《反馈与振荡》PPT课件.ppt

常州轻工职业技术学院,第四章 反馈与振荡4.1 反馈的基本概念4.2 反馈的类型及其判定方法4.3 负反馈对放大电路性能的影响4.4 正弦波振荡的条件4.5 RC正弦波振荡电路 4.6 LC正弦波振荡电路4.7 石英晶体振荡器4.8 本章小结,常州轻工职业技术学院,4.1 反馈的基本概念一、反馈的概念,反馈：在电子系统中，把放大电路输出回路中某一电量（电压或电流）的部分或全部送回到放大电路的输入端，用来影响输入量。,A：无反馈时的放大倍数F：反馈网络的反馈系数 Xi：放大电路的输入信号Xid：净输入信号Xf：反馈信号Xo：输出信号,图4.1 反馈放大电路的一般方框图,常州轻工职业技术学院,二、反馈放大电路的一般表达式1.闭环放大倍数Af基本放大电路（无反馈）放大倍数（开环）反馈网络的反馈系数反馈放大电路放大倍数（闭环）基本放大电路净输入信号闭环放大电路放大倍数（增益）一般表达式,常州轻工职业技术学院,2.反馈深度（1AF）1AF为闭环放大电路反馈深度，衡量放大电路反馈强弱。（1AF）1，则AfA，电路引入正反馈；（1AF）1，则Af，反馈放大电路出现 自激振荡；（1AF）1，则 放大电路引入深度负反馈。,常州轻工职业技术学院,4.2 反馈的类型及其判定方法一、正反馈和负反馈（反馈信号极性不同分）1、定义,（2）负反馈：引入的反馈信号Xf使基本放大电路的净输入信号Xid减少。,（1）正反馈：引入的反馈信号Xf使基本放大电路的净输入信号Xid增加。,图4.1 反馈放大电路的一般方框图,常州轻工职业技术学院,2、判定方法：,（1）先假定外加输入信号电压ui处于某一瞬时极性。如用“”号。,（2）按照信号单向传输的方向，同时根据放大电路基射同相，基集反相的原则，判断出反馈信号Uf的瞬时极性。,（3）当输入信号ui和反馈信号uf在相同端点时，两者为同极性，为正反馈；二者极性相反，为负反馈。,（4）当输入信号ui和反馈信号uf不在相同端点，两者同极性，为负反馈；二者极性相反，为正反馈。,电压瞬时极性法,图4.2 反馈极性的判断,常州轻工职业技术学院,反馈放大电路由单级运算放大器构成时，反馈信号送回到反相输入端的，为负反馈；反馈信号送回到同相输入端的，为正反馈。,图4.2 反馈极性的判断,常州轻工职业技术学院,二、交流反馈和直流反馈1、定义（1）直流反馈 反馈信号中只包含直流成分。直流负反馈稳定Q点，动态参数无影响。（2）交流反馈 反馈信号中只包含交流成分。交流负反馈改善动态参数，不影响Q点。（3）交直流反馈 既有直流量又有交流量。交直流负反馈既可稳定Q点又可改善动态参数,常州轻工职业技术学院,2、判定方法,直流通路中，如果反馈回路存在，即为直流反馈。在交流通路中，如果反馈回路存在，即为交流反馈。如果在直、交流通路中，反馈回路都存在，即为交、直流反馈。,Rf、Re2直流负反馈,Rf、Re2交流负反馈,图4.3 直流反馈和交流反馈,常州轻工职业技术学院,三、电压反馈和电流反馈1.定义（1）电压反馈 反馈信号从输出电压uo采样。（2）电流反馈 反馈信号从输出电流io采样。,图4.3 电压反馈和电流反馈,常州轻工职业技术学院,2.判定方法 反馈信号采样点与输出电压在相同端点的是电压反馈。反馈信号采样点与输出电压在不同端点的是电流反馈。,图4.4 电压与电流反馈的判断,常州轻工职业技术学院,四、串联反馈和并联反馈1.定义（1）串联反馈 反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电压的形式相加减。（2）并联反馈 反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电流的形式相加减。,图4.5 串联反馈和并联反馈,常州轻工职业技术学院,2.判定方法 输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的不同端点，则为串联反馈 输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的相同端点，则为并联反馈。,图4.6 串联与并联反馈的判断,常州轻工职业技术学院,五、交流负反馈放大电路的四种组态 1.电压串联负反馈 采样点和输出电压同端点，为电压反馈。反馈点与输入信号在不同端点，为串联反馈。,图4.7 电压串联负反馈,电压串联负反馈特点：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻增大，具有很强带负载能力。,常州轻工职业技术学院,2.电压并联负反馈 采样点和输出电压在同端点，为电压反馈。反馈点与输入信号在同端点，为并联反馈。,图4.8 电压并联负反馈,电压并联负反馈特点：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻减小。,常州轻工职业技术学院,3.电流串联负反馈采样点与输出电压在不同端点为电流反馈。反馈点与输入信号在不同端点为串联反馈。,图4.9 电流串联负反馈,电流串联负反馈特点：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻增大。,常州轻工职业技术学院,4.电流并联负反馈 采样点与输出电压不同一端点的为电流反馈。反馈点与输入信号在同一端点的为并联反馈。,电流并联负反馈的特点：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻减小。,图4.10 电流并联负反馈,常州轻工职业技术学院,4.3 负反馈对放大电路性能的影响一、负反馈对放大电路性能的影响 电路中引入负反馈后其电压放大倍数下降，但放大电路的其他性能得到改善。1.提高放大倍数的稳定性 闭环放大电路增益的相对变化量是开环放大电路增益相对变化量的（1+AF）分之一。即,常州轻工职业技术学院,2.减小环路内的非线性失真,三极管是一个非线性器件，放大器在对信号进行放大时不可避免地会产生非线性失真。设放大器的输入信号为正弦信号。,引入负反馈，反馈回的信号同输出信号的波形一样，使净输入信号Xid=（Xi-Xf）的波形正半周幅度变小，而负半周幅度变大。经基本放大电路放大后，输出信号趋于正、负半周对称的正弦波，从而减小了非线性失真。,注意：引入负反馈减小的是环路内的失真。如果输入信号本身有失真，此时引入负反馈的作用不大。,图4.11 引入负反馈减小失真,常州轻工职业技术学院,3.抑制环路内的噪声和干扰 在反馈环内，放大电路本身产生的噪声和干扰信号，可以通过负反馈进行抑制，其原理与减小非线性失真的原理相同。但对反馈环外的噪声和干扰信号，引入负反馈也无能为力。,常州轻工职业技术学院,4.扩展频带 BWf(1+AF)BW,放大器引入负反馈以后，其下限频率降低，上限频率升高，通频带变宽。,多级放大电路中，级数越多，增益越大，频带越窄。,图4.12 负反馈扩展频带,常州轻工职业技术学院,5.改变输入和输出电阻（1）负反馈对放大电路输入电阻的影响 串联负反馈使放大电路的输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。（2）负反馈对放大电路输出电阻的影响 电压负反馈使放大电路的输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。,常州轻工职业技术学院,二、放大电路引入负反馈的一般原则（1）稳定放大电路的静态工作点Q，引入直流负反馈。（2）改善放大电路的动态性能（如增益的稳定性、稳定输出量、减小失真、扩展频带等），引入交流负反馈。（3）稳定输出电压，减小输出电阻，提高电路的带负载能力，引入电压负反馈。（4）稳定输出电流，增大输出电阻，引入电流负反馈。（5）提高电路的输入电阻，减小电路向信号源索取的电流，引入串联负反馈。（6）要减小电路的输入电阻，应该引入并联负反馈。,注意：在多级放大电路中，为了达到改善放大电路性能的目的，所引入的负反馈一般为级间反馈。,常州轻工职业技术学院,4.4 正弦波振荡的条件一、正弦波信号振荡电路的产生条件,图4.13 正弦波信号振荡电路方框图,正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频环节的正反馈放大电路。,1、正弦波振荡的平衡条件振幅平衡条件：|=AF=1相位平衡条件：A+F=2n 2、正弦波振荡的起振条件|1,常州轻工职业技术学院,二、正弦波信号振荡电路的组成（1）放大电路（2）正反馈网络（3）选频网络（4）稳幅环节 三、正弦波信号振荡电路的分类 选频网络构成元件的不同，正弦波信号振荡电路分为：RC振荡电路（一般产生低频信号）；LC振荡电路（一般产生高频信号）；石英晶体振荡器（选频特性好、频率稳定度 高）。,常州轻工职业技术学院,4.5 RC正弦波振荡电路 采用RC选频网络构成的RC振荡电路，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。一、RC 串并联选频网络,图4.14 RC串并联选频网络,频率较低,频率较高,常州轻工职业技术学院,取R1R2R，C1C2C 当=0=或f=f 0=时，电压传输系数，也就是反馈系数最大，即：二、RC桥式振荡电路,振荡频率,起振条件,图4.15 采用热敏电阻稳幅的RC桥式振荡电路,即,常州轻工职业技术学院,图4.16 RC串并联选频网络幅频特性和相频特性,常州轻工职业技术学院,4.6 LC正弦波振荡电路 正弦振荡电路选频网络由LC谐振元件组成，称LC正弦波振荡电路。LC振荡电路产生频率高于1MHz的高频正弦信号。根据反馈形式的不同，LC 正弦波振荡电路可分为互感耦合 式(变压器反馈式)、电感三点式、电容三点式等几种电路形式。一、LC并联谐振回路,图4.17 LC并联谐振回路,常州轻工职业技术学院,在中间某一个频率=时，电路发生并联谐振。此时阻抗为纯阻性，等效阻抗达到最大值，幅值恒定的电流源激励出最大的电压响应。幅频特性表明，当外加电流源频率偏离谐振频率时，选频电路的等效阻抗迅速减小，表示幅值恒定的电流源所激励出的电压响应，将随着频率的偏离而迅速减小。幅频特性愈尖锐，选频性能愈好。,图4.18 选频电路的幅频特性 和相频特性,常州轻工职业技术学院,二、互感耦合式(变压器反馈式)LC正弦波振荡电路,图4.19 变压器反馈式LC振荡电路,相位平衡条件,振荡频率,振幅平衡条件 合理选择变压器变比,常州轻工职业技术学院,三、三点式LC正弦波振荡电路 三个电抗元件分别与晶体管的发射极、集电极、基极三个端点连接，故称为三点式振荡器。,图4.20 三点式振荡电路一般组成,三点式振荡器的相位平衡条件判断法则为：（1）X1与X2为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗。（2）X3与X1、X2互为异性电抗，或者说，不与发射极相连接的为异性电抗。,常州轻工职业技术学院,1、电感三点式LC 振荡电路,图4.21 电感三点式振荡电路,a、实用电路,b、交流等效电路,R1、R2为偏置电路，R3为发射极直流负反馈电阻，CB为隔直耦合电容，CE高频旁路电容。,符合三点式振荡电路的组成法则,振荡频率：,电路特点：1、容易起振2、调节频率方便（改变电容）3、输出信号波形较差4、一般产生几十兆以下频率,常州轻工职业技术学院,2、电容三点式LC 振荡电路,图4.22 电容三点式振荡电路,a、实用电路,b、交流等效电路,R1、R2为偏置电路，R3为发射极直流负反馈电阻，CB为隔直耦合电容，CE高频旁路电容。,符合三点式振荡电路的组成法则,振荡频率：,电路特点：1、输出信号波形较好2、振荡频率较高3、振荡频率调节不方便,常州轻工职业技术学院,改进型电容三点式LC 振荡电路,图4.23 改进型电容三点式电路,振荡频率：,条件：C3比C1、C2小得多,因为,所以,于是,振荡频率仅由C3和L决定，与C1、C2基本无关。调节C3，不会改变正反馈量的大小，可对振荡频率进行调节。,常州轻工职业技术学院,4.7 石英晶体振荡电路一、石英晶体的基本特性和等效电路,图4.24 晶体谐振器图形符号与等效电路,（a）图形符号,（b）等效电路,石英晶体化学成分是二氧化硅(SiO2)。石英晶体上按一定的方位角切割，得到的薄片称“晶片”。晶片两个对应的表面敷上银膜，分别引出两个电极，再用金属壳或玻璃壳封装起来，构成了石英晶体谐振器。,LC串并联电路来等效。其中C0是晶片两表面涂敷银膜形成的电容，L和C分别模拟晶片的质量(代表惯性)和弹性，晶片振动时因摩擦而造成的损耗用电阻R来代表。,压电效应：机械力 电荷电场压电谐振：交变电压 频率相同变形振动 交变电荷 回路中可形成电流。,常州轻工职业技术学院,图4.25 晶体谐振器电抗频率曲线,石英晶体谐振器有两个谐振频率：R、L、C支路发生串联谐振时串联谐振频率 此频率上，晶体电抗X0R、L、C支路与C0发生并联谐振时并联谐振频率 此频率上，晶体电抗趋于无穷大一般C0C，因此P、很接近。,常州轻工职业技术学院,二、石英晶体振荡电路 1、并联型晶体振荡电路 石英晶体作为一个高Q值的电感元件，和回路中的其他元件形成并联谐振。,图4.26 并联晶体振荡电路,谐振频率必须在之间 和P之间晶体在电路中起电感作用,电容三点式振荡电路振荡频率由C1、C2、CL及晶体的等效电感L决定。振荡频率主要由负载电容CL及晶体的谐振频率决定,常州轻工职业技术学院,2、串联型晶体振荡电路。,图4.27 串联晶体振荡电路,石英晶体作为一个正反馈通路元件，工作在串联谐振状态。,当电路调谐到石英晶体的串联谐振频率时，石英晶体阻抗最小(相当于短路)，电路正反馈最强，且相移为零，满足振荡条件。而其它频率信号，晶体阻抗很大，正反馈很弱，电路不能起振。可见这种电路的振荡频率0是由石英晶体的串联谐振频率s所决定的，而不取决于振荡回路。,常州轻工职业技术学院,4.8 本章小结 1、将电子系统输出量（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路形式回送到输入回路，用来影响放大电路的输出量的过程称为反馈。若反馈的结果使输出量的变化（或净输入量）减小，则称之为负反馈；反之，则称之为正反馈。2、按照不同的分类方式，反馈有正反馈、负反馈；交流反馈、直流反馈。交流反馈中有电压反馈、电流反馈；串联反馈、并联反馈。电路中常用的负反馈有四种组态：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。不同的反馈组态，具有不同的特点。,常州轻工职业技术学院,3、负反馈引入可以全面改善放大电路性能。直流负反馈能稳定放大电路静态工作点。交流负反馈可以提高放大倍数的稳定性、减小非线性失真、抑制噪声干扰、展宽频带、改变输入和输出电阻等。在实用放大电路中，应根据需求引入合适的负反馈。如要稳定输出电压，引入电压负反馈；如要稳定输出电流引入电流负反馈等。4、正弦波振荡电路主要由放大电路、反馈网络、选频网络三部分组成，有的电路为了达到稳幅振荡的目的，还包含有稳幅环节。,常州轻工职业技术学院,5、电路接成正反馈时，产生正弦波振荡的条件是：。或分别用幅度平衡条件和相位平衡条件表示为：|=1 和A+F=2n，n=0，1，2，。6、正弦波振荡电路一般有RC振荡电路、LC振荡电路、石英晶体振荡器等。7、RC型振荡电路是利用RC电路作为选频网络，振荡频率一般与RC的乘积成反比，它可产生几赫至几百千赫的低频信号，常用的有RC串并联式(又称文氏桥式)。,常州轻工职业技术学院,8、LC型振荡电路是利用LC振荡回路来选频，振荡频率主要取决于LC并联回路的谐振频率，一般与 成反比，通常振荡频率可达一百兆赫以上。常用的有变压器反馈式、电感三点式、电容三点式以及改进型电容三点式等。9、石英晶体振荡器利用石英谐振器的压电效应来选频，与LC振荡回路比较，其Q值要高的多，因而振荡频率稳定性很高，可达 10-610-8的数量级。,