仿真软件简介

Multisim10.0是一个用于电子线路仿真与设计的EDA软件，它可在电路和元件的SPICE参数的基础上，仿真出电路的各种指标，如直流工作点、输入输出波形、晶体管的特性曲线、电路通频带以及温度、误差影响等等。本文用到了其中很多的指标测试功能。

实验电路的理论推导

经常使用的两级负反馈放大器实验电路如图1所示，该图是在Multisim中搭建的，三极管是2SC945，类似性能的还有3DG6、3DG100、S9013和2N3904等。

图1　典型的两级负反馈放大器（略）

根据图1可以画出两级负反馈交流等效电路图，如图2所示。理论分析的思路是：直接得出整个电路的闭环放大倍数A_{uf}，再根据负反馈公式(略)，得出开环放大倍数A_{u}和反馈系数A_{fu}。为了得出两级负反馈电路总的等效电路，在分析中不考虑信号源内阻R_{s}和R_{l}负载的影响，即分别为 0?和+∞?。

图2　 两级负反馈交流等效电路图(略)

(略) (1)
(略) (2)
(略) (3)
(略) (4)
(略) (5)
(略) (6)

上式基于戴维南等效定理，简化的依据是R_{F} >> R_{e1} 。再 根据式（2）到式（6），可以得出：

(略) (7)

由式（7）和式（1），可以得到两级负反馈放大器的闭环放大倍数为：(略)
(略)(8)

其中，开环放大倍数为：(略)(9)

两级负反馈的反馈系数(略) (10)

两级负反馈的反馈深度(略) (11)

从式（9）的开环放大倍数可以看出，开环放大R_{F}不是指断开的放大，而是指拆环后的放大倍数，即反馈电路分别折算到输入电路和输出电路；还可以看出开环放大倍数(略) (12)

其中，(略) (13) (略) (14)

这里还有两个独立的负反馈，分别是由R_{e1}和R_{e2}引入的电流取样串联负反馈，各自的反馈深度为：

限于篇幅，不再推导两级负反馈的闭环输入电阻 R_{if}和输出电阻R_{of}，推导时需要注意两级放大对测量信号的放大作用，其结果为 (略)F和(略)。 可见电路的输入电阻每接入一种负反馈，输入电阻就扩大一次，扩大倍数等于反馈深度；电压取样负反馈减小了输出电阻。最后的两级负反馈放大器等效电路如图3所示，其中（略）。

图3 两级负反馈放大器总的等效电路（略）


电路设计

设计要求：设计一个两级负反馈放大器，电源+12V，电压增益≥40，频率响应覆盖20Hz到1MHz，输入阻抗大于2 0kΩ，输出阻抗小于50Ω，最大不失真输出电压≥2V P-P 。

设计步骤如下：

1）根据设计指标要求选择三极管和电路

由于输入输出的信号工作频率属于低频，增益也不是很大，因此可选 用低频小信号放大三极管2SC945，主要指标见图4。其中当U_{ce}=6.0V，I_{c}=1.0mA时，放大倍数h_{FE2}=β=200，远大于电压增益10的要求；三极管的截止频率（定义为单位增益 带宽，即在此频率点，放大倍数只有f_{T}=250MHz，远大于f_{H} ≥ 1MHz的要求，同类型的还有3DG6、3DG100、S9013等，同样可以选用，性能比较接近；另外，工 作电压V_{CC}取12V，远大于最大不失真输出电压。

图4 　2SC945的主要指标(略)

由于输入电阻很大，输出电阻很小，还有一定电压放大功能，单级放大电路很难实现，因此选用两级放大，电压取样串联负反馈，这样可以兼顾到阻抗、增益、带宽和稳定性多方面的要求。单级均采用各自的直、交流负反馈，以提高单级的稳定性的阻抗匹配性能。

电路形式基本上同图1，为了设计调试方便，增加电位器R_{w2}与R_{b3}串联。

2）确定电路的工作点

工作点的主要指标就是U_{ceQ}和I_{CQ}。在放大区，U_{ceQ}一般在1/6到1/2的电源电压之间，即2V到6V。由于交流负载线影响最大不失真电压，交流负载电阻越小，交流负载线则越陡，工作点U_{ceQ}需要选得越低，因此我们选U_{ceQ2}=3V，U_{ceQ2}=2V； I_{cQ}在小信号放大时一般设在0.5mA到2mA，中信号放大时一般设在3mA到10mA， I_{cQ1}可设在1.5mA， I_{cQ2}可设在5mA。

3）根据工作点和输入输出阻抗的要求计算偏置电阻的值

由于基极静态电流

I_{bQ1}=I_{cQ1}/β_{1}=1500μA/200≈7.5μA

式中的β_{1}与工作电流有关，且离散性较大，我们在计算工作点时采用I_{cQ}=1mA的典型值β=200，工作点的细调可以通过R_{w}来完成。流过R_{b1}的电流I_{R_{b1}}一般设在5到10倍的I_{bQ}，如8倍即是I_{R_{b1}}=60μA，则
R_{b1}+R_{w}+R_{b2}≈V_{cc}/I_{R_{b1}}=12V/60μA=200k?
取 R_{b2}=50k?，R_{b1}=10k?，R_{w1}=140k?，R_{w1}可选一个500k?的电位器。
输入电阻R_{i}=(R_{b1}+R_{w})//R_{b2}//(r_{π1}+(1+β_{1})R_{e1})
其中，

r_{π1}=β_{1}×\frac{V_{T}}{I_{cQ}}=200×\frac{26mV}{1.5mA}=3.47k?
由于(R_{c1}+R_{e1}+R_{e2})≈\frac{V_{cc}-U_{ceQ1}}{I_{cQ1}}=\frac{12V-3V}{1.5mA}=6k?,
故取R_{c1}=5.1k?，R_{e2}=1k?

同样，第二级放大器有：

R_{b4}=20k?，R_{b3}=10k?，R_{w2}可选一个500k?的电器位，故取R_{C1}=1.5k?，R_{e4}=420?。

我们仍然取R_{el}=51?，R_{e2}=12?，R_{F}=2.4k?，可以计算出
：
A_{uf}=45.55；R_{if}=428k?；R_{i}=34.5k?；R_{o}=R_{of}=29.6?

至此，偏置电路参数全部确定下来，电路的主要指标也已计算出。

4）电路中电容值的确定

因为C_{e}影响电路的交流负反馈，对电路的低截止频率f_{L}影响最大，因此我们取C_{e1}=C_{e2}=470μF，C_{1}、C_{2}和C_{3}均取100μF即可。

仿真验证与调整

仿真图如图5所示，唯一的调整就是：为了消除通频带曲线的低频自激，改C_{e2}=100μF。

图5　根据理论设计参数仿真的电路图(略)

仿真结果如下：

A_{uf}=45.8；R{i}=33.7k?；R_{0}=33.9?；f_{L}=2Hz；f_{H}=8.5MHz；

最大不失真电压=5.3V_{P-P}。

与理论计算结果非常吻合，完全达到设计要求。
输入输出电阻测量方法如下：

图5中R_{1}=20k?，在R_{1}的两端分别接示波器的两路输入，仿真得到40mV和25.1mV，由于电路的输入电阻（从R_{1}向右看进去的电阻）

R_{i}=(U_{R_{i}}/U_{R_{1}})×R_{1}=33.9k?。

测量输出电阻时，断开R_{L}和C_{L}测量C_{2}的输出幅度为457.8mV，再接上 R_{L}和C_{L}测量C_{2}的输出幅度为391.5mV，由于输出电阻（R_{L}向左看进去的电阻）

R_{o}=((U_{R_{L}=∞}-U_{R_{L}})/U_{R_{L}})×R_{L}=33.9?
图6为含放大倍数的通频带仿真。

图6　通频带仿真（含放大倍数）(略)

实验结果

实验结果表明：理论设计结果与仿真非常吻合，与实际实验结果也保持一致。这种理论推导加仿真辅助的设计型实验方法比较明显地增强了传统设计型实验的不足，提前验证了设计结果，避免了意外情况的发生，节约了理论到实验、实验到理论的多次反复时间。可见，采用理论推导加Multisim仿真辅助的设计型实验新方法，达到了将理论知识转化为设计能力的效果。这种新的实验教学模式几乎可以推广到所有的电路实验当中，这种设计方法对工程应用中的设计工作有很好的指导作用。