運放－差分電壓串聯負反饋的理論計算與仿真分析

曲惠勤， 武 龍

（1.合肥師范學院 學報編輯部，安徽 合肥230061；2.淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北235000）

1 引言

隨著電子技術的飛速發展和計算機技術的普遍應用，使得EDA技術在電子電路的分析設計中顯得越來越重要，人們可以根據電路的結構和元件參數對電路進行仿真，獲得電路的技術指標，從而快速、方便、精確地評價電路設計的正確性，節省了大量的時間和費用。本文采用運放和差分管構成運放－差分電壓串聯負反饋放大電路，雙運放以單端輸入、雙端輸出方式，為差分電路提供雙端輸入差模信號，經差分放大電路放大再轉為單端輸出。方框圖分析法從理論上給出了基本放大器的電壓增益，微變等效電路計算給出反饋放大器的電壓增益，兩者符合放大器中的基本關系式。EWB5.0軟件仿真分別給出開、閉環增益，結果與理論相對誤差很小，說明了它們的一致性。

2 理論計算

運算放大器和差分電路可組合成各種類型的負反饋放大電器［1］，采用運放同相輸入為輸入級，其具有很高的輸入阻抗。對圖1所示電路分析可知，當開關S1、S2位于N端，構成電壓串聯負反饋放大器。當開關S1、S2位于M端，是考慮反饋網絡效應后的基本放大器。

圖1 運放－差分電壓串聯負反饋放大電路

2.1 靜態工作電流

對于差分放大器，將雙端輸入短路，考慮到差分電路的對稱性，可以略去電阻Rb1、Rb2壓降，得到T1、T2管的靜態電流IE1、IE2為

將導通電壓VBE（on）＝0.7V代入式（1）式得IE1＝IE2＝0.471mA

2.2 基本放大器電壓增益

由圖1分析得

式（3）中Vd是運算放大器差分輸出電壓差。將圖1中電路參數代入式（3），有Av1＝6。三極管共發射極電流放大系數β一般為20～200，此處取β＝100（仿真軟件中同樣設置β為100），則三極管輸入電阻rbe有［2］

將數據代入 式（4）得rbe＝5.777kΩ。

差分放大電路電壓增益Av2為

將數據代入得Av2＝19.05。整個電路的放大倍數

2.3 反饋放大器電壓增益

分析電路知，反饋系數kfv為

將kfv代入基本公式

得求Avf＝39.77。

3 Avf的微變等效電路計算

將運放等效電壓控制電壓源；差分電路等效為電流控制電流源，直流電壓源對地短路，得微變等效電路如圖2所示。根據圖2進行電路分析可知

圖2 負反饋放大器等效電路

式中v1、v2是第一級放大器運放的兩個輸出端。由圖2可知

對式（8）、（9）、（10）用 MATLAB編程

運行得Avf＝39.73。與先計算基本放大器電壓增益，再代入式（7）求得的反饋放大器電壓增益39.80比較接近。

4 仿真結果

使用EWB軟件對圖1啟動仿真，得到基本放大器的輸出電壓，做比較得基本放大器電壓增益Av（見表1）。同理在圖2的微變等效電路中，測量輸出得vof，進而得到反饋放大器電壓增益Avf（見表1）。將理論值與仿真值進行比較具體見表1。

表1 仿真結果與理論計算比較

由表1可見，理論計算與仿真最大相對誤差不超過0.175%，說明兩者一致性。同時理論關于閉環增益的直接計算與先開環再按式（7）間接獲得也非常接近，說明反饋放大器中基本關系的正確性。同理仿真中的測試，也為同樣結論。

5 結論

對所設計的運放－差分結構電壓串聯負反饋放大電路，采用方框圖分析法在理論上計算了基本放大器的電壓增益；建立了反饋放大器微變等效電路，并根據電路特點的求解方程，并計算了引入反饋后放大器的電壓增益，兩者均滿足Avf＝Av／（1＋kfvAv）關系。在EWB環境中分別對基本放大器和反饋放大器的電壓增益進行測試，結果與理論計算結果相一致，驗證了理論的正確性，同時也說明借助仿真軟件EWB可以提高電路設計的效率。

［1］楊一軍，陳得寶，李素文，等.差分－運放電流串聯負反饋的理論計算與分析［J］.合肥師范學院學報，2010，28（6）：29－30.

［2］康華光主編.電子技術基礎（模擬部分）［M］.4版，高等教育出版社，1999.6：97.