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5.2负反馈对放大器性能的影响,5.4深度负反馈,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,反馈：将放大器的输出信号（电压或电流），按一定路径回送到放大器输入端的过程。,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,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。,单向化条件：信号只允许单方向传输。,反馈极性,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。,5.1.2四种类型负反馈放大器,根据输出端反馈信号取自输出电压或电流,电压反馈,在输出端，凡反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。此时，反馈网络与基本放大器并接。,输出量 xo=vo,在输出端，凡反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。此时，反馈网络与基本放大器串接。,电流反馈,输出量 xo=io,根据反馈信号在输入端与输入信号以电压或电流比较,串联反馈,vi=vi-vf,ii=ii-if,并联反馈,反馈网络与基本放大器串接。,反馈网络与基本放大器并接。,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,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,闭环互阻增益,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。,RE 为反馈元件。,1、电路连接方式,在输出端，若反馈网络与基本放大器串接，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,在输入端，若反馈网络与基本放大器并接，则为并联反馈；反之为串联反馈。,判断反馈类型,2、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。,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。,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。,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。,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。,反馈放大器组成框图,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,反馈极性,1、输出端,反馈信号取自输出电压，反馈网络与基本放大器并接，为电压反馈；反馈信号取自输出电流，反馈网络与基本放大器串接，为电流反馈。,2、输入端,反馈网络与基本放大器并接，实现电流比较，为并联反馈；反馈网络与基本放大器串接，实现电压比较，为串联反馈。,反馈放大器的分类,反馈类型和反馈极性的判断,判断步骤：,1、找出反馈元件；,连接方式,输出端：,电路的反馈元件、输出负载接在器件的同一极上为电压反馈；否则，为电流反馈。,输入端：,电路的反馈元件、输入信号源接在器件的同一极上为并联反馈；否则，为串联反馈,2、从反馈元件在放大器输入和输出端的连接方式判别反馈类型，或利用短路法判断反馈类型；,3、利用瞬时极性法确定反馈极性（确定反馈电压的极性或反馈电流的流向），并与输入信号比较，以判定反馈性。,采用短路法,判断电压与电流反馈,判断串联与并联反馈,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。,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。,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,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,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。,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,反馈越深，增益灵敏度越小。,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：,并联反馈,反馈电路输入电阻：,基放输入电阻,环路增益,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。,得,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：令xs=0,得,负反馈对放大器性能的影响：,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：,串联反馈,并联反馈,电压反馈,电压反馈使输出电阻减小，vo 稳定。,电流反馈,电流反馈使输出电阻增大，io 稳定。,5.2.4减小频率失真(或扩展通频带),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。,单极点系统的基放，引入负反馈后上限角频率为：,其中：,注意：通频带的扩展是以降低增益为代价的。,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。,5.2.6噪声性能不变,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,5.2.5减小非线性失真,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,例、如图所示为多级放大器的交流电路，应如何接入反馈元件，才能分别实现下列要求？（1）电路参数变化时，变化不大，并希望有较小的；（2）负载变化时，变化不大，并希望有较大的,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。,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。,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：,深度负反馈条件：T 1 或 F 1,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：,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,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,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,深度负反馈,深度负反馈条件：T 1 或 F 1。,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,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,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,5.5负反馈放大器的稳定性,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(josc)=-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。,不自激条件,稳定裕量,稳定裕量表示负反馈放大器远离自激状态的程度。,g增益临界角频率；相位临界角频率。,负反馈放大器的稳定性,一、放大器自激条件：T(j)=-1,二、不自激条件,三、稳定裕量,g增益临界角频率；相位临界角频率。,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。,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。,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。,一、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,确定 Afs(=xo/xs)含义，并计算 Afs=1/kf,将 Afs 转换成 Avfs=vo/vs,kf=xf/xo,二、负反馈放大器的稳定性,1、自激条件,2、不自激条件,3、稳定裕量,g增益临界角频率；相位临界角频率。,4、相位裕量图解分析法,由,g,利用幅频特性渐近波特图判别稳定性,无零多极系统波特图如图所示，有如下结论：,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,当p2 p1，p3 10p2,5.5.2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：,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。,d 与 kf 之间的关系：,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。,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,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,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。,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。,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,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,相位补偿技术在宽带放大器中的应用,RC 低通电路频率响应,-45/10 倍频,-20 dB/10 倍频,RC 高通电路频率响应,20 dB/十倍频,-45/十倍频,幅值：,相角：,