2054416336康华光电子技术基础(第六版)模拟部分ch08.ppt

电子技术基础,模拟部分（第六版）,华中科技大学 张林,电子技术基础模拟部分,1 绪论2 运算放大器3 二极管及其基本电路4 场效应三极管及其放大电路5 双极结型三极管及其放大电路6 频率响应7 模拟集成电路8 反馈放大电路9 功率放大电路10 信号处理与信号产生电路11 直流稳压电源,8 反馈放大电路,8.1 反馈的基本概念与分类8.2 负反馈放大电路增益的一般表达式8.3 负反馈对放大电路性能的影响8.4 深度负反馈条件下的近似计算8.5 负反馈放大电路设计8.6 负反馈放大电路的稳定性,8.1 反馈的基本概念与分类,8.1.1 什么是反馈8.1.2 直流反馈与交流反馈8.1.3 正反馈与负反馈8.1.4 串联反馈与并联反馈8.1.5 电压反馈与电流反馈8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,8.1.1 什么是反馈,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。,内部反馈,外部反馈,8.1.1 什么是反馈,输出信号,反馈放大电路的输入信号,反馈信号,基本放大电路的输入信号（净输入信号）,框图,8.1.1 什么是反馈,反馈通路信号反向传输的渠道,开环 无反馈通路,闭环 有反馈通路,反馈通路（反馈网络）,信号的正向传输,8.1.1 什么是反馈,判断电路是否存在反馈通路,反馈通路（本级）,反馈通路（本级）,反馈通路（级间）,8.1.1 什么是反馈,理论上电源线和地线不能作为反馈通路,反馈通路（级间）,8.1.2 直流反馈与交流反馈,根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行判别。,交、直流反馈,8.1.2 直流反馈与交流反馈,直流反馈,交、直流反馈,8.1.3 正反馈与负反馈,正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。,负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。,从输出端看,从输入端看,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,净输入量可以是电压，也可以是电流。,8.1.3 正反馈与负反馈,判别方法：瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率（正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。,净输入量减小,净输入量增大,负反馈,正反馈,反馈通路,反馈通路,8.1.3 正反馈与负反馈,级间反馈通路,净输入量减小,级间负反馈,8.1.3 正反馈与负反馈,级间反馈通路,净输入量减小,级间负反馈,8.1.3 正反馈与负反馈,反馈通路,净输入量减小,本级负反馈,8.1.4 串联反馈与并联反馈,由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定,串联,串联：输入以电压形式求和（KVL）-vi+vid+vf=0 即 vid=vi-vf,并联：输入以电流形式求和（KCL）ii-iid-if=0 即 iid=ii-if,并联,8.1.4 串联反馈与并联反馈,并联：反馈量xf和输入量xi接于同一输入端。,串联：反馈量xf和输入量xi接于不同的输入端。,由信号在输入端的连接方式判定,8.1.4 串联反馈与并联反馈,判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈,并联反馈,级间反馈通路,xf(if),8.1.4 串联反馈与并联反馈,串联反馈,级间反馈通路,xf(vf),判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈,8.1.4 串联反馈与并联反馈,信号源对反馈效果的影响,串联负反馈,vid=vi-vf,则vi最好为恒压源，即信号源内阻Rs越小越好。,要想反馈效果明显，就要求vf变化能有效引起vid的变化。,8.1.4 串联反馈与并联反馈,信号源对反馈效果的影响,并联负反馈,iid=ii-if,则ii最好为恒流源，即信号源内阻Rs越大越好。,要想反馈效果明显，就要求if变化能有效引起iid的变化。,8.1.5 电压反馈与电流反馈,电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定,电压反馈：反馈信号xf和输出电压成比例，即xf=Fvo,并联结构,串联结构,电流反馈：反馈信号xf与输出电流成比例，即xf=Fio,8.1.5 电压反馈与电流反馈,电压负反馈,RL,电压负反馈稳定输出电压,xf=Fvo，xid=xixf,8.1.5 电压反馈与电流反馈,电流负反馈,RL,电流负反馈稳定输出电流,xf=Fio，xid=xixf,8.1.5 电压反馈与电流反馈,判断方法：负载短路法,将负载短路，反馈量仍然存在电流反馈。,将负载短路（未接负载时输出对地短路），反馈量为零电压反馈。,电压反馈,电流反馈,反馈通路,反馈通路,8.1.5 电压反馈与电流反馈,电压反馈,反馈通路,8.1.5 电压反馈与电流反馈,电流反馈,反馈通路,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,由此可组成四种组态：,输入端：,输出端：,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,四种组态,反馈网络在放大电路输入端的连接分为串联和并联两种方式。,反馈信号在输出端分为电压取样和电流取样两种方式。,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,1.电压串联负反馈放大电路,输入以电压形式求和（KVL）：vid=vi-vf,稳定输出电压,特点：,电压控制的电压源（VCVS），电压/电压转换,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,输入以电流形式求和（KCL）：iid=ii-if,稳定输出电压,电流控制的电压源（CCVS），电流/电压转换,特点：,2.电压并联负反馈放大电路,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,输入以电压形式求和（KVL）：vid=vi-vf,稳定输出电流,电压控制的电流源（VCCS），电压/电流转换,特点：,3.电流串联负反馈放大电路,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,输入以电流形式求和（KCL）：iid=ii-if,稳定输出电流,电流控制的电流源（CCCS），电流/电流转换,特点：,4.电流并联负反馈放大电路,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,电压负反馈：稳定输出电压，具有恒压特性,串联反馈：输入端电压求和（KVL）,电流负反馈：稳定输出电流，具有恒流特性,并联反馈：输入端电流求和（KCL）,不同组态的特点：,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,反馈组态判断举例（交流）,级间电流并联负反馈,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,电压并联负反馈,反馈组态判断举例（交流）,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,直流反馈,交、直流反馈,电流串联负反馈,反馈组态判断举例（交流）,8.1.6 负反馈放大电路的四种组态,电压串联负反馈,反馈组态判断举例（交流）,8.2 负反馈放大电路增益的一般表达式,1.信号的单向化传输,信号的正向传输,信号的反向传输,信号在反馈网络中的正向传输,信号在基本放大电路中的反向传输,正向传输：信号由输入到输出的传输,反向传输：信号由输出到输入的传输,8.2 负反馈放大电路增益的一般表达式,信号的正向传输,信号的反向传输,正向传输：信号由输入到输出的传输,反向传输：信号由输出到输入的传输,1.信号的单向化传输,8.2 负反馈放大电路增益的一般表达式,开环增益,反馈系数,闭环增益,因为,所以,已知,闭环增益的一般表达式,即,2.闭环增益的一般表达式,信号量或信号传递比,反馈组态,电压串联,电流并联,电压并联,电流串联,Av=vo/vid,Ai=io/iid,F=xf/xo,Fv=vf/vo,Fi=if/io,Avf=vo/vi,功能,vi控制vo，电压放大,ii控制io，电流放大,xo,xi、xf、xid,Af=xo/xi,负反馈放大电路中各种信号量的含义,A=xo/xid,vo,io,vi、vf、vid,ii、if、iid,8.2 负反馈放大电路增益的一般表达式,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,一般情况下，A和F都是频率的函数，当考虑信号频率的影响时，Af、A和F分别用、和 表示。,即,3.反馈深度讨论,8.3 负反馈对放大电路性能的影响,8.3.1 提高增益的稳定性8.3.2 减小非线性失真8.3.3 抑制反馈环内噪声8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响8.3.5 扩展频带,8.3.1 提高增益的稳定性,闭环时,对A求导得,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF,另一方面,在深度负反馈条件下,即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。,负反馈的组态不同，稳定的增益不同（Avf、Arf、Agf、Aif）,8.3.2 减小非线性失真,闭环时增益减小，线性度变好。,只能减少环内放大电路产生的失真，如果输入波形本身就是失真的，即使引入负反馈，也无济于事。,8.3.3 抑制反馈环内噪声,自学,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,串联负反馈,1.对输入电阻的影响,开环输入电阻 Ri=vid/ii,因为 vf=Fxo xo=Avid,闭环输入电阻 Rif=vi/ii,所以 vi=vid+vf=(1+AF)vid,闭环输入电阻 Rif=vi/ii,引入串联负反馈后，输入电阻增加了。,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,并联负反馈,闭环输入电阻,引入并联负反馈后，输入电阻减小了。,注意:反馈对输入电阻的影响仅限于环内，对环外不产生影响。,1.对输入电阻的影响,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,例如,图中R1不在环内,但是,当R1 时，反馈对Rif几乎没有影响。,1.对输入电阻的影响,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,电压负反馈,2.对输出电阻的影响,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,闭环输出电阻,而 xid=-xf=-Fvt,忽略反馈网络对it的分流,所以,引入电压负反馈后，输出电阻减小了。,电压负反馈,2.对输出电阻的影响,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,电流负反馈,闭环输出电阻,引入电流负反馈后，输出电阻增大了。,注意:反馈对输出电阻的影响仅限于环内，对环外不产生影响。,2.对输出电阻的影响,8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响,负反馈对放大电路性能的改善，是以牺牲增益为代价的，且仅对环内的性能产生影响。,串联负反馈,并联负反馈,电压负反馈,电流负反馈,特别注意表8.3.1的内容,增大输入电阻,减小输入电阻,减小输出电阻，稳定输出电压,增大输出电阻，稳定输出电流,8.3.5 扩展频带,1.频率响应的一般表达式,基本放大电路的高频响应,为基本放大电路通带增益,比开环时增加了,闭环通带增益,其中,同理可得,闭环上限频率,比开环时减小了,闭环下限频率,8.3.5 扩展频带,2.不同负反馈深度下的频带,8.3.5 扩展频带,放大电路的增益-带宽积为常数,闭环增益-带宽积,开环增益-带宽积,3.增益-带宽积,8.4 深度负反馈条件下的近似计算,1.深度负反馈的特点,即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关,由于,则,又因为,代入上式,得,（也常写为 xf xi）,净输入量近似等于零,由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚”的概念,输入量近似等于反馈量,（xid 0）,#如何满足深度负反馈条件？,#既然深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关，那么是否意味着基本放大电路的增益A已经无关紧要了？,8.4 深度负反馈条件下的近似计算,串联负反馈，输入端电压求和,深度负反馈条件下 xid=xi-xf 0,虚短,虚断,虚短,虚断,并联负反馈，输入端电流求和,vid=iid ri 0,1.深度负反馈的特点,8.4 深度负反馈条件下的近似计算,(1)找出信号放大通路和反馈通路,(2)用瞬时极性法判断正、负反馈,(3)判断交、直流反馈,(4)判断反馈组态,(5)标出输入量、输出量及反馈量,(6)估算深度负反馈条件下电路的 F、Af、Avf。,（常常利用虚短和虚断直接列表达式求解）,2.分析负反馈放大电路的一般步骤,8.4 深度负反馈条件下的近似计算,电压串联负反馈,反馈系数,实际上该电路就是第2章介绍的同相比例放大电路，此处结果与第2章所得结果相同,设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环电压增益表达式。,解：,根据虚短、虚断,闭环增益（就是闭环电压增益）,3.举例,8.4 深度负反馈条件下的近似计算,电压串联负反馈,设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环电压增益表达式。,解：,根据虚短、虚断,闭环电压增益,3.举例,电流并联负反馈,设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环增益和闭环电压增益表达式。,解：,根据虚短、虚断,闭环增益,所以闭环电压增益,注意：若io参考方向不同，将影响闭环增益的结果,又因为,3.举例,电流并联负反馈,设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环增益和闭环电压增益表达式。,解：,根据虚短、虚断,闭环增益,所以闭环电压增益,注意：若io参考方向不同，将影响闭环增益的结果,又因为,3.举例,解:,闭环增益,例7.5.5（3）求大环反馈的闭环增益以及对信号源的闭环电压增益；,（3）电压并联负反馈,根据虚短、虚断,解:,闭环增益,（3）电压并联负反馈,根据虚短、虚断,将信号源变为电压源,所以闭环源电压增益,又因为,0V,例7.5.5（3）求大环反馈的闭环增益以及对信号源的闭环电压增益；,8.5 负反馈放大电路设计,8.5.1 设计负反馈放大电路的一般步骤8.5.2 设计举例,8.5.1 设计负反馈放大电路的一般步骤,1.选定需要的反馈类型,2.确定反馈系数的大小,3.适当选择反馈网络中的电阻阻值,4.通过仿真分析，检验设计是否满足要求,信号源性质,对输出信号的要求,对输入、输出电阻的要求,对信号变换的要求（V-V、V-I、I-V、I-I）,深度负反馈时,尽量减小反馈网络对基本放大电路的负载效应,8.5.2 设计举例,例7.6.2 设计一个带负反馈的光电隔离器的驱动电路。设vs的变化范围为05V，内阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知运放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。设计后仿真检验发光二极管的电流。,解:,驱动电路需要将电压vs转换为电流io1,选用电流串联负反馈电路,解:,例7.6.2 设计一个驱动光电隔离器的放大电路。设vs的变化范围为05V，内阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知运放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。设计后仿真检验发光二极管的电流。,选用电流串联负反馈电路,所以 Rf=1k,又因为根据虚断有,深度负反馈时,例7.6.2 设计一个驱动光电隔离器的放大电路。设vs的变化范围为05V，内阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知运放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。设计后仿真检验发光二极管的电流。,解:,仿真电路,io1与vs的呈线性关系，io1=10-3vs，放大电路满足设计要求。,8.6 负反馈放大电路的稳定性,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件8.6.2 频率补偿,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,1.自激振荡现象,在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一定频率的信号输出。,2.产生原因,在高频区或低频区产生的附加相移达到180，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,3.自激振荡条件,自激振荡,反馈深度,即,又,得自激振荡条件,幅值条件,相位条件（附加相移）,注：输入端求和的相位（-1）不包含在内,闭环增益,注：负反馈放大电路是否自激振荡实际上与输入信号无关。,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,4.稳定工作条件,破坏自激振荡条件,当反馈网络为纯电阻网络时，f=0。,其中,Gm幅值裕度，一般要求Gm-10dB,m相位裕度，一般要求m 45,（保证可靠稳定，留有余地）,写成等式，且幅值用分贝数表示时,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,用波特图表示,或,Gm-10dB 或 m 45,4.稳定工作条件,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,5.负反馈放大电路稳定性分析,环路增益的幅频响应写为,利用波特图分析,即该点满足,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,判断稳定性方法,(3)判断两线交点对应的相位是否满足相位裕度（m 45）,或,若P点在 水平线之下（），稳定；否则不稳定。,5.负反馈放大电路稳定性分析,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,反馈系数为F1时,负反馈放大电路稳定,m=90 45,5.负反馈放大电路稳定性分析,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,反馈系数为F2时(F2 F1),不稳定,5.负反馈放大电路稳定性分析,m=0 45,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,越容易产生自激,5.负反馈放大电路稳定性分析,8.6.1 自激振荡及稳定工作的条件,推论：,P点交在 的斜率为-20dB/十倍频程处，放大电路是稳定的。,5.负反馈放大电路稳定性分析,*8.6.2 频率补偿,741的频率补偿,要求：741构成任何深度的电压串联负反馈时都能稳定工作（反馈网络为纯电阻）,反馈最深时：,即 是一条 0 分贝水平线,*8.6.2 频率补偿,（741的频率补偿）,思路：0 分贝水平线上增益的衰减斜率只有-20dB/十倍频程,措施：加入密勒电容Cc,加入电容Cc后,增加了一个大时间常数的RC电路,使增益从fH0开始衰减,当f fH1时，增益已经小于等于 0 分贝。,保证了 0 分贝平线上增益的衰减斜率只有-20dB/十倍频程,增添了一个新的上限频率fH0=1/2RC,*8.6.2 频率补偿,（741的频率补偿）,end,