基于仿真的负反馈放大电路稳定性分析及矫正方法

徐晓光　黄宏宏　赵子逸

【摘   要】   负反馈放大电路在实际运行过程中，补偿引入零点后会产生大量的噪声信号，导致矫正后的电路AGC性能不稳定，针对该问题提出一种基于仿真的负反馈放大电路稳定性分析及矫正方法。根据负反馈放大电路的组成，构建负反馈电路振荡判断方法，利用仿真软件评定电路的稳定性，构建矫正放大电路补偿方法，控制零点引入后电路的信号输出波形，矫正放大电路补偿。结果表明：与传统方法相比，该方法出现噪声信号的次数少，且电路表现出的AGC性能稳定。

【关键词】   仿真;负反馈放大电路;稳定性;矫正

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

〔中圖分类号〕  TP751.1                           〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）02- 0026 - 05

0     引言

在电子系统设计中，对信号的处理加工，常常用到负反馈放大电路，它在放大电路的设计中起着非常重要的作用，它可以改善运算放大电路的很多特性，比如减小放大电路的失真，扩展放大电路的通频带，改变电路的输入和输出电阻，并且还能使得放大电路增益稳定性提高[1]。但是，在电路系统中引入负反馈，有可能会使得构成的负反馈电路不稳定，轻则在时域系统里带来输出信号过冲，严重的会导致电路出现振荡[2]。在很多教材中都有对负反馈电路产生振荡的原因及其矫正方法的介绍，但是很多文献给出的都是理论介绍，无法直观感受振荡产生的现象以及原因和了解什么样的电路容易使得负反馈电路产生振荡[3]。本文运用Tina电路仿真软件，构建一个负反馈放大电路，并给出一个能够产生振荡的电路模型，通过运用仿真实验的方法给出电路的时域输出波形，在仿真的同时运用软件的AC分析功能，将电路的频域响应波特图绘制出来[4]，然后根据理论知识，运用负反馈放大电路的稳定性判据，可以直观地感受负反馈放大电路的振荡与频率响应的关系。

1     基于仿真的负反馈放大电路稳定性分析及矫正方法

1.1   构建负反馈电路振荡判断方法8F75BD54-583B-4C8E-8DE1-3F90FD5745FD

1.2   利用仿真软件评定电路的稳定性

1.3   矫正放大电路补偿

针对上述分析得到的稳定性结果，可得到增加零点、增加运放的闭环增益以及引入极点三种补偿方法[13]，为了解决零点引入后放大信号内噪声信号出现次数过多的问题，构建一种矫正放大电路补偿方法，使用公式（4）计算增加零点的频率数值，可表示为：

2     仿真实验

2.1   实验准备

准备负反馈放大电路所需的实验仪器，仪器的参数如表1所示。

在图5所示的实验环境下，采用示波器的两个探头探测放大电路的输入、输出波形的变化，确定负反馈电路电压电流的信号变化正常，调试上位机中的各项实验参数，分别使用本文方法和两种传统方法进行实验，对比三种矫正方法的性能。

2.2   结果及分析

在相同的实验环境下，对三种不同矫正方法设置相同的输入信号峰峰值，以理论放大倍数为对比，统计在三种矫正方法的控制下放大电路实际信号放大的倍数，结果如表2所示。

由表2可知，在三种矫正方法的控制下，放大电路表现出了不同的信号放大结果，根据表中变化的放大数值，基于谐波分离的矫正方法在设定的信号峰峰值变化范围内信号放大的倍数最小，PFC矫正方法得到的信号放大数值大于基于谐波分离的矫正方法，但实际放大信号倍数数值依旧很小，而文中设计的矫正方法最终放大得到的倍数数值最大，能够增强放大电路的效果。

使用实验准备的实验仪器将负反馈电路中的放大器输入端接地，设置放大器的放大倍数为10，使用ADC采样电路中的噪声信号，设定噪声信号的采集时间为20s，噪声信号的采集周期为0.5s采集一次，统计在设定的采集周期内，三种不同矫正方法控制下噪声信号出现的次数，具体实验结果如表3所示。

由表3可知，在三种矫正方法的控制下，基于谐波分离的矫正方法噪声信号出现的次数最多，PFC矫正方法噪声信号出现的次数较少，而文中设计的矫正方法噪声信号出现的次数最少。

设置放大电路的输出信号峰峰值在2.5mV，使用放大电路发生源的最小峰峰值作为起点，逐渐增加电路电压至5V，设定信号的工作频率在50Hz左右，统计三种矫正方法在不同电压数值下的AGC性能，结果如图6所示。

以三种矫正方法得到的输入、输出电压数值作为AGC性能变化的指标，由图6可知，基于谐波分离的矫正方法得到的AGC性能变化存在较大的output数值，性能不稳定。PFC矫正方法得到的output数值较小，且存在0.2V p-p变化范围的数值，实际的AGC性能不稳定。而文中设计的矫正方法在相同电压数值变化范围内，得到的output数值变化不大，AGC性能最稳定。综合上述实验结果可知，文中设计的矫正方法增大放大电路的倍数最大、AGC性能最稳定且信号出现噪声的次数最少。

3     结语

通过对带容性负载的负反馈放大电路进行仿真实验，观察其在通带范围内的时域响应，可以清楚地观察到负反馈放大电路产生振荡现象，直观地理解了产生振荡的原因。然后，再通过仿真软件的AC分析，绘制电路的波特图，根据得到的波特，结合理论分析，也可以证明这种电路不稳定的原因。根据电路的矫正方法，再通过对矫正后的电路进行仿真实验，观察到矫正后的时域输出波形和波特图，说明矫正的可行性。因此，通过仿真实验的方法，可以更好地从原理和实际电路中充分认识放大电路的稳定性，从而有针对性地进行补偿。

[参考文献]

[1] 马文伟，鄢婉娟，刘元默，等.基于S3R拓扑的电源控制器建模及稳定性分析[J].电源技术，2019，43（12）：2014-2016.

[2] 王瑶.基于状态空间平均模型的电压控制SIDO Buck变换器稳定性分析[J].中國电机工程学报，2018，38（6）：1810-1817+1918.

[3] 何小亚，田育新，王建生，等.一种IMA处理机用电源PFC矫正方法设计与实现[J].航空计算技术，2018，48（2）：118-121.

[4] 韩雪龙，侯银银，顾能华，等.基于谐波分离的电流信号频率检测装置设计[J].电子技术应用，2019，45（6）：80-83+88.

[5] 程泽鹏，邱思逸，向阳，等.基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理[J].航空学报，2020，41（9）：58-71.

[6] 陈中，唐浩然，袁宇波，等.计及信号随机延时的电力系统小干扰概率稳定性分析[J].电力系统自动化，2018，42（13）：145-151.

[7] 吴小珊，李崇涛，曾柯寒，等.基于矩阵束的电力系统小干扰稳定性分析模型及其特征分析方法[J].南方电网技术，2020，14（7）：39-45.

[8] 王加强，孙永辉，翟苏巍，等.基于Markov理论的含风电电力系统随机建模及小干扰稳定性分析[J].电网技术，2019，43（2）：646-654.

[9] 朱晓荣，孟欣欣.直流微电网的稳定性分析及有源阻尼控制研究[J].高电压技术，2020，46（5）：1670-1681.

[10] 胡健，付立军，马凡.基于突变理论的独立电力系统电压稳定性分析[J].电工技术学报，2018，33（20）： 4855-4863.

[11] 刘广孚，周凯迪，朱赫，等.基于平移窗信号自相关分析的振动稳定性研究[J].西南石油大学学报（自然科学版），2019，41（4）：166-174.

[12] 朱晓荣，韩丹慧.基于虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析及其改进方法[J].电力自动化设备，2019，39（12）：121-127.

[13] 陈增强，吴瑕，孙明玮，等.基于频域的自抗扰广义预测控制的稳定性分析[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（6）：1046-1051.

[14] 江润东，姚金杰，王闽，等.基于负反馈理论的信号调理电路设计[J].电子技术应用，2020，46（1）：119-122.

[15] 万慧，齐晓慧.线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性和稳定性分析[J].信息与控制，2020，49（2）：163-169.8F75BD54-583B-4C8E-8DE1-3F90FD5745FD