第17章电子电路中的反馈10.ppt

第17章 电子电路中的反馈,17.3 振荡电路中的正反馈,17.1 反馈的基本概念,17.2 放大电路中的负反馈,本章要求：掌握负反馈和正反馈的判别方法2.掌握负反馈对放大电路动态性能的影响3.了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。4.了解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。,第17章 电子电路中的反馈,17.1.1 负反馈与正反馈,反馈：将电子电路（或某个系统）的输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。,17.1 反馈的基本概念,反馈电子电路的方框图,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈电路,反馈系数,放大倍数,净输入信号,若比较的结果使净输入信号减小，因而输出信号也减小，称为负反馈。,反之若比较的结果使净输入信号增大，因而输出信号也增大，称为正。,反馈类型的判别步骤,3)判别是交流或直流反馈？,2)采用瞬时极性法判别正负反馈,4)是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,1)找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,17.1.2 负反馈与正反馈的判别方法,例1：,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud=ui uf,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,差值电压 ud=ui+uf,uf 增强了净输入电压(差值电压)正反馈,1)判别反馈元件（一般是电阻、电容）(1)连接在输入与输出之间的元件。(2)为输入回路与输出回路所共有的元件。,净输入信号：,ube=ui-uf,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,设输入电压 ui 为正，,判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。,E,例3：,直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。,负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。,在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。,正反馈：反馈增强净输入信号，使放大倍数提高。,1.反馈的分类,2.负反馈的类型,1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈 和电流反馈。,电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。,电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,17.2 放大电路中的负反馈,2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的 不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。,串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的类型,稳定静态工作点,运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1.反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈；3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈；4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。,17.2 放大电路中的负反馈,1.串联电压负反馈,定义：,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,1.串联电压负反馈,反馈电压,ui 与 uf 串联,以电压形式比较串联反馈,反馈过程：,uo,uf,ud,uo,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,2.并联电压负反馈,定义：,2.并联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id=i1 if,if 削弱了净输入电流(差值电流)负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联反馈,3.串联电流负反馈,定义：,3.串联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud=ui uf,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,反馈电压,取自输出电流 电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,uf=Rio,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 同相输入恒流源电路或电压-电流变换电路,4.并联电流负反馈,定义：,4.并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id=i1 if,if 削弱了净输入电流(差值电流)负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,例1：,ui 与 uf 串联,以电压形式比较串联反馈,分立元件的放大电路反馈类型的判别,结论：,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,反馈类型 串联电流负反馈,Ic,Uf,Ube,ib,Ic,uf ic RC,+uf,+,ube,Ube=Ui-Uf,例2：,净输入信号：,ii 与 if 并联，以电流形式比较并联反馈,ii 正半周时，if 也是正半周，即两者同相,负反馈,if 正比于输出电压电压反馈,if 与 uo反相,并联电压负反馈,ib=ii-if,Ib=Ii-If,可见 Ib Ii,反馈电流 If 削弱了净输入电流,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型 并联电压负反馈,例2：,Uo,if,ib,ic,Uo,Ib=Ii-If,4.利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,+,(1)设接“地”参考点的电位为零，在某点对“地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的瞬时极性为正；在负半周则为负。,(2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,4.利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,(3)若反馈信号与输入信号加在同一电极上，,(4)若反馈信号与输入信号加在两个电极上，,两者极性相反为负反馈；,极性相同为正反馈。,两者极性相同为负反馈；,极性相反为正反馈。,反馈到基极为并联反馈,反馈到发射极为串联反馈,判断串、并联反馈,ib=ii if,ube=ui uf,共发射极电路,判断电压、电流反馈,从集电极引出为电压反馈,从发射极引出为电流反馈,判断反馈类型的口诀：,共发射极电路,共集电极电路为典型的电压串联负反馈。,集出为压，射出为流，基入为并，射入为串。,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解:RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；,RE1对本级引入串联电流负反馈。,RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解:,RE1、RF引入越级串联电压负反馈。,+,+,T2集电极的 反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。,例4：如果RF不接在T2 的集电极，而是接C2与RL 之间，两者有何不同？,解:因电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅 引入交流反馈。,例5：如果RF的另一端不接在T1 的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈？,解:T2集电极的 反馈到T1的基极，提高了B1的交流电位，使Ube1增大，故为正反馈；这时RE1、RF引入越级正反馈。,+,+,RF2(R1、R2):直流反馈,（稳定静态工作点）,RF、CF:交流电压并联负反馈,+UCC,(a),RE1,+,R1,RF1,RF2,C2,RC2,RC1,CE2,RE2,R2,+,C,+,RF1、RE1:交直流电压串联负反馈,+,+,+,例6：,RF,RE2:直流反馈,+,+,电流并联负反馈,正反馈,两个2k电阻构成交直流反馈,两个470k,17.2.2 负反馈对放大电路性能的影响,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环放大倍数,闭环放大倍数,电压反馈与电流反馈判别方法：,假设输出端短路（RL=0），即UO=0，若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,判断方法输出短路法：,并联反馈与串联反馈判别方法：,假设输入端短路（RS=0），若反馈信号可以加到基本放大器输入端，则为串联反馈；若反馈信号加到无法基本放大器输入端，则为并联反馈。,判断方法输入短路法：,1.降低放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,(参见教材例题),|1+AF|称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。,射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。,2.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍，其稳定性提高1+|AF|倍。,若|AF|1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,例：|A|=300，|F|=0.01。,3.改善波形失真,加反馈前,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,小,接近正弦波,正弦波,4.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,5.对输入电阻的影响,1)串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,无负反馈时：,有负反馈时：,2)并联负反馈,使电路的输入电阻降低,例：中频放大倍数|A0|=10，反馈系数|F|=0.01,在原上限、下限频率处,说明加入负反馈后，原上限、下限频率仍在通频带内，即通频带加宽了。,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1)电压负反馈使电路的输出电阻降低,2)电流负反馈使电路的输出电阻提高,6.对输出电阻的影响,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。,开关合在“1”为无反馈放大电路。,开关合在“2”为有反馈放大电路，,开关合在“2”时,，去掉ui 仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,自激振荡状态,17.3 振荡电路中的正反馈,17.3.1 自激振荡,2.自激振荡的条件,(1)幅度条件：,(2)相位条件：,n 是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到)。,自激振荡的条件,3.起振及稳幅振荡的过程,设：Uo 是振荡电路输出电压的幅度，B 是要求达到的输出电压幅度。起振时Uo 0，达到稳定振荡时Uo=B。,起振过程中 Uo 1，,稳定振荡时 Uo=B，要求AuF=1，,从AuF 1 到AuF=1，就是自激振荡建立的过程。,可使输出电压的幅度不断增大。,使输出电压的幅度得以稳定。,起始信号的产生：在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。,4.正弦波振荡电路的组成,(1)放大电路:放大信号,(2)反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号,(3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满 足自激振 荡条件,(4)稳幅环节:使电路能从AuF 1，过渡到 AuF=1，从而达到稳幅振荡。,正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,常用的正弦波振荡器,石英晶体振荡电路：频率稳定度高。,应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,17.3.2 正弦波振荡电路,一、RC振荡电路,RC选频网络正反馈网络,同相比例电路,放大信号,用正反馈信号uf作为输入信号,选出单一频率的信号,1.电路结构,2.RC串并联选频网络的选频特性,传输系数：,式中：,3.工作原理,输出电压 uo 经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui。,(1)起振过程,(2)稳定振荡,A=0，仅在 f 0处 F=0 满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0=1 2RC。,改变R、C可改变振荡频率,RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。,(3)振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。,振荡频率的调整,改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C 的大小可实现频率的细调。,振荡频率,（4）起振及稳定振荡的条件,稳定振荡条件AuF=1，|F|=1/3，则,起振条件AuF 1，因为|F|=1/3，则,考虑到起振条件AuF 1,一般应选取 RF 略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。,由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。,带稳幅环节的电路(1),热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。,在起振时，由于 uO 很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF 2R1；即AuF1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF 的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2 R1时，稳定于AuF=1，振荡稳定。,半导体热敏电阻,带稳幅环节的电路(1),热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。,半导体热敏电阻,稳幅过程：,思考：,若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？,带稳幅环节的电路(2),振荡幅度较小时正向电阻大,振荡幅度较大时正向电阻小,利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。,稳幅环节,带稳幅环节的电路（2）,图示电路中，RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO的正负半周内分别导通。在起振之初，由于 uo 幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路此时，RF 2 R1。而,后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2 R1，振荡稳定。,二、LC振荡电路,LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对 LC振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。,（1）变压器反馈式LC振荡电路,1.电路结构,正反馈,2.振荡频率 即LC并联电路的谐振频率,放大电路,选频电路,反馈网络,在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象：（1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；（2）调RB1、RB2或 RE的阻值后即可起振；（3）改用较大的晶体管后就能起振；（4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；（5）适当增加L值或减小C值后就能起振；（6）反馈太强，波形变坏；（7）调整RB1、RB2或 RE的阻值后可使波形变好；（8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能 起振。,例1：,解:,(2)调RB1、RB2或 RE的阻 值后即可起振；,原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相位条件；,(1)对调反馈线圈的两个接 头后就能起振；,调阻值后使静态工作点合适，以满足幅度条件；,(3)改用较大的晶体管后就能起振；,改用较大的晶体管，以满足幅度条件；,解:,(5)适当增加L值或减小 C值后就能起振；,增加反馈线圈的圈数，即增大反馈量，以满足幅度条件；,(4)适当增加反馈线圈的 圈数后就能起振；,当适当增加L 值或减小C 值后,等效阻抗|Zo|增大，因而就增大了反馈量，容易起振；,LC并联电路在谐振时的等效阻抗,解:,(7)调整RB1、RB2或 RE 的阻值可使波形变好；,反馈线圈的圈数过多或管子的太大使反馈太强而进入非线性区，使波形变坏。,(6)反馈太强，波形变坏；,调阻值,使静态工作点在线性区，使波形变好；,(8)负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。,负载大，就是增大了LC并联电路的等效电阻R。R的增大,一方面使|Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易起振;也使品质因数Q减小,选频特性变坏,使波形变坏。,例2：,正反馈,注意：用瞬时极性法判断反馈的极性时，耦合电容、旁路电容两端的极性相同，属于选频网络的电容，其两端的极性相反。,试用相位平衡条件判断下图电路能否产生自激振荡,（2）三点式 LC振荡电路,1.电感三点式振荡电路,正反馈,放大电路,选频电路,反馈网络,振荡频率,通常改变电容 C 来调节振荡频率。,反馈电压取自L2,振荡频率一般在几十MHz以下。,（3）电容三点式振荡电路,正反馈,放大电路,反馈网络,振荡频率,通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。,反馈电压取自C2,振荡频率可达100MHz以上。,选频电路,例3：,图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振荡，加以改正。,解：直流电路合理。旁路电容CE将反馈信号旁路，即电路中不存在反馈，所以电路不能振荡。将CE开路，则电路可能产生振荡。,反馈电压取自C1,正反馈,例4：半导体接近开关,LC振荡器,开关电路,射极输出器,继电器,半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速度快、定位准确、寿命长等优点。它在行程控制、定位控制、自动计数以及各种报警电路中得到了广泛应用。,LC振荡器,开关电路,射极输出器,继电器,例4：半导体接近开关,变压器反馈式振荡器是接近 开关的核心部分，L1、L2及 L3绕在右图所示的的磁芯上（又称感应头）,例4：半导体接近开关,当某金属被测物体移近感应头时，金属体内感应出涡流，由于涡流的消磁作用，破坏了线圈之间的磁耦合，使 L1上的反馈电压显著降低，破坏了自激振荡的幅值条件，振荡器停振，使L3上输出交流电压为零。,例4：半导体接近开关,当L3上输出交流电压为零时，二极管的整流输出电压也为零，因此T2截止，T3饱和导通，继电器KA通电。继电器KA的常闭触点接在电动机的控制回路内，可在被测金属体接近危险位置时，立即断电使电动机停转；也可将KA的常开触点接在报警电路上，同时发出声光报警。,例4：半导体接近开关,当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在L3上输出正弦电压，经二极管的整流后，使T2饱和导通，T3截止，继电器KA断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。RP1用来调节振荡输出幅度，RP2可使振荡电路迅速而可靠的停振，也能促使振荡电路在被测金属物体离开感应头时迅速恢复振荡。,作业,17.1.117.2.1,17.2.3,