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分立原件負反饋電路分析

2021-12-20 06:02:51 作業系統

目錄

  • 一、基本電路圖
  • 二、觀察各部分輸出情況
  • 三、提出疑問
  • 四、負反饋放大的原理
  • 五、驗證負反饋電路的原理
  • 六、解答疑問

一、基本電路圖 

  圖中,按鍵J1下撥時表示加入負反饋,這正是我們要研究的,此時R8連接C

二、觀察各部分輸出情況

  vi: 8kHz   Vp-p=50mv

  Vo:  Vp=2.361v      Vpp=2*Vp=4.722v

 

 vb1:vp=24.921mv   探針顯示vb1的交流為Vpp=50mv ;直流VB1為2.57v   這跟我們計算的直流VB1=15*33k/(150k+33k)=2.7V又不等是因為電阻的精度問題引起

  Vc1: vc1=55.2mv (vpp)         VC1=10.2V  

 

 

  vc1對比vi:(1)vc1與vi相似,但又不相同,vc1=vc1=55.2mv(vpp)  vi=50mv(vpp)  ,誤差為5.2mv;(2)vc1波形對于vi來講,出現了失真,vc1更加尖銳,幅值偏大一點.(vc1跟vi的波形反相)

 

 

  Ve1: 可以看到直流VE1=2.01v   ;   交流ve1=vi=50mv(vpp)  下圖是49.3mv是因為multisim軟體默認交流vbe也是少0.7V  但實際上ve1=vi

  

 三、提出疑問

  •    (1)Q1作為共射電路,集電極vc1的交流為何沒有放大?
  •         (2)vc1比vi多出的一部分從哪來,是不是可以認為vc1就是vi,放大倍數為0?
  •         (3)電路的放大倍數Av為多少,怎么計算,跟兩個晶體管的hef有沒有關系?

四、負反饋放大原理

要解決上面的疑問,我們可以從ve1電流突破,

  (1)首先我們明確一個知識點,共射電路放大的原理是把vi交流信號原封不動地送到共射電路的發射級,vi=ve; ve在發射機電阻上引起了交流電流的變化,而ic=ie,所以集電極電阻身上因為ic形成了變化壓降,就是說又把電流變化成了電壓,因為集電極電阻是對電源和輸出vo以及GND構成一個環形網路,所以vo=VCC-(Ic+ic)*Rc ,     (Ic+ic)*Rc 是 Rc上交流電流和直流電流兩者一起的壓降,   展開:

                          vo=(VCC-Ic*Rc)  -  ic*Rc

式子中,(VCC-Ic*Rc)正是vo的直流電壓,此直流壓降就是偏置電路給基級的固定直流電流經管子放大后在集電極又轉換成直流電壓,而ic*Rc就是交流輸入電壓vi引起的ie的交流變化的部分 ; ic*Rc前面有負號說明與vi是反相的,也就是說,vo是在直流電壓(VCC-Ic*Rc)基礎上疊加交流電壓ic*Rc,  當用輸出電容C過濾后就能得出我們平時所需的輸出交流電壓,所以經輸出電容過濾后的交流電壓就等于ic*Rc,所以共射電路的交流放大倍數Av=vo/vi=-(ic*Rc)/vi   ;因為vi=ve=ie*Re  所以Av=-(ic*Rc) /(ie*Re)=-Rc/Re

  (2)求負反饋電路的Av:   由前面可知道,當vi=50mv(vpp)時輸出vo為4.73v,所以:Av=vo/vi=4.73v / 50mv=94.6倍;

  (3) 首先,從交流上看,Q1發射級電流為is=ve/Rs=vi/Rs.  is跟vo無關,只決定于vi;  所以is=50mv/100歐=0.5mA  ,    把負反饋電路從交流上簡化如圖1, 得

    if=(vo-vi)/Rf=(4.73v-50mv)/10k= 0.468mA      這幾乎是is等于if,  但是欠缺0.032mA(0.5mA- 0.468mA )部分由Q1發射級流到Rs上的ie補上  ;is=ie+if   .總電流不變,即總電流為is=50mv/100歐=0.5mA ,所以is的大部分電流是又if決定的,if多則ie少,if少則ie多,總之ie不變;圖二中,is=ie+if=25uA+468uA=493uA=0.493mA 符合前面所算,

 

圖一  負反饋電路交流模型簡化圖

 

 

圖二  Q1發射級電流情況 

  (4)從(3)中我們可以看出,vi經is變化得到vo,is=0.5mA   但是Q1的發射級交流電流真正變化的量并不是全部的0.5mA,而是小部分的0.032mA(32uA),圖二中這一小部分量為25uA   ie=25uA=ic   ic供Q1的10.8uA外還供Q2 ib2的14.1uA量,Q2的發射級電阻R6被C5短接,所以從Q2上講,Q2的交流放大倍數為無限大(Hfe的極限值),本例子Q2的Hfe=600倍,  vo=VCC-14.1uA*600*R7=15-14.1uA*600*1.5k=2.31v        2.31v/Rf=2.31v / 10k=231uA     發現231uA+25uA<493uA   則ie又曾大再經Q1和Q2放大才能得到vo;最終保持平衡,

 

五、驗證負反饋電路的原理

首先,從第五章節中我們隱隱約約看到vo與Q1\Q2的分立放大倍數有關,在此設想Av=A(Q1)+A(Q2).但他們不是簡單放大倍數的堆積,驗證方法:把C3斷開;R8接地,圖中是把按鍵J1往上面拉:

 

  vi`=vo / A      顯然vi`是不等于vi(=50mv), A為Q1和Q2的串聯總增益,做運算時,做一個設想,如何能讓vo=9.78v控制在4.73v左右, 方法是添加一個反饋電阻Rf=10k,這樣就把vo=9.78v經過Rf轉換成電流if送給Q1的發射級,通過is=ie+if公式不斷調節使得vo=4.73v,也就是說,不加負反饋時獨立的Q1的ie等價加負反饋時Q1的ie.但是兩者真實情況是不相等的,不加負反饋時導致vo是9.78v.跟4.78的目標差很遠,但是相差的部分會經過反饋電阻回流到Q1的發射級,這樣,在總電流is=vi/100歐=0.5mA=ie+if的不斷調節下使vo=9.78平衡到vo=4.73v  ,做這樣的假設程序中,我們發現Rs、Rf、Av存在著千絲萬縷的關系,做這樣假設的根本目的是找出R4與Rf和Av有什么關系,從而根據設計Av的要求去分配R4和R8的阻值,

我們稱A為開環增益,Av為負反饋電路的總增益,當A為很大很大的值時,1/A等于0,所以Av=(Rs+Rf)/Rs   .   圖中C5短接R6,所以Q2的交流增益為很大很大的值,A1=5.1/(Rs//Rf)=99倍 ,所以A1+A2為很大的值,由此Av=(Rs+Rf)/RS=101倍,而加負反饋(按鍵J1往下撥連接電容C3)時,AV=4.7v/50mV=94.6倍   雖然101倍與94.6倍有誤差,但誤差10%之內是可以允許的,

 

我們用確定A1和A2的值來驗證,A1=99倍,C5短接電阻R6導致Q2的交流無限大,但也不是真正無限大,而是晶體管本身放大倍數Hef的極限值,本例中Q2的Hef=600倍(從手冊中得來);所以:

 

此誤差是由于Q1放大倍數有關的電阻精度與Q2的管子實際增益Hef值有關,手冊說是Hef=600,工藝上是沒有那么精準的,

六、解答疑問

(1)Q1作為共射電路,集電極vc1的交流為何沒有放大?

  答:確實是放大了,電路把vi引起的發射級電流拆分,就是說把vi/RS=50mv/100=0.5mA歐拆分成兩部分,一部分是ie=25uA,一部分是if=468uA,  25uA+468uA約等于0.5mA,只需要較小的ie就能達到AV的效果,從外部看is=ie+if,從內部看,較小ie=25uA經過Q1到達集電極,轉換成電壓后為55.2mv,稍微比vi=50mA大一點,也就是說相當于由Q1放大了vi,在ic上形成55.2mV的電壓,這一部分又經過Q2的基級送入Q1放大,

(2)vc1比vi多出的一部分從哪來,是不是可以認為vc1就是vi,放大倍數為0?

   答:從(1)的解答中我們可以知道,vc1的電壓是由負反饋電路上晶體管Q1提供的相對于if很小的ie值來確定的,所以vc1不是vi,兩者不能等價,放大倍數也不是為0,而是由Q1交流的放大倍數決定,此例中Q1放大倍數為R3/(Rs//Rf)=5.1k/(100//10k)=51.5倍,

 

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