运放－差分电压串联负反馈的理论计算与仿真分析

曲惠勤， 武 龙

（1.合肥师范学院 学报编辑部，安徽 合肥230061；2.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北235000）

1 引言

随着电子技术的飞速发展和计算机技术的普遍应用，使得EDA技术在电子电路的分析设计中显得越来越重要，人们可以根据电路的结构和元件参数对电路进行仿真，获得电路的技术指标，从而快速、方便、精确地评价电路设计的正确性，节省了大量的时间和费用。本文采用运放和差分管构成运放－差分电压串联负反馈放大电路，双运放以单端输入、双端输出方式，为差分电路提供双端输入差模信号，经差分放大电路放大再转为单端输出。方框图分析法从理论上给出了基本放大器的电压增益，微变等效电路计算给出反馈放大器的电压增益，两者符合放大器中的基本关系式。EWB5.0软件仿真分别给出开、闭环增益，结果与理论相对误差很小，说明了它们的一致性。

2 理论计算

运算放大器和差分电路可组合成各种类型的负反馈放大电器［1］，采用运放同相输入为输入级，其具有很高的输入阻抗。对图1所示电路分析可知，当开关S1、S2位于N端，构成电压串联负反馈放大器。当开关S1、S2位于M端，是考虑反馈网络效应后的基本放大器。

图1 运放－差分电压串联负反馈放大电路

2.1 静态工作电流

对于差分放大器，将双端输入短路，考虑到差分电路的对称性，可以略去电阻Rb1、Rb2压降，得到T1、T2管的静态电流IE1、IE2为

将导通电压VBE（on）＝0.7V代入式（1）式得IE1＝IE2＝0.471mA

2.2 基本放大器电压增益

由图1分析得

式（3）中Vd是运算放大器差分输出电压差。将图1中电路参数代入式（3），有Av1＝6。三极管共发射极电流放大系数β一般为20～200，此处取β＝100（仿真软件中同样设置β为100），则三极管输入电阻rbe有［2］

将数据代入 式（4）得rbe＝5.777kΩ。

差分放大电路电压增益Av2为

将数据代入得Av2＝19.05。整个电路的放大倍数

2.3 反馈放大器电压增益

分析电路知，反馈系数kfv为

将kfv代入基本公式

得求Avf＝39.77。

3 Avf的微变等效电路计算

将运放等效电压控制电压源；差分电路等效为电流控制电流源，直流电压源对地短路，得微变等效电路如图2所示。根据图2进行电路分析可知

图2 负反馈放大器等效电路

式中v1、v2是第一级放大器运放的两个输出端。由图2可知

对式（8）、（9）、（10）用 MATLAB编程

运行得Avf＝39.73。与先计算基本放大器电压增益，再代入式（7）求得的反馈放大器电压增益39.80比较接近。

4 仿真结果

使用EWB软件对图1启动仿真，得到基本放大器的输出电压，做比较得基本放大器电压增益Av（见表1）。同理在图2的微变等效电路中，测量输出得vof，进而得到反馈放大器电压增益Avf（见表1）。将理论值与仿真值进行比较具体见表1。

表1 仿真结果与理论计算比较

由表1可见，理论计算与仿真最大相对误差不超过0.175%，说明两者一致性。同时理论关于闭环增益的直接计算与先开环再按式（7）间接获得也非常接近，说明反馈放大器中基本关系的正确性。同理仿真中的测试，也为同样结论。

5 结论

对所设计的运放－差分结构电压串联负反馈放大电路，采用方框图分析法在理论上计算了基本放大器的电压增益；建立了反馈放大器微变等效电路，并根据电路特点的求解方程，并计算了引入反馈后放大器的电压增益，两者均满足Avf＝Av／（1＋kfvAv）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，验证了理论的正确性，同时也说明借助仿真软件EWB可以提高电路设计的效率。

［1］杨一军，陈得宝，李素文，等.差分－运放电流串联负反馈的理论计算与分析［J］.合肥师范学院学报，2010，28（6）：29－30.

［2］康华光主编.电子技术基础（模拟部分）［M］.4版，高等教育出版社，1999.6：97.