电子电路中的反馈.ppt

17.1 反馈的基本概念17.1.1 负反馈与正反馈17.1.2 负反馈与正反馈的判别方法17.2 放大电路中的负反馈17.3 振荡电路中的正反馈,第17章 电子电路中的反馈,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,1、负反馈正反馈 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。,2、交流反馈和直流反馈,有的反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。,有的反馈只对直流信号起作用，称为直流反馈。,有的反馈对交直流均起作用,交直流反馈。,负反馈与正反馈的判别方法,瞬时极性法,假设输入端信号有一定极性的瞬时变化，依次经过放大、反馈、比较后，回到输入端，若输入信号与原输入信号的变化极性相反，则为负反馈。反之为正反馈。,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。,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,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，,总结,（1）对于发射极带有电阻RE而无旁路电容的分立元件电子电路而言，基极电位的瞬时极性与集电极电位的瞬时极性相反，而与发射极电位的瞬时极性相同。,（2）对于NPN型晶体管，凡是反馈降低了基极电位，或者说提高了发射极电位，则为负反馈；反之，为正反馈。,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：,VB 固定,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,：电路中是否引入了反馈，是交流反馈还是直流反馈，是正反馈还是负反馈？,解：R2引入了反馈，输入回路和输出回路之间的元件。,对于交流信号而言，R2等效并联在R3上，与输入回路无关。引入直流反馈。,负反馈,（C）,：电路中是否引入了反馈，是交流反馈还是直流反馈，是正反馈还是负反馈？,解：R2引入了反馈，输入回路和输出回路之间的元件。,对于R2上既有直流成分又有交流成分，交、直流反馈。,负反馈,（D）,负反馈,交流反馈,直流反馈,串联电压负反馈,并联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电流负反馈,负反馈的类型,稳定静态工作点,17.2 放大电路中的负反馈,1、串联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud=ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,反馈电压,取自输出电压电压反馈,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,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,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,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,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,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 反相输入恒流源电路,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；,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3：,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都在同相输入端上，所以是并联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相反，所以是负反馈。,并联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,A2,A1,例1：,串联反馈,分立元件的放大电路反馈类型的判别,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,ic,uf,ube,ib,ic,例2：,ii 与 if 并联，以电流形式比较并联反馈,负反馈,ib=ii-if,电压反馈,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,uo,if,ib,ic,uo,利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,若反馈信号与输入信号加在同一电极上，,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,共发射极电路口诀：集出为压，射出为流，基回为并，射回为串。,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,共集电极电路为典型的电压串联负反馈。,共集电极电路,例3：,例4：(1)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。,例4：(2)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:电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅引入交流反馈。,例4：(3)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:RE1、RF引入越级正反馈。,RF、CF:交流电压并联负反馈,+UCC,(a),RE1,+,R1,RF1,C2,RC2,RC1,CE2,RE2,R2,+,C,+,RF1、RE1:交直流电压串联负反馈,例5：,RF,RE2:直流反馈,电流并联负反馈,正反馈,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,1.降低放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,|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,无负反馈,有负反馈,|A0|,|A0|,例：中频放大倍数|A0|=10，反馈系数|F|=0.01,在原上限频率处,闭环的放大倍数：,说明加入负反馈后，原上限频率仍在通频带内，即通频带加宽了。,4.展宽通频带,原上限频率仍在通频带内，即通频带加宽了。,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,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,练习与思考,1、如果需要实现下列要求，在交流放大电路中应引入哪种类型的负反馈？,（1）要求输出电压Uo基本稳定，并能提高输入电阻。,串联电压负反馈,（2）要求输出电流Io基本稳定，并能减小输入电阻。,并联电流负反馈,（3）要求输出电流Io基本稳定，并能提高输入电阻。,串联电流负反馈,能否同时提高输出电阻？,练习与思考,2、如果输入信号本身已经是一个失真的正弦量，试问引入负反馈后能否改善失真，为什么？,答：不能。负反馈只能改善由于放大电路引起的失真。,3、对于分压式偏置放大电路做实验，在接入旁路电容CE和除去旁路电容CE两种情况下，用示波器观察输出波形在失真和幅度上有何不同，为什么？,答：无旁路电容的电路，接入了交流负反馈，输出电压的失真减弱，电压幅度也减小。,4、分压式偏置放大电路无旁路电容，射极电阻引入的是何种类型的交流负反馈？,串联电流负反馈,练习与思考,5、什么是深度反馈？怎样理解“负反馈愈深，放大倍数降低的愈多，但电路工作愈稳定”。,6、在负反馈放大电路中，如果反馈系数|F|发生变化，闭环电压放大倍数能否保持稳定？,答：不能。闭环电压放大倍数与反馈系数F有关。,答：|1+AF|称为反馈深度，其值愈大，反馈愈深。趋于无穷大时，称为深度反馈。负反馈作用愈强，Af也就愈小。愈小，闭环放大倍数的相对变化越小，越稳定,RF,书后：图中应该引入何种类型的负反馈？反馈电阻RF应从何处引至何处？（1）减小输入电阻，增大输出电阻。,减小输入电阻并联反馈增大输出电阻电流反馈,例1,忽略,电压串联负反馈,瞬时极性判断法,反馈系数：,放大倍数：,已知：Re1、Rf，求电压放大倍数,例2,已知：RS、Rf，求电压放大倍数,Rf：直流负反馈，交流负反馈,忽略ib，,忽略ube，,例3,已知：RS、RF、Re2，求电压放大倍数,RF：建立第一级静态工作点；级间交直流负反馈，电流反馈，稳定各级的静态工作点,RE Re2：局部直流负反馈，电流反馈，稳定各级的静态工作点,例3（续）,RF、Re2：级间直流负反馈作用，提供并稳定静态工作点；级间交流电流并联负反馈作用,瞬时极性判断法：,例3（续）,电压放大倍数的估算：,例3（续）,电压放大倍数的估算：,例4（续）,+EC,小结：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；,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。,负反馈对放大电路性能的影响:,1.降低放大倍数,2.提高放大倍数的稳定性,3.改善波形失真,4.展宽通频带,5.对输入电阻的影响,1)串联负反馈,使电路的输入电阻提高,2)并联负反馈,使电路的输入电阻降低,6.对输出电阻的影响,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,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“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。,17.3 振荡电路中的正反馈,自激振荡,1.自激振荡的条件,(1)幅度条件：,振荡电路必须是正反馈,设A=100,F=0.01,AF=1,如果在输入端有0.01V的电压,Ui=0.01V,则U0=1V,Uf=1*0.01V=0.01V,如果Uf与UI相位相同振荡电路就可以稳定工作,如何启振？,设A=200,F=0.01,AuF=1,如果在输入端有0.01V的电压,Ui=0.01V,则U0=2V,Uf=2*0.01V=0.02V,U0=4V,Uf=4*0.01V=0.04V,AF1,从AF1到AF=1,是自激振荡建立的过程,2.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。,自激振荡总结（练习与思考1）,(1)振荡的条件,(2)振荡的建立,相位条件：Uf和Ui同相；幅度条件：UfUi，AuF=1,起振时AuF 1，从AuF 1过渡到AuF=1，是建立振荡的过程，反馈电压和输出电压的幅度不断增大（正反馈），从而达到稳定。,(3)振荡的稳定,利用反馈元件或晶体管的非线性，使振荡幅度自动稳定下来。,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,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,正弦波振荡电路的组成,(1)放大电路:放大信号,(2)反馈网络:正反馈，反馈信号即是输入信号,(3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波 常用的选频网络有RC选频和LC选频,(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。使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。,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,RC桥式振荡电路,2.RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数：,式中：,仅当=o时，达最大值，且 uf 与 uo 同相,稳定振荡条件AuF=1，|F|=1/3，则,RF=2R1,起振条件,RF 2R1,3.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,开始：Au 略大于3,(2)稳定振荡,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,稳定：Au 等于3,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,带稳幅环节的电路(1),利用具有负温度系数热敏电阻自动稳幅。,半导体热敏电阻,（4）起振及稳定振荡的条件,稳幅过程：,思考：,正温度系数的热敏电阻，应接在何处？,带稳幅环节的电路(2),利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。,稳幅环节,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。,（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,集电极等效负载阻抗（电阻）最大，电压放大倍数最高，且输入电压ube与输出电压uce反相。,振荡的稳定：由于晶体管的非线性，使振荡幅度自动稳定下来。,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,3.正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。,1正弦波振荡的条件：AF=1（振幅条件）（相位条件）,2.正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。,内容小结,练习与思考,1、从AuF 1到AuF=1，是建立振荡的过程，在此过程，哪个量减小了？,答：电压放大倍数Au减小了。,2、正弦波振荡电路为什么要有选频电路？没有它是否也能产生振荡？这是输出的是不是正弦信号？,答：在正弦振荡电路中，如果没有选频电路，产生的输出信号是由多个频率合成的随机信号，这是因为只要满足自己振荡的起振条件，不同频率的信号均能产生振荡输出。而加入选频后，就只有选频电路选出的单一频率的正弦信号满足起振条件，输出就是单一频率正弦信号。,*（二）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。,*2.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：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。,*石英晶体,2.基本特性,1.结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率=固有频率时，振幅最大,压电谐振,3.石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效阻抗为纯阻性,（2）并联谐振,通常,所以,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,二.石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。,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。,作业：,17.3.3 17.3.4,