徐曉光　黃宏宏　趙子逸

【摘? ?要】? ?負(fù)反饋放大電路在實(shí)際運(yùn)行過程中，補(bǔ)償引入零點(diǎn)后會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲信號(hào)，導(dǎo)致矯正后的電路AGC性能不穩(wěn)定，針對(duì)該問題提出一種基于仿真的負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性分析及矯正方法。根據(jù)負(fù)反饋放大電路的組成，構(gòu)建負(fù)反饋電路振蕩判斷方法，利用仿真軟件評(píng)定電路的穩(wěn)定性，構(gòu)建矯正放大電路補(bǔ)償方法，控制零點(diǎn)引入后電路的信號(hào)輸出波形，矯正放大電路補(bǔ)償。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法相比，該方法出現(xiàn)噪聲信號(hào)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(fù)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(hào)〕? TP751.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2022）02- 0026 - 05

0? ? ?引言

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)信號(hào)的處理加工，常常用到負(fù)反饋放大電路，它在放大電路的設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，它可以改善運(yùn)算放大電路的很多特性，比如減小放大電路的失真，擴(kuò)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(fù)反饋，有可能會(huì)使得構(gòu)成的負(fù)反饋電路不穩(wěn)定，輕則在時(shí)域系統(tǒng)里帶來(lái)輸出信號(hào)過沖，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)振蕩[2]。在很多教材中都有對(duì)負(fù)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(xiàn)給出的都是理論介紹，無(wú)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(fù)反饋電路產(chǎn)生振蕩[3]。本文運(yùn)用Tina電路仿真軟件，構(gòu)建一個(gè)負(fù)反饋放大電路，并給出一個(gè)能夠產(chǎn)生振蕩的電路模型，通過運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)的方法給出電路的時(shí)域輸出波形，在仿真的同時(shí)運(yùn)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(lái)[4]，然后根據(jù)理論知識(shí)，運(yùn)用負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性判據(jù)，可以直觀地感受負(fù)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(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性分析及矯正方法

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

1.2? ?利用仿真軟件評(píng)定電路的穩(wěn)定性

1.3? ?矯正放大電路補(bǔ)償

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

2? ? ?仿真實(shí)驗(yàn)

2.1? ?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備負(fù)反饋放大電路所需的實(shí)驗(yàn)儀器，儀器的參數(shù)如表1所示。

在圖5所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用示波器的兩個(gè)探頭探測(cè)放大電路的輸入、輸出波形的變化，確定負(fù)反饋電路電壓電流的信號(hào)變化正常，調(diào)試上位機(jī)中的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別使用本文方法和兩種傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種矯正方法的性能。

2.2? ?結(jié)果及分析

在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)三種不同矯正方法設(shè)置相同的輸入信號(hào)峰峰值，以理論放大倍數(shù)為對(duì)比，統(tǒng)計(jì)在三種矯正方法的控制下放大電路實(shí)際信號(hào)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(hào)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(hào)峰峰值變化范圍內(nèi)信號(hào)放大的倍數(shù)最小，PFC矯正方法得到的信號(hào)放大數(shù)值大于基于諧波分離的矯正方法，但實(shí)際放大信號(hào)倍數(shù)數(shù)值依舊很小，而文中設(shè)計(jì)的矯正方法最終放大得到的倍數(shù)數(shù)值最大，能夠增強(qiáng)放大電路的效果。

使用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)儀器將負(fù)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(hào)，設(shè)定噪聲信號(hào)的采集時(shí)間為20s，噪聲信號(hào)的采集周期為0.5s采集一次，統(tǒng)計(jì)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(hào)出現(xiàn)的次數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)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(hào)出現(xiàn)的次數(shù)最多，PFC矯正方法噪聲信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)較少，而文中設(shè)計(jì)的矯正方法噪聲信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)最少。

設(shè)置放大電路的輸出信號(hào)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(diǎn)，逐漸增加電路電壓至5V，設(shè)定信號(hào)的工作頻率在50Hz左右，統(tǒng)計(jì)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(shí)際的AGC性能不穩(wěn)定。而文中設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)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(hào)出現(xiàn)噪聲的次數(shù)最少。

3? ? ?結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)帶容性負(fù)載的負(fù)反饋放大電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，觀察其在通帶范圍內(nèi)的時(shí)域響應(yīng)，可以清楚地觀察到負(fù)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(duì)矯正后的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，觀察到矯正后的時(shí)域輸出波形和波特圖，說明矯正的可行性。因此，通過仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可以更好地從原理和實(shí)際電路中充分認(rèn)識(shí)放大電路的穩(wěn)定性，從而有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)償。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 馬文偉，鄢婉娟，劉元默，等.基于S3R拓?fù)涞碾娫纯刂破鹘＜胺€(wěn)定性分析[J].電源技術(shù)，2019，43（12）：2014-2016.

[2] 王瑤.基于狀態(tài)空間平均模型的電壓控制SIDO Buck變換器穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（6）：1810-1817+1918.

[3] 何小亞，田育新，王建生，等.一種IMA處理機(jī)用電源PFC矯正方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2018，48（2）：118-121.

[4] 韓雪龍，侯銀銀，顧能華，等.基于諧波分離的電流信號(hào)頻率檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（6）：80-83+88.

[5] 程澤鵬，邱思逸，向陽(yáng)，等.基于全局線性穩(wěn)定性分析的翼尖雙渦不穩(wěn)定特征演化機(jī)理[J].航空學(xué)報(bào)，2020，41（9）：58-71.

[6] 陳中，唐浩然，袁宇波，等.計(jì)及信號(hào)隨機(jī)延時(shí)的電力系統(tǒng)小干擾概率穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2018，42（13）：145-151.

[7] 吳小珊，李崇濤，曾柯寒，等.基于矩陣束的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析模型及其特征分析方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2020，14（7）：39-45.

[8] 王加強(qiáng)，孫永輝，翟蘇巍，等.基于Markov理論的含風(fēng)電電力系統(tǒng)隨機(jī)建模及小干擾穩(wěn)定性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（2）：646-654.

[9] 朱曉榮，孟欣欣.直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性分析及有源阻尼控制研究[J].高電壓技術(shù)，2020，46（5）：1670-1681.

[10] 胡健，付立軍，馬凡.基于突變理論的獨(dú)立電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（20）： 4855-4863.

[11] 劉廣孚，周凱迪，朱赫，等.基于平移窗信號(hào)自相關(guān)分析的振動(dòng)穩(wěn)定性研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，41（4）：166-174.

[12] 朱曉榮，韓丹慧.基于虛擬慣性控制的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析及其改進(jìn)方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2019，39（12）：121-127.

[13] 陳增強(qiáng)，吳瑕，孫明瑋，等.基于頻域的自抗擾廣義預(yù)測(cè)控制的穩(wěn)定性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（6）：1046-1051.

[14] 江潤(rùn)東，姚金杰，王閩，等.基于負(fù)反饋理論的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46（1）：119-122.

[15] 萬(wàn)慧，齊曉慧.線性/非線性切換擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的收斂性和穩(wěn)定性分析[J].信息與控制，2020，49（2）：163-169.8F75BD54-583B-4C8E-8DE1-3F90FD5745FD