畢業(yè)設(shè)計（論文）運放差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋的理論計算與仿真分析

1、運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋的理論計算與仿真分析摘要 放大電路是電子線路中的重要組成部分，也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成電路，在電子電氣產(chǎn)品中占有十分重要的位置。本文設(shè)計直接耦合方式下的運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，根據(jù)多級放大增益的計算方法，采用方框圖分析法，計算出基本放大器的電壓增益和輸出電阻的值。另外，對所構(gòu)建運放-差分電路，采用微變等效電路方法，經(jīng)計算節(jié)點電壓，進而得到反饋放大器的電壓增益，兩者滿足負(fù)反饋放大電路中的基本關(guān)系。同時，啟用仿真軟件ewb，分別對基本放大器、負(fù)反饋放大器及輸出電阻仿真分析，結(jié)果與理論計算一致，說明方框圖分析法在分析負(fù)反饋放大器中的應(yīng)用是正確的。關(guān)鍵詞 負(fù)反饋；運

2、放-差分放大電路；ewb；方框圖分析法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目錄1引言42 ewb5.0簡介及仿真步驟53運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路設(shè)計63.1電壓串聯(lián)負(fù)反饋基本公式63.2電路設(shè)計73.3理論計算73.4傳輸特性84負(fù)反饋放大器的等效電路104.1電路設(shè)計104.2理論計算104.3輸入、輸出電阻115仿真結(jié)果與理論計算的比較分析13結(jié)論15參考文獻16致 謝171引言在現(xiàn)代電子與無線電通信技術(shù)以及我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾?/p>

7、子電氣產(chǎn)品中，放大單元占有十分重要的地位，假如沒有放大電路運用，就沒有無線電通信的接收，沒有電視和廣播，更沒有今天的移動電話、電腦、電子測量、自動控制等各種電子設(shè)備。在采用傳統(tǒng)的手工方法，設(shè)計電路時，要依次進行實際元器件的選擇，安裝，調(diào)試，不僅費時費力，所得結(jié)果往往也是不盡人意的。但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的普遍應(yīng)用，使得eda技術(shù)在電子電路的分析設(shè)計中顯得越來越重要。對于eda技術(shù)可以根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)對電路進行仿真,獲得電路的技術(shù)指標(biāo)，從而可以快速、方便、精確地評價電路設(shè)計的正確性，節(jié)省大量的時間和費用。本文設(shè)計的是一個運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，其主要是運用兩個運放

8、及差分放大電路構(gòu)成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)，這種電路主要是一個多級放大并通過負(fù)反饋實現(xiàn)實輸出的穩(wěn)定性。在此次設(shè)計中，采用了ewb5.0仿真軟件針對該放大電路開環(huán)與閉環(huán)設(shè)計了電路圖及其等效微變電路圖，并進行了仿真分析，其仿真結(jié)果與在理論計算下開環(huán)增益和閉環(huán)增益結(jié)果一致。2 ewb5.0簡介及仿真步驟 2.1 ewb電子電路仿真軟件介紹 ewb的全稱是electronics workbench，它虛擬了一個可以對模擬、數(shù)字電子電路進行模擬仿真的工作平臺，具有比較完善的各種元器件模型庫和幾種常用的分析儀器。能進行電子電路的設(shè)計，并能對電子電路進行較詳細(xì)分析，包括靜、動態(tài)分析、時域與頻域分析、噪聲分析

9、、失真分析和器件的線性與非線性分析，還能進行離散傅里葉分析、零極點分析等多種高級分析。能將設(shè)計好的電路文件直接輸出到常用的一些電子電路排版軟件，如protel，排出印刷電路版圖，為電路設(shè)計提供方便1。它是一種電子技術(shù)模擬實際訓(xùn)練軟件，它可以完成實驗室中進行的幾乎所有電子技術(shù)實驗，結(jié)果與物理式方法基本一致。 2.2 ewb的仿真工作過程ewb的仿真工作過程分為以下4個階段2，如圖1所示：（1）輸入 在輸入階段，設(shè)計者完成電路圖的輸入、指定元件值并選擇分析方法。完成這些工作后，仿真器讀取電路的信息。（2）建立 在建立階段，仿真器建立一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整地描述了所輸入的電路。（3）分析 在

10、分析階段，按選擇的分析方法完成對輸入電路的分析。這個階段占用cpu的大部分執(zhí)行時間，是電路仿真的核心。分析階段按所指的分析方法用方程表示電路，并求解方程，為輸出階段提供數(shù)據(jù)。圖1 ewb的仿真過程（4）輸出 在輸出階段，從示波器等儀器上獲得仿真運行的結(jié)果。3運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路設(shè)計3.1電壓串聯(lián)負(fù)反饋 圖2 串聯(lián)電壓負(fù)反饋組成框圖 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器是有基本放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)通過串聯(lián)反饋電壓組成的，如圖2所示3，它的一些基本電量公式為：開環(huán)增益 （3-1）閉環(huán)增益 （3-2）反饋系數(shù) （3-3）反饋放大器的基本關(guān)系式 （3-4）3.2電路設(shè)計圖3運放-差分電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路由運

11、算放大器和差分電路可組合成各種類型的負(fù)反饋放大電器4-7，如圖3所示為電壓串聯(lián)類型，分析可知，當(dāng)開關(guān)s1、s2位于n端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器。當(dāng)開關(guān)s1、s2位于m端，是考慮反饋網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)后的基本放大器。3.3理論計算1、開環(huán)增益（1）靜態(tài)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(tài)電流ie1、ie2為 (3-5)將飽和導(dǎo)通電壓vbe（on）=0.7v代入（3-5）式得ie1=ie2=0.471ma（2）一級放大 在電路中一級運算差分放大采用電阻保持嚴(yán)格對稱，具有一下幾個優(yōu)點：提高了運放的信噪比；電路對共模信號幾乎沒

12、有放大作用，共模電壓增益接近零 8。由圖3分析得 (3-6) (3-7)式中vd是運算放大器差分輸出電壓差，由公式（3-7）可知av1=6（3）二級放大在仿真軟件中設(shè)置差分放大的三極管為100，則有 (3-8) 將數(shù)據(jù)代入 (3-8)得rbe=5.88k差分放大電路電壓增益av2為 (3-9)將數(shù)據(jù)代入 (3-9)得av2=18.89整個電路的放大倍數(shù) 2、閉環(huán)增益分析電路知，根據(jù)公式(3-3)反饋系數(shù)kfv為 (3-10)將kfv代入基本公式(3-4)求avf得反饋放大器的電壓增益理論值avf=39.63.4傳輸特性傳輸特性是指差分放大器在差模信號，集電極電流ic隨差模輸入電壓vid變化而變

13、化的規(guī)律，傳輸特性曲線如圖4所示。圖4 傳輸特性曲線由傳輸特性曲線可以看出：當(dāng)差模輸入電壓vid=0時，兩管的集電極電流相等，ic1q=ic2q=io/2，稱q點為靜態(tài)工作點；當(dāng)vid增加（25mv以內(nèi)）時，ic1隨vid增加而線性增加，ic2隨vid增加而線性減小，ic1+ ic2=io的關(guān)系不變，稱vid的這一變化范圍成線性放大區(qū)；在vid增加到使t2趨于飽和區(qū)，t1趨于截止區(qū)（vid超過50mv）時，ic2的增加和ic1的減小都逐漸緩慢，這時ic2、ic1隨vid的變化作非線性變化，稱vid的這一變化范圍為非線性區(qū)，增大射極電阻可加強電流負(fù)反饋，擴展線性區(qū)，縮小非線性區(qū)；在vid再繼續(xù)增

14、加（超過100mv），t2飽和，t1截止時，ic2、ic1不再隨vid變化而變化，稱vid的這一變化范圍為限幅區(qū)。根據(jù)上述的傳輸特性，圖3電路在引入負(fù)反饋情況下，輸入電壓與開環(huán)輸入選用相同的參考電位（即0為參考電位）時，差分輸入vid超過50mv差分放大器工作在非線性區(qū)或限幅區(qū)，本文設(shè)計電路則無法實現(xiàn)閉環(huán)仿真；如果輸入電壓以75mv為參考電位時，差分輸入vid低于50mv，差分放大器工作在線性放大區(qū)，電路就可以實現(xiàn)閉環(huán)仿真。4負(fù)反饋放大器的等效電路4.1微變等效電路設(shè)計微變等效電路是根據(jù)圖3設(shè)計，其中一級運放是對電壓差值的放大電路可用一個電壓控制電壓源等效；二級放大是一個差分電路，其中的晶體三

15、極管是通過電流的放大來實現(xiàn)，所以可以等效為電流控制電流源設(shè)計；在等效電路中直流電壓源可以當(dāng)作直接接地。由此得到出如圖5所示8-10的電路圖。圖5負(fù)反饋放大器的等效電路4.2理論計算已知圖3可以等效變化為圖5，根據(jù)圖5中分析可知，當(dāng)開關(guān)s1、s2位于n端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器。當(dāng)開關(guān)s1、s2位于m端，是考慮反饋網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)后的基本放大器。（1）開環(huán)增益由于一級運放通過公式（3-7）可知放大為6倍，而等效成電壓控制電壓源就是通過輸入端的電壓差乘以電壓控制電壓源的放大系數(shù)（av1）來實現(xiàn)，所以av1的參數(shù)為6，同時在電壓控制電壓源中放大的輸出端電壓是大小相等方向相反的兩個電壓值，v1始終與輸入信號

16、減去反饋信號的正負(fù)一致；二級差分電路通過公式（3-9）可知放大倍數(shù)為18.89，差分電路中的三極管是通過電流放大來實現(xiàn)電路放大的元件，所以對于等效電路可以用電流控制電流源代替，電流控制電流源就是通過輸入的電流乘以電流控制電流源的放大系數(shù)（與圖3設(shè)置的三極管一致）完成電路放大效果。圖中的rbe是由公式（3-8）得。由此可得av=618.89=113.35（2）閉環(huán)增益根據(jù)圖5進行電路分析可知 （4-1） （4-2） 式中v1、v2是一級運放的兩個輸出端，av1由（4-3）可知 （4-3） 根據(jù)公式（3-2）、（4-1）、（4-2）和（4-3）得avf=39.68，與先計算基本放大器電壓增益，再代

17、入公式（3-4）求得反饋放大器電壓增益39.6非常接近。4.3輸入、輸出電阻求解（1）輸入電阻由于一級放大是運算放大器，對于理想化的運放應(yīng)具有無限大的差模輸入電阻，所以無法對輸入電阻求解。（2）輸出電阻開環(huán)時，根據(jù)圖5分析可知 （4-4）輸出電阻ro=8.6k閉環(huán)時，電壓負(fù)反饋取樣于輸出電壓，又能維持輸出電壓穩(wěn)定，就是說，輸入信號一定時，電壓負(fù)反饋放大電路的輸出趨于一恒壓源，其輸出電阻很小。可以證明，有電壓負(fù)反饋時的閉環(huán)輸出電阻為無反饋時開環(huán)輸出電阻的1/(1+ avstkf)。反饋愈深，rof（輸出電阻）愈小。即 （4-5） 式中avst是rl時基本放大器的源電壓增益 （4-6） 有式（4-

18、6）和已求得的av1可得avst= av1 162.3，將avst代入公式（4-5）得=2.35 k（3）對圖3進行仿真求解其輸出電阻在考慮反饋網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)后基本放大器情況下，輸入電壓為零，當(dāng)rl=20 k時，vo=4.895v；當(dāng)rl（即rl兩端斷開）時，。由可得 （4-7）將數(shù)據(jù)代入公式（4-7）得ro=8.59 k與理論計算非常接近。而在圖3電路引入負(fù)反饋時，根據(jù)3.4所述，可知電路無法進行閉環(huán)仿真。（4）對圖5進行仿真求解其輸出電阻將圖5的等效電路中的電阻rl用電壓源替代并測量其電流如圖6。圖6上圖仿真得到vo與i，vo/i得到輸出電阻的仿真值如表1所示。 表1輸出電阻的理論計算與仿真值的

19、比較ro（k）rof（k）理論計算8.602.35仿真值8.522.34相對誤差0.93%0.42%5仿真結(jié)果與理論計算的比較分析在交流電壓源輸入時，交流電壓表得到的值不穩(wěn)定。為了克服其對數(shù)據(jù)造成的影響，本電路采用了直流電壓源并對其進行仿真11-13。使用ewb軟件對圖3啟動仿真，得到基本放大器的輸出電壓如表2所示。靜態(tài)工作點vo=4.435v。表2仿真結(jié)果vi（mv）1234vo（v）4.5514.6664.7814.895vi（mv）1234vo（mv）116231346460開環(huán)增益116115.5115.3115由表2知在開環(huán)情況下av=vo/vi，所以開環(huán)增益=115.45。由于圖3

20、中引入負(fù)反饋后，在與開環(huán)使用相同的輸入電壓時，差模輸入電壓值將使差分放大器處于非線性區(qū)或限幅區(qū)，在啟動仿真時無法得到引入反饋后的輸出電壓值，所以要選用新的參考電位（75mv），再進行仿真如表3所示。表3仿真結(jié)果vi（mv）75767778vo（v）4.5204.5604.6004.640vi（mv）1234vo（mv）4080120160閉環(huán)增益40404040由表3知在閉環(huán)情況下avf=vo/vi，所以開環(huán)增益=40。將理論值與仿真值進行比較如表4。表4理論計算與仿真結(jié)果比較avavf理論計算113.3539.60仿真結(jié)果115.4540相對誤差1.85%1.01%使用ewb軟件對圖5啟動仿

21、真得到結(jié)果與理論值對比如表5所示。表5等效理論計算與等效仿真結(jié)果比較avavf等效理論計算113.3539.68等效仿真結(jié)果112.9039.60相對誤差0.39%0. 20%表6 理論計算與等效仿真結(jié)果的比較avavf理論計算113.3539.60等效仿真結(jié)果112.9039.60相對誤差0.39%0將圖3中的r1=r2=4 k，根據(jù)3.4的理論計算可得av=94.45和avf=37.06，使用ewb對修改參數(shù)后的電路仿真得到結(jié)果與理論計算比較如表 7所示。 表7理論計算與仿真結(jié)果的比較avavf理論計算94.4537.06仿真結(jié)果94.0537.00相對誤差0.42%0.16%在放大電路中

22、引入負(fù)反饋，雖然會導(dǎo)致閉環(huán)增益的下降，但能使放大電路的許多性能得到改善。例如，可以提高增益的穩(wěn)定性，減小非線性失真，改變輸入電阻和輸出電阻等。負(fù)反饋之所以能夠改善放大電路多方面的性能，歸根結(jié)底是由于將電路的輸出量引回到輸入端與輸入量進行比較，從而隨時對凈輸入量及輸出量進行調(diào)整。結(jié) 論本文設(shè)計的是運放-差分結(jié)構(gòu)電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，其采用方框圖分析法計算了基本放大器的電壓增益，以及微變等效處理后的求解方程，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(guān)系。在ewb環(huán)境中使用直流差分法方式，分別對基本放大器和反饋放大器的電壓增益進行測試，結(jié)果與理論計算結(jié)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(shè)計的效率。參考文獻1 胡立濤. ewb電子仿真實驗指導(dǎo)書m.海南：南海出版公司，20062 尹勇，李林凌. multisim電路仿真入門與進階m.北京：科學(xué)出版社，20053 謝嘉奎，宣月清，馮軍.電子線