《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》读书笔记之正/负反馈与高通/低通电路分析

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《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》读书笔记之正/负反馈与高通/低通电路分析 [复制链接]

    我们知道运放电路基础的有正反馈和负反馈电路，负反馈包含电压/电路反馈和串联/并联反馈，电压  电流  并联  串联  又可以两两结合形成诸如电压并联，电流串联等反馈回路。还根据基础电路的不同我们可以分为所谓的积分/微分/反相/同相/差动/求和等运放电路，根据频域模型的不同还可以分为高通/低通/带通/带阻电路。

    在《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》这本书里，对正反馈讲了施密特触发器，负反馈则选择了举例同相反相求和这些基础运放电路。接下来的内容我想探讨下我对于此处正负反馈电路的差别和如何判断他们的类型，以及我对作者在此处没展开的关于高通低通电路的一些探索（事实上作者把这一部分相关的内容放在了增益带宽和相位裕度那一部分，具体在目录2.8.1，书本的63页-80页）

1.     如何区别正反馈和负反馈，如果是负反馈，如何判断电压电流串并联？
   1. 书上没讲，于是我查找了下相关的网上内容，得到如下几条结论：
      1. 正反馈是令运放最终进入饱和区，负反馈令运放保持在线性区/放大区；
      2. 通过瞬时极性法，判断反馈量做用在运放输入端的时候，是令净输入量增大抑或是减小，增大则是正反馈，减小则负反馈；
         1. 简单联想：既然正反馈电路的目的是令运放工作在饱和区，那么我让运放输入端的输入电压不断变大超过运放本身的放大能力不就进入饱和区了吗？同样的，我不想让运放进入饱和区，而是线性的放大，那么我就要抑制运放的输入端净输入量增大；
         2. 净输入量指的是一个极微小的信号，指的是运放的同相端输入和反相端输入的差值；
         3. 一般而言，正反馈的反馈电路都是接回到运放同相端，负反馈的反馈回路则接到运放反相输入端；
      3. 通过负载短路法判断是电流负反馈还是电压负反馈，短路负载后仍有反馈存在则为电流——毕竟如果是电压反馈，短路之后电平瞬间就被拉低到0V了，自然不会有反馈。
      4. 通过判断反馈信号和输入信号以什么样的形式在输入端叠加来判断是并联负反馈还是串联负反馈——有点抽象，放个图，如图1所示，把书里面的同相比例放大电路的电阻掰一下就很明显了：
             
         图1：同相比例方法电流
      5. 还有一件事，如果是单个信号的负反馈线性放大，一般信号输入在同相就是同相比例放大，接在运放反相输入端就是反相比例放大；
   2. 对于正反馈和负反馈电路的研究——以书中ADA4077-2为例，网友们可以打开LTSpice软件，搜索该放大器件并选择导入官方例程即可。
      1. 电路图：
           
               
                                                    图2：同相比例放大电路                                                                            图2：正反馈——施密特触发器
      2. 直流仿真：
         

         图3：同相放大直流仿真                                                                图4：正反馈施密特直流仿真

          

      3. 我们可以看见上面仿真的情形下激励源是一个sine函数，但是峰峰值是不一样的±12，一个是±2，那么我们能不能产生找一个既能触发正反馈和，也能放大负反馈的点呢，emmm，事实上，我按着上面的电路图改来改去也没有成功，我最后找到了一个稍微近似的方法：把运放的供电电压改成了±5v，输入端的Vin设置为正弦信号±4.55V，频率10k输入，其余不变。
          
         图4：同相放大：
          
         图5：正反馈：
         从上面两个图可出，同样的设置，同相放大是有比例的在放大，正反馈一旦达到峰值的时候瞬间输出瞬间就成±Vcc。从图4的同相放大图也可以看到画红圈的那里其实已经失真了，运放放大倍数超过了限制，那，如果我们把它设置成更大的放大倍数呢？
          
         图6：同相放大失真：
         如图6，如果我们设置了较大的一个放大倍数（我设置了15倍），现在的图看上去其实和正反馈差别不是特别大，差了一个相位，其实也就是说如果负反馈失真了，其放大图像和正反馈其实几乎差别不大了，（不过这也没什么意义了，负反馈是用来放大小信号的，正反馈是用来对信号进行稳定输出）
      4. 进一步研究高通和低通电路：依然使用上面那两个电路
         1. 
               
            图7：正反馈                                                                                 图8：负反馈同相
         2. 正反馈和负反馈区别还是有的，波特图仿真下，在纯电阻电路下正反馈是一个高通电路，负反馈同相是一个低通电路，不过仔细看衰减非常严重，所谓的“通”也不能说是真正的通，尤其是正反馈。
         3. 通过负反馈继续研究高通低通，上面的电路是纯电阻网络，可能会存在LTspice模型设置好的寄生电容才表现的高通低通，我们现在如果主动在运放的输入端和反馈网络上加上电容又会如何呢？以书中12页的积分和微分电路为基础电路进行模拟：
               
            图9：微积分电路仿真模拟波特图（此刻直流仿真是微分电路的图像）
            从图9看得出，此刻电路是高通电路，那么如果我们更改输入端和反馈端的电容电阻又会如何：
         4. 仅更改电阻：都增加到10k，就成了带通电阻的形状。
             
         5. 更改电容C1为1n，C2为4uF，即原电阻的两个电容值的大小比例颠倒，电路又成为了高通
             
         6. 更改电容全部为1uF，电阻为10K，电路成了真正的低通
             
         7. 在不考虑实际放大的应用和是否失真等情况下，只是单纯对电路进行高通低通分析其实并不十分合理，但作为演示也还行。似乎通过上面几张图的仿真好像搞得更混了，电路的高通低通究竟是由什么决定的呢？
            这里我引用一张来自公众号“ 硬件工程师炼成之路”的图片来辅助进行解释：
            我们把反馈电路和输入端的电阻电容都用阻抗电阻Z1，Z2作为表示，对其进行放大倍数计算：输入端电阻电容为Ri，Ci(两者串联)，反馈网络电容电阻为Rf,Cf（两者并联）,通过拉式变换，得出增益曲线为：
            这个函数画出来的曲线根据实际值的不同，能够跟实际波特图曲线走向较为接近。  
         8. 我们根据可以通过这条公式，在GeoGeBra软件（网页端：GeoGebra - 风靡世界, 过亿师生沉迷使用的免费数学软件）进行画图模拟，
            把Rf=Ri=10k，Ci=Cf=1u代入公式，画出来的图确如一个我们仿真出来的波特图走向（其实波特图是因为用了lg函数把幅值进行了衰减，看上去数值小，更容易全局观看增益衰减程度），是一个低通电路。
             
         9. 好吧，到了这里似乎得出的结论是：当反馈网络和输入端网络同时存在电容电阻的时候，Z1/Z2是增益，通过拉式变换计算极点和零点，以及传递函数曲线，能够判断一个电路是高通亦或是低通。
         10. 如何快速判断高通低通？
             1. 可以通过判断传递函数曲线走向，即Z1/Z2的比值，最好使用拉式变换，通过把电容 电阻 电感化为拉式模型，我们能够直接沿用多个电阻串并联的情况下计算总电阻的法则（串联相加，并联上乘下加）去计算总阻抗，其实写到这里又有一个感想，就是为什么运放电路常常追求参数对称，应该原因是为了令电路分析频域变得更为简单。
             2. 还有一种能快速判定高通低通的情况：假设输入端和反馈端只能同时有一个电容，或者存有两个电容时候它们的容值相差极大
                1. 直观想象，如果一个电容放在了运放的输入端，我们可以想象为电容跟负载是串联的，电容通交流隔直流，通高频阻低频，那么不就只有越高频信号才能通过该电容，最后做用在负载上达到放大的目的吗？那这就是高通电路电路的前提。
                2. 如果电容放在了反馈网络之中，我们可以想象出这样一个模型，一个电容和负载并联，只有低频的信号才会通过负载，高频下信号就会直接从电容流走，那么就有了低通电路的前提
                3. 其实这样的电路原理模型高中就已经学过了，大学的电路课也同样有，一个电容的位置变化就决定了高通低通。
                   

                    

                4. 以上两种想象实际上并不能很准确的判断高通低通，因为电阻的存在，电容容值的变化，都会导致实际的情况有所变化，但也是一种思路吧。事实上，按我上面所说，仿真出来也却如预料。这张图红色的线来自于电容并联在运放反馈网络，是低通电路；绿色的线来自电容串联在运放输入端，高通电路；
                5. 要记得，高通低通，是相对于负载而言的，电容电阻的变动也是相对负载而变动。  
                   关于正负反馈和高通低通的研究到此先放一放，有兴趣的可以看书本的2.8.1部分，或者书本63页往后附件的内容，增益带宽积和相位裕度。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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帖子放出来好像图片会被遮挡住部分内容？什么情况。。。。可以直接点开看全图

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还有图像被压缩错位了。。。原本是并联的，大家从上往下看，图片顺序从小到大