环路负反馈放大器的响应速度
我们知道反馈响应速度无限大是理想放大器另一个的重要条件,环路负反馈系统的响应速度是指反馈回路的调节跟踪速度,实际电路中响应速度是有限的,所以输出跟踪上输入的变化需要一定时间。
环路负反馈的响应速度必须大大于放大信号的变化速度才能得到较好的反馈跟踪效果,要求环路负反馈得到的效果越好,其响应速度要求越高,高的环路负反馈响应速度对应宽的放大频响,所以对于环路负反馈放大器来说放大器频响远宽于放大信号频带是优质放大器的一个特征。
宽带反馈放大器面临的一个重要问题是保持放大器的稳定性。现在我们通常用转换速率(SR)来表示反馈放大器的响应速度,需要注意的是按照其测试方法,这是在大信号条件下、并且放大器内部已经存在严重的失真时的数据,这个指标不能代表反馈放大器在实际信号下的响应速度,所以只具有参考意义。
环路负反馈放大器的稳定性
既然环路负反馈放大器的反馈深度和响应速度都与反馈环路的稳定性有关,所以解决其稳定性问题是设计高质量放大器的重要工作。
使环路反馈不稳定的原因是,反馈环路在某一频率上的相移达到负180度而满足正反馈条件,同时该频率上的环路增益大于1,因满足自激振荡的条件而产生振荡,消除其相位条件或幅度条件都可以解决这个问题,减小反馈深度就是一种直接的消除幅度条件的方法,而消除相位条件需要更为仔细的设计。
由于环路内涉及多级放大,多个极点,所以优化的难度很大,使用电路模拟设计软件会有很大帮助,如Pspice。
当负载电路包含在反馈回路中时,不确定的负载阻抗会给稳定性设计带来较大的影响,实际中就需要留有较大的稳定裕量,高保真功率放大器就工作于这种状态。
环路负反馈放大器的瞬态失真
实际的放大器都是动态范围有限的,即当输入端信号超过一定范围时,放大器内部会进入非线性限幅状态,一般来说放大器的开环增益越高,输入端信号的动态范围越小,即只要有很小的输入信号就会使输出信号进入满幅状态。
如果输入信号的变化速率过快,使反馈信号不能跟上输入信号的变化速率,就会发生环路负反馈放大器特有的瞬态失真,此时反馈信号与输入信号的跟踪误差由于非线性限幅而变大,即反馈信号相对输入信号产生了较大的非
线性失真,所以输出信号相对输入信号也产生了较大的非线性失真。
为避免环路负反馈放大器的动态失真,可以采用以下三种方法:
其一,限制输入信号的变换速率,即减小输入信号带宽,这种方法很容易实施,但输入信号带宽过窄会影响放大信号的保真度,低要求的系统经常使用这种方法。
其二,增加放大器的动态范围,提高放大器的供电电压就是最直接有效的一种方法,缺点是这种方法会降低放大器的效率;降低反馈深度也相当于增加动态范围,缺点是减小了反馈所带来的性能提高。
其三,提高反馈信号的响应速度,这是一种较好的解决方法,需要较高的电路设计技术来达到。
高保真放大器中的环路负反馈技术应用
高保真放大器是对放大器性能要求极高的线性放大应用,各种有助于改善放大器性能的技术在这里都得到应用。
我们现在可以得到的有源放大器件都不是理想的线性器件,当其工作在大动态时其非线性尤其严重,例如功率放大器的输出级就工作在这种状态下,采用环路负反馈可以有效地降低放大器间非线性的影响,当然这只是应用环路负反馈的一个重要原因。
环路负反馈可以有效地提高放大器的综合性能,且具有很高的性价比,采用其他方法达到同样效果需要花费高得多的成本,由此我们不难理解即使是开环失真已经较低的甲类功率放大器通常还要使用适量的环路负反馈。现在高保真放大器中使用环路负反馈是绝对的主流技术。
合理的运用好环路负反馈技术是一件技术性很强的事,在高保真功率放大器中使用环路反馈技术尤其应该注意。运算放大器大量应用于小信号处理中,在整个音频频段都有约50db的深度负反馈,其良好的效果已被证明,但在同属线性放大的高保真功率放大中,深度负反馈的有效性却受到质疑,下面将具体分析其原因:
功率放大器以下的电路特点使放大器的开环频率特性变差:
其一,必须使用较多的输出放大级数
其二,功率放大器件较差的频率特性
其三,必须适应输出端非阻性负载并且变化较大
其四,分立元件较大的结构体积
以上的不利因素情况使高保真功率放大器在20 KHz能得到的稳定反馈深度也就在20db左右,也就是说反馈信号小于180度频率上限约为200Khz,比高速运放约50db的反馈深度要低一个数量级,环路负反馈对音频信号频率高端的改善有限,放大器在20 KHz的失真可能比1 KHz的失真高20倍。
在上面的限制条件下,有些设计采用中低频段的深度负反馈,既通过将放大器的开环频率转折点移到较低的频点以提高放大器中低频的反馈深度而不影响稳定性,这就是频率补偿的作用,这时中低频段的失真下降,但高频段的失真没有减小,整体失真改善不大,所以说这是一种中低频段的深度负反馈;
另一方面,将放大器的频率转折点移到较低的频点需要频率补偿,频率补偿又会降低放大器的响应速率,而功率放大器的输出信号电压幅度大,转换速率也大,这种放大器转换速率降低而放大信号转换速率增加的变化很容易引发瞬态失真,所以说这种以降低放大器的响应速率达到提高中低频段深度负反馈的设计总体效果不好。
提高高保真放大器性能的环路负反馈原则
反馈系统的设计应以提高响应速度为主要原则,在不减少响应速度的前提下提高反馈深度,这是因为由反馈的响应速度不够快而引起的性能损失难以用其他的方法弥补。电路实现中可采取的措施为在反馈环路内使用尽量少的放大级数,并且尽量提高每一级的响应速度。
这种设计原则已在应用中被有意或无意的成功应用