负反馈放大电路的设计与仿真课程845862

SHANGHAI UNIVERSITY

课程论文

COURSE PAPER

题目: 仿真设计与分析

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订

线

学院机自学院

一功率放大电路仿真

一. OTL功率放大器的原理

如图1所示为OTL功率放大器。其中由晶体三极管VT1组成推动级（也称前置放大级），VT2、VT3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功率放大电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。VT1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RP1(RP1)进行调节。IC1 的一部分流经电位器RP2及二极管VD，给VT2、VT3提供偏压。调节RP2，可以使VT2、VT3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。

静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节PR1来实现，又由于RP1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。C4和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。

图1OTL功率放大器

当输入正弦交流信号ui时，经VT1放大、倒相后同时作用于VT2、VT3的基极，ui的负半周使VT2管导通（VT3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C2(C2)充电，在ui的正半周，VT3导通（VT2截止），则已充好电的电容

器C2起着电源的作用，通过负载RL 放电，这样在RL 上就得到完整的正弦波，其波形如图所示。在仿真中若输出端接喇叭，在仿真时只要输入不同的频率信号，就能在喇叭中能听到不同的声音。

2. OTL 电路的主要性能指标

1）最大不失真输出功率Pom ：理想情况下，L

2CC

om R U 81P =

在电路中可通过测量R L 两端的电压有效值U O 或R L 的电流来求得实际的

O O I U ==L

O om R U P

2）效率η：100%P P ηv

PV-直流电源供给的平均功率，理想情况下，ηmax ＝ 78.5％。可测量电源供给的平均电流I dC ，从而求得Pv ＝U CC ·I dC ，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。在仿真平台上也可用功率表分别测出最大不失真功率和电源供给的平均功率。

二、虚拟实验仪器及器材

双踪示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万用表等仪器

三、实验内容与步骤

1.如下图2所示的电路图

图2 OTL功率放大电路

2．静态工作点的调整

分别调整R4和R1滑动变阻器器，使得万用表XMM2和XMM3的数据分别为5---10mA和2.5V，然后测试各级静态工作点填入下表：（注意，信号发生器的大小为0）Ic1=Ic2= 7.56mA，U12=2.5

3．测量最大不失真输出功率理想情况下，最大不失真输出功率L

R U P 281=

，在实验中可通过测量R L 两端的电压有效值，来求得实际的L

R U P 2

=。或通过测量流过R L 的电流有效值，来求得实际的L L O M R I P 2

=。如下图3所示。

图(a) RL 两端的电压有效值图(b) 流过RL

的电流

图 3 Pom 的测量

4．测量功率放大器的效率η

%100?=

P P η，其中E P 是直流电源供给的平均功率。理想情况下，%5.78=η。

在实验中，可测量电源供给的平均电流I DC ，如图3.7-4所示，从而求得Pv ＝U CC ·I dC

.。

图4 电源供给的平均电流I dC

在本例中也可用两块瓦特表分别测量电源供给的平均功率Pv 及最大不失真输出功率Pom ，其图标和面板如图5所示。该图标中有两组端子，左边两个端子为电压输入端子，与所要测试电路并联，右边两个端子为电流输入端子，与所要测试电路串联。

图5 瓦特表图标和面板

5．输入灵敏度

输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号V i 之值。 6．频率响应的测试

实测幅频率特性如下图所示：

其中：f L =242Hz ，f H =3.45MHz 。

四、实验分析

1．理想情况下，最大不失真功率为mW W R U P L CC OM

39039.08

5818122

=≈?==，而实测功率只有1.25mW ，主要原因是功率三极管的管压降比较高，实际输出最大电压不到1V 。

2．由于功率输出电路直流工作电流较大，几乎工作在甲类状态，加上三极管管压降较高，电源提供的功率大部分由三极管消耗了，所以实测效率较低。

负反馈放大电路的仿真

一、实验元件

2N2222A三极管（2个）、1mV 10KHz 正弦电压源、12V直流电压源、10uF电容（5个）、5.1KΩ1%负反馈电阻、3.0KΩ5%集电极电阻（2个）、1.50KΩ1%电阻、1.40KΩ1%电阻、1.00KΩ1%负载电阻、100Ω1%电阻、20.0KΩ1%基极电阻（2个）、10.0KΩ1%基极电阻（2个）、开关、万用表、示波器等。

二、实验原理

由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独立，本次实验采用了实验一的数据，所以可不必重新调节静态工作点。在实验电路中引入电压串联负反馈，将引回的反馈量与输入量相减，从而调整电路的净输入量与输出量，改变电压放大倍数、输入电阻与输出电阻。

参数选择：为了使反馈达到深度负反馈，实验中选取了5.1KΩ的负反馈电阻，同时为了不会在引入负反馈后出现交流短路的现象，将Re1分为两个部分Re11（100）和Re12（1.4KΩ）。根据实验要求，设计的两级阻容耦合放大电路如图1：

图1 两级阻容耦合放大电路原理图

三、电路频率特性测试

1、未引入电压串联负反馈前的电路频率特性

将电路中的开关J1打开，则此时电路为未引入电压串联负反馈的情况，对电路进行频率仿真，得到如图2的电路频率特性图。

图2 未引入负反馈的频率特性曲线和通频带指针读数

根据上限频率和下限频率的定义——当放大倍数下降到中频的0.707倍对应的频率时，即将读数指针移到幅度为中频的0.707倍处，如图2，读出指针的示

数，即下限频率f L=761.6815 Hz, 上限频率f H=348.2346 KHz, 因此通频带为（348.2346×—761.6815）Hz。

调节信号源的幅度，当信号源幅度为1mV时，输出波形不失真，如图3：

图3 信号源幅度为1mV时的不失真输出波形

继续调节信号源的幅度，当信号源幅度为2mV时，输出波形出现了较为明显的失真，如图4：

图4 信号源幅度为2mV时出现截止失真的输出波形

2、引入电压串联负反馈后的电路频率特性

将电路中的开关J1闭合，则此时电路引入电压串联负反馈，对电路进行频率仿真，得到如图5所示的引入电压串联负反馈后的电路频率特性图。

图5引入负反馈后的频率特性和通频带指针读数

将读数指针移到幅度为中频的0.707倍处，如图5，读出指针的示数，即下限频率f L=33.6584 Hz, 上限频率f H=4.7302 MHz, 因此通频带为（4.7302×

—33.6584）Hz，明显比未引入负反馈前放宽！

再来观察引入电压串联负反馈后，整个电路的最大不失真电压值。当信号源

幅度为1mV时，可以被不失真放大，调节信号源幅度至24mV时，输出波形仍未失真，如图6：

图6 信号源幅度为24mV时的临界不失真输出波形

继续增大至25mV时，输出波形开始出现了饱和失真，如图7:

图7信号源幅度为25mV时饱和失真的输出波形

可见加入负反馈后，电路的动态范围增大，即电路可不失真放大的最大信号幅度增大.

四、电路的放大倍数、输入和输出电阻

1、测量放大倍数

按图8，图9所示连接，分别测出J1打开和闭合时的输入电压U i、输出电

压U o，放大倍数即为A u=U o/U i，从而可分别算出引入负反馈前后的电压放大倍数。

a）未引入负反馈的放大倍数

打开J1，如图9，测得输入电压U i≈1mV，输出电压U o=598.033mV，则A u= U o/U i=598.033。

图8测量无负反馈时的电压放大倍数的电路图

b）引入负反馈后的放大倍数

闭合J1，如图9，测得输入电压U i≈1mV，输出电压U o=47.551mV，则A u= U o/U i=47.551。

图9测量有负反馈时的电压放大倍数的电路图

可见电压串联负反馈的引入，使得电压放大倍数明显减小，两者相差约12.6倍。

2、测量输入电阻

按图10，图11所示连接电路，分别测出J1打开和闭合时的输入电压U i、输入电流I i，输入电阻即为R i=U i/I i，从而可分别算出引入负反馈前后的输入电阻。

a）未引入负反馈的输入电阻

打开J1，如图10，测得输入电压U i≈1mV，输入电流I i=194.329 nA，则

R i=U i/I i=5.146K 。

图10 测量无负反馈时的输入电阻的电路图

b）引入负反馈后的输入电阻

闭合J1，如图11，测得输入电压U i≈1mV，输入电流I i=154.017 nA，则

R i=U i/I i=6.493K 。

图11 测量有负反馈时的输入电阻的电路图

可见电压串联负反馈的引入，使得输入电阻增大。

3、测量输出电阻

按图12，图13所示连接电路，分别测出J1打开和闭合时的输出电压Uo、

输出电流Io，输出电阻即为Ro= Uo/Io，从而可分别算出引入负反馈前后的输出

电阻。

a）未引入负反馈的输出电阻

打开J1，如图12，测得输出电压Uo≈1mV，输出电流I i=353.57nA，则Ro= Uo/Io=2.828KΩ。

图12测量无负反馈时的输出电阻的电路图

b）引入负反馈后的输出电阻

闭合J1，如图13，测得输出电压Uo≈1mV，输出电流I i=17.159uA，则Ro= Uo/Io=58.278Ω。

图13测量有负反馈时的输出电阻的电路图

可见电压串联负反馈的引入，使得输出电阻减小。

五、AF ≈1/F的验证

按如图14所示连接电路，闭合J1。由于电压串联负反馈电路的A F=A uuf =U o/U i、F=F uu =U?/U o，因此，需要测量输出电压U o、输入电压U i、反馈电压U?。

图14 A F≈1/F的验证电路

测得U i≈1mV，U o=47.551mV，U?=991.747uF，则A F=A uuf=U o/U i=47.551，F=F uu =U?/U o=0.02086，1/F=47.939，因此A F≈1/F得到验证。

六、实验结果分析

本实验通过对二级阻容耦合放大电路引入电压串联负反馈前后进行电路仿真，由实验结果可以得出这样的结论：对电路引入电压串联负反馈，会减小其下限频率，增大其上限频率，从而使其通频带变宽；引入电压串联负反馈，会减小电路的电压放大倍数，并增大电路可不失真放大的最大信号幅度，减小非线性失真；引入电压串联负反馈，会增大输入电阻，减小输出电阻。最后通过测量计算

验证了A F≈1/F的结果，误差E=∣47.551-47.939∣/47.551×100%=0.816%.