晶体管负反馈放大电路的参数设计

放大倍数的推导
我们假设的电路在没有负反馈的时候,电路增益为a(也称为开环增益,或者裸增益,等于各极增益的乘积)。实际放大倍数av可以表示为:
这个公式可以推导出来,但推导的过程没有这么重要,我简单记录在这里,不理解也没有关系,因为后边使用到运算放大器的时候,“虚断”与“虚短”结合,即便不理解推导过程也不影响使用。
以下的所有推导过程都只考虑交流通路,因为放大的本来就是交流信号。
设输入信号vi,输出信号为vo,开环增益为a,实际增益为av,其中 av= vo/vi
分析r4与r5的连接点,电流的关系
电阻r4是反馈电阻,流过r4的电流i2可以表示为:
流过r5的电流i3可以表示为:
对于r4与r5连接点的电流情况分析,可知:
i1的理解比较麻烦,要假设电路是开环工作,没有负反馈,当输出电压为vo的时候,应该输入的电压为vi’。
vi’=vo/a
这个假想的输入电压在到达r4与r5的连接点的时候,感受到的电阻就是r4//r5
i1=(vo/a)/(r4×r5/(r4+r5))
所以
vi/r5=(vo-vi)/r4+(vo/a)×((r4+r5)/(r4×r5))
整理成vo/vi的格式得到:
实用的放大倍数公式
r4是反馈电阻,令β=r5/(r4+r5),那么放大倍数可以表示为:
β表示有多少输出返回到了输入,称为反馈率。上述公式是非常重要的一个公式,不仅适用于此处的晶体管负反馈放大,也  能够应用到运算放大器中。如果认为开环增益a非常大,那么反馈率几乎就是放大倍数的倒数:
注意,前提是开环增益a非常大。因此电路设计中,要时刻注意,想办法让开环增益尽可能的大一些。
不难看出,省略的是上述公式中的i1,因为a很大,vo一定,所以vi’很小,所以就把i1忽略了。这也是使用运放芯片时所谓的“虚断”。认为由于i1这个电流太小所以忽略。
为什么是“负反馈”?
下图是简化以后的交流工作情况,可以帮助我们分析负反馈的工作情况。
假设输入信号vi不变,因为某种情况,导致了输出信号vo变大,那么:
i2变大,i3不变,导致i1变小;
i1变小相当于放大电路的输入信号变小,所以vo变小,所以vo可以保持相对稳定的值,电路进行负反馈调节。
确定电阻与电位
这个电路的电阻比较多,但是确定电阻的过程并不复杂,主要在于确定电路的直流电位与工作电流。
为了使开环增益尽可能的大,可以把第一级的很大倍数设置为100倍,那么r2是r5的100倍。
设ic1为0.1ma,ve1=1v,那么可以算出r5+r7=10k,取r5为0.1k,r7为10k。
则r2=100×r1=10k,此时vc1=1v。
也可以算出r4=10k。
由ve1=1v可以得出vb1=1.6v,取偏置电路的电流为0.05ma,可分别取r1=68k,r2=33k。
由vc1=1v可以得出ve2=0.4v,取ic2为1ma可以算出r3≈390ω。
vb2=vc1=1v,理论上来讲第二级的集电极还有4v的电压范围,r8决定输入为0时的电压,可取vr2=2v,取ic2为1ma可以算出r8=2k。
输入与输出阻抗
输入阻抗同共射极放大电路,是r1//r6 。得益于较小的ic1,所以偏置电路的电流也无需太大,此处取值为0.05ma,所以偏置电路的电阻足够大,输入阻抗也足够大。
看上去输出阻抗就是r8的阻值。但实际上我们提到过,负反馈使得电路的性能提升,输出阻抗也会变小,所以我们可以连接合适的负载,通过观察空载输出波形的幅值与带负载(未失真的)波形幅值来计算输出阻抗。
图 负反馈电路输出阻抗测量图
假设电路的输出阻抗为ro,连接负载rl以后,输出的波形幅值从vo变成了vl,那么根据欧姆定律,不难分析出:
负反馈放大电路可以减小输出阻抗。事实上,如果开环增益是增加反馈后增益的x倍,那么最终的输出阻抗就是没有增加反馈时输出阻抗的1/x。
放大波形观察
观察q11集电极波形,发现相比于单纯的共射极放大电路,有一点失真,原因在于相当一部分电流流向了第二级,并从反馈回路返回到q1发射极。
对比输入与输出波形,大致是100倍放大,可以看出相位相同。因为一级共射放大相位相反,第二级放大相位再次相反,最终结果相位相同。

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