基于仿真的負反饋放大電路穩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生大量的噪聲信號，導致矯正后的電路AGC性能不穩定，針對該問題提出一種基于仿真的負反饋放大電路穩定性分析及矯正方法。根據負反饋放大電路的組成，構建負反饋電路振蕩判斷方法，利用仿真軟件評定電路的穩定性，構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。結果表明：與傳統方法相比，該方法出現噪聲信號的次數少，且電路表現出的AGC性能穩定。

【關鍵詞】? ?仿真;負反饋放大電路;穩定性;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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）02- 0026 - 05

0? ? ?引言

在電子系統設計中，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定性提高[1]。但是，在電路系統中引入負反饋，有可能會使得構成的負反饋電路不穩定，輕則在時域系統里帶來輸出信號過沖，嚴重的會導致電路出現振蕩[2]。在很多教材中都有對負反饋電路產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生的現象以及原因和了解什么樣的電路容易使得負反饋電路產生振蕩[3]。本文運用Tina電路仿真軟件，構建一個負反饋放大電路，并給出一個能夠產生振蕩的電路模型，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，將電路的頻域響應波特圖繪制出來[4]，然后根據理論知識，運用負反饋放大電路的穩定性判據，可以直觀地感受負反饋放大電路的振蕩與頻率響應的關系。

1? ? ?基于仿真的負反饋放大電路穩定性分析及矯正方法

1.1? ?構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定性

1.3? ?矯正放大電路補償

針對上述分析得到的穩定性結果，可得到增加零點、增加運放的閉環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噪聲信號出現次數過多的問題，構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值，可表示為：

2? ? ?仿真實驗

2.1? ?實驗準備

準備負反饋放大電路所需的實驗儀器，儀器的參數如表1所示。

在圖5所示的實驗環境下，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，調試上位機中的各項實驗參數，分別使用本文方法和兩種傳統方法進行實驗，對比三種矯正方法的性能。

2.2? ?結果及分析

在相同的實驗環境下，對三種不同矯正方法設置相同的輸入信號峰峰值，以理論放大倍數為對比，統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，結果如表2所示。

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

使用實驗準備的實驗儀器將負反饋電路中的放大器輸入端接地，設置放大器的放大倍數為10，使用ADC采樣電路中的噪聲信號，設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，統計在設定的采集周期內，三種不同矯正方法控制下噪聲信號出現的次數，具體實驗結果如表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的次數最多，PFC矯正方法噪聲信號出現的次數較少，而文中設計的矯正方法噪聲信號出現的次數最少。

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

以三種矯正方法得到的輸入、輸出電壓數值作為AGC性能變化的指標，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數值，性能不穩定。PFC矯正方法得到的output數值較小，且存在0.2V p-p變化范圍的數值，實際的AGC性能不穩定。而文中設計的矯正方法在相同電壓數值變化范圍內，得到的output數值變化不大，AGC性能最穩定。綜合上述實驗結果可知，文中設計的矯正方法增大放大電路的倍數最大、AGC性能最穩定且信號出現噪聲的次數最少。

3? ? ?結語

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的時域響應，可以清楚地觀察到負反饋放大電路產生振蕩現象，直觀地理解了產生振蕩的原因。然后，再通過仿真軟件的AC分析，繪制電路的波特圖，根據得到的波特，結合理論分析，也可以證明這種電路不穩定的原因。根據電路的矯正方法，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識放大電路的穩定性，從而有針對性地進行補償。

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