电子技术基础第4章.ppt

4.1 反馈的基本概念4.2 负反馈电路的类型4.3 负反馈对放大电路性能的影响4.4 深度负反馈放大电路的估算方法4.5 负反馈放大电路中的自激振荡及其消除方法本章小结习题,第4章 负反馈在放大器中的应用,4.1.1 反馈1.什么是反馈在电子电路中，将输出量(电压或者电流)的一部分或者全部，通过一定的电路形式作用到输入回路，从而影响其输入量的措施称为反馈。,4.1 反馈的基本概念,2.反馈的基本框图按照反馈放大电路各部分电路的主要功能，可以将一个放大电路分为基本放大电路和反馈网络两部分，如图所示。基本放大电路的主要功能是放大信号，反馈网络的主要功能是传输反馈信号。其中基本放大电路的输入信号称为净输入量。由图可知，净输入量不仅取决于输入量，还与反馈量有关。,图4.1.1 反馈电路的方框图,3.有无反馈的判别如果放大电路中存在输出回路和输入回路的连接通路，并且能够影响放大电路的净输入量，则该电路引入了反馈；反之则没有引入反馈。反馈回路中影响反馈量的元件称为反馈元件。如图所示。,图4.1.2 有无反馈的判断(a)无反馈放大电路一;(b)引入反馈的放大电路;(c)无反馈放大电路二,4.1.2 反馈的极性根据反馈信号对净输入量的影响，可以把反馈分为两种极性：正反馈和负反馈。1.正反馈和负反馈使得净输入量增大的反馈称为正反馈；使得净输入量减小的反馈称为负反馈。如果反馈的结果使得输出量变化增大的为正反馈，反之则为负反馈。2.反馈极性的判别判断反馈极性采用的是瞬时电位极性法，简称瞬时极性法。动画演示。,在如图4.1.3(a)所示的电路中，设输入电压ui对地的瞬时极性为正，即集成运放同相输入端uP对地为正，因此输出电压uo对地的电位也为正；uo在R2和R1的回路产生电流，方向如图中虚线所示，在R1上形成了反馈电压uf(方向上为“+”，下为“”)，使得反相输入端电位对地为正，从而使得净输入电压uid(uPuN)数值减小，说明电路引入了负反馈。,图4.1.3 反馈极性的判别(a)电路引入负反馈一;(b)电路引入正反馈;(c)电路引入负反馈二,在如图4.1.3(b)所示的电路中，设输入电压ui对地的瞬时极性为正，即集成运放反相输入端uN对地为正，因此输出电压uo对地的电位为负；uo在R2和R1的回路产生电流，方向如图中虚线所示，在R1上形成了反馈电压uf(方向上为“”，下为“+”)，使得同相输入端电位对地为负，从而使得净输入电压uid(uPuN)数值增大，说明电路引入了正反馈。在如图4.1.3(c)所示的电路中，设输入电流ii对地的瞬时极性为正，集成运放反相输入端uN对地为正，因此输出电压uo对地的电位为负；uo在R2上产生电流if，方向如图中虚线所示；if对ii分流，使得集成运放的净输入电流数值减小，说明电路引入了负反馈。,对于分立元件，可以通过输入级放大管的净输入电压或者净输入电流的增大或减小来判断反馈的极性。在图中，设输入电压ui对地的瞬时极性为正，则VT1的基极电位对地为“+”，基极输入，集电极反相，发射极同相，故VT1的集电极电位为“”，VT2的基极电位对地为“”，所以输出电压uo对地的电位为“+”，作用于R6和R3回路产生电流，方向如图中虚线所示，在R3上形成了反馈电压uf(方向上为“+”，下为“”)，使得VT1管be间电压(即净输入电压)减小，因此电路引入了负反馈。,图4.1.4 分立元件反馈极性的判别,4.1.3 直流反馈与交流反馈 1.直流反馈与交流反馈的定义 根据反馈量是直流还是交流，反馈可以分为直流反馈和交流反馈。,2.直流反馈和交流反馈的判别方法 根据直流反馈和交流反馈的定义，通过反馈存在于电路的直流通路还是交流通路，可判断电路引入的是直流反馈还是交流反馈。如图4.1.5(a)所示，在直流时，电容开路，直流通路如图4.1.5(b)所示，电路引入了反馈；交流时，电容短路，交流通路如图4.1.5(c)所示，没有反馈。通过分析可知，反馈只存在于直流通路中，因此该电路引入的为直流反馈。,图4.1.5 直流反馈和交流反馈的判别(a)电路；(b)直流通路；(c)交流通路,【例4.1.1】判断图所示电路是否存在反馈，如果存在，判断反馈的极性，并说明是直流反馈还是交流反馈。,图4.1.6 例的电路图,解：电阻R4将输入和输出回路相连接，因此存在反馈；在直流通路和交流通路中该反馈均存在，因此电路既有直流反馈也有交流反馈。,4.2.1 负反馈在输出端的采样1.电压负反馈若反馈量取自于输出电压，则称为电压负反馈。如图所示，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。由图可知，反馈量取自于输出电压uo，并且与输入量ui是以电压的方式叠加的。,4.2 负反馈电路的类型,图4.2.1 电压负反馈,2.电流负反馈若反馈量取自于输出电流，则称为电流负反馈。如图所示，电路各点电位的瞬时极性和电流方向如图中所标注。图4.2.2(a)是将负载RL接在了R2处，从RL中得到了稳定的输出电流io，我们习惯上将其画成图4.2.2(b)所示的形式。电路中各点瞬时极性和电流方向如图中所标注。,图4.2.2 电流负反馈(a)基本电路；(b)习惯画法,3.电压负反馈和电流负反馈的判断由前面的叙述可知，反馈量不是取自于输出电压就是取自于输出电流，因此，只要令负反馈放大电路的输出电压为零，若反馈量也随之为零，则说明该电路引入了电压负反馈；若反馈信号仍然存在，则说明该电路引入了电流负反馈。我们也可以看反馈信号是否取自于输出端uo，如果反馈信号取自于输出端uo，则说明该电路引入了电压负反馈；如果反馈信号不是取自于uo，则说明该电路引入了电流负反馈。,4.2.2 负反馈在输入端的接法根据输入回路和反馈网络的连接不同，即反馈量和输入量的叠加方式的不同，可以将负反馈分为串联负反馈和并联负反馈。1.串联负反馈若反馈信号和输入信号以电压方式相叠加，则为串联负反馈。如图所示，电路的瞬时极性如图中所标注。从图中可以看出，反馈信号取自于输出电压，因此反馈量为电压uf，它与输入电压ui求差后放大，叠加方式为电压叠加，因此图所示的电路引入了串联负反馈。,图4.2.3 串联负反馈,2.并联负反馈若反馈信号和输入信号以电流方式相叠加，则为并联负反馈。如图所示，电流的瞬时方向如图中所标注。从图中可以看出，反馈量取自于输出电流，并且转换成反馈电流if，在输入端和输入电流求差后放大，因此图所示的电路引入了并联负反馈。,图4.2.4 并联负反馈,3.串联负反馈和并联负反馈的判断 由前面的叙述可知，反馈量和输入量的叠加形式有两种：电压和电流。因此，判断是串联负反馈还是并联负反馈可以看输入信号和反馈信号是不是在同一个节点上。如果输入信号和反馈信号不在同一个节点上，则二者是以电压的方式相叠加的，说明电路引入的是串联负反馈；如果输入信号和反馈信号在同一个节点上，则二者是以电流的方式相叠加的，说明电路引入的是并联负反馈。,【例】判断图所示电路的反馈组态。解：采用瞬时极性法判断该电路是否引入了负反馈。因为反馈信号不是直接取自于输出端uo，所以该电路引入的是电流负反馈；在输入端，反馈信号和输入信号不是在同一节点上，故该电路引入的是串联负反馈。综上所述，该电路引入了电流串联负反馈。,图4.2.5 例的电路图,【例】判断图、图和图所示电路的反馈组态。如果将基本放大电路和反馈网络均看成两端口网络，则四种组态的方框图如图所示。其中：图4.2.6(a)为电压串联负反馈，图4.2.6(b)为电流串联负反馈，图4.2.6(c)为电压并联负反馈，图4.2.6(d)为电流并联负反馈。,图4.2.6 交流负反馈四种组态的方框图(a)电压串联负反馈；(b)电流串联负反馈；(c)电压并联负反馈；(d)电流并联负反馈,4.3.1 负反馈放大器的方框图任何一个负反馈放大电路都可以用图所示的方框图来表示。图中 为输入量，反馈量，为输出量，为净输入量，箭头方向表示信号的流通方向，表示叠加。,4.3 负反馈对放大电路性能的影响,图4.3.1 负反馈放大电路方框图,由图可以得出、和之间的关系为(4.3.1)在方框图中基本放大电路的放大倍数为(4.3.2),负反馈网络的反馈系数为 负反馈放大电路的放大倍数(也称为闭环放大倍数)为由式(4.3.2)和式(4.3.3)可以得出，环路放大倍数为,(4.3.3),(4.3.4),(4.3.5),根据式(4.3.2)式(4.3.4)可得中频段时，式(4.3.6)为实数形式，即(4.3.7),(4.3.6),4.3.2 负反馈对放大器性能的影响 1.稳定放大倍数 负反馈能够稳定放大器的放大倍数，是由于负反馈具有自动调节作用。引入负反馈后，反馈网络将输出量返回到输入回路，从而使净输入量也随输出的变化而变化。例如：如果工作环境变化导致放大倍数下降，则输出信号下降，反馈信号也会下降，从而造成净输入量增大，输出信号变大，闭环增益保持稳定。,2.改变输入电阻和输出电阻1)对输入电阻的影响 输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而负反馈对输入电阻的影响取决于基本放大电路与反馈网络输入端的连接方式，即取决于电路引入的是串联负反馈还是并联负反馈。图4.2.6(a)、(b)所示均为串联负反馈。假设输入电流为Ii，根据输入电阻的定义，基本放大电路的输入电阻为,而整个放大电路的输入电阻 从而得出串联负反馈输入电阻的表达式为Rif=(1+AF)Ri 使用同样的方法分析并联负反馈电路可以得出并联负反馈输入电阻的表达式为,2)对输出电阻的影响3)展宽频带4)减小非线性失真放大电路中引入负反馈后可以改善非线性失真，这可以通过图来定性分析。,图4.3.2 负反馈使非线性失真减小,1.电压串联负反馈在图所示的电路中，R1和R2 构成反馈网络，输入量为电压，输出量为电压，反馈量为电压，此时，根据式(4.3.3)可得,4.4 深度负反馈放大电路的估算方法,(4.4.1),图4.4.1 电压串联负反馈电路,根据深度负反馈的实质，可得电压串联负反馈闭环增益为,(4.4.2),2.电压并联负反馈在图所示的电路中，R构成反馈网络,输入量为电流，输出量为电压，反馈量为电流，此时，根据式(4.3.3)可得(4.4.3),根据深度负反馈的实质，可得电压并联负反馈闭环增益为(4.4.4)由于集成运放的开环增益很大，因此N点电位近似为零，所以，将其代入式(4.4.4)可以得出(4.4.5),图4.4.2 电压并联负反馈电路,3.电流串联负反馈在图所示的电路中，R1和RL构成反馈网络,输入量为电压，输出量为电流，反馈量为电压，此时，根据式(4.3.3)可得,(4.4.6),根据深度负反馈的实质，可得，又因为集成运放输入电阻很高，输入电流很小，可以近似为零，所以UfIoR，将其代入式(4.4.6)可得电流串联负反馈闭环增益为,(4.4.7),图4.4.3 电流串联负反馈电路,4.电流并联负反馈在图所示的电路中，R1和R2构成反馈网络，输入量为电流，输出量为电流，反馈量为电流，此时，根据式(4.3.3)可得,根据深度负反馈的实质，可得电流并联负反馈闭环增益为(4.4.8)由集成运放可以得出，将其代入式(4.4.8)可得(4.4.9),图4.4.4 电流并联负反馈电路,4.5.1 自激振荡产生的原因和条件 1.自激振荡产生的原因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，称为自激振荡。如图所示，负反馈放大电路的一般表达式为,4.5 负反馈放大电路中的自激振荡及其消除方法,图4.5.1 负反馈放大电路的自激振荡,2.自激振荡的平衡条件电路产生自激振荡时，也可以写成模和相位的形式：(4.5.1)只有同时满足相位条件和幅值条件，电路才会产生自激振荡。在起振过程中，有一个从小到大的过程，故起振条件为(4.5.2),4.5.2 常用的消除自激振荡的方法1.滞后补偿通过在输入端并联电容，减小电路的增益，使得增益与反馈系数的乘积小于1,即可防止振荡产生。如图所示，滞后补偿可分为电容滞后补偿、RC滞后补偿、密勒效应补偿。,图4.5.2 滞后补偿电路(a)电容滞后补偿；(b)RC滞后补偿；(c)密勒效应补偿,2.超前补偿在电路的反馈支路上并联电容实现超前相位补偿，使得输出反馈回输入端的信号相位与输入信号相位的差尽量在135度以下(即相位裕量大于等于45度)。如图所示的就是超前补偿电路。,图4.5.3 超前补偿电路,本章主要介绍了反馈的相关概念、负反馈放大电路的方框图及四种不同组态的负反馈类型、负反馈对放大电路性能的影响和放大电路稳定性的问题，说明了反馈及其组态的判断方法、深度负反馈的估算方法及其自激振荡的消除方法。其主要内容如下：,本章小结,1.反馈的基本概念将输出量(电压或者电流)的一部分或者全部，通过一定的电路形式作用到输入回路，从而影响其输入量的措施称为反馈。判断电路是否存在反馈是看输入回路和输出回路是否存在反馈通路。根据反馈的结果，使得净输入量增大的反馈称为正反馈，使得净输入量减小的反馈称为负反馈。正反馈和负反馈可以通过瞬时极性法判断。根据反馈存在的通路，如果仅存在于直流通路中的反馈，则称为直流反馈；只存在于交流通路中的反馈，则称为交流反馈。本章重点讨论的是交流负反馈。,2.交流负反馈的四种组态及其判别方法交流负反馈有四种组态，分别为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。电压负反馈和电流负反馈的判断是看输出端，若反馈量取自输出电压，则为电压负反馈；若反馈量取自输出电流，则为电流负反馈。串联负反馈和并联负反馈是看输入端，若反馈量是以电压形式叠加的，则为串联负反馈；若反馈量是以电流形式叠加的，则为并联负反馈。,如果输入信号和反馈信号不在同一个节点上，则说明电路引入的是串联负反馈；如果输入信号和反馈信号在同一个节点上，则说明电路引入的是并联负反馈；如果反馈信号取自于输出端uo，则说明该电路引入的是电压负反馈；如果反馈信号不是取自于uo，则说明该电路引入的是电流负反馈。,3.负反馈对放大电路性能的影响负反馈可以稳定放大倍数、改变输入电阻和输出电阻、展宽频带、减小非线性失真等，可以根据实际情况引入合适组态的负反馈。,4.深度负反馈的估算和自激振荡的消除反馈电路的一般表达式为，当1+AF1时，此时的电路称为深度负反馈放大电路。在深度负反馈的条件下，净输入量为零，输入量等于反馈量，利用 可以求出各个组态电路的放大倍数。,自激振荡是指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。消除自激振荡可以通过补偿电路来实现。学习本章后应达到下列要求：(1)能够正确判断电路是否存在反馈；如果存在反馈，能够判断出反馈的极性，是直流反馈还是交流反馈；对交流负反馈还要能够判断出是哪种组态的交流负反馈。(2)理解负反馈四种组态的闭环增益的物理意义，并且能够估算深度负反馈条件下的放大倍数。(3)掌握负反馈对放大电路的性能影响。(4)理解负反馈放大电路产生自激振荡的原因，并且了解消除自激振荡的方法。,4.1 选择合适的答案填入空内:(1)对于放大电路，所谓开环是指。A.无信号源 B.无反馈通路 C.无电源 D.无负载而所谓闭环是指。A.考虑信号源内阻 B.存在反馈通路 C.接入电源 D.接入负载,习 题,(2)在输入量不变的情况下，若引入反馈后，则说明引入的反馈是负反馈。A.输入电阻增大 B.输出量增大 C.净输入量增大 D.净输入量减小(3)直流负反馈是指。A.直接耦合放大电路中所引入的负反馈 B.只有放大直流信号时才有的负反馈 C.在直流通路中的负反馈(4)交流负反馈是指。A.阻容耦合放大电路中所引入的负反馈 B.只有放大交流信号时才有的负反馈 C.在交流通路中的负反馈,4.2 判断下列说法的正误:(1)只要在放大电路中引入反馈，就一定能使其性能得到改善。()(2)放大电路的级数越多，引入的负反馈越强，电路的放大倍数也就越稳定。()(3)反馈量仅仅取决于输出量。()(4)既然电流负反馈稳定输出电流，那么必然稳定输出电压。()(5)若放大电路的放大倍数为负，则引入的反馈一定是负反馈。()(6)负反馈放大电路的放大倍数与组成它的基本放大电路的放大倍数量纲相同。(),4.3 判断图T4.1所示各电路中是否引入了反馈；若引入了反馈，则判断是正反馈还是负反馈；若引入了交流负反馈，则判断是哪种组态的负反馈。,图T4.1,4.4 求图T4.1(a)(c)中的反馈系数和深度负反馈条件下的电压放大倍数或。设图中所有电容对交流信号均可视为短路。4.5 分别说明图T4.1(a)(c)所示各电路因引入交流负反馈使得放大电路输入电阻和输出电阻所产生的变化。只需说明是增大还是减小即可。,4.6 电路如图T4.2所示，已知集成运放的开环差模增益和差模输入电阻均接近于无穷大，最大输出电压幅值为14 V。填空：电路引入了交流负反馈，电路的输入电阻趋近于，电压放大倍数Aufuo/ui。设ui1 V，则uoV；若R1开路，则uo变为V；若R1短路，则uo变为 V；若R2开路，则uo变为 V；若R2短路，则uo变为 V。,图T4.2,4.7 已知负反馈放大电路的A 105，F 4103，则Af为多少？4.8 某负反馈放大电路的开环放大倍数为50，反馈系数为0.02，则闭环放大倍数为多少？4.9 电路如图T4.3所示，试判断电路中：(1)是否存在反馈？(2)若存在反馈，请判断有几条反馈通路？(3)分别是什么反馈类型？对电路有什么影响？,图T4.3,4.10 电路如图T4.4所示，设图中所有电容对交流信号均可视为短路。试判断各电路中：(1)是否引入了反馈？是直流反馈还是交流反馈？是正反馈还是负反馈？(2)若引入了交流负反馈，是哪种组态的负反馈？写出反馈系数表达式。(3)因引入交流负反馈使得放大电路输入电阻和输出电阻是增大还是减小？,图T4.4,4.11 电路如图T4.5所示。试问：若以稳压管的稳定电压UZ作为输入电压，则当R2的滑动端位置变化时，输出电压Uo的调节范围为多少？,图T4.5,4.12 若要提高多级放大电路的输入电阻，可以采取哪些措施？(从已学过的知识中举出三种可行的方法，其中必须至少有一种为某种方式的反馈。),4.13 一个放大电路具有直流负反馈和电流并联式交流负反馈，试问这些反馈有哪些作用？(判断下列答案是否正确，在括号中用或表示。)(1)稳定输出电压()(2)稳定输出电流()(3)增加输出电阻()(4)减小输出电阻()(5)增大输入电阻()(6)减小输入电阻()(7)增大工作点电流()(8)稳定工作点电流(),4.14 以集成运放作为放大电路，引入合适的负反馈，分别达到下列目的，要求画出电路图。(1)实现电流电压转换电路；(2)实现电压电流转换电路；(3)实现输入电阻高、输出电压稳定的电压放大电路；(4)实现输入电阻低、输出电流稳定的电流放大电路。4.15 选择填空(只填写答案的字母标号)：自激振荡是指在(a.外加输入激励，b.没有输入信号)时，电路中产生了(a.有规则的，b.随机的)和(a.持续存在的,b.瞬间消失的)输出波形的现象。输出自激振荡时，(a.|A|,b.|F|,c.|AF|,d.|Af|)为无限大。,