基于仿真的負反饋放大電路穩(wěn)定性分析及矯正方法

徐曉光　黃宏宏　趙子逸

【摘? ?要】? ?負反饋放大電路在實際運行過程中，補償引入零點后會產(chǎn)生大量的噪聲信號，導(dǎo)致矯正后的電路AGC性能不穩(wěn)定，針對該問題提出一種基于仿真的負反饋放大電路穩(wěn)定性分析及矯正方法。根據(jù)負反饋放大電路的組成，構(gòu)建負反饋電路振蕩判斷方法，利用仿真軟件評定電路的穩(wěn)定性，構(gòu)建矯正放大電路補償方法，控制零點引入后電路的信號輸出波形，矯正放大電路補償。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法相比，該方法出現(xiàn)噪聲信號的次數(shù)少，且電路表現(xiàn)出的AGC性能穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】? ?仿真;負反饋放大電路;穩(wěn)定性;矯正

Stability Analysis and Correction Method of Negative Feedback

Amplifier Circuit Based on Simulation

Xu Xiaoguang Huang Honghong Zhao Ziyi

（1. Key Laboratory of Advanced Perception and Intelligent Control of High-end Equipment，Ministry of Education， Wuhu 241000， China; 2. C&C Trucks Co.， Ltd， Wuhu 241000， China）

【Abstract】? ? In the actual operation process of negative feedback amplifier circuit， a large number of noise signals will be generated after introducing zero compensation， which will lead to unstable AGC performance of the corrected circuit. Aiming at this problem， a stability analysis and correction method of negative feedback amplifier circuit based on simulation is studied. According to the composition of the negative feedback amplifier circuit， the oscillation judgment method of the negative feedback circuit is constructed. The stability of the circuit is evaluated by using the simulation software， and a compensation method for correcting the amplification circuit is constructed. The signal output waveform of the circuit after the zero point is controlled to correct the amplification circuit compensation. Experimental results show that compared with the traditional method， this method has less frequency of noise， and the circuit shows stable AGC performance.

【Key words】? ? ?simulation; negative feedback amplifier; stability; correct

〔中圖分類號〕? TP751.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）02- 0026 - 05

0? ? ?引言

在電子系統(tǒng)設(shè)計中，對信號的處理加工，常常用到負反饋放大電路，它在放大電路的設(shè)計中起著非常重要的作用，它可以改善運算放大電路的很多特性，比如減小放大電路的失真，擴展放大電路的通頻帶，改變電路的輸入和輸出電阻，并且還能使得放大電路增益穩(wěn)定性提高[1]。但是，在電路系統(tǒng)中引入負反饋，有可能會使得構(gòu)成的負反饋電路不穩(wěn)定，輕則在時域系統(tǒng)里帶來輸出信號過沖，嚴(yán)重的會導(dǎo)致電路出現(xiàn)振蕩[2]。在很多教材中都有對負反饋電路產(chǎn)生振蕩的原因及其矯正方法的介紹，但是很多文獻給出的都是理論介紹，無法直觀感受振蕩產(chǎn)生的現(xiàn)象以及原因和了解什么樣的電路容易使得負反饋電路產(chǎn)生振蕩[3]。本文運用Tina電路仿真軟件，構(gòu)建一個負反饋放大電路，并給出一個能夠產(chǎn)生振蕩的電路模型，通過運用仿真實驗的方法給出電路的時域輸出波形，在仿真的同時運用軟件的AC分析功能，將電路的頻域響應(yīng)波特圖繪制出來[4]，然后根據(jù)理論知識，運用負反饋放大電路的穩(wěn)定性判據(jù)，可以直觀地感受負反饋放大電路的振蕩與頻率響應(yīng)的關(guān)系。

1? ? ?基于仿真的負反饋放大電路穩(wěn)定性分析及矯正方法

1.1? ?構(gòu)建負反饋電路振蕩判斷方法8F75BD54-583B-4C8E-8DE1-3F90FD5745FD

1.2? ?利用仿真軟件評定電路的穩(wěn)定性

1.3? ?矯正放大電路補償

針對上述分析得到的穩(wěn)定性結(jié)果，可得到增加零點、增加運放的閉環(huán)增益以及引入極點三種補償方法[13]，為了解決零點引入后放大信號內(nèi)噪聲信號出現(xiàn)次數(shù)過多的問題，構(gòu)建一種矯正放大電路補償方法，使用公式（4）計算增加零點的頻率數(shù)值，可表示為：

2? ? ?仿真實驗

2.1? ?實驗準(zhǔn)備

準(zhǔn)備負反饋放大電路所需的實驗儀器，儀器的參數(shù)如表1所示。

在圖5所示的實驗環(huán)境下，采用示波器的兩個探頭探測放大電路的輸入、輸出波形的變化，確定負反饋電路電壓電流的信號變化正常，調(diào)試上位機中的各項實驗參數(shù)，分別使用本文方法和兩種傳統(tǒng)方法進行實驗，對比三種矯正方法的性能。

2.2? ?結(jié)果及分析

在相同的實驗環(huán)境下，對三種不同矯正方法設(shè)置相同的輸入信號峰峰值，以理論放大倍數(shù)為對比，統(tǒng)計在三種矯正方法的控制下放大電路實際信號放大的倍數(shù)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在三種矯正方法的控制下，放大電路表現(xiàn)出了不同的信號放大結(jié)果，根據(jù)表中變化的放大數(shù)值，基于諧波分離的矯正方法在設(shè)定的信號峰峰值變化范圍內(nèi)信號放大的倍數(shù)最小，PFC矯正方法得到的信號放大數(shù)值大于基于諧波分離的矯正方法，但實際放大信號倍數(shù)數(shù)值依舊很小，而文中設(shè)計的矯正方法最終放大得到的倍數(shù)數(shù)值最大，能夠增強放大電路的效果。

使用實驗準(zhǔn)備的實驗儀器將負反饋電路中的放大器輸入端接地，設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10，使用ADC采樣電路中的噪聲信號，設(shè)定噪聲信號的采集時間為20s，噪聲信號的采集周期為0.5s采集一次，統(tǒng)計在設(shè)定的采集周期內(nèi)，三種不同矯正方法控制下噪聲信號出現(xiàn)的次數(shù)，具體實驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在三種矯正方法的控制下，基于諧波分離的矯正方法噪聲信號出現(xiàn)的次數(shù)最多，PFC矯正方法噪聲信號出現(xiàn)的次數(shù)較少，而文中設(shè)計的矯正方法噪聲信號出現(xiàn)的次數(shù)最少。

設(shè)置放大電路的輸出信號峰峰值在2.5mV，使用放大電路發(fā)生源的最小峰峰值作為起點，逐漸增加電路電壓至5V，設(shè)定信號的工作頻率在50Hz左右，統(tǒng)計三種矯正方法在不同電壓數(shù)值下的AGC性能，結(jié)果如圖6所示。

以三種矯正方法得到的輸入、輸出電壓數(shù)值作為AGC性能變化的指標(biāo)，由圖6可知，基于諧波分離的矯正方法得到的AGC性能變化存在較大的output數(shù)值，性能不穩(wěn)定。PFC矯正方法得到的output數(shù)值較小，且存在0.2V p-p變化范圍的數(shù)值，實際的AGC性能不穩(wěn)定。而文中設(shè)計的矯正方法在相同電壓數(shù)值變化范圍內(nèi)，得到的output數(shù)值變化不大，AGC性能最穩(wěn)定。綜合上述實驗結(jié)果可知，文中設(shè)計的矯正方法增大放大電路的倍數(shù)最大、AGC性能最穩(wěn)定且信號出現(xiàn)噪聲的次數(shù)最少。

3? ? ?結(jié)語

通過對帶容性負載的負反饋放大電路進行仿真實驗，觀察其在通帶范圍內(nèi)的時域響應(yīng)，可以清楚地觀察到負反饋放大電路產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，直觀地理解了產(chǎn)生振蕩的原因。然后，再通過仿真軟件的AC分析，繪制電路的波特圖，根據(jù)得到的波特，結(jié)合理論分析，也可以證明這種電路不穩(wěn)定的原因。根據(jù)電路的矯正方法，再通過對矯正后的電路進行仿真實驗，觀察到矯正后的時域輸出波形和波特圖，說明矯正的可行性。因此，通過仿真實驗的方法，可以更好地從原理和實際電路中充分認(rèn)識放大電路的穩(wěn)定性，從而有針對性地進行補償。

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