 分析原因调 整电路 实验数据 正确否？ 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 4 3 电路及其理论计算 3.1 电路的基本构成 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路如图 2 所示，输入端是单端输入、 单端输出结构的差分电路,输出为共集电极组态，级间采用直接耦合方式，用电 阻、实现电平移动，构成差分-共集电极电压串联负反馈放大电路。根据 3b r 2c r 瞬时极性法判别为负反馈；反馈信号取样于电压，为电压反馈；反馈信号与输入 信号在输入端以电压叠加而构成净信号，是串联反馈。当电键、（联动电 1 s 2 s 键）接 a 点则电路为反馈放大电路；接 b 点则是考虑反馈网络负载效应后的基 本放大器6。 图 2 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路图 3.2 静态工作点 略去与间差别,认为差分放大器的输入端对称 ,、两管静态工 2b r fb rr/ 21 t 2 t 作电流、相等,当 vi 交流对地时,不计上电压降,有7 1e i 2e i 1b r 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 5 amkvii ee 2825 . 0 20/127 . 0 2 1 21 3222bccccc iirvv 略去分流影响,可得 ，由电路知， 3b ivmakvvc61. 82825. 01212 2 ，在上有 8.61v 电压降。考虑到是个大电阻，21.525电流vvb7 . 0 3 3b r 3b ra 可以在其上产生 8.61v 电压降，显然该电流就是管基极电流，满足 3 t 3b i 条件，有。在软件中，设置三个晶体管交流电流放 13cb ii 2322cbcrc iiii 大系数相同，略去交、直流差别,由晶体管电流关系150321 可得，进一步计算可得。maii bc 25 . 3 33 3c v 3.3 开环增益 根据静态电流的计算，,可得maie2825 . 0 1 arvi bb 775.197 . 061 . 8 33 t1、t2 管射极交流电阻、分别为 1eb r 3eb r e t eeb i v rr11 1 kmamv897.132825 . 0 26151 kmamvr eb 2 . 125 . 3 /26150 3 考虑到 一般为几十欧姆6 ，略去其影响，则差分放大电路开环电压放大倍 bb r 表达式为 1vv a (3-1) beb ic v rr rr a 1 22 1 / 2 1 其中是 t3 管的输入电阻，远远大于，故， 2i r 2c r 222/cic rrr 。代入数据得差分放大电路电压增益理论值 ebebbbbe rrrr 41.60 897.14 12150 2 1 1 k k av 第二级放大倍数 (3-2) 333 3 2 1 1 eeb e v rrr r a 其中，代入数据得，进一步计算可得 lbfee rrrrr/ 233 kr e 38 . 2 3 。 47. 0 2 v a 总放大倍数为 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 6 21vvvv aaa (3-3) 333 3 1 22 1 1/ 2 1 eee e beb ic rrr r rr rr 代入数值计算可得开环增益为 。39.28 vv a 3.4 闭环增益 由电路不难得到反馈系数，则闭环增益为 2 2 bf b f rr r k (3-4) vvf vv vvf ak a a 1 由电路知，反馈系数，带入公式(3-6)得闭环增益理论值 51 1 f k 。238.18 51 1 39.281 39.28 vvf a 3.5 相对稳定性的计算 通常增益的补偿比较容易获得，而性能的改善只能借助于负反馈。所以，几 乎在所有放大器的设计中都引入负反馈，以降低放大器增益为代价而改善了性能 。引入负反馈后的放大器简称反馈放大器，相应的增益与基本放大器增益 a f a 满足下列关系7 (3-8) fa a af 1 其中 f 为反馈系数。放大电路参数发生改变（如更换元器件、改变负载等） ，或 者周围环境（如温度、电网电压有）所变化，都将引起 a 变化，从而造成增益 的不稳定。在 a 变化不大的条件下，对式(3-7)微分，有8 2 1 1 fa afdadafa daf 等号两端同除以式(3-7)，可得 (3-9) afa da a da f f 1 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 7 该公式反映了反馈放大增益的相对稳定性。说明引入负反馈后，增益的稳定 性较基本放大器提高了倍。当 a 变化很大时，应为差分形式7af1 (3-10) a a faa a f f 1 1 式中 a为变化后的基本放大器增益，（为变化后aaa fff aaa f a 的反馈放大器增益） 。当略去基本放大器增益变化前后的差异后，式（3-8）和 （3-9）是相同的。当反馈系数 f 变化时，我们用 f表示变化后的反馈系数，用 表示其变化量，有fff f a fa a af a 11 faaf ffaaaa 11 faaf faaa 11 这时相对稳定性一般公式应为 affaa faaa a a ff f 11 (3-11) 1 faa faaa 可以看出，与式（3-8)、式（3-9）不同，即使基本放大器增益没有变化，0ag 但反馈系数的变化也引起反馈放大器增益的变化，即。根据变化前后基0 f a 本放大器增益和反馈系数，可以计算出反馈放大器增益的相对变化量。 当反馈系数时，式(3-13)变为0f (3-12) 1faa a a a f f 显然，当 a 变化不大时，略去 a与 a 的差别，将差分改为微分，即为式(3-11)。 图 2 为电压串联负反馈放大电路，分析基本放大器增益和反馈系数变化对稳定性 的影响：当电键、（联动电键）接 a 点则电路为反馈放大电路；接 b 点则 1 s 2 s 是考虑反馈网络负载效应后的基本放大器。 改变电路参数，可以改变基本放大器增益和反馈系数。改变图 2 中的电路参 数（其余不变，下同） ，计算得到变化后的基本放大器源增益、反馈放大器 vs a 源增益以及反馈系数，将结果分别代入公式(3-11)、式(3-13)和式(3-14)， vsf af 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 8 得到反馈放大器源增益的相对变化量，具体见表 1。电路参数改变前（ ，f=0.0196） 。39.28 vv a238.18 vvf a 表 1 不同计算下反馈放大器增益的相对稳定性 kr/savs/ savsf/ / f vsfvsf aa/ 式(3-9) 计算 式(3- 12）计算 式(3-11) 计算 20 f r 27.6411.9330.0476-0.3457-0.0117-0.0114-0.0122 30 f r 28.15114.7530.0323-0.1911-0.0045-0.0044-0.0089 4 1b r 20 f r 23.17311.0160.0476-0.3960-0.0146-0.1666-0.7548 21 2 b r 30 f r 29.94312.3430.0476-0.32320.03510.0226-0.3232 2 2 b r 49 f r 28.3913.4340.03920.263400-0.2634 讨论： 1)基本放大器增益 a 变化不大时，式(3-9)、式(3-12)结果相差不大(第 3 行)，其 相对误差均在十分之一以下，在工程计算中，这种差别通常不计 2) a 变化较大后，式(3-9)、(3-12)间的计算结果开始增大(第 4 行)，说明 a 变化 增大后，式(3-9)已经不适用了 3)反馈系数 f 改变时，可以看到仅有式(3-11)与标准值一致，而式(3-9)、(3-12) 相差很大(第 4 行)，已经不适用，说明仅有式(3-11)成立。同时说明只要基本 放大器增益变化不大，式(3-9)、(3-12)计算结果不会带来明显差异。 4)当 a、f 同时变化时，若较大，则三个公式计算结果各不相同，差别可以a 较大(第 5 行)。 5)取，据式(3-5)计算 a 不变，微分和差分形式的相对变 krb2 2 krf49 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 9 化量公式计算结果都是 0，但式(3-11)计算结果为-0.2634（第 6 行），说明了反 馈系数改变时对反馈放大器相对稳定性的影响。 6)在上述各种情况中，式(3-11)计算结果始终与标准值非常贴近，同时，上述结 论对其他类型反馈放大器同样适用，具有普遍意义 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 10 4 电路的仿真与分析 启动 ewb5.0 仿真软件，在元件库中找到相关元件，放置在工作区，单击鼠 标，连线构成仿真电路图 2，双击鼠标将参数修改成设计值。标定节点后，点击 直流分析，可得各节点直流电压参数，如图 4 所示。根据图中所显示数据计算各 三极管是否导通，若不导通则要修改电路或修改电路元件参数。若导通则观察示 波器输出波形是否失真，若失真则要修改电路元件参数，若不失真则进行电路仿 真。开环与闭环状态下的输入端、输出端电压及其波形分别如图 5 和图 6 所示。 图 4 静态工作点仿真结果 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 11 图 5 开环状态下输入、输出电压波形 图 6 闭环状态下输入、输出电压波形 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 12 做输出电压、输入电压的比，分别得到开环和闭环增益，具体结果如表 2 所 示： 表 2 理论与仿真结果一览表 1v a 2v a vv a vvf a vvfvvv aka1 理论值60.410.4728.3919.14318.9 仿真结果58.510.4727.5017.8617.86 由表 1 数据可知，仿真结果与理论计算值的相对误差均在十分之一以下,这在 工程上是完全允许的9。与理论计算的相对误差，其原因有 1）静态工作点计算 时，而软件中理想三极管导通电压,使的值变大，变vvre7 . 0vvre7 . 0 1e i eb r 小，从而造成的理论值变大；2） 理论计算中略去晶体三极管交流小电阻 vv a bb r ，使得变小，从而造成的理论值变大；3）由于的理论值变大，故闭环 eb r vv a vv a 增益的理论值变大了；4）方框图分析法略去了网络的直通效应本身存在误 vvf a 差10,11；5）数值计算时对有效数字保留的取舍也会带来的误差。 此外，与的相对误差分别为 7.18%和 5.82%，在工程计算 vvf a vvfvvv aka1 中，这种差别通常不计。改变电路参数，开环和闭环增益随之改变，仿真结果表 明，引入负反馈后稳定度提高了倍12；理论计算与仿真结果吻合得非 vvfva k1 常好, 都可以满足负反馈放大电路中的基本公式。 学士毕业论文 差分-共集电极电压串联负反馈放大电路的理论计算与仿真分析 13 结 论 利用 ewb 仿真软件，对差分-共集电极电压串联负反馈放大电路进行了理论 计算与仿真分析。结果表明：近似处理条件下静态工作点的理论计算与直流仿真 各点电位基本一致；开环和闭环放大倍数的理论计算与仿真的开环与闭环增益分 别有低于十分之一的相对误差，就工程计算而言是一个不错的结果，验证了负反 馈放大电路中的基本关系式。利用推导的负反馈放大器增益 vv akaa fvvvvvf 1 相对变化的稳定性公式。对由差分放大电路和三极管组成的级联电压串联负反馈 放大电路进行分析。经计算得到的计算结果表明，微分形式与差分形式的相对稳 定性公式仅在一些特定条件下成立，而反馈系数改变下的相对稳定性公式则