荣雅君《模拟与数字电子技术》第五章.ppt

第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,一、概述（一）反馈的基本概念,反馈 将电路的输出量(电压或电流)的一部分或全 部，以一定的方式通过某种电路（反馈）回送到输入端或输入回路，去影响输入量（电流或电压），以改善放大电路的某些性能。,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,判断有无反馈的方法：看放大电路的输入回路与输出回路之间是否有反馈电路相联系。若有联系，则有反馈；闭环 若无联系，则无反馈。开环,（a）开环电路（b）闭环电路,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,反馈放大电路一般框图：,输入信号,输出信号,净输入信号,反馈信号消弱了净输入信号，为负反馈。,则,若,同相，,反馈信号,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,（二）反馈的分类1.正反馈和负反馈 根据反馈信号对净输入信号的影响不同划分。若反馈信号增强净输入信号输出信号得到提高正反馈；若反馈信号削弱净输入信号输出信号得到削弱负反馈；2.直流反馈和交流反馈 根据反馈信号本身的交、直流性质来划分。如反馈信号中仅有直流成分，则为直流反馈，稳定放大电路的静态工作点；如反馈信号中仅有交流成分，则为交流反馈，改善放大电路的各项动态性能；,多数情况下，交、直流两种成分兼而有之。,判断直流反馈与交流反馈,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,3.电压反馈和电流反馈根据反馈信号在放大电路输出端采样方式不同划分。若反馈信号取自输出电压或其中一部分，电压反馈；若反馈信号取自输出电流或其中一部分，电流反馈；4.串联反馈和并联反馈根据反馈信号与输入信号在输入回路中求和的形式不同划分。若反馈信号与输入信号在输入端串联串联反馈电压叠加形式出现；若反馈信号与输入信号在输入端并联并联反馈电流叠加形式出现；,第五章 放大电路中的反馈,负反馈的四种类型：,串联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电压负反馈,并联电流负反馈,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,二、反馈放大电路的一般表达式 1.一般表达式,输入信号,净输入信号,输出信号,反馈信号,它们之间的关系，称为反馈放大电路的一般表达式。,反馈信号消弱了净输入信号，为负反馈。反之，则为正反馈。,则,若,同相，,1）,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,2）基本放大电路的放大倍数开环放大倍数,3）反馈系数,4）引入负反馈时的放大倍数闭环放大倍数,引入反馈后的净输入信号：,反馈放大电路的一般表达式,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,2.反馈深度,反馈放大电路的闭环放大倍数引入反馈后，放大电路的输出信号与外加输入信号之间的总的放大倍数。,回路增益放大电路中，信号沿着放大网络和反馈网络组成的环路传递一周后得到的放大倍数。,反馈深度表示引入反馈后，放大电路的放大倍数与无反馈时相比所变换的倍数。表示反馈作用强弱的量。,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,引入反馈后，净输入信号是输入信号的,引入反馈后，放大倍数增大,负反馈,引入反馈后，放大倍数减小,正反馈,输入信号 与净输入信号 的关系,第五章 放大电路中的反馈 5.1 概述,反馈深度是一个十分重要的参数,若,或,深度负反馈,可简化为：,由,则闭环放大倍数：,说明：1.突出优点：引入深度负反馈后，放大电路的闭环放大倍数只取决于反馈网络的反馈系数，而与基本放大电路几乎无关。2.利用性能稳定的无源器件（电阻、电容等）构成反馈网络，使放大电路基本不受温度影响，提高稳定性。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,分析反馈电路的一般过程：首先要根据在输入和输出回路间是否有相互联系的元件，来判断电路中是否存在反馈。若有反馈,直流反馈还是交流反馈,正反馈还是负反馈,判断负反馈电路的具体类型，或组态。,若判断为交流负反馈,本节的重点和难点,一、瞬时极性法（判正、负反馈）,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。,设某一瞬时ui为正(也可假设为负)，根据电路情况推出此时反馈信号的正负。,正反馈电路,负反馈电路,反馈信号使净输入信号增大的，是正反馈。,ud=ui-（-uf）,ud=ui-uf,ud,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,直流或 交流反馈？,二、直流和交流反馈,直流通路中有反馈网络,直流反馈,稳定静态工作点,交流通路中有反馈网络,交流反馈,改善放大电路的性能,交、直流反馈,兼具上述两种功能,交、直流通路中有反馈网络,这两个电路直流、交流反馈共存。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,三、交流负反馈的类型,使 uo=0(RL 短路)，若反馈消失则为电压反馈，否则为电流反馈。,1.判断电压、电流反馈,电流反馈 反馈信号取自输出电流。,判别方法：,写出反馈信号表达式，若正比于电压则为电压反馈，否则为电流反馈。,电压反馈 反馈信号取自输出电压。,直接判别法：利用反馈网络与基本放大电路在输出端的连接情况来判别电流反馈或电压反馈。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,电压反馈,电流反馈,判别下面框图是电压或电流反馈：,反馈信号取自输出电压,反馈信号取自输出电流,短路法：,a),b),图a)输出端短路后，反馈即消失(uo=0),图b)输出端短路后，反馈仍存在(io 0),第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,两种方法判断举例：1)写出反馈信号表达式，若正比于电压则为电压反馈，否则为电流反馈。,反馈电压的表达式为,电流反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,2)将放大电路的输出端交流短路，即令输出电压等于零，若反馈信号也为零，则为电压反馈。如果反馈信号不为零，则为电流反馈。,电流反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,直接判别法：利用反馈网络与基本放大电路在输出端的连接情况来判别电流反馈或电压反馈。,电压反馈判断,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,电流反馈判断,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,例5-1 试判断图示电路中的R4和R3引入的是电压反馈还是电流反馈。,反馈电阻没有连接到输出端子上,反馈电阻连接到输出端子上,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,并联反馈：反馈信号与输入信号在输入端以电流相加减的形式出现。,串联反馈：反馈信号与输入信号在输入端以电压相加减的形式出现。,2.判断串联反馈和并联反馈,判别方法：,反馈信号与输入信号在不同输入端为串联反馈，在同一个输入端为并联反馈。,串联反馈,并联反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,输入短路判别法：将输入回路短接，若反馈信号消失，为并联反馈；否则为串联反馈。,串联反馈,将输入端的反馈节点对地短接：若输入信号接不到放大器上，则为并联反馈；若输入信号仍能接到放大器上，则为串联反馈。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,直接法判断串、并联反馈：通过反馈网络与基本放大电路在输入端的连接情况判别。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,例5-2试判断图a）中的R2和R3和图b）中R2引入的是串联反馈还是并联反馈。,反馈电阻没有连接到输入端子上,将输入端对地短接,图a）,串联反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,并联反馈,反馈电阻连接到输入端子上,将输入端对地短接,“虚断”,图b),第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,负反馈的四种类型：,串联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电压负反馈,并联电流负反馈,VB不变,电路中同时存在直流反馈和交流反馈。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,四、交流负反馈类型判断,判断由分立元件组成的具体放大电路的负反馈的类型,1.串联电流负反馈,分压式偏置电路的交流放大电路,RE 介于输入输出回路，有反馈。,RE的直流反馈效果(通过直流通路),IC,VE,UBE(=VB-VE),IB,IC,使静态工作点趋于稳定,输入回路,输出回路,VB,VE,IB,IC,分压式偏置电路的交流通路,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,RE的交流反馈效果（通过交流通路分析）,负反馈,从放大电路的输入端看，反馈电压与输入电压串联，故为串联反馈。,从放大电路的输出端看，反馈电压正比于输出电流(Uf=IcRE)，因此是电流反馈。,判断为电流串联负反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,图5-10在集电极与基极间接有电阻的放大电路,2.并联电压负反馈,分析过程,1、用瞬时极性法判断正、负反馈？,2、从输出端判断电压、电流反馈？,3、从输入端判断串联、并联反馈？,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,交流负反馈,判断正负反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,判断负反馈放大电路的组态,其次，判断具体的反馈类型,从输入端看，反馈信号以电流形式与输入信号并联，故为并联反馈。,从输出端看，反馈电流正比于输出电压，故为电压反馈。,上述电路的判断结果是：并联电压负反馈。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,反馈判断的几点说明：瞬时极性用于判断正、负反馈。是在输入端任意假定一个交流输入信号的瞬时对地极性，切勿与该点的直流电位相混淆。信号经共发射极放大器传递时,凡由集电极输出的信号与输入信号反相,瞬时极性变号，由发射极输出的信号,则瞬时极性不变。信号经耦合电容、电阻等元件传递时,一般只产生衰减而瞬时极性不变。,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,例5-3 图5-12所示电路为由集成运放构成的反馈电路，试判断图中各电路中反馈的极性和组态。,a）,1、用瞬时极性法判断正、负反馈,2、从输出端判断电压、电流反馈。,3、从输入端判断串联、并联反馈。,电流反馈,电流反馈,并联反馈,串联反馈,第五章 放大电路中的反馈第二节 负反馈放大电路的组态,C）,D）,分析两级间的反馈,串联电压负反馈,并联电流负反馈,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,一、对放大倍数的影响,1.降低放大倍数,说明引入负反馈后削弱了净输入信号，电路的放大倍数降低了。且反馈深度的值越大，负反馈越强，,可知,则 也就越小。,注：射级输出器的输出信号全部反馈到输入端，,它的反馈系数，反馈极深，故无电压放大作用。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,例5-4 图5-13 是串联电流负反馈放大电路，=30，rbe=1k，根据图中数据计算闭环电压放大倍数，并计算未引入负反馈（将CE的正极性端接到发射级）时的电压放大倍数。设 Rs=0。,图5-13 串联电流负反馈放大电路,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,解：先画出图5-13所示放大电路的微变等效电路图5-14。,图5-14 图5-13的微变等效电路,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,由微变等效电路图可写出：,且,闭环电压放大倍数为：,带入数据得：,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,未引入反馈的开环电压放大倍数为：,引入负反馈后，虽然放大倍数降低了，但是换来很多好处，在很多方面改善了放大电路的工作性能。如：1、提高了放大倍数的稳定性；2、改善了波形失真；3、改变放大电路的输入电阻和输出电阻；4、至于因负反馈而引起放大倍数的降低，则可通过增多放大电路的级数来提高。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,当外界条件变化时，放大倍数的变化,2.提高放大倍数的稳定性,设放大电路未引入负反馈时的放大倍数为，,由于外界条件变化引起放大倍数的变化为，其相对变化为。,设放大电路未引入负反馈时的放大倍数为，由于外界条件变化引起放大倍数的变化为,其相对变化为,由于 和 均为实数，则 可以,写成,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,对式,求导数，得,或,上式表明，在引入负反馈之后，虽然放大倍数从 减小到,即减小到原来的。,但在外界调节有相同的变化时，放大倍数的相对变化 却只有未引入负反馈时的。,可见负反馈放大电路的稳定性提高了,例如，当 时，,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,负反馈深度愈深，放大电路愈稳定。满足 认为是深度负反馈,的相对变化将只有 的相对变化的百分之一。,假设某种原因（如晶体管的参数因温度的变化而变化），使 变化了10，则 的变化就减小到0.1。,说明：电压负反馈能稳定输出电压，电流负反馈能稳定输出电流。,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，基本上不受外界因素变化的影响。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,二、改善非线性失真,由于工作点选择不合适，或者输入信号过大，都将引起信号波形的失真。,引入负反馈后，由于反馈网络是线性的（如由电阻组成），不会引起失真，所以取自输出信号的反馈信号（图5-15b中的 波形）也和图a中的 相似，由即将输出端的失真信号反送到输入端，,图5-15 负反馈减小非线性失真,a）无反馈,b)具有负反馈,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,所以净输入信号波形（图b中的）与无反馈时时的输出波形（图a）的失真情况相反，这样的净输入信号经过放大之后，即可使输出信号的失真得到一定的补偿。,由于，,b)具有负反馈,a）无反馈,图5-15 负反馈减小非线性失真,从本质上说，负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真。因此只能减小失真，不能完全消除失真(图5-15b)。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,三、展宽通频带,图5-16 负反馈展宽通频带,由于在深度负反馈时，闭环增益,在上限频率,和下限频率,所处的区域，当频率升高或降低 引起 减小时，只要满足：,由图可见，引入负反馈后，放大电路的通频带由原来的,变为：,其展宽频带的程度与反馈深度有关。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,四、对放大电路输入电阻的影响,放大电路中引入负反馈后能使输入电阻增高还是降低，与串联反馈还是并联反馈有关。,即串联负反馈可以使放大电路的输入电阻增高。,对于串联负反馈，由于净输入电压：,开环放大电路输入电阻为：,引入负反馈后输入电阻为：,由于，故,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,对于并联负反馈电路的分析如下：,开环放大电路输入电阻为：,引入负反馈后输入电阻为：,由于，故,即并联负反馈可以使放大电路的输入电阻降低。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,五、对放大电路输出电阻的影响,放大电路中引入负反馈后能使输出电阻增高还是降低，与电压反馈还是电流反馈有关。,电压反馈的放大电路具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出的特性。而恒压源内阻很低，故引入电压反馈后放大电路的输出电阻降低。,电流反馈的放大电路具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出的特性。故放大电路的输出电阻较高，但与 并联后，近似等于。,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,总结:各种负反馈类型对放大电路输入电阻和输出电阻的影响,第五章 放大电路中的反馈第三节 负反馈对放大电路性能的影响,图5-13 电路图,例5-5 计算例5-4（图5-13）的串联电流负反馈放大电路的输入电阻。,微变等效电路可计算得出：,若无，即无负反馈时的输入电阻为：,可见，串联负反馈使输入电阻提高。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,振荡电路则不须外接输入信号，其输出端就有信号输出，这种现象称为自激振荡。,如果电路依靠本身的自激振荡产生一定频率和幅度的输出信号，这种电路就称为振荡电路。,据输出波形的不同，振荡电路可以分为：,非正弦波振荡电路,正弦波振荡电路,方波、三角波产生电路,产生正弦波信号,本节重点介绍,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,一、自激振荡的条件,振荡电路不须外接信号源，它的输入信号从何而来呢？,图5-17 振荡电路方框图,振荡电路的框图见5-17,两个主要组成部分,基本放大电路（表示基本放大电路的电压放大倍数）,反馈网络（表示反馈电路的反馈系数）,当开关S置于位置“1”时，反馈网络不起作用，此时的电路是基本的放大电路。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,如将输出电压经反馈电路回送到输入端，并使反馈电压与输入电压相等（大小相等，极性相同），那么当开关位置“2”时，放大电路就成为振荡电路。,由框图可见，振荡电路是一个没有输入信号的正反馈放大电路。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,可知：一个电路要形成振荡，须满足。,而反馈电压为：,幅值条件,由此可得电路的振荡条件为：,因,式中，n0，1，2，3，即反馈电压与输入电压的相位相同，也就是电路构成正反馈。因此电路必须正确连接。,相位条件,维持稳定的振荡，须同时满足2条件,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,二、振荡的建立和振荡的稳定振荡电路最初的起振靠电路本身的各种电压的变化，只要满足AuF1和正反馈条件时电路即可起振。,振荡的稳定：,放大正反馈再放大再正反馈,输出电压幅度不断增大,晶体管进入非线性区，放大倍数下降,直到满足AuF=1时使振荡电路稳定地工作,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,可见，振荡电路的起振条件为：,(1)起振信号是一些不规则的非正弦干扰信号，究竟哪一种频率可最终形成输出信号就需要由选频电路来决定。(2)选频电路将所需频率的信号经过逐级放大使之形成振荡，而将其它频率的信号加以抑制。,(3)正弦波振荡电路一般还包括稳幅环节。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,正弦波振荡电路一般由基本放大器、接成正反馈的选频网络，稳幅环节等组成。,综上：,据正弦波振荡电路的形式不同可以分为：,振荡电路,振荡电路,三、正弦波振荡电路,正弦波振荡电路是一种低频的振荡电路，其振荡频率可从1Hz以下到几百千赫，频率范围很宽。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,正弦波振荡电路,选频网络,放大器,基本运算放大器为同相端输入方式，即输入电压 从 并联电路的两端取得，为输出电压 的一部分。,正反馈网络由RC串并联电路构成，接在同相输入端，且反馈网络具有选频特性，将输出电压经选频后的信号反馈回去；,、组成负反馈网络，用来控制同相输入运算放大电路的闭环放大倍数，使之满足起振条件。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,具有负的温度系数，起到自动稳幅的作用。,当任何原因使振荡幅度增大时，流过 的电流增大，它的阻值就相应减小。,就会使负反馈的电压 升高，其结果使振荡幅度回落。,反之，当振荡幅度减小时，也可使之回升，因此可以起到稳定输出电压幅度的作用。,由于选频电路中的、和反馈网络中的、正好构成电桥的四臂，放大电路的输出端和输入端分别接在电桥的两对角上，故将这种振荡电路称为 桥式振荡电路。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,1.RC串并联电路的选频特性,设该电路的输入电压为，输出电压为，则反馈系数 为,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,说明：为了方便调节频率，通常取：,则：,RC串并联电路的频率特性,（幅频特性）,（相频特性）,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,RC串并联电路的频率特性：,当,即谐振频率,反馈系数达最大值：,且,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,2.RC桥式振荡电路,前述振荡电路产生振荡的相位条件为：,串并联选频电路的,即有 和 同相位，则必须有基本放大电路的：,即振荡电路中基本放大器部分的输入电压与输出电压必须是同相位，才能使RC串并联选频振荡电路满足振荡的相位条件要求。,其它 的频率信号，由于不能满足振荡的相位关系而被抑制，因此该电路的振荡频率为，改变RC的值可调整。,分析起振的幅值条件和相位条件,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,前述振荡电路产生振荡还要满足的幅值条件。,即起振要求幅值条件：,分析RC桥式振荡电路是否满足起振的幅值条件？,只需使,同相比例运算放大器的电压放大倍数为：,只要选取 即可满足起振条件。,注：若振荡电路的基本放大器部分采用两级以上的阻容耦合放大电路，这样的起振条件是很容易满足的。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,温度T Uo,分析组成的负反馈网络的稳定电压的过程。,R3（负温度系数）,Uo,同理可分析当温度下降时，负反馈网络的自动稳幅过程。,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,例5-6 图5-21是一个文氏桥式振荡电路，各组成部分的值如图中标示。判断该电路是否满足起振条件。,解：,第五章 放大电路中的反馈第四节 正弦波振荡电路,当，又,因此满足振荡的相位条件。,此时，由图可知，同相输入运算放大电路的电压放大倍数为：,调节电位器，使满足式，就可满足,的幅值要求，该电路就能起振。,由于 是增幅振荡，振荡的幅度不断增大，只有受运算放大器的最大输出幅值的限制，才能稳定下来。此时波形已有较大的失真。为减小失真，在电阻 的两端并联两个二极管，起到双向自动稳幅的作用。,