电流负反馈放大器的原理分析与CAA计算机辅助分析设计

2 200W甲乙类电流负反馈放大器的CAA计算机辅助分析设计

　　由于电流负反馈放大器的设计比较复杂，很难用传统的数字解析法完成，因此用SPICE软件对电路进行计算机辅助分析设计。整个设计分为开环设计、闭环设计和动态输入信号的验证设计。

2．1 开环设计（包括直流工作点计算）
　　采用经典的电流负反馈放大器的拓扑结构，如图8所示。分为交叉耦合输入级、I／V变换、输出缓冲器三大部分，中点零电位主要由输入级元件的对称性保证，再加上运放组成的DC伺服电路，确保中点零电位的稳定。为了提高能量速度，交叉耦合输入级没有采用恒流源，输入级电流为3．0mA，比较大，主要是提高在正、负两个方向上转换速率的极限。I／V变换没有采用恒流源有源负载，而是用电阻检测输入缓冲放大级输出端的电流，两级推挽射极接地电路进行电压放大以提供足够的增益。输出缓冲器的静态电流设置为0．545A，由两对大功率管分担，8Ω负载上的甲类输出功率约5W。电路设计描述文件如下：

图8 开环仿真电路图

*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

设计结果，包括开环传输阻抗ZT——频率特性、开环传输阻抗相位——频率特性、反相输入端阻抗RIN——频率特性分别见图9和图10。

图9 开环传输阻抗特性曲线

图10 反相输入端特性曲线

　　开环传输阻抗ZT的直流值为130kΩ；反相输入端阻抗RIN的直流值为4．76Ω，最大值为6．63Ω，由于反相输入端阻抗RIN会降低电流负反馈放大器开环电压增益的直流值以及影响闭环电压增益的极点频率，所以在实际设计中要尽量减小这个值，这对提高转换速率也有好处；开环极点频率约31．5kHz。由公式（4）ωP＝1／（RT×CT），可计算出开环传输电容CT的值约为39pF。这个电容是制约电流负反馈放大器转换速率的内部参数。为了获得高的转换速率和提高放大器的小信号特性，应设计使这个电容尽量的小。以上的开环设计就是在这样的指导思想下，经过计算机大量仿真得出的。
2．2 闭环设计
　　闭环设计就是确定反馈网络。反馈网络设定了闭环增益和相位裕量。并且对一个电流负反馈放大器的设计来说，相位裕量是选择反馈网络的决定性因素。相位裕量的优化值为60°，此时闭环增益曲线平坦而且带宽最宽，放大器非常稳定。所以电流负反馈放大器的闭环设计就是确定反馈电阻RF，使开环相位在开环增益曲线与闭环增益曲线交点处频率降为－120°。图11是闭环设计仿真电路图，闭环增益＝1＋RF／RG＝31．6倍（30dB），RF＝2 156Ω，RG＝70．5Ω，开环电压增益＝ RT／（RE＋RIN）＝1781倍（65dB），最大环路增益为65－30＝35 dB。图12是闭环设计