電流負反饋放大器的原理分析與CAA計算機輔助分析設計

2 200W甲乙類(lèi)電流負反饋放大器的CAA計算機輔助分析設計

　　由于電流負反饋放大器的設計比較復雜，很難用傳統的數字解析法完成，因此用SPICE軟件對電路進(jìn)行計算機輔助分析設計。整個(gè)設計分為開(kāi)環(huán)設計、閉環(huán)設計和動(dòng)態(tài)輸入信號的驗證設計。

2．1 開(kāi)環(huán)設計（包括直流工作點(diǎn)計算）
　　采用經(jīng)典的電流負反饋放大器的拓撲結構，如圖8所示。分為交叉耦合輸入級、I／V變換、輸出緩沖器三大部分，中點(diǎn)零電位主要由輸入級元件的對稱(chēng)性保證，再加上運放組成的DC伺服電路，確保中點(diǎn)零電位的穩定。為了提高能量速度，交叉耦合輸入級沒(méi)有采用恒流源，輸入級電流為3．0mA，比較大，主要是提高在正、負兩個(gè)方向上轉換速率的極限。I／V變換沒(méi)有采用恒流源有源負載，而是用電阻檢測輸入緩沖放大級輸出端的電流，兩級推挽射極接地電路進(jìn)行電壓放大以提供足夠的增益。輸出緩沖器的靜態(tài)電流設置為0．545A，由兩對大功率管分擔，8Ω負載上的甲類(lèi)輸出功率約5W。電路設計描述文件如下：

圖8 開(kāi)環(huán)仿真電路圖

*SPICE＿NET*
*INCLUDE ＼H－BB＼＼BJT．LIB
*INCLUDE DEVICE．LIB
*INCLUDE NONLIN．LIB
．AC DEC 20 5HZ 200000KHZ
*ALIAS V（21）＝VOUT
*ALIAS V（36)＝V－
*ALIAS I(V8)＝I－
．PRINT AC V(21) VP(21) V(36) VP(36)
．PRINT AC I(V8) IP(V8)
BG2 15 0 7 2SD667A TEMP＝50
BG3 5 6 1 2SD667A TEMP＝50
BG4 4 7 1 2SB647A TEMP＝50
BG5 29 5 8 2SB649A TEMP＝50
BG7 10 4 9 2SD669A TEMP＝50
BG9 15 29 12 2SD669A TEMP＝50
BG13 31 16 23 2SC3858 TEMP＝50
BG14 32 2 22 2SA1494 TEMP＝50
BG15 32 30 25 2SA1494 TEMP＝50
R3 15 6 22K
R4 7 3 22K
R5 4 3 1．2K
R8 9 3 330
R9 29 14 2．7K
R10 14 10 842
C1 29 10 0．1U
R15 12 18 150
R16 20 21 0．22
R17 21 22 0．22
R18 23 21 0．22
R19 21 25 0．22
R20 12 26 10
R21 12 16 10
R22 18 2 10
R23 18 30 10
V1 15 0 69V
V2 31 0 63V
V3 0 32 63V
V4 0 3 69V
R6 15 5 1．2K
BG10 3 10 18 2SB649A TEMP＝50
R7 15 8 330
X1 33 34 28 24 35 OP27
R29 34 21 150K
C4 34 0 2．2U
C5 28 33 2．2U
R30 33 0 150K
R31 36 28 1K
V5 0 35 15V
V6 24 0 15V
BG12 31 26 20 2SC3858 TEMP＝50
R36 15 11 200
BG16 29 8 11 2SB649A TEMP＝50
R37 13 3 200
BG17 10 9 13 2SD669A TEMP＝50
I1 36 0 DC 0 AC 1 0
V8 1 36
R38 29 0 33K
R39 0 10 33K
BG18 29 14 10 2SD669A TEMP＝50
R40 21 0 8
BG13 0

6 2SB647A TEMP＝50．00
．END

設計結果，包括開(kāi)環(huán)傳輸阻抗ZT——頻率特性、開(kāi)環(huán)傳輸阻抗相位——頻率特性、反相輸入端阻抗RIN——頻率特性分別見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 開(kāi)環(huán)傳輸阻抗特性曲線(xiàn)

圖10 反相輸入端特性曲線(xiàn)

　　開(kāi)環(huán)傳輸阻抗ZT的直流值為130kΩ；反相輸入端阻抗RIN的直流值為4．76Ω，最大值為6．63Ω，由于反相輸入端阻抗RIN會(huì )降低電流負反饋放大器開(kāi)環(huán)電壓增益的直流值以及影響閉環(huán)電壓增益的極點(diǎn)頻率，所以在實(shí)際設計中要盡量減小這個(gè)值，這對提高轉換速率也有好處；開(kāi)環(huán)極點(diǎn)頻率約31．5kHz。由公式（4）ωP＝1／（RT×CT），可計算出開(kāi)環(huán)傳輸電容CT的值約為39pF。這個(gè)電容是制約電流負反饋放大器轉換速率的內部參數。為了獲得高的轉換速率和提高放大器的小信號特性，應設計使這個(gè)電容盡量的小。以上的開(kāi)環(huán)設計就是在這樣的指導思想下，經(jīng)過(guò)計算機大量仿真得出的。
2．2 閉環(huán)設計
　　閉環(huán)設計就是確定反饋網(wǎng)絡(luò )。反饋網(wǎng)絡(luò )設定了閉環(huán)增益和相位裕量。并且對一個(gè)電流負反饋放大器的設計來(lái)說(shuō)，相位裕量是選擇反饋網(wǎng)絡(luò )的決定性因素。相位裕量的優(yōu)化值為60°，此時(shí)閉環(huán)增益曲線(xiàn)平坦而且帶寬最寬，放大器非常穩定。所以電流負反饋放大器的閉環(huán)設計就是確定反饋電阻RF，使開(kāi)環(huán)相位在開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)與閉環(huán)增益曲線(xiàn)交點(diǎn)處頻率降為－120°。圖11是閉環(huán)設計仿真電路圖，閉環(huán)增益＝1＋RF／RG＝31．6倍（30dB），RF＝2 156Ω，RG＝70．5Ω，開(kāi)環(huán)電壓增益＝ RT／（RE＋RIN）＝1781倍（65dB），最大環(huán)路增益為65－30＝35 dB。圖12是閉環(huán)設計