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1、运放-差分电压串联负反馈的理论计算与仿真分析摘要 放大电路是电子线路中的重要组成部分，也是现代通信系统的基本组成电路，在电子电气产品中占有十分重要的位置。本文设计直接耦合方式下的运放-差分电压串联负反馈放大电路，根据多级放大增益的计算方法，采用方框图分析法，计算出基本放大器的电压增益和输出电阻的值。另外，对所构建运放-差分电路，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、负反馈放大器及输出电阻仿真分析，结果与理论计算一致，说明方框图分析法在分析负反馈放大器中的应用是正确的。关键词 负反馈；运
2、放-差分放大电路；EWB；方框图分析法Theoretical Calculation and Simulation Analysis of Series Negative Feedback of Operational-differential Amplifier VoltageAbstract Amplifying circuit not only is an important part of the electronic circuits but also is the foundation of modern communications system, which occupiesa
3、 very important position of electrical and electronic products. In this paper, a series negative feedback amplifying circuit of the op-amp differential voltage under the direct coupled modes is designed in this paper. The voltage gain of basic amplifier and the value of the output resistance are cal
4、culated 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 amplif
5、ier circuit is satisfied in the two methods. Furthermore, the basic amplifier voltage gain, the feedback amplifier gain and the output resistance are simulated with EWB software. The results indicate that they are same as the theoretical values. The effectiveness of graphic methods applied to feedba
6、ck amplifier is proved. Keywords negative feedback; operational-differential amplifying circuit; EWB; graphic methods目录1引言42 EWB5.0简介及仿真步骤53运放-差分电压串联负反馈放大电路设计63.1电压串联负反馈基本公式63.2电路设计73.3理论计算73.4传输特性84负反馈放大器的等效电路104.1电路设计104.2理论计算104.3输入、输出电阻115仿真结果与理论计算的比较分析13结论15参考文献16致 谢171引言在现代电子与无线电通信技术以及我们日常使用的电
7、子电气产品中，放大单元占有十分重要的地位，假如没有放大电路运用，就没有无线电通信的接收，没有电视和广播，更没有今天的移动电话、电脑、电子测量、自动控制等各种电子设备。在采用传统的手工方法，设计电路时，要依次进行实际元器件的选择，安装，调试，不仅费时费力，所得结果往往也是不尽人意的。但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。对于EDA技术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，从而可以快速、方便、精确地评价电路设计的正确性，节省大量的时间和费用。本文设计的是一个运放-差分电压串联负反馈放大电路，其主要是运用两个运放
8、及差分放大电路构成的电压串联负反馈电路结构，这种电路主要是一个多级放大并通过负反馈实现实输出的稳定性。在此次设计中，采用了EWB5.0仿真软件针对该放大电路开环与闭环设计了电路图及其等效微变电路图，并进行了仿真分析，其仿真结果与在理论计算下开环增益和闭环增益结果一致。2 EWB5.0简介及仿真步骤 2.1 EWB电子电路仿真软件介绍 EWB的全称是Electronics Workbench，它虚拟了一个可以对模拟、数字电子电路进行模拟仿真的工作平台，具有比较完善的各种元器件模型库和几种常用的分析仪器。能进行电子电路的设计，并能对电子电路进行较详细分析，包括静、动态分析、时域与频域分析、噪声分析
9、、失真分析和器件的线性与非线性分析，还能进行离散傅里叶分析、零极点分析等多种高级分析。能将设计好的电路文件直接输出到常用的一些电子电路排版软件，如Protel，排出印刷电路版图，为电路设计提供方便1。它是一种电子技术模拟实际训练软件，它可以完成实验室中进行的几乎所有电子技术实验，结果与物理式方法基本一致。 2.2 EWB的仿真工作过程EWB的仿真工作过程分为以下4个阶段2，如图1所示：（1）输入 在输入阶段，设计者完成电路图的输入、指定元件值并选择分析方法。完成这些工作后，仿真器读取电路的信息。（2）建立 在建立阶段，仿真器建立一组数据结构，这组数据结构完整地描述了所输入的电路。（3）分析 在
10、分析阶段，按选择的分析方法完成对输入电路的分析。这个阶段占用CPU的大部分执行时间，是电路仿真的核心。分析阶段按所指的分析方法用方程表示电路，并求解方程，为输出阶段提供数据。图1 EWB的仿真过程（4）输出 在输出阶段，从示波器等仪器上获得仿真运行的结果。3运放-差分电压串联负反馈放大电路设计3.1电压串联负反馈 图2 串联电压负反馈组成框图 电压串联负反馈放大器是有基本放大器与反馈网络通过串联反馈电压组成的，如图2所示3，它的一些基本电量公式为：开环增益 （3-1）闭环增益 （3-2）反馈系数 （3-3）反馈放大器的基本关系式 （3-4）3.2电路设计图3运放-差分电压串联负反馈放大电路由运
11、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4-7，如图3所示为电压串联类型，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。3.3理论计算1、开环增益（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 (3-5)将饱和导通电压VBE（on）=0.7V代入（3-5）式得IE1=IE2=0.471mA（2）一级放大 在电路中一级运算差分放大采用电阻保持严格对称，具有一下几个优点：提高了运放的信噪比；电路对共模信号几乎没
12、有放大作用，共模电压增益接近零 8。由图3分析得 (3-6) (3-7)式中Vd是运算放大器差分输出电压差，由公式（3-7）可知Av1=6（3）二级放大在仿真软件中设置差分放大的三极管为100，则有 (3-8) 将数据代入 (3-8)得rbe=5.88k差分放大电路电压增益Av2为 (3-9)将数据代入 (3-9)得Av2=18.89整个电路的放大倍数 2、闭环增益分析电路知，根据公式(3-3)反馈系数kfv为 (3-10)将kfv代入基本公式(3-4)求AVf得反馈放大器的电压增益理论值Avf=39.63.4传输特性传输特性是指差分放大器在差模信号，集电极电流ic随差模输入电压vid变化而变
13、化的规律，传输特性曲线如图4所示。图4 传输特性曲线由传输特性曲线可以看出：当差模输入电压Vid=0时，两管的集电极电流相等，IC1Q=IC2Q=Io/2，称Q点为静态工作点；当vid增加（25mV以内）时，ic1随vid增加而线性增加，ic2随vid增加而线性减小，ic1+ ic2=Io的关系不变，称vid的这一变化范围成线性放大区；在vid增加到使T2趋于饱和区，T1趋于截止区（vid超过50mV）时，ic2的增加和ic1的减小都逐渐缓慢，这时ic2、ic1随vid的变化作非线性变化，称vid的这一变化范围为非线性区，增大射极电阻可加强电流负反馈，扩展线性区，缩小非线性区；在vid再继续增
14、加（超过100mV），T2饱和，T1截止时，ic2、ic1不再随vid变化而变化，称vid的这一变化范围为限幅区。根据上述的传输特性，图3电路在引入负反馈情况下，输入电压与开环输入选用相同的参考电位（即0为参考电位）时，差分输入vid超过50mV差分放大器工作在非线性区或限幅区，本文设计电路则无法实现闭环仿真；如果输入电压以75mV为参考电位时，差分输入vid低于50mV，差分放大器工作在线性放大区，电路就可以实现闭环仿真。4负反馈放大器的等效电路4.1微变等效电路设计微变等效电路是根据图3设计，其中一级运放是对电压差值的放大电路可用一个电压控制电压源等效；二级放大是一个差分电路，其中的晶体三
15、极管是通过电流的放大来实现，所以可以等效为电流控制电流源设计；在等效电路中直流电压源可以当作直接接地。由此得到出如图5所示8-10的电路图。图5负反馈放大器的等效电路4.2理论计算已知图3可以等效变化为图5，根据图5中分析可知，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。（1）开环增益由于一级运放通过公式（3-7）可知放大为6倍，而等效成电压控制电压源就是通过输入端的电压差乘以电压控制电压源的放大系数（Av1）来实现，所以Av1的参数为6，同时在电压控制电压源中放大的输出端电压是大小相等方向相反的两个电压值，V1始终与输入信号
16、减去反馈信号的正负一致；二级差分电路通过公式（3-9）可知放大倍数为18.89，差分电路中的三极管是通过电流放大来实现电路放大的元件，所以对于等效电路可以用电流控制电流源代替，电流控制电流源就是通过输入的电流乘以电流控制电流源的放大系数（与图3设置的三极管一致）完成电路放大效果。图中的rbe是由公式（3-8）得。由此可得Av=618.89=113.35（2）闭环增益根据图5进行电路分析可知 （4-1） （4-2） 式中V1、V2是一级运放的两个输出端，Av1由（4-3）可知 （4-3） 根据公式（3-2）、（4-1）、（4-2）和（4-3）得Avf=39.68，与先计算基本放大器电压增益，再代
17、入公式（3-4）求得反馈放大器电压增益39.6非常接近。4.3输入、输出电阻求解（1）输入电阻由于一级放大是运算放大器，对于理想化的运放应具有无限大的差模输入电阻，所以无法对输入电阻求解。（2）输出电阻开环时，根据图5分析可知 （4-4）输出电阻Ro=8.6k闭环时，电压负反馈取样于输出电压，又能维持输出电压稳定，就是说，输入信号一定时，电压负反馈放大电路的输出趋于一恒压源，其输出电阻很小。可以证明，有电压负反馈时的闭环输出电阻为无反馈时开环输出电阻的1/(1+ Avstkf)。反馈愈深，Rof（输出电阻）愈小。即 （4-5） 式中Avst是RL时基本放大器的源电压增益 （4-6） 有式（4-
18、6）和已求得的Av1可得Avst= AV1 162.3，将Avst代入公式（4-5）得=2.35 k（3）对图3进行仿真求解其输出电阻在考虑反馈网络效应后基本放大器情况下，输入电压为零，当RL=20 k时，Vo=4.895V；当RL（即RL两端断开）时，。由可得 （4-7）将数据代入公式（4-7）得Ro=8.59 k与理论计算非常接近。而在图3电路引入负反馈时，根据3.4所述，可知电路无法进行闭环仿真。（4）对图5进行仿真求解其输出电阻将图5的等效电路中的电阻RL用电压源替代并测量其电流如图6。图6上图仿真得到VO与I，VO/I得到输出电阻的仿真值如表1所示。 表1输出电阻的理论计算与仿真值的
19、比较Ro（k）Rof（k）理论计算8.602.35仿真值8.522.34相对误差0.93%0.42%5仿真结果与理论计算的比较分析在交流电压源输入时，交流电压表得到的值不稳定。为了克服其对数据造成的影响，本电路采用了直流电压源并对其进行仿真11-13。使用EWB软件对图3启动仿真，得到基本放大器的输出电压如表2所示。静态工作点Vo=4.435V。表2仿真结果Vi（mV）1234Vo（V）4.5514.6664.7814.895Vi（mV）1234Vo（mV）116231346460开环增益116115.5115.3115由表2知在开环情况下Av=Vo/Vi，所以开环增益=115.45。由于图3
20、中引入负反馈后，在与开环使用相同的输入电压时，差模输入电压值将使差分放大器处于非线性区或限幅区，在启动仿真时无法得到引入反馈后的输出电压值，所以要选用新的参考电位（75mV），再进行仿真如表3所示。表3仿真结果Vi（mV）75767778Vo（V）4.5204.5604.6004.640Vi（mV）1234Vo（mV）4080120160闭环增益40404040由表3知在闭环情况下Avf=Vo/Vi，所以开环增益=40。将理论值与仿真值进行比较如表4。表4理论计算与仿真结果比较AvAvf理论计算113.3539.60仿真结果115.4540相对误差1.85%1.01%使用EWB软件对图5启动仿
21、真得到结果与理论值对比如表5所示。表5等效理论计算与等效仿真结果比较AvAvf等效理论计算113.3539.68等效仿真结果112.9039.60相对误差0.39%0. 20%表6 理论计算与等效仿真结果的比较AvAvf理论计算113.3539.60等效仿真结果112.9039.60相对误差0.39%0将图3中的R1=R2=4 k，根据3.4的理论计算可得Av=94.45和Avf=37.06，使用EWB对修改参数后的电路仿真得到结果与理论计算比较如表 7所示。 表7理论计算与仿真结果的比较AvAvf理论计算94.4537.06仿真结果94.0537.00相对误差0.42%0.16%在放大电路中
22、引入负反馈，虽然会导致闭环增益的下降，但能使放大电路的许多性能得到改善。例如，可以提高增益的稳定性，减小非线性失真，改变输入电阻和输出电阻等。负反馈之所以能够改善放大电路多方面的性能，归根结底是由于将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对净输入量及输出量进行调整。结 论本文设计的是运放-差分结构电压串联负反馈放大电路，其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，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环境中使用直流差分法方式，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
23、，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。参考文献1 胡立涛. EWB电子仿真实验指导书M.海南：南海出版公司，20062 尹勇，李林凌. Multisim电路仿真入门与进阶M.北京：科学出版社，20053 谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路(线性部分)M.4版.北京：高等教育出版社，20064 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）：29-305 杨一军，陈得宝，毛培.差分-运放电流并联负反馈的理论计算与分析J.淮北师范学院学报：自然科学版，2010，31（3）：19-216 方振国，杨一军，
24、陈得宝，等.差分-运放电压串联负反馈的理论计算与分析J.现代电子技术，2010，(22)：1-27 谢自美.电子线路设计实验测试 M.3版.武汉：华中科技大学出版社，20068 陈小玲，杨舰.差分式运算放大电路的教法讨论J.广州技术师范学院学报：自然科学版，2009，(2)：62-649 邱关源（原著），罗先觉（修订）.电路 M.5版.北京：高等教育出版社，200610 杨碧石，何其贵.模拟电子技术基础M.北京：北京航空航天大学出版社，200611 杨一军，王欣.基于EWB的负反馈放大器的方框图分析J.电气电子教学学报，2007，29（6）：24-2612 杨一军，陈得宝，李铮.负反馈放大电路的理论计算与仿真J.淮北煤炭师范学院：自然科学版，2009，30（1）：38-4113 杨一军，陈得宝.负反馈放大电路的仿真分析与理论计算J.合肥师范学院学报，2008，26（6）：35-37致 谢本文是在我的导师*的精心指导和大力支持下完成的，*老师以严谨求实的治学态度、高度的敬业精神和丰富的电子技术知识对我产生了深刻的影响，在此对*表示衷心的感谢，并祝老师身体健康、万事如意。 另外，我要特别感谢*的师长和同学们，对他们给予的帮助致以衷心的谢意，同时也感谢08电工班的各位同学，在大学四年生活和学习中，是他们给予我许多帮助与支持，让我的生活充满了欢笑与精彩。
