基于负反馈放大电路的电压增益估算及误差分析

卢厚元 卢俊 王襄

摘 要：在工程实际中，负反馈放大电路的电压增益大多依据套用电路模型和公式的方法进行估算。集成运放以及由分立元件组成的多级负反馈放大电路，估算误差较小;而由分立元件组成的单级放大电路估算误差较大。本文探讨了不同电路形态下，电压增益的估算及误差分析方法。

关键词：放大电路;深度负反馈;电压增益

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：2095-8153（2019）01-0073-05

在工程实际应用中，放大电路增益的准确计算往往需要电路核心元件的相关参数，而这些参数通常不方便获取，同时还受环境因素的影响，增益的准确计算比较困难。事实上从实际应用的角度，放大电路的增益也没必要进行精确计算。深度负反馈条件下，电路增益几乎仅仅决定于反馈网络，受环境温度的影响很小，故增益具有很高的稳定性，因此，根据反馈网络对增益进行估算既方便又可靠。

电子电路在测试时，不管是那种组态的负反馈放大电路，总是通过测量电位来获得电压和电流的，人们通常关注的是它们的电压增益。本文介绍应用“套用模型，套解方程”的方法对深度负反馈放大电路的电压增益进行估算，定性说明反馈深度与估算误差之间的关系。

2 多级深度负反馈放大电路电压增益的估算

多级负反馈放大电路的增益分析，若采取“拆环”分析，将负反馈电路分解为基本放大电路和反馈网络，再考虑反馈网络的负载效应，这样的分析是很复杂的。由于多级放大电路的开环增益很高，很容易形成深度负反馈，因此通常也用估算的方法。

估算分三步进行：（1）确定极间反馈组态。反馈是把输出的一部分或全部引回到输入端，从而影响输入和输出的过程，分析时应关注最后的输出与最前端输入之间的反馈网络，即关注首、末级间反馈，首末级间反馈组态即为整体电路的反馈组态。（2）将电路转换成反馈组态模型，并提炼参数。即根据首末级间反馈组态，将多级负反馈电路转换为由单级运放所构成的负反馈组态模型，并进行参数的提炼。（3）写出估算电压增益的表达式，计算电压增益。

下面通过两例来说明多级深度负反馈放大电路电压增益的估算方法。设反馈网络为线性无源反馈网络。

例2：如图6所示的三级放大电路，基本放大电路由三级共射放大电路组成，R4所在支路為反馈桥梁，反馈桥梁在输出端采样电流信号转换为反馈电压加到输入端，再结合极性判断，确定该电路是电流串联负反馈。由于多级放大电路的开环放大倍数很大，极易形成深度负反馈，套用深度电流串联负反馈的模型，并进行参数提炼，得到电路转换后的模型图7，套用公式得电压放大倍数

分析表1的数据，负反馈深度数值越大，即反馈越深，闭环电压增益就越小，估算误差也越小。研究表明，这一结论也适合于其他形式的负反馈放大电路。从电路性能分析看，负反馈越深，电路的稳定性就越好，因此，我们通常希望增加反馈深度来提高放大电路的性能，但这却又是以牺牲增益为代价的。同时，为提高放大电路的性能而增加反馈深度的做法还受较多因素的制约，例如开环增益的增大受元器件性能的制约，反馈系数的增大又会阻碍开环增益的增大，甚至会使电路的放大元件失去放大能力，还有实际电路对其放大能力也有其具体的要求。对于负反馈放大电路的增益和性能改善的矛盾，实际放大电路的设计通常是要兼顾考虑的。

研究表明，实用的单级分立元件构成的放大电路大多达不到深度负反馈的条件，其反馈深度通常小于10，估算误差大于10%。

4 利用multisim进行仿真分析

在本文的电路中选两例利用multisim进行仿真分析，对增益仿真计算的结果与估算结果进行对比，对图1和图8（a）电路进行仿真分析的电路图分别如图9和图10所示。

对更多的负反馈放大电路电压增益的估算及实际计算结果对比，可以得到结论：负反馈放大电路电压增益的估算误差随反馈深度的增大而减小。对于由集成运放组成的负反馈放大电路和由分立元件组成的多级负反馈放大电路，它们的开环增益A非常高，且A比反馈系数F通常大几个数量级，因而反馈深度远远大于10，其估算误差远远小于10%，甚至趋于0;对于分立元件构成的单级负反馈放大电路，大多达不到深度负反馈的条件，其估算误差会大于10%，这样的误差是否在意，就要根据工程实际而确定。

[参考文献]

[1] 胡宴如.模拟电子技术（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2015：132.

[2] 华成英.模拟电子技术基础：第四版习题解答[M].北京：高等教育出版社，2013：164-170.

[3] 卢厚元.对反馈放大电路类型判定方法的研究[J].现代电子技术，2012，35（9）：173-175.

[4] 康华光.电子技术基础（模拟部分）：第五版[M].北京：高等教育出版社，2006：351.

[5] 陈大钦.模拟电子技术基础（问答·例题·试题）[M].武汉：华中科技大学出版社，1996：347-349.