1. 項(xiàng)目概述為什么反饋是放大電路的靈魂干了這么多年硬件設(shè)計(jì)畫過的板子、調(diào)過的電路不計(jì)其數(shù)要說哪個(gè)概念貫穿始終、最讓人又愛又恨那絕對(duì)是“反饋”。新手看模電書學(xué)到反饋這一章往往一頭霧水正反饋、負(fù)反饋、電壓串聯(lián)、電流并聯(lián)……一堆名詞把人繞暈。但等你真正動(dòng)手做一個(gè)音頻功放、一個(gè)傳感器調(diào)理電路或者一個(gè)穩(wěn)壓電源時(shí)才會(huì)恍然大悟沒有反饋的電路就像沒有方向盤的汽車性能根本無(wú)從談起。它決定了你的電路是穩(wěn)定可靠還是一上電就自激振蕩冒青煙是能精準(zhǔn)放大微弱的心電信號(hào)還是輸出被噪聲淹沒。簡(jiǎn)單說反饋就是把放大電路輸出信號(hào)的一部分或全部通過某種方式“送”回輸入端與原始輸入信號(hào)進(jìn)行比較和疊加。聽起來簡(jiǎn)單但這里面門道太深了。它不僅是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放大、精確控制增益的核心手段更是設(shè)計(jì)濾波器、振蕩器、穩(wěn)壓器等幾乎所有模擬電路功能模塊的基礎(chǔ)。這次我們就拋開教科書上繁瑣的推導(dǎo)直接從工程實(shí)踐的角度拆解放大電路中的反饋——它怎么工作怎么判斷怎么設(shè)計(jì)以及最關(guān)鍵的調(diào)試時(shí)那些教科書上不會(huì)寫的坑。2. 反饋的基本概念與核心類型辨析2.1 正反饋與負(fù)反饋穩(wěn)定與振蕩的分水嶺判斷反饋是正還是負(fù)是分析電路的第一步也是最容易出錯(cuò)的一步。教科書上教你“瞬時(shí)極性法”但實(shí)際電路中寄生參數(shù)、相位延遲會(huì)讓你在圖紙上完美的分析失效。負(fù)反饋是咱們?cè)诜糯箅娐防镒畛Ｓ玫?。它的核心作用是“糾偏”輸出信號(hào)變大了就送回去一個(gè)信號(hào)讓它變小點(diǎn)輸出變小了就讓它變大點(diǎn)。最終目的是讓輸出穩(wěn)定在我們期望的值附近。它犧牲了一部分增益開環(huán)增益換來了增益穩(wěn)定性、帶寬擴(kuò)展、非線性失真減小、輸入輸出阻抗改變等一系列寶貴特性。你用的任何一款運(yùn)算放大器其內(nèi)部核心就是一個(gè)高增益放大器加上深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)這才保證了它“虛短”“虛斷”的理想特性得以近似實(shí)現(xiàn)。正反饋則相反是“助長(zhǎng)”輸出變化被反饋回去后進(jìn)一步加強(qiáng)了這個(gè)變化趨勢(shì)。這聽起來像是搞破壞但在需要“突變”或“振蕩”的場(chǎng)合不可或缺。比如比較器的遲滯特性施密特觸發(fā)器就是利用正反饋來實(shí)現(xiàn)抗抖動(dòng)而文氏橋振蕩器、LC振蕩電路則是利用正反饋來產(chǎn)生并維持持續(xù)的振蕩信號(hào)。實(shí)操心得判斷反饋極性時(shí)千萬(wàn)別只看直流路徑。對(duì)于高頻信號(hào)PCB走線電感、晶體管結(jié)電容帶來的相位偏移可能高達(dá)幾十度。一個(gè)在低頻下是穩(wěn)穩(wěn)負(fù)反饋的電路到了某個(gè)高頻點(diǎn)相位偏移累積到180°負(fù)反饋就可能變成正反饋引發(fā)自激振蕩。所以仿真時(shí)一定要做交流AC分析和瞬態(tài)Tran分析看相位裕度。2.2 四種基本反饋組態(tài)電壓與電流串聯(lián)與并聯(lián)這是反饋分析的經(jīng)典框架決定了反饋網(wǎng)絡(luò)如何采樣輸出、如何影響輸入。很多朋友分不清關(guān)鍵在于抓住“取樣”和“疊加”兩個(gè)動(dòng)作的物理本質(zhì)。電壓串聯(lián)負(fù)反饋這是最常見的運(yùn)放同相放大電路結(jié)構(gòu)。反饋網(wǎng)絡(luò)采樣的是輸出電壓并聯(lián)在輸出端以串聯(lián)形式送回到輸入回路反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以電壓形式串聯(lián)比較。它穩(wěn)定輸出電壓能增大輸入電阻、減小輸出電阻。像音頻前置放大級(jí)需要高輸入阻抗來匹配麥克風(fēng)或吉他就常用這種結(jié)構(gòu)。電壓并聯(lián)負(fù)反饋典型電路是運(yùn)放反相放大。反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓但以并聯(lián)形式送回到輸入端反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端節(jié)點(diǎn)以電流形式并聯(lián)疊加。它同樣穩(wěn)定輸出電壓但會(huì)減小輸入電阻和輸出電阻。因?yàn)檩斎腚娮杞频扔谛盘?hào)源串聯(lián)的電阻所以這種電路輸入阻抗通常不高。電流串聯(lián)負(fù)反饋經(jīng)典例子是共射放大電路中發(fā)射極電阻Re沒有旁路電容時(shí)。反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電流Re上的電壓正比于發(fā)射極電流也近似等于集電極電流以串聯(lián)電壓形式送回到輸入回路Re上的電壓與輸入電壓串聯(lián)比較。它穩(wěn)定輸出電流能增大輸入電阻和輸出電阻。常用于需要恒流輸出的場(chǎng)合比如給LED供電的驅(qū)動(dòng)級(jí)。電流并聯(lián)負(fù)反饋相對(duì)少見一些在兩級(jí)放大器中存在。反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電流以并聯(lián)電流形式送回到輸入端。它穩(wěn)定輸出電流會(huì)減小輸入電阻和輸出電阻。如何快速判斷教你一個(gè)土辦法將輸出端對(duì)地短路Vo0。如果短路后反饋信號(hào)消失反饋網(wǎng)絡(luò)兩端電壓為0那就是電壓反饋采樣電壓。如果短路后反饋信號(hào)依然存在比如反饋網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在輸出回路電流還在那就是電流反饋采樣電流。將輸入端對(duì)地短路假設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為零。如果短路后反饋信號(hào)被短路到地?zé)o法作用到放大器的凈輸入端那就是并聯(lián)反饋在輸入節(jié)點(diǎn)疊加。如果短路后反饋信號(hào)依然能作用到放大器的凈輸入端比如反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)那就是串聯(lián)反饋在輸入回路疊加。2.3 深度負(fù)反饋下的“虛短”與“虛斷”這是工程計(jì)算的大殺器。當(dāng)環(huán)路增益足夠大時(shí)即開環(huán)增益A乘以反饋系數(shù)F遠(yuǎn)大于1對(duì)于負(fù)反饋電路我們可以近似認(rèn)為串聯(lián)負(fù)反饋輸入端的反饋電壓與輸入電壓近似相等即運(yùn)放同相端和反相端電壓近似“虛短”。并聯(lián)負(fù)反饋輸入端的反饋電流與輸入電流近似相等即運(yùn)放輸入端電流近似為零即“虛斷”。注意“虛短”和“虛斷”是結(jié)果而不是運(yùn)放固有的屬性。它們是深度負(fù)反饋條件下推導(dǎo)出的近似結(jié)論極大地簡(jiǎn)化了電路分析。比如同相放大電路的增益直接就是 1 (Rf/R1)反相放大電路的增益就是 -Rf/R1根本不需要知道運(yùn)放內(nèi)部的開環(huán)增益到底是多少萬(wàn)。但切記這個(gè)近似成立的前提是環(huán)路增益足夠大且運(yùn)放工作在線性區(qū)。當(dāng)輸出接近電源軌飽和或頻率過高導(dǎo)致開環(huán)增益下降時(shí)這個(gè)近似就不成立了。3. 反饋對(duì)放大電路性能的深刻影響3.1 增益的穩(wěn)定與“脫敏”這是負(fù)反饋?zhàn)钪匾呢暙I(xiàn)之一。假設(shè)基本放大器的開環(huán)增益為A它可能隨溫度、電源電壓、器件批次變化很大。引入反饋系數(shù)為F的負(fù)反饋后閉環(huán)增益 Af A / (1 AF)。當(dāng)環(huán)路增益AF 1時(shí)Af ≈ 1/F。看這個(gè)公式就明白了閉環(huán)增益幾乎只由反饋網(wǎng)絡(luò)通常是電阻分壓網(wǎng)絡(luò)決定。電阻的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于晶體管或運(yùn)放的增益穩(wěn)定性。這就實(shí)現(xiàn)了增益的“脫敏”。比如你需要一個(gè)100倍40dB的放大器用一個(gè)開環(huán)增益10萬(wàn)倍100dB的運(yùn)放配合精密的1%電阻搭建反饋網(wǎng)絡(luò)得到的閉環(huán)增益精度主要就由這兩個(gè)電阻的精度決定基本不用操心運(yùn)放本身增益的漂移。3.2 頻帶的擴(kuò)展與增益帶寬積放大器的高頻響應(yīng)之所以下降是因?yàn)閮?nèi)部的寄生電容導(dǎo)致其開環(huán)增益A隨頻率升高而下降通常有一個(gè)主極點(diǎn)表現(xiàn)為-20dB/十倍頻程的滾降。引入負(fù)反饋后雖然中頻增益下降了1AF倍但上限截止頻率卻提高了1AF倍。這就是著名的增益帶寬積GBW恒定概念。對(duì)于一個(gè)單極點(diǎn)運(yùn)放其開環(huán)增益帶寬積是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)你通過負(fù)反饋降低閉環(huán)增益時(shí)你實(shí)際上是用增益換取了帶寬。例如一個(gè)GBW為1MHz的運(yùn)放做開環(huán)放大理論上增益無(wú)窮大時(shí)帶寬可能只有10Hz當(dāng)你把它接成增益為10倍的放大器時(shí)帶寬就能擴(kuò)展到約100kHz。這個(gè)特性在選擇運(yùn)放時(shí)至關(guān)重要如果你的電路既需要高增益又需要寬帶寬就必須選擇GBW足夠高的運(yùn)放。3.3 非線性失真的改善放大器本質(zhì)是非線性的大信號(hào)時(shí)尤其明顯會(huì)產(chǎn)生諧波失真。負(fù)反饋如何改善它可以這樣理解假設(shè)輸入是一個(gè)純凈的正弦波由于放大器的非線性輸出波形會(huì)有畸變包含諧波。這個(gè)畸變的輸出被取樣反饋回輸入端與純凈的輸入相減得到的誤差信號(hào)本身就包含了與失真成分相反的“預(yù)失真”信息。這個(gè)誤差信號(hào)再經(jīng)過放大器放大就能部分抵消掉原本要產(chǎn)生的非線性失真。注意負(fù)反饋改善的是由放大器本身引入的非線性失真它不能改善輸入信號(hào)中固有的失真也不能消除由電源噪聲、外部干擾引入的失真。而且改善的程度與環(huán)路增益1AF直接相關(guān)環(huán)路增益越大改善效果越明顯。但這也意味著在輸出幅度接近電源軌、環(huán)路增益下降的區(qū)域失真改善效果會(huì)變差。3.4 輸入與輸出阻抗的改造這是反饋電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行阻抗匹配的關(guān)鍵依據(jù)。串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻。因?yàn)榉答佇盘?hào)以電壓形式串聯(lián)在輸入回路抵消了部分輸入電壓使得凈輸入電流減小從而表現(xiàn)為輸入電阻增大。對(duì)于電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻增大到約1AF倍。并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻。因?yàn)榉答佇盘?hào)以電流形式并聯(lián)到輸入端增大了從信號(hào)源看進(jìn)去的總輸入電流從而表現(xiàn)為輸入電阻減小。對(duì)于電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻減小到約 1/(1AF)倍。電壓負(fù)反饋減小輸出電阻。因?yàn)樗€(wěn)定輸出電壓意味著當(dāng)負(fù)載變化引起輸出電流變化時(shí)電路能快速調(diào)整以維持電壓恒定這就像一個(gè)內(nèi)阻很小的電壓源表現(xiàn)為輸出電阻減小。輸出電阻減小到約 1/(1AF)倍。電流負(fù)反饋增大輸出電阻。因?yàn)樗€(wěn)定輸出電流意味著當(dāng)負(fù)載變化時(shí)電路會(huì)調(diào)整輸出電壓以維持電流恒定這就像一個(gè)內(nèi)阻很大的電流源表現(xiàn)為輸出電阻增大。輸出電阻增大到約1AF倍。理解這一點(diǎn)你就能主動(dòng)設(shè)計(jì)電路的輸入輸出阻抗。比如要做一個(gè)高輸入阻抗的緩沖器電壓跟隨器就用電壓串聯(lián)負(fù)反饋同相端輸入。要做一個(gè)電流源就用電流串聯(lián)負(fù)反饋比如帶Re的共射電路。4. 反饋電路的穩(wěn)定性分析與補(bǔ)償設(shè)計(jì)4.1 自激振蕩的根源相位裕度與增益裕度這是調(diào)試中最頭疼的問題。理論上負(fù)反饋電路在環(huán)路增益AF的幅值為10dB的頻率點(diǎn)如果其相位偏移達(dá)到了-180°那么負(fù)反饋就變成了正反饋。如果此時(shí)環(huán)路增益的幅值還大于等于1電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。為什么會(huì)有相位偏移放大器內(nèi)部的各級(jí)晶體管、MOS管以及我們外接的反饋網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載電容、寄生電容都會(huì)引入相位延遲。一個(gè)單極點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生最多-90°的相移兩級(jí)放大器就容易達(dá)到-180°。所以多級(jí)深度負(fù)反饋電路是自激振蕩的重災(zāi)區(qū)。判斷穩(wěn)定性我們看兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)相位裕度Phase Margin, PM在環(huán)路增益幅值降到0dB的頻率點(diǎn)增益交界頻率其相位距離-180°還有多少度。工程上一般要求大于45°最好大于60°以保證良好的瞬態(tài)響應(yīng)過沖小。增益裕度Gain Margin, GM在相位達(dá)到-180°的頻率點(diǎn)相位交界頻率環(huán)路增益的幅值低于0dB多少dB。一般要求大于10dB。4.2 使用波特圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)離不開仿真軟件。用SPICE類工具如LTspice, PSpice對(duì)反饋環(huán)路進(jìn)行開環(huán)分析有時(shí)需要插入一個(gè)大的電感電容來斷開環(huán)路并注入測(cè)試信號(hào)直接得到環(huán)路的幅頻和相頻特性曲線波特圖是最直觀的方法。看波特圖時(shí)找到幅頻曲線穿過0dB線的頻率點(diǎn) f0。在相頻曲線上找到對(duì)應(yīng) f0 的相位值 φ。計(jì)算相位裕度 PM φ - (-180°) φ 180°。找到相頻曲線穿過-180°線的頻率點(diǎn) f180。在幅頻曲線上找到對(duì)應(yīng) f180 的增益值 G。計(jì)算增益裕度 GM 0dB - G。如果PM太小或GM為負(fù)電路就不穩(wěn)定。4.3 常見的頻率補(bǔ)償技術(shù)當(dāng)發(fā)現(xiàn)電路不穩(wěn)定時(shí)就需要進(jìn)行補(bǔ)償。核心思想是在保證低頻環(huán)路增益的前提下主動(dòng)降低高頻段的環(huán)路增益或者調(diào)整相位曲線讓系統(tǒng)在0dB增益交點(diǎn)處有足夠的相位裕度。主極點(diǎn)補(bǔ)償在放大器的內(nèi)部或反饋網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)足夠低的極點(diǎn)比如在運(yùn)放的補(bǔ)償引腳接一個(gè)電容到地讓幅頻曲線更早地開始以-20dB/十倍頻程下降。這樣在相位累積到-180°之前增益就已經(jīng)降到0dB以下了。這是最簡(jiǎn)單粗暴的方法但會(huì)嚴(yán)重犧牲帶寬。米勒補(bǔ)償利用米勒效應(yīng)將一個(gè)跨接在輸入輸出端的小電容補(bǔ)償電容Cc等效放大在輸入端產(chǎn)生一個(gè)很大的等效電容從而引入一個(gè)低頻主極點(diǎn)。這是集成運(yùn)放內(nèi)部最常用的補(bǔ)償方式。超前-滯后補(bǔ)償零極點(diǎn)補(bǔ)償更精細(xì)的方法。在反饋網(wǎng)絡(luò)中通過串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)引入一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)。零點(diǎn)可以用來抵消放大器本身的一個(gè)不良極點(diǎn)提升相位而引入的新極點(diǎn)則放在更高頻處用于最終滾降增益。這種補(bǔ)償可以在不顯著降低帶寬的情況下提高穩(wěn)定性。輸出端加小電容負(fù)載電容補(bǔ)償在運(yùn)放輸出端到地之間加一個(gè)小電容幾十pF。這會(huì)引入一個(gè)額外的極點(diǎn)降低高頻增益。但要注意這個(gè)電容會(huì)和運(yùn)放的輸出電阻形成極點(diǎn)同時(shí)也會(huì)和負(fù)載阻抗相互作用可能引發(fā)新的問題。通常需要串聯(lián)一個(gè)小電阻幾歐姆到幾十歐姆再接電容形成“snubber”網(wǎng)絡(luò)效果更好。踩坑實(shí)錄曾經(jīng)設(shè)計(jì)一個(gè)光電探測(cè)器的前置放大電路用了高速運(yùn)放反饋電阻1MΩ理論上增益1000倍。上電后輸出端就是一個(gè)幾十MHz的正弦波完全自激。問題就出在反饋電阻的寄生電容和運(yùn)放的輸入電容形成了一個(gè)高頻極點(diǎn)。解決方法是在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)3pF的小電容構(gòu)成了一個(gè)超前補(bǔ)償在反饋網(wǎng)絡(luò)中引入零點(diǎn)抵消了部分相位滯后立刻穩(wěn)定。這個(gè)電容的值需要仔細(xì)調(diào)整太大了會(huì)降低帶寬太小了補(bǔ)償不足。5. 典型反饋放大電路實(shí)例剖析5.1 運(yùn)放構(gòu)成的同相/反相比例放大電路這是反饋?zhàn)钪庇^的體現(xiàn)。同相放大電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)由Rf和R1分壓采樣輸出電壓反饋電壓Vf Vo * [R1/(R1Rf)]。在深度負(fù)反饋下“虛短”成立V ≈ V-。而V Vin V- Vf。所以 Vin ≈ Vo * [R1/(R1Rf)] 推導(dǎo)出閉環(huán)增益 Av Vo/Vin 1 Rf/R1。輸入電阻極大運(yùn)放本身輸入電阻乘以1AF輸出電阻極小。反相放大電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)Rf連接輸出和反相輸入端。輸入信號(hào)通過R1加到反相端。在深度負(fù)反饋下“虛斷”成立反相端輸入電流為零所以流過R1的電流等于流過Rf的電流。“虛短”成立反相端電壓≈同相端電壓0接地。所以 (Vin - 0)/R1 (0 - Vo)/Rf 推導(dǎo)出閉環(huán)增益 Av Vo/Vin -Rf/R1。輸入電阻近似等于R1因?yàn)榉聪喽耸恰疤摰亍陛敵鲭娮铇O小。選型與注意事項(xiàng)電阻取值反饋電阻Rf不宜過大如1MΩ否則寄生電容影響大易振蕩也不宜過小如1kΩ否則耗電大可能超出運(yùn)放輸出電流能力。通常取幾kΩ到幾百kΩ之間。R1和Rf的比值決定增益。平衡電阻對(duì)于雙電源供電的精密運(yùn)放在同相端和地之間接一個(gè)電阻阻值等于R1與Rf的并聯(lián)值可以減小輸入偏置電流引起的失調(diào)電壓。但對(duì)于CMOS輸入級(jí)的運(yùn)放偏置電流極小這個(gè)電阻通?？梢允÷浴捰?jì)算務(wù)必查運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)的增益帶寬積GBW。例如一個(gè)GBW10MHz的運(yùn)放接成增益為10倍的同相放大器其-3dB帶寬大約為 10MHz / 10 1MHz。如果你的信號(hào)頻率接近1MHz增益就會(huì)開始下降。5.2 分立元件共射放大電路中的反饋以最經(jīng)典的分壓式偏置共射放大電路為例分析發(fā)射極電阻Re帶來的反饋。無(wú)旁路電容CeRe直接連接在發(fā)射極和地之間。此時(shí)輸出電流約等于集電極電流Ic在Re上產(chǎn)生電壓Ve IeRe ≈ IcRe。這個(gè)電壓串聯(lián)在輸入回路基極-發(fā)射極之間與輸入電壓Vbe形成串聯(lián)比較關(guān)系。因此這是一個(gè)電流串聯(lián)負(fù)反饋。它穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)溫度升高→Ic↑→Ve↑→Vbe↓→Ib↓→Ic↓。它增大了輸入電阻從rbe增加到rbe(1β)Re。它增大了輸出電阻。它降低了電壓增益Av ≈ -Rc / Re當(dāng)(1β)Re rbe時(shí)。有旁路電容CeRe兩端并聯(lián)了一個(gè)大電容通常10μF以上。對(duì)于直流和低頻信號(hào)電容阻抗很大Re仍然起直流負(fù)反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。但對(duì)于中頻交流信號(hào)電容阻抗接近于零相當(dāng)于把Re短路了交流負(fù)反饋消失此時(shí)電壓增益恢復(fù)到較高水平Av ≈ -βRc / rbe。設(shè)計(jì)要點(diǎn)Re的取值需要在穩(wěn)定性、增益和輸入阻抗之間權(quán)衡。Re越大直流工作點(diǎn)越穩(wěn)定交流增益損失也越大。旁路電容Ce的取值需要使其在最低工作頻率下的容抗遠(yuǎn)小于Re通常1/(2πfCe) Re/10。例如音頻放大電路最低頻率20HzRe1kΩ則Ce需要 1/(2π20*100) ≈ 80μF通常取100μF以上。一個(gè)常見的改進(jìn)是將Re拆分成兩個(gè)電阻串聯(lián)只將其中一個(gè)電阻旁路。這樣既能保留一部分交流負(fù)反饋以改善性能如失真又能獲得比完全旁路時(shí)更高的增益。5.3 差分放大電路與反饋差分放大電路本身具有抑制共模信號(hào)、放大差模信號(hào)的能力。當(dāng)引入反饋時(shí)情況變得更加有趣和強(qiáng)大。運(yùn)放構(gòu)成的差分放大電路本質(zhì)上是一個(gè)減法器。它結(jié)合了反相放大和同相放大的原理。分析時(shí)可以運(yùn)用疊加定理。為了保證共模抑制比CMRR要求電阻匹配精度非常高R1/R2 R3/R4。任何失配都會(huì)導(dǎo)致共模信號(hào)被部分放大降低CMRR。這是高精度測(cè)量電路中的關(guān)鍵點(diǎn)。在儀表放大器Instrumentation Amplifier中反饋被用到極致。一個(gè)經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器前級(jí)是兩個(gè)同相放大器構(gòu)成一個(gè)高輸入阻抗的差分放大級(jí)并帶有設(shè)定增益的反饋電阻Rg。第二級(jí)是一個(gè)差分放大器將雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出。這里的反饋網(wǎng)絡(luò)精確控制了差分增益和共模抑制能力是橋式傳感器如應(yīng)變片、壓力傳感器信號(hào)調(diào)理的絕對(duì)主力。調(diào)試難點(diǎn)電阻匹配必須使用高精度、低溫漂的電阻如0.1%精度25ppm/°C四個(gè)電阻最好來自同一批次。使用集成儀表放大器芯片如AD620, INA128是更可靠的選擇其內(nèi)部電阻經(jīng)過激光修調(diào)匹配度極高。共模電壓范圍輸入信號(hào)的共模電壓必須在運(yùn)放的輸入共模電壓范圍之內(nèi)同時(shí)也要在電源電壓允許的范圍內(nèi)。對(duì)于單電源供電的運(yùn)放需要特別注意。參考端差分放大電路的輸出是相對(duì)于其參考端的電壓。參考端通常接地但也可以接到一個(gè)電壓上以實(shí)現(xiàn)輸出電平的平移。6. 反饋電路的設(shè)計(jì)流程與調(diào)試實(shí)戰(zhàn)6.1 設(shè)計(jì)流程從需求到電路明確指標(biāo)首先確定你的核心需求。是需要高精度電壓反饋、高輸出電流能力可能需要電流反饋、高輸入阻抗串聯(lián)反饋、寬帶寬考慮增益帶寬積還是低失真明確增益、帶寬、輸入輸出阻抗、電源電壓、功耗等硬性指標(biāo)。選擇拓?fù)涓鶕?jù)指標(biāo)選擇反饋組態(tài)。高輸入阻抗選電壓串聯(lián)同相需要反相或低輸入阻抗選電壓并聯(lián)反相需要穩(wěn)定電流選電流串聯(lián)需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓跨阻放大器選電流并聯(lián)常用于光電二極管前置放大。選擇核心器件主要是運(yùn)算放大器或晶體管。根據(jù)帶寬GBW、壓擺率Slew Rate、噪聲、輸入失調(diào)電壓/電流、電源電壓范圍等關(guān)鍵參數(shù)選擇型號(hào)。例如高速應(yīng)用選高速運(yùn)放如AD8065, OPA847高精度選精密運(yùn)放如OPA277, ADA4625低功耗選微功耗運(yùn)放如LPV521。計(jì)算反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)根據(jù)增益公式計(jì)算電阻值。遵循電阻取值原則幾kΩ-幾百kΩ。如果需要設(shè)定偏置還需計(jì)算偏置電阻網(wǎng)絡(luò)。穩(wěn)定性分析與補(bǔ)償在仿真軟件中搭建電路進(jìn)行交流分析和瞬態(tài)分析如方波響應(yīng)查看波特圖、相位裕度、瞬態(tài)過沖。如果不穩(wěn)定根據(jù)第4節(jié)的方法添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電容、RC網(wǎng)絡(luò)并優(yōu)化參數(shù)。其他性能仿真進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、噪聲分析、瞬態(tài)大信號(hào)分析看失真和壓擺率限制、蒙特卡洛分析看元件容差影響等。PCB布局考慮反饋環(huán)路要短這是黃金法則。反饋路徑上的寄生電感電容會(huì)引入額外的相移可能導(dǎo)致振蕩。運(yùn)放的電源引腳必須就近放置退耦電容通常一個(gè)0.1μF陶瓷電容并聯(lián)一個(gè)10μF鉭電容。模擬地單點(diǎn)接地避免數(shù)字噪聲串?dāng)_。6.2 調(diào)試實(shí)戰(zhàn)從現(xiàn)象到問題電路焊好上電測(cè)試問題來了。下面是一些常見故障和排查思路問題一輸出持續(xù)振蕩自激現(xiàn)象輸出端用示波器看有一個(gè)高頻可能從幾百kHz到幾十MHz的正弦波即使輸入接地也有。排查檢查補(bǔ)償是否忘了加頻率補(bǔ)償電容反饋電阻上并聯(lián)的小電容幾pF到幾十pF是否合適可以嘗試增大該電容值。檢查布局反饋?zhàn)呔€是否過長(zhǎng)是否靠近噪聲源或電源線嘗試用短線直接焊接反饋元件。檢查電源退耦電源引腳處的退耦電容是否緊挨著芯片電容值是否足夠可以用示波器探頭直接測(cè)芯片電源引腳看是否有高頻噪聲。檢查負(fù)載負(fù)載是否是容性的如長(zhǎng)電纜、容性傳感器容性負(fù)載會(huì)在運(yùn)放輸出端引入附加極點(diǎn)容易引發(fā)振蕩。可以在運(yùn)放輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻10-100Ω再接負(fù)載。降低增益臨時(shí)增大反饋電阻或減小輸入電阻降低閉環(huán)增益看是否振蕩消失。如果消失說明在原增益下環(huán)路穩(wěn)定性不足。問題二直流輸出偏移過大現(xiàn)象輸入接地時(shí)輸出不為零有一個(gè)固定的直流電壓。排查運(yùn)放失調(diào)電壓查閱運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)的輸入失調(diào)電壓Vos參數(shù)。對(duì)于一個(gè)反相放大器失調(diào)電壓導(dǎo)致的輸出誤差為 Vos * (1 Rf/R1)。如果這個(gè)誤差不可接受需要選擇Vos更小的精密運(yùn)放或者使用調(diào)零電路如果運(yùn)放有調(diào)零引腳。輸入偏置電流運(yùn)放輸入端需要微小的偏置電流。如果兩個(gè)輸入端看到的直流電阻不相等偏置電流就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓。檢查同相端和反相端對(duì)地的直流電阻是否平衡。對(duì)于反相放大同相端對(duì)地電阻應(yīng)等于R1與Rf的并聯(lián)值。檢查電源電壓用萬(wàn)用表測(cè)量運(yùn)放的正負(fù)電源電壓是否對(duì)稱、是否在額定范圍內(nèi)。問題三高頻響應(yīng)差方波出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象輸入高頻信號(hào)或方波時(shí)輸出波形上升沿變緩頂部有過沖和振蕩。排查相位裕度不足這是振鈴的直接原因。雖然電路沒有持續(xù)振蕩但瞬態(tài)響應(yīng)很差。需要增加相位裕度方法同“問題一”的排查優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。壓擺率限制如果方波上升沿呈線性斜坡狀而不是指數(shù)形式可能是輸入信號(hào)變化太快超出了運(yùn)放的壓擺率SR限制。計(jì)算一下需要的壓擺率SR 2πf * Vpf為信號(hào)頻率Vp為輸出峰值電壓。選擇更高SR的運(yùn)放。帶寬不足增益帶寬積不夠。計(jì)算電路閉環(huán)帶寬是否大于信號(hào)頻率。問題四輸出噪聲大現(xiàn)象輸出端有明顯的毛刺或?qū)掝l帶噪聲。排查電阻熱噪聲反饋電阻和輸入電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。噪聲電壓與電阻值的平方根成正比。在滿足帶寬和驅(qū)動(dòng)能力的前提下盡量使用較小的電阻值。運(yùn)放本身噪聲查閱運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)的電壓噪聲密度nV/√Hz和電流噪聲密度pA/√Hz參數(shù)。對(duì)于高阻值反饋網(wǎng)絡(luò)電流噪聲的影響會(huì)變得顯著。電源噪聲劣質(zhì)的電源或糟糕的退耦會(huì)導(dǎo)致電源噪聲耦合到信號(hào)中。用示波器檢查電源引腳上的噪聲。布局與接地不合理的布局和接地環(huán)路會(huì)引入電磁干擾。確保模擬部分和數(shù)字部分隔離使用單點(diǎn)接地或星型接地。6.3 必備工具與測(cè)量技巧示波器觀察時(shí)域波形看振蕩、失真、振鈴。一定要用探頭上的“×1”和“×10”檔位正確補(bǔ)償。測(cè)量高頻振蕩時(shí)建議使用“×10”檔以減少探頭電容對(duì)電路的影響。網(wǎng)絡(luò)分析儀或帶波特圖功能的示波器這是分析反饋環(huán)路穩(wěn)定性的終極工具?？梢灾苯訙y(cè)量環(huán)路的增益和相位曲線。如果沒有可以用信號(hào)發(fā)生器和示波器手動(dòng)掃頻但非常耗時(shí)。頻譜分析儀用于定量分析噪聲和失真成分尤其是高頻振蕩的頻率和幅度。仿真軟件設(shè)計(jì)階段不可或缺。LTspice免費(fèi)且強(qiáng)大TI、ADI等公司也提供基于SPICE的仿真工具。仿真不能完全替代實(shí)際測(cè)試但能規(guī)避掉大部分低級(jí)錯(cuò)誤和原理性問題。反饋是模擬電路的基石也是其魅力和挑戰(zhàn)所在。它像是一把雙刃劍用好了電路性能飛升用不好調(diào)試過程痛不欲生。理解其本質(zhì)掌握分析和設(shè)計(jì)方法再結(jié)合實(shí)際的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)?zāi)悴拍苷嬲{馭它。每次調(diào)通一個(gè)振蕩的電路那種成就感是數(shù)字電路設(shè)計(jì)難以比擬的。記住理論計(jì)算和仿真只是起點(diǎn)最終一切都要在真實(shí)的電路板上驗(yàn)證。多動(dòng)手多測(cè)量多思考現(xiàn)象背后的原因經(jīng)驗(yàn)就是這樣一點(diǎn)點(diǎn)積累起來的。