差分-運(yùn)放電流串聯(lián)負(fù)反饋的理論計(jì)算與仿真分析

楊一軍, 陳得寶, 李素文, 毛 培

(1.淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽淮北 235000;2.上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海 200135)

差分-運(yùn)放電流串聯(lián)負(fù)反饋的理論計(jì)算與仿真分析

楊一軍1, 陳得寶1, 李素文1, 毛 培2

(1.淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽淮北 235000;2.上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海 200135)

構(gòu)建了直接耦合方式下的差分-運(yùn)放電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,根據(jù)多級(jí)放大器增益的計(jì)算方法,計(jì)算了基本放大器的電壓增益,進(jìn)而得互導(dǎo)增益。另外采用微變等效電路方法,求解電路方程得到了反饋放大器的互導(dǎo)增益,兩者滿足負(fù)反饋放大電路中的基本關(guān)系。同時(shí),啟用仿真軟件EWB,基本放大器和反饋放大器的仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致。

負(fù)反饋;差分-運(yùn)放放大電路;EWB

1 引 言

伴隨計(jì)算仿真技術(shù)迅速發(fā)展,可將實(shí)際電子元器件采用理想模型替代,這極大方便了電路分析和設(shè)計(jì)。采用方框圖分析法,可以解決不滿足深度負(fù)反饋條件下的負(fù)反饋放大電路,但有些文獻(xiàn)[1,2]在討論時(shí)疏忽了反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載效應(yīng),易造成誤解。近年來(lái)經(jīng)常出現(xiàn)一些使用仿真軟件對(duì)負(fù)反饋放大器討論,收到很好效果的報(bào)道[3,4],引起了人們普遍關(guān)注。本文設(shè)計(jì)了直接耦合差分-運(yùn)放電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,理論計(jì)算下的基本放大器的互導(dǎo)增益與微變等效電路計(jì)算下的反饋放大器的互導(dǎo)增益滿足反饋放大器中的基本關(guān)系式,與EWB5.0開(kāi)、閉環(huán)環(huán)境下的仿真結(jié)果一致。

圖1 差分-運(yùn)放電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

2 理論計(jì)算與仿真

2.1 電路

由差分電路和運(yùn)算放大電路組合而成的直接耦合多級(jí)放大電路如圖1所示,鍵S位于N處,構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器。位于M處,是考慮反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)載效應(yīng)后的基本放大器。

2.2 理論計(jì)算

(1)基本放大器互導(dǎo)增益

對(duì)于基本放大器,將單端輸入差分放大器輸入端對(duì)地短路,考慮到差分電路的對(duì)稱性,略去Rb1(令Rb=Rb1=Rb2)電阻壓降,可得T1、T2兩管靜態(tài)電流IE1、IE2

根據(jù)軟件中所設(shè)置β=100,有rb′e1=rb′e2=(1+β) VT/IE1=5.575kΩ,其遠(yuǎn)大于一般為幾十歐的rb′b[5],略去rb′b有rbe≈rb′e。又(Rf+R3)遠(yuǎn)大于Rb2,對(duì)輸入電阻影響也可略去,這樣求得差分放大電路電壓增益Αv1

其中Ri2是同相輸入時(shí)理想運(yùn)放的輸入電阻(理想運(yùn)放為無(wú)窮大)。運(yùn)放電壓增益Αv2=(1+R2/R1),則Av=gΑv1Αv2。因輸出電流Io=-Vo/[RL+R3// (Rf+Rb)],得互導(dǎo)增益Ag1為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)近似有Ag1=57.13mS。

(2)反饋放大器互阻增益

由電路知,互阻反饋系數(shù)kfr=RbR3/(Rf+R3+Rb),代入基本公式

得反饋放大器互導(dǎo)增益理論值A(chǔ)gf1=36.62mS。

圖2 反饋放大器微變等效電路

2.3 反饋放大器微變等效電路處理

根據(jù)微變等效電路列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)方程,設(shè)Vi= 10mV,用MATLAB編程可以求出如圖2所示節(jié)點(diǎn)1-3各節(jié)點(diǎn)電位分別是

進(jìn)一步用Iof=V3/R3+(V3-V2)/Rf計(jì)算得出Agf2=36.493mS,與我們先計(jì)算基本放大器互導(dǎo)增益,再代入公式(1)所求的反饋放大器互導(dǎo)增益Agf1=36.62mS非常接近。

2.4 仿真結(jié)果

在交流小信號(hào)輸入時(shí),交流電流表后2位數(shù)字不穩(wěn)定。為克服其對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響,我們采用了直流差分方式。對(duì)EWB環(huán)境下的圖1電路啟動(dòng)仿真,得到基本放大器和反饋放大器輸出電流(Io和Iof),計(jì)算得改變量(ΔIo和ΔIof),求得互導(dǎo)增益,結(jié)果如表1所示。

表1 輸入電流、輸出電流仿真和互導(dǎo)計(jì)算結(jié)果

由表1知:基本放大器Ag1=57.13mS的理論計(jì)算與仿真結(jié)果的Ag2=56mS有2.0%的相對(duì)誤差;反饋放大器微變等效計(jì)算的Agf2=36.62mS與仿真結(jié)果的Agf3=35.7有2.5%相對(duì)誤差;與Ag2/(1+kfrAg2)= 36.0有0.84%相對(duì)誤差,可見(jiàn)無(wú)論是理論計(jì)算還是仿真結(jié)果都滿足負(fù)反饋放大電路中的基本公式。

另外,負(fù)反饋放大器其它性能仿真結(jié)果表明:引入負(fù)反饋后穩(wěn)定度增加1/(1+kfrAg)倍;輸入電阻減小 1/(1+kfrAg)倍;輸出電阻增大 1/(1+kfr Agsn)倍(其中Agsn為負(fù)載短路時(shí)的源互導(dǎo)增益);以及深度負(fù)反饋下的近似計(jì)算都與反饋放大器中的基本理論相一致,具體過(guò)程見(jiàn)相關(guān)報(bào)道[4]。

3 結(jié)論

對(duì)差分-運(yùn)放結(jié)構(gòu)電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,采用方框圖分析方法計(jì)算了基本放大器互導(dǎo)增益,以及微變等效處理后計(jì)算了反饋放大器互導(dǎo)電流增益,兩者滿足Af=A/(1+kfA)關(guān)系。在EWB環(huán)境中使用直流差分方式,分別做基本放大器和反饋放大器電流增益測(cè)試,結(jié)果同樣滿足關(guān)系,并與理論計(jì)算一致。

[1] 郭三寶.電子線路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,1986.

[2] 牛燕煒.基于Multisim7的負(fù)反饋放大電路的研究[J].電子工程師,2007,33(6):44-47.

[3] 艾永樂(lè),李瑞.反饋判斷及負(fù)反饋性能仿真討論[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,16(2):23-25.

[4] 楊一軍,陳得寶,李崢.負(fù)反饋放大電路的理論計(jì)算與仿真[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,30(1):38-41.

[5] 謝嘉奎.電子線路(線性部分第四版)[M].北京:高等教育出版社,1999.66-66.

Theoretical Calculation and Simulation Analysis for Negative Feedback of Series Circuit with Differential-Operational Amplifier

YAN G Yi-jun1, CHEN De-bao1, LI Su-wen1, MAO Pei2
(1.School of Physics and Electrical Information,Huaibei Normal University,Huaibei235000,China;2.School of Information Engineering,S hanghai Maritime University,S hanghai,200135,China)

Differential-operational amplifier current with series negative feedback of circuit is designed, transconductance gain is achieved by calculating the basic amplifier voltage gain according to the calculating method for multistage amplifier.Moreover,transconductance gain of feedback amplifier is also derived by solving the node equations of small-signal equivalent circuit,the results show that the basic relationship of negative feedback amplifier circuit is satisfied in the two methods.Furthermore,the result of the basic amplifier transconductance gain and the feedback amplifier gain of theoretical calculation and simulation is consistent with EWB software.

negative feedback;differential-operational amplify circuit,EWB

TN721

A

1674-2273(2010)06-0029-02

2010-04-01

安徽省教育廳教研項(xiàng)目(20100509),淮北師范大學(xué)資助項(xiàng)目(jy09111,jy09227,jy10233)。

楊一軍(1956-),男,浙江寧波人,淮北師范大學(xué)教授,研究方向:電子技術(shù)。