差分-运放电流串联负反馈的理论计算与仿真分析

杨一军, 陈得宝, 李素文, 毛 培

(1.淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽淮北 235000;2.上海海事大学信息工程学院,上海 200135)

差分-运放电流串联负反馈的理论计算与仿真分析

杨一军1, 陈得宝1, 李素文1, 毛 培2

(1.淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽淮北 235000;2.上海海事大学信息工程学院,上海 200135)

构建了直接耦合方式下的差分-运放电流串联负反馈放大电路,根据多级放大器增益的计算方法,计算了基本放大器的电压增益,进而得互导增益。另外采用微变等效电路方法,求解电路方程得到了反馈放大器的互导增益,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,基本放大器和反馈放大器的仿真结果与理论计算一致。

负反馈;差分-运放放大电路;EWB

1 引 言

伴随计算仿真技术迅速发展,可将实际电子元器件采用理想模型替代,这极大方便了电路分析和设计。采用方框图分析法,可以解决不满足深度负反馈条件下的负反馈放大电路,但有些文献[1,2]在讨论时疏忽了反馈网络的负载效应,易造成误解。近年来经常出现一些使用仿真软件对负反馈放大器讨论,收到很好效果的报道[3,4],引起了人们普遍关注。本文设计了直接耦合差分-运放电流串联负反馈放大电路,理论计算下的基本放大器的互导增益与微变等效电路计算下的反馈放大器的互导增益满足反馈放大器中的基本关系式,与EWB5.0开、闭环环境下的仿真结果一致。

图1 差分-运放电流串联负反馈放大电路

2 理论计算与仿真

2.1 电路

由差分电路和运算放大电路组合而成的直接耦合多级放大电路如图1所示,键S位于N处,构成电流串联负反馈放大器。位于M处,是考虑反馈网络负载效应后的基本放大器。

2.2 理论计算

(1)基本放大器互导增益

对于基本放大器,将单端输入差分放大器输入端对地短路,考虑到差分电路的对称性,略去Rb1(令Rb=Rb1=Rb2)电阻压降,可得T1、T2两管静态电流IE1、IE2

根据软件中所设置β=100,有rb′e1=rb′e2=(1+β) VT/IE1=5.575kΩ,其远大于一般为几十欧的rb′b[5],略去rb′b有rbe≈rb′e。又(Rf+R3)远大于Rb2,对输入电阻影响也可略去,这样求得差分放大电路电压增益Αv1

其中Ri2是同相输入时理想运放的输入电阻(理想运放为无穷大)。运放电压增益Αv2=(1+R2/R1),则Av=gΑv1Αv2。因输出电流Io=-Vo/[RL+R3// (Rf+Rb)],得互导增益Ag1为

代入相关数据近似有Ag1=57.13mS。

(2)反馈放大器互阻增益

由电路知,互阻反馈系数kfr=RbR3/(Rf+R3+Rb),代入基本公式

得反馈放大器互导增益理论值Agf1=36.62mS。

图2 反馈放大器微变等效电路

2.3 反馈放大器微变等效电路处理

根据微变等效电路列写节点方程,设Vi= 10mV,用MATLAB编程可以求出如图2所示节点1-3各节点电位分别是

进一步用Iof=V3/R3+(V3-V2)/Rf计算得出Agf2=36.493mS,与我们先计算基本放大器互导增益,再代入公式(1)所求的反馈放大器互导增益Agf1=36.62mS非常接近。

2.4 仿真结果

在交流小信号输入时,交流电流表后2位数字不稳定。为克服其对数据造成的影响,我们采用了直流差分方式。对EWB环境下的图1电路启动仿真,得到基本放大器和反馈放大器输出电流(Io和Iof),计算得改变量(ΔIo和ΔIof),求得互导增益,结果如表1所示。

表1 输入电流、输出电流仿真和互导计算结果

由表1知:基本放大器Ag1=57.13mS的理论计算与仿真结果的Ag2=56mS有2.0%的相对误差;反馈放大器微变等效计算的Agf2=36.62mS与仿真结果的Agf3=35.7有2.5%相对误差;与Ag2/(1+kfrAg2)= 36.0有0.84%相对误差,可见无论是理论计算还是仿真结果都满足负反馈放大电路中的基本公式。

另外,负反馈放大器其它性能仿真结果表明:引入负反馈后稳定度增加1/(1+kfrAg)倍;输入电阻减小 1/(1+kfrAg)倍;输出电阻增大 1/(1+kfr Agsn)倍(其中Agsn为负载短路时的源互导增益);以及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[4]。

3 结论

对差分-运放结构电流串联负反馈放大电路,采用方框图分析方法计算了基本放大器互导增益,以及微变等效处理后计算了反馈放大器互导电流增益,两者满足Af=A/(1+kfA)关系。在EWB环境中使用直流差分方式,分别做基本放大器和反馈放大器电流增益测试,结果同样满足关系,并与理论计算一致。

[1] 郭三宝.电子线路基础实验[M].北京:高等教育出版社,1986.

[2] 牛燕炜.基于Multisim7的负反馈放大电路的研究[J].电子工程师,2007,33(6):44-47.

[3] 艾永乐,李瑞.反馈判断及负反馈性能仿真讨论[J].北京电子科技学院学报,2008,16(2):23-25.

[4] 杨一军,陈得宝,李峥.负反馈放大电路的理论计算与仿真[J].淮北煤炭师范学院学报(自然科学版),2009,30(1):38-41.

[5] 谢嘉奎.电子线路(线性部分第四版)[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

安徽省教育厅教研项目(20100509),淮北师范大学资助项目(jy09111,jy09227,jy10233)。

杨一军(1956-),男,浙江宁波人,淮北师范大学教授,研究方向:电子技术。