差分-运放电压串联负反馈的理论计算与仿真研究
摘 要:设计了直接耦合方式下的差分-运放电压串联负反馈放大电路,根据多级放大器增益的
计算方法,采用方框图分析方法,计算出基本放大器的电压增益。另外,对所构建差分-运放电
路,采用微变等效电路方法,经计算节点电压,进而得到反馈放大器的电压增益,两者满足负反
馈放大电路中的基本关系。同时,启用仿真软件 EWB,分别对基本放大器和反馈放大器做仿
真分析,结果与理论计算一致,说明方框图分析法在分析反馈放大器中的应用是正确的。关
键词:负反馈; 差分-运放放大电路; EWB; 方框图分析法
中图分类号:TN721-34 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)22-0001-02
Theoretical Calculation and Simulation Analysis of Series Negative
Feedback of Differential-operational Amplifier Voltage
FANG Zhen-guo1, YANG Yi-jun1, CHEN De-bao1, LI Su-wen1, MAO PEi2
(1. School of Physics and Electrical Information, HuaibEI Normal University, Huaibei
235000, China;
2. College of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai
200135, China)
Abstract: A series negative feedback amplifying circuit of the differential op-amp
voltage under the direct coupled modes is designed. The voltage gain of basic amplifier is
calculated with graphic methods according to the calculating method for a multistage
amplifier. Moreover, the voltage gain of a feedback amplifier is also derived by solving the
node equations of small-signal equivalent circuit. The results show that the basic
relationship of a negative feedback amplifier circuit is satisfied in the two methods.
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. The effectiveness of graphic methods applied to feedback amplifier is proved.
Keywords: negative feedback; differential-operational amplifying circuit; EWB; graphic
methods
收稿日期:2010-06-29
基金项目:安徽省教育厅重点资助项目(20100508);淮北师范大学资助项目
(jy09111,jy09227,jy10233)
计算机仿真技术的迅速发展,给电路中各种元器件提供了理想化模型,为电路的分析设
计带来了极大的便利。近年来,一些文献使用仿真软件对负反馈放大电路进行分析讨论,收
到很好的效果,引起了人们的关注[1-4]。目前在分析负反馈放大电路时,常采用方框图分析
法,即将反馈放大器分解成基本放大器和反馈网络两个部分,但文献[5-6]在处理基本放大器
时,没有说明反馈网络的负载效应,容易造成误解。本文设计了差分-运放电压串联负反馈放
大电路,在理论计算下基本放大器的电压增益与微变等效电路计算下的反馈放大器的电压
增益满足反馈放大器中的基本关系式,与 EWB 软件仿真结果一致。
1 理论计算与仿真
电路
由差分电路和运算放大电路组合而成的多级放大电路如图 1 所示。分析可知,当键 S
位于 M 处,构成电流并联负反馈放大器。位于 N 处,是考虑反馈网络效应后的基本放大器。
图 1 差分-运放电压串联负反馈放大电路
理论计算
(1) 静态工作点
对于基本放大器,将单端输入差分放大器输入端短路,略去电阻 R•b1•压降,可得 T1,T2
管的静态电流 I•E1•,I•E2•为:
I•E1•=I•E2•=12•+1312= 5 mA
根据戴维南定理可得 T1 管集电极电位:
V•C1•=R1Rc+R1V•CC•-I•C1••Rc//R1= V
上式与仿真结果的 V 有 %的相对误差,这与计算过程中的近似处理有关。
(2) 开环增益
根据软件中设置的晶体管 •β=100,有 r•b′e•=(1+β)VT/I•E1•= kΩ,其远大于
r•b′b•(一般几十欧姆[7]),略去对 r•b′b•(=r•bb′•+r•b′e•)的影响,则 r•be•≈r•b′e•。又 Rf+R3 远
大于 R•b2•,有 R•b2•//(Rf+R3)≈R•b2•,这样求得的差分放大电路电压增益 A•v1••为:
A•v1•=-12•β(Rc//R•i2•)R•b1•+r•b′e•
式中:•R•i2•是运算放大器反相输入时的输入电阻(此处•R•i2•=R1)。•当运放电压增益
A•v2•=-R2/R1,则 Av=A•v1•A•v2•,•代入相关数据近似有:
Av=-12•β(Rc//R•i2•)R•b1•+r•b′e••-R2R1=
(3) 闭环增益
分析电路知,反馈系数•k•fv•=R•b2•/(Rf+R•b2•),•代入基本公式有:
Af=A/(1+kfA)(1)
得反馈放大器的电压增益理论值 A•vf•=。
反馈放大器等效电路处理
根据电路列写节点方程,设 Vi=10 mV,用•Matlab•编程可以求出如图 2 所示节点 1~3 的
电位为•V1= mV,•V2= mV,V3= mV。
由此可得 A•vf•=,与先计算基本放大器电压增益,再代入式(1)求得反馈放大器电
压增益 A•if•= 非常接近。
图 2 反馈放大器微变等效电路
仿真结果与理论计算比较
对 EWB 状态下的图 1 启动仿真,得到基本放大器和反馈放大器的输出电压如表 1 所示
。
表 1 开环与闭环电压增益仿真结果
Vi/mVVo/V•of• /mVAv/A•vf•Av/(1+k•fv•Av)
表 1 数据与理论计算的相对误差结果如表 2 所示。可见,理论计算与仿真结果吻合得
非常好,都可以满足负反馈放大电路中的基本公式。
另外,仿真结果表明,引入反馈后稳定度增加了•1+k•fv•Av•倍;反馈输入电阻减小了
1+k•fv•Av 倍;电流反馈输出电阻增大 1+k•fv•A•vst•倍。其中,A•vst•为负载开路时的源电压
增益;深度负反馈下的近似计算都与反馈放大器中的基本理论相一致,具体过程见相关报道
[8-10]。
表 2 理论计算与仿真计算的相对误差结果
AvA•vf•Av/(1+k•fv•Av)
理论计算
仿真结果
相对误差 %%%
2 结 语
对差分-运放结构电压串联负反馈放大电路采用方框图分析法计算了基本放大器的电
压增益,以及微变等效处理后的求解方程,计算了反馈放大器的电压增益,两者均满足
Af=A/(1+kfA)关系。在 EWB 环境中分别对基本放大器和反馈放大器的电压增益进行测试,
结果与理论计算结果相一致,同样可以满足 Af 关系。 中国论文联盟
中国论文联盟 整理。
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