實驗五，運算放大器的負反饋
5.1 實驗背景
5.2 實驗內容
- 使用理想集成運放搭建負反饋正比例放大電路，比較開環頻率響應與閉環頻率響應
- 使用上一章節搭建的實際運放搭建負反饋電路正比例放大電路，比較開環頻率響應與閉環頻率響應
- 根據結果分析反饋的作用
5.3 實驗過程
- 測試ahdllib中理想運算放大器的頻率響應，如下圖所示搭建電路圖（理想運放為ahdllib中的opamp）
- 設置激勵進行仿真，得到如下結果（VDD=1.8V，GND=0V，Vref=1V，VIN=1V，VIP為1m，10MHz正弦波，直流分量1V）
- 搭建反饋電路，設置\(R_{ip}=R_{in}=1kΩ\)，\(R_F=10kΩ\)，如果要增大放大比例則調整\(R_F/R_{ip}\)
- 使用相同激勵條件進行仿真
- 將上一章節設計的二階運放封裝為symbol
- 調用該symbol搭建反饋放大電路
- 使用相同的激勵條件進行仿真
5.4 實驗分析
同相放大器的閉環增益為\(A_v \approx 20log(R_F/R_{ip})dB\)
理想放大器開環特性：
| 增益 | 3dB帶寬 | 單位增益帶寬 |
|---|---|---|
| 106.736dB | 9.24Hz | 2.05MHz |
理想放大器閉環放大特性：
| \(R_{F}/R_{ip}\) | 增益 | 3dB帶寬 | 單位增益帶寬 |
|---|---|---|---|
| 10 | 20.872dB | 89.856kHz | 994.432kHz |
| 100 | 40.077dB | 9.8567kHz | 1.0033MHz |
| 1000 | 59.929dB | 1.004kHz | 1.0039MHz |
真實放大器開環特性：
| 增益 | 3dB帶寬 | 單位增益帶寬 |
|---|---|---|
| 61.462dB | 1.667MHz | 2.06GHz |
真實放大器閉環特性：
| \(R_F/R_{ip}\) | 增益 | 3dB帶寬 | 單位增益帶寬 |
|---|---|---|---|
| 10 | 26.268dB | 97.925MHz | 1.487GHz |
| 100 | 44.649dB | 11.517MHz | 1.479GHz |
| 1000 | 57.389dB | 2.665MHz | 1.488GHz |
從以上仿真結果中可以分析出：
- 對於電壓型負反饋，改變反饋系數的情況下，單位增益帶寬（GBW）基本保持不變
- \(GBW=BW \times Gain\)，因此閉環閉環增大的情況下，3dB帶寬會相應減少，反之閉環增益減小，3dB帶寬增大
- 實際放大器的增益難以達到理想放大器的級別（100dB以上），所以理論上的\(H \rightarrow \infin\)很難滿足，反饋系數\(G\)越小，誤差\(X-YG=X/(1+GH)\)越大
- 對比普通的放大器，運算放大器開環工作的情況下的放大倍數要高很多，但相應的帶寬也大大減小，因此在實際使用時（信號的固定比例放大/反相/信號加減等）需要連接成負反饋的形式