放大器中的负反馈.ppt

1,5.2负反馈对放大器性能的影响,5.4深度负反馈,*5.3负反馈放大器的性能分析,5.1反馈放大器的基本概念,第 5 章放大器中的负反馈,5.5负反馈放大器的稳定性,2,5.1反馈放大器的基本概念,5.1.1反馈放大器的组成,将放大器输出信号的一部分或全部，通过反馈网络回送到电路输入端，并对输入信号进行调整，所形成的闭合回路即反馈放大器。,反馈放大器组成框图,3,反馈放大器增益一般表达式,开环增益,反馈系数,闭环增益,反馈深度,环路增益,反馈深度 F(或环路增益 T)是衡量反馈强弱的一项重要指标。其值直接影响电路性能。,4,反馈极性,由于净输入信号,若 xf 削弱了xi，使 xi xi,负反馈,若 xf 增强了xi，使 xi xi,正反馈,负反馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。,例：某原因,正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。,负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。,5,5.1.2四种类型负反馈放大器,根据输出端连接方式,电压反馈,在输出端，凡反馈网络与基本放大器并接，反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。,输出量 xo=vo,在输出端，凡反馈网络与基本放大器串接，反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。,电流反馈,输出量 xo=io,6,根据输入端连接方式,串联反馈,在输入端，反馈网络与基本放大器串接，反馈信号以电压vf 的形式出现，并在输入端进行电压比较，即 vi=vi-vf。,在输入端，反馈网络与基本放大器并接，反馈信号以电流if 的形式出现，并在输入端进行电流比较，即 ii=ii-if。,并联反馈,7,四种类型负反馈放大器增益表达式,电压串联负反馈,开环电压增益,电压反馈系数,闭环电压增益,电压并联负反馈,开环互阻增益,互导反馈系数,闭环互阻增益,8,电流串联负反馈,开环互导增益,互阻反馈系数,闭环互导增益,电流并联负反馈,开环电流增益,电流反馈系数,闭环电流增益,9,5.1.3反馈极性与类型的判别,判断是否为反馈电路,看电路输出与输入之间是否接有元件，若有则为反馈电路，该元件即为反馈元件。,例 1,Rf 为反馈元件。,例 2,RE 为反馈元件。,10,判断反馈类型 采用短路法,假设输出端交流短路，若反馈信号消失，则为电压反馈；反之为电流反馈。,判断电压与电流反馈,判断串联与并联反馈,假设输入端交流短路，若反馈作用消失，则为并联反馈；反之为串联反馈。,11,判断反馈极性 采用瞬时极性法,用正负号表示电路中各点电压的瞬时极性，或用箭头表示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。,比较 xf 与 xi 的极性(xi=xi-xf),若 xf 与 xi 同相，使 xi 减小的，为负反馈；,若 xf 与 xi 反相，使 xi 增大的，为正反馈。,12,用瞬时极性法比较 xf 与 xi 极性时：,若是并联反馈：则需根据电压的瞬时极性，标出相关支路 的电流流向，然后用电流进行比较(ii=ii-if)。,若是串联反馈：则直接用电压进行比较(vi=vi-vf)。,按交、直流性质分：,直流反馈：,交流反馈：,反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。,反馈信号为交流量，用于改善放大器动态性能。,多级放大器中的反馈：,局部反馈：,越级反馈：,反馈由本级输出信号产生，可忽略。,输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间(或越级)反馈。,13,例 1判断电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,Rf 引入的反馈消失,电压反馈。,假设输入端交流短路，,Rf 的反馈作用消失,并联反馈。,分析：,形成的 if 方向如图示。,ii,if,ib,因净输入电流 ib=ii-if ii,负反馈。,结论：Rf 引入电压并联负反馈。,14,例 2判断图示电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,RE 上的反馈依然存在,电流反馈。,假设输入端交流短路，,RE 上的反馈没有消失,串联反馈。,分析：,因净输入电压 vbe=vi-vf vi,负反馈。,结论：RE 引入电流串联负反馈。,15,例 3判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流并联负反馈,电流串联正反馈,电压并联负反馈,电压串联负反馈,16,例 4判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流串联负反馈,电流并联负反馈,17,例 4判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电压并联正反馈,电压串联负反馈,18,5.2.1降低增益,5.2负反馈对放大器性能的影响,反馈越深，电路增益越小。,注：当取源增益时，上式依然成立，即,5.2.2减小增益灵敏度(或提高增益稳定性),定义,由,得,(2)(1)得,(1),(2),反馈越深，增益灵敏度越小。,19,5.2.3改变输入、输出电阻,输入电阻,串联反馈,基放输入电阻,环路增益,反馈电路输入电阻：,20,并联反馈,反馈电路输入电阻：,基放输入电阻,环路增益,21,输出电阻,电压反馈,Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。,Ast：负载开路时，基本放大器源增益。,由定义得 Rof 电路模型：,得,22,电流反馈,Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。,Asn：负载短路时，基本放大器源增益。,由定义得 Rof 电路模型：,得,23,5.2.4减小频率失真(或扩展通频带),由于负反馈降低了电路增益灵敏度，因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变。,单极点系统引入负反馈后，反馈越深，上限角频率越大、增益越小，但其增益带宽积维持不变。,设基放为单极点系统：,则,若反馈网络反馈系数为：,则闭环系统：,其中：,注意：通频带的扩展是以降低增益为代价的。,24,5.2.5减小非线性失真,vi,例如：一基本放大器，,引入负反馈,注意：负反馈只能减小反馈环内的失真，若输入信号本身 产生失真，反馈电路无能为力。,输入正弦信号时，输出产生失真。,vo 失真减小。,25,5.2.6噪声性能不变,同减小非线性失真一样，引入负反馈可减小噪声。,注意：负反馈在减小噪声的同时，有用信号以同样的倍数在减小，其信噪比不变。,因此，引入负反馈放大器噪声性能不变。,综上所述，负反馈对放大器性能影响主要表现为：,降低增益,减小增益灵敏度(或提高增益稳定性),改变电路输入、输出电阻,减小频率失真(或扩展通频带),减小非线性失真,噪声性能不变,26,在电路输出端,基本放大器引入负反馈的原则,在电路输入端,反馈效果与信号源内阻 RS 的关系,27,反馈效果与 RS 关系的说明：,串联负反馈,采用电压源激励时，若 RS 0,则,由于 vS 恒定，则 vf 的变化量全部转化为 vi 的变化量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若 RS,由于 iS 恒定，vi 固定不变，结果导致反馈作用消失。,28,并联负反馈,采用电压源激励时，若 RS 0,则,由于 iS 恒定，则 if 的变化量全部转化为 ii 的变化量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若 RS,由于 vi 固定不变，结果导致反馈作用消失。,29,深度负反馈条件,5.4深度负反馈,当电路满足深度负反馈条件时：,将 T 1 或 F 1 称为深度负反馈条件。,串联反馈电路输入电阻：,并联反馈电路输入电阻：,电压反馈电路输出电阻：,电流反馈电路输出电阻：,30,深度负反馈条件下 Avf 的估算,根据反馈类型确定 kf 含义，并计算 kf,分析步骤：,若并联反馈：将输入端交流短路,若串联反馈：将输入端交流开路,则反馈系数,确定 Afs(=xo/xs)含义，并计算 Afs=1/kf,将 Afs 转换成 Avfs=vo/vs,kf=xf/xo,计算此时 xo 产生的 xf,31,例 1图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。,该电路为电压串联负反馈放大器。,解：,将输入端交流开路，即将 T1 管射极断开：,则,因此,32,例 2图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。,该电路为电流并联负反馈放大器。,解：,将输入端交流短路，即将 T1 管基极交流接地：,则,因此,33,例 3图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。,该电路为电压并联负反馈。,(1)解：,将反相输入端交流接地：,则,因此,该电路为电压串联负反馈。,(2)解：,将反相输入端交流开路：,则,因此,34,5.5负反馈放大器的稳定性,实际上，放大器在中频区施加负反馈时，有可能因 Akf 在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈，引起电路自激。,5.5.1判别稳定性的准则,反馈放大器频率特性：,若在某一频率上T(j)=-1,放大器自激,自激时，即使 xi=0，但由于 xi=xf，因此反馈电路在无输入时，仍有信号输出。,35,不自激条件,注意：只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件之一，放大器就不会产生自激。,稳定裕量,要保证负反馈放大器稳定工作，还需使它远离自激状态，远离程度可用稳定裕量表示。,g增益交界角频率；相位交界角频率。,36,相位裕量图解分析法,假设放大器施加的是电阻性反馈，kf 为实数：,由,在 A()或 T()波特图上找 g,在 A()波特图上，作 1/kf(dB)的水平线，交点即 g。,在 T()波特图上，与水平轴T()=0 dB的交点，即 g。,根据 g 在相频曲线上找 T(g),判断相位裕量,注：1/kf(dB)的水平线称增益线。,37,例 1已知 A(j)波特图，判断电路是否自激。,g,(1)在 A()波特图上作 1/kf(dB)的水平线。,分析：,(2)找出交点，即 g,(3)在 T()波特图上，找出 T(g),(4)由于 45，因此电路稳定工作，不自激。,38,例 2已知 T(j)波特图，判断电路是否自激。,(1)由 T()波特图与横轴的交点，找出 g。,分析：,(2)由 g 在 T()波特图上，找出 T(g)。,(3)由于 0，因此电路自激。,39,利用幅频特性渐近波特图判别稳定性,一无零三极系统波特图如下，分析 g 落在何处系统稳定。,放大器必稳定工作。,或 g 落在 P1 与 P2 之间，,只要 g落在斜率为：(-20dB/10 倍频)的下降段内，,则 45,p2=10p1，p3=10p2,40,p2=10p1，将 p3 靠近 p2。,由于|T(p2)|,则 g 落在 p1 与 p2 之间时，放大器依然稳定工作。,41,结论：在多极点的低通系统中，若 p3 10p2，则只要 g 落在斜率为(-20 dB/10 倍频)的下降段内，或 g 落在 p1与 p2 之间，放大器必稳定工作。,将 p2 靠近 p1，,由于|T(p2)|上述结论不成立。,42,5.5.2集成运放的相位补偿技术,解决方法：采用相位补偿技术。,在中频区，反馈系数 kf 越大，反馈越深，电路性能越好。,在高频区，kf 越大，相位裕量越小，放大器工作越不稳定。,在中频增益 AI 基本不变的前提下，设法拉长 p1 与 p2 之间的间距，或加长斜率为“-20 dB/10 倍频”线段的长度，使得 kf 增大时，仍能获得所需的相位裕量。,相位补偿基本思想：,43,滞后补偿技术,简单电容补偿,降低 p1,补偿方法：将补偿电容 C 并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上，使 p1 降低到 d。,p1 降低到 d 反馈增益线下移 稳定工作允许的 kf 增大。,44,d 与 kf 之间的关系：,由图,10 倍频,整理得,kfv d 反馈电路稳定性，但 H。,kfv=1 时，,此时，kfv 无论取何值，电路均可稳定工作。,45,例 1一集成运放 AvdI=105，fp1=200 Hz，fp2=2 MHz，fp3=20 MHz，产生 fp1 节点上等效电路 R1=200 k，接成同相放大器，采用简单电容补偿。试求：,解：,(1)求未补偿前，同相放大器提供的最小增益？,根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。,未补偿前，为保证稳定工作：,Avfmin=104,即,46,解：,(2)若要求 Avf=10，求所需的补偿电容 C=？,由Avf=10，得kfv=0.1,则,由,得,由,得,(3)若要求 Avf=1，求所需的补偿电容 CS=？,解：,由Avf=1，得 kfv=1,则,47,密勒电容补偿,降低 p1、增大 p2,补偿方法：将补偿电容 C 跨接在三极管 B 极与 C 极之间，利用密勒倍增效应，使 p1 降低、P2 增大，拉长 p1 与 P2 之间的间距。这种补偿方法又称极点分离术。(分析略),简单电容补偿缺点：,补偿电容 C 数值较大(F 量级)，集成较困难。,密勒电容补偿优点：,用较小的电容(pF 量级)，即可达到补偿目的。,48,超前补偿技术,引入幻想零点,补偿思路：在 p2 附近，引入一个具有超前相移的零点，以抵消原来的滞后相移，使得在不降低 p1 的前提下，拉长 p1 与 p2 之间的间距。,在反馈电阻 Rf 上并接补偿电容 C。,补偿方法：,则,其中,49,利用零点角频率 Z 将 p2 抵消，可将斜率为“-20 dB/10 倍频”的下降段，延长到 p3。,假设运放为无零三极系统，且 p1 p2 p3。,选择合适的 C，使,-20 dB/10 倍频,50,相位补偿技术在宽带放大器中的应用,