负反馈放大电路初审稿.ppt
第6章 负反馈放大电路,6.1 反馈的基本概念6.2 负反馈放大电路6.3 负反馈对放大电路性能的影响6.4 深度负反馈放大电路的分析方法6.5*负反馈放大电路的稳定性,电子电路中的反馈，可分为正反馈和负反馈两种：,负反馈用于所有放大电路中，以改善放大电路的性能；,正反馈会造成放大电路工作不稳定。波形发生电路中，则需要引入正反馈，构成自激振荡。,本章学习目的和要求,1.理解反馈的概念，会判别各种类型的反馈；2.掌握闭环放大电路增益计算，理解反馈深度概念；3.掌握四种类型负反馈放大电路的性能参数的计算；4.理解负反馈对放大电路性能的影响，会在开环放大电 路中引入符合要求的负反馈；5.熟练掌握深度负反馈条件下的放大电路性能的近似估 算，形象理解“虚短”和“虚断”等概念；6.理解并掌握负反馈放大电路产生自激振荡的条件，了 解几种常见的消除自激振荡的方法。,6.1 反馈的基本概念,6.1.1 反馈的概念 所谓反馈，指将放大电路的输出量(输出电压或输出电流)或输出量的一部分，通过一定的方式，反送到输入回路中，参与输入量对放大电路的控制的过程。,图6.1.1 带发射极电阻的单管放大电路,电阻Re引入负反馈：,直流电流串联负反馈,6.1.2 反馈的形式与判别,1、正反馈与负反馈根据反馈的极性不同，可分成正反馈和负反馈两种。正反馈：引入反馈后，净输入量变大，或者输出量变大 负反馈：引入反馈后，净输入量变小，或者输出量变小判别方法：瞬时极性法 假定输入瞬时极性，然后逐级推出电路相关点瞬时极性，最后判断反馈信号的瞬时极性是增强还是削弱了原输入信号。,图 6.1.2 正反馈与负反馈,图 6.1.2 正反馈与负反馈,引入正反馈，会提高放大电路的增益，但会在电路中形成自激震荡；采用负反馈时，放大电路的增益将产生明显的下降，但是能改善电路的其它各项性能指标。因此，放大电路中经常采用的是负反馈。,2.直流反馈和交流反馈,根据反馈量的交、直流性质，分为直流反馈和交流反馈。直流反馈：反馈量只包含直流分量 交流反馈：反馈量中只有交流分量,图6.1.3 直流反馈与交流反馈,图6.1.3(a)中，电阻R2、Rf 以及电容Cf 构成反馈网络。反馈信号的交流分量被Cf短路，因此，R2中只有直流信号成分，该反馈为直流反馈；,图6.1.3 直流反馈与交流反馈,图6.1.3(b)中，电阻Rf、电容Cf 构成反馈网络，Cf的存在只允许交流成分通过，因此该反馈为交流反馈。,直流负反馈能够稳定放大电路的静态工作点；交流负反馈对放大电路的动态参数(如放大倍数、通频带、输入及输出电阻等)会产生各种不同的影响，是改善电路技术指标的主要手段。,3、电压反馈和电流反馈,电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定。电压反馈：反馈量取自输出电压 电流反馈：反馈量取自输出电流两种判别方法：输出交流短路法（负载短路法）将负载短路(即令输出电压等于零)，如果反馈量不存在，则为电压反馈；若反馈仍然存在，就是电流反馈。,电路结构法 从输出端看，若反馈网络的采样端与放大器的输出端接于同一放大器件的同一电极上，则为电压反馈；反之，若反馈网络的采样端与放大器的输出端接于同一放大器件的不同电极上，则该反馈为电流反馈。,图6.1.3 直流反馈与交流反馈,图6.1.3(a)中，R1上的反馈电压为输出电压经过 R2、Rf、Cf的串并联网络分压后得到，即反馈量与输出电压成正比，当输出电压短路时，反馈量为零，因此该反馈为电压反馈。,从电路结构上看，反馈网络的采样端直接连接在集成运放的输出端，因此为电压反馈。,图6.1.3 直流反馈与交流反馈,图6.1.3(b)中，Rf、Cf串联反馈网络中的电流取自负载电阻RL中的输出电流，当输出端交流短路，即RL被交流短路时，反馈网络中仍然有反馈量的存在，因此该反馈为电流反馈。,引入电压负反馈，将使输出电压保持稳定，同时降低了放大电路的输出电阻；而电流负反馈将使输出电流保持稳定，同时将提高放大电路的输出电阻。,电路结构上，反馈网络的采样端与放大器输出端没有直接相连，而是经过了负载电阻RL，因此该反馈为电流反馈。,串联反馈和并联反馈由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定。串联反馈：反馈量与输入量在输入端以电压形式求和 并联反馈：反馈量与输入量在输入端以电流形式求和两种判别方法：反馈节点短路法 假设将反馈节点对地短接，若输入信号可以进入放大器中，则为串联反馈；反之，若反馈节点对地短接后使得输入信号直接接地，则该反馈为并联反馈。,4、串联反馈和并联反馈,电路结构判断法。,图6.1.3 直流反馈与交流反馈,图6.1.3(b)中，反馈信号和输入信号连接在运放的反相输入端。当比较端交流接地时，输入信号将经过电阻R2后直接接地，不再流入运算放大器，因此为并联反馈。,图6.1.3(a)中，反馈信号接在反相输入端，而输入信号接在同相输入端。当比较端交流接地时，输入信号仍然能够进入运算放大器，因此该反馈为串联反馈；,6.2 负反馈放大电路,6.2.1 负反馈放大电路的闭环增益表达式,6.2.2 电压串联负反馈放大电路,电压并联负反馈放大电路,电流串联负反馈放大电路,电流并联负反馈放大电路,6.2.1 负反馈放大电路的闭环增益表达式,1.负反馈放大电路的方框图,图6.2.1 负反馈放大电路的方框图,开环：无反馈通路；闭环：有反馈通路,反馈通路：信号反向传输的渠道,2.负反馈放大电路增益的一般表达式,（1）闭环放大倍数的一股表达式,开环增益,反馈系数,闭环增益,图6.2.1 负反馈放大电路的方框图,定义：,闭环增益的一般表达式：,引入反馈后，电路放大倍数改变了。,（2）反馈深度,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,（3）环路增益,图6.2.2 环路增益的图解,在求和环节与基本放大电路输入端之间断开，即可得开环方框图。,图6.2.3 四种反馈组态电路的方框图,3.四种组态的负反馈放大电路的方框图,6.2.2 电压串联负反馈放大电路,1、反馈组态的判断,图6.2.4 电压串联负反馈放大电路,(a)图中，反馈网络由Rf和C3组成。从输出端看，当负载电阻RL两端交流短路时，反馈信号不存在，为电压负反馈；从输入端看，反馈网络连接T1发射极，输入信号连接T1基极，为不同电极，因此为串联负反馈。电压串联负反馈。,(b)图中，反馈网络为Rf和R1组成的分压电路。当负载电阻RL两端交流短路时，反馈网络将采样不到输出信号，因此为电压负反馈；在输入端，输入信号连接运放的同相输入端，反馈网络的比较端连接的是运放的反相输入端，当比较端交流接地时，输入信号仍然可以流入放大器，因此该反馈为串联负反馈。电压串联负反馈。,电压负反馈具有稳定输出电压的作用。,2、增益类型的确定,电压串联负反馈：输出端，采样的是输出电压信号；输入端以电压形式与输入信号电压相比较，可以简称为电压-电压放大器：,开环增益为开环电压放大倍数：,闭环增益闭环电压放大倍数：,电压并联负反馈放大电路,1.反馈组态的判断,图6.2.5 电压并联负反馈放大电路,图(a)中，电阻Rf构成反馈网络。利用“瞬时极性法”可以判别其为负反馈。RL短路时，反馈网络Rf的右端直接接地，无法从输出端采用输出信号，因此为电压反馈；在输入端，输入信号与反馈网络的比较端全部接的是运放的反相输入端，因此为并联反馈，引入电压并联负反馈。,图6.2.5 电压并联负反馈放大电路,图(b)中，电阻Rf构成反馈网络，利用“瞬时极性法”可以判别其为负反馈。在输出端，反馈网络和输出端全部接在三极管的集电极，因此为电压反馈；在输入端，反馈网络与输入信号全部接于三极管的基极，因此为并联反馈，即电阻Rf构成反馈网络引入了电压并联负反馈。,2.增益类型的确定,电压并联负反馈的反馈网络在输出端采样的是输出电压信号，在输入端以节点电流形式与输入信号的电流相比较，可以简称为电流-电压放大器：,开环增益为开环互阻放大倍数：,闭环增益闭环互阻放大倍数：,电流串联负反馈放大电路,1.反馈类型的判别,图6.2.6 电流串联负反馈放大电路,图(a)中，电阻Rf构成反馈网络，Rf的上端连接RL的下端，当RL两端交流短路，Rf上仍有输出电流流过，是电流负反馈；从输入端看，反馈网络的比较端连接运放反相输入端，而输入信号从运放同相输入端输入，因此是串联反馈，引入电流串联负反馈。,图6.2.6 电流串联负反馈放大电路,图(b)中，Re1构成交流反馈网络。对于交流信号，Re1下端交流接地。输出信号从三极管集电极输出，当RL两端交流短路时，流过Re1的电流与输出电流近似相等，是电流负反馈；在输入端，Re1接于三极管的发射极，而输入信号接入三极管的基极，因此该反馈为串联反馈，即电阻RE1引入了交流电流串联负反馈。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,图6.2.6 电流串联负反馈放大电路,2.增益类型的确定,电流串联负反馈的反馈网络在输出端采样的是输出电流信号，在输入端以回路电压形式与输入信号的电压相比较，可以简称为电压-电流放大器：,开环增益为开环互导放大倍数：,闭环增益为闭环互导放大倍数：,电流并联负反馈放大电路,1.反馈类型的判别,图6.2.7 电流并联负反馈放大电路,图(a)中，电阻Rf构成反馈网络，当RL两端交流短路，Rf上仍然有输出电流流过，是电流负反馈；在输入端，反馈网络的比较端与输入信号均连接在运放的反相输入端，因此引入电流并联负反馈。,图6.2.7 电流并联负反馈放大电路,图(b)中，R3构成反馈网络，其右端接三极管T2的发射极。当输出对地交流短路时，流过R3的电流与输出电流成一定的比例关系，是电流负反馈；在输入端，R3左端即反馈网络的比较端与输入信号同时接入三极管T1基极，是并联负反馈。引入电流并联负反馈。,2.增益类型的确定,电流并联负反馈的反馈网络在输出端采样的是输出电流信号，在输入端以节点电流形式与输入信号的电流相比较，可以简称为电流-电流放大器：,开环增益为开环电流放大倍数：,闭环增益为闭环电流放大倍数：,应当注意，无论采用什么组态的负反馈，反馈效果都受信号源内阻Rs制约。当采用串联负反馈时，为充分发挥负反馈的作用，应采用Rs小的信号源，以使输入电压保持稳定；当采用并联负反馈时，Rs愈大，输入电流越稳定，并联负反馈效果越显著，所以应采用Rs大的信号源。,6.3 负反馈对放大电路性能的影响,6.3.1 稳定电压增益,6.3.2 减小非线性失真,6.3.3 改变输入电阻和输出电阻,6.3.4 扩展通频带,6.3.5 抑制干扰和噪声,6.3.1 稳定电压增益,由,可知：,闭环放大倍数为：,表明，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，而与基本放大电路无关。,放大电路引入负反馈后，最直接、最显著的效果就是提高放大倍数的稳定性。,反馈网络一般是由一些性能比较稳定的无源线性元件(如R、L和C)所组成，因此，引入负反馈后放大倍数是比较稳定的。,将,左右两边对变量A求导，得：,解：,6.3.2 减小非线性失真,由于放大器件特性曲线的非线性，输入信号为正弦波时，输出可能不再是正弦波，而将产生一定的非线性失真。当信号幅度比较大时，非线性失真更为严重。引入负反馈后，可使这种非线性失真减小。,图6.3.1 开环和闭环放大电路的电压传输特性,图中曲线1是开环电压传输特性曲线，斜率可表示为：,表明，斜率的变化反映放大倍数随输入信号的大小而改变。,图6.3.1 开环和闭环放大电路的电压传输特性,曲线2是深度负反馈条件下，反馈放大电路的闭环放大倍数，即,表明，在反馈放大电路中，闭环放大倍数与开环放大倍数无关。所以，电压放大电路的闭环传输特性曲线近似为一条直线。,需要强调的是，负反馈减少非线性失真是指反馈环内的失真。如果是输入信号波形本身的失真，即使引入了负反馈，也不能减小失真。,图6.3.1 开环和闭环放大电路电压传输特性,6.3.3 改变输入电阻和输出电阻,1.负反馈对输入电阻的影响,串联负反馈增大输入电阻,图6.3.2 串联负反馈对输入电阻的影响,可见，在同样的外加输入电压之下，输入电流将比无反馈时小，因此输入电阻将增大。,无反馈时的输入电阻为：,引入串联负反馈后的输入电阻为：,图6.3.2 串联负反馈对输入电阻的影响,注意的是，引入串联负反馈后，只是将反馈环路内的输入电阻增大(1+AF)倍。而在图中，Rb并不包括在反馈环路内，因此不受影响。引入负反馈后，该电路总的输入电阻为,并联负反馈减小输入电阻,图6.3.3 并联负反馈放大电路的方框图,无反馈时的输入电阻为：,引入并联负反馈后，开环放大电路的输入电流为：,则闭环输入电阻为：,2.负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈减小输出电阻,电压负反馈的作用是稳定输出电压，使其输出电阻减小。,图6.3.4 电压负反馈对输出电阻的影响,可得具有电压负反馈的放大器的输出电阻为：,略去反馈网络对于Io的分流作用，有：,电流负反馈增大输出电阻,图6.3.5 电流负反馈对输出电阻的影响,若略去输出电流在反馈网络上的压降，有,将上式整理可得闭环输出电阻为：,6.3.4 扩展通频带,由于负反馈可以提高放大倍数的稳定性，所以在低频率区和高频率区放大倍数的下降程度将减小，从而使通频带展宽。,在低频区和高频区，要考虑旁路电容、耦合电容、分布电容和晶体管的结电容的影响，公式中的各个量均为复数。,同理，可以求得有负反馈时的下限频率为：,有负反馈和无负反馈时放大电路的频带宽度分别为：,6.3.5 抑制干扰和噪声,将放大电路的输入端对地短路，用示波器可以观察到输出端出现不规则的电压波形，这是由于放大电路中存在干扰电压和噪声电压的缘故。干扰和噪声使得测量产生误差，声音、图像等不清晰，必须设法加以抑制。,衡量噪声对有用信号的影响程度是信噪比，定义为有用信号电压有效值S与噪声电压有效值N之比，常用分贝数表示，即：,引入负反馈可以抑制放大电路内的噪声和干扰。,负反馈只能抑制反馈环内的干扰和噪声，对于反馈环外，则无济于事。,6.4 深度负反馈放大电路的分析方法,对于其他类型的反馈，可用下面的方法估算电压放大倍数。,因为,即净输入信号：,电路中引入串联负反馈时，反馈网络与放大器在输入端口相互比较的是电压，则：,由,即放大电路获得的净输入电压信号为0，称为“虚短”。,电路中引入并联负反馈时，反馈网络与放大器在输入端口相互比较的是电流，则：,即放大电路获得的净输入电流信号为0，称为“虚断”。,图6.4.1 电压串联负反馈电路,反馈电压：,反馈系数：,闭环增益：,图6.4.2 电流串联负反馈电路,反馈电压：,互阻反馈系数：,闭环增益：,图6.4.3 电压并联负反馈电路,根据集成运放的“虚短”和“虚断”，有,互导反馈系数：,闭环电压放大倍数：,图6.4.4 电流并联负反馈电路,根据集成运放的“虚短”和“虚断”，得：,电流反馈系数为：,闭环压放大倍数为：,求解深度负反馈放大电路放大倍数的一般步骤如下：,(1)判断反馈类型。,(2)确定广义放大倍数和反馈系数。,利用“虚短”和“虚断”的概念得到的上述近似计算，可以很方便的计算出深度负反馈条件下任意一种反馈组态的闭环电压放大倍数，但是在计算负反馈放大电路的输入电阻以及输出电阻方面将产生一些问题，这是这种近似估算方法的一个重要缺陷。,6.5*负反馈放大电路的稳定性,6.5.1 负反馈放大电路自激振荡的原因和条件,6.5.2 负反馈放大电路稳定性的分析和判断,负反馈对放大电路的改善程度与反馈深度有关，反馈深度越深，改善效果越明显。但是反馈引入过深，会使放大电路产生自激振荡，即在不加输入信号的前提下，输出端也会产生一定频率和幅度的波形。为了使放大电路正常工作，放大电路在设计时应尽量避免产生自激振荡。,6.5.1 负反馈放大电路产生自激振荡的原因和条件,负反馈放大电路产生自激振荡的条件：,幅度条件,相位条件,如果幅度条件满足要求，放大电路就会产生自激。,多数情况下，反馈电路是由电阻构成的，所以：,这时附加相移主要是基本放大电路引入的，因此，基本放大电路的频率特性是产生自激振荡的主要原因。,6.5.2 负反馈放大电路稳定性的分析和判断,1稳定性的判别方法,一个负反馈放大电路，如果在整个频段范围内，都不能同时满足幅值平衡条件和相位平衡条件，则这个负反馈放大电路是稳定的。,通常是用负反馈放大电路的环路放大倍数的波特图来判断是否稳定。,图6.5.1 负反馈放大电路的稳定性的判别,满足了起振条件，因此，此频率特性所代表的负反馈放大电路是不稳定的。,图6.5.1 负反馈放大电路的稳定性的判别,图6.5.1 负反馈放大电路的稳定性的判别,这时相位平衡条件不满足。,因此，此频率特性所代表的负反馈放大电路是稳定的。,综上所述，环路放大倍数的频率特性判别负反馈放大电路稳定性的方法如下：,2稳定裕度,图6.5.1 负反馈放大电路的稳定性的判别,图6.5.1 负反馈放大电路的稳定性的判别,6.5.3 负反馈放大电路自激振荡的消除方法,为了消除负反馈放大电路的自激，一般采取的措施就是破坏自激的幅度条件或相位条件。常用的消除自激的方法是采用相位补偿法。,图6.5.2 消除自激振荡的几种措施,图6.5.2(b)采用RC校正网络，可以适当改善通频带变窄的情况，同时对高频电压放大倍数的影响较小。图6.5.2(c)中的电容根据密勒定理，电容的作用将增大(1+A)倍，可以用小电容进行相位补偿。,图6.5.2 消除自激振荡的几种措施,本章小结 1.当放大电路的输出回路通过一个网络与其输入回路联系起来时，就构成了反馈。反馈有正反馈和负反馈之分，若反馈信号削弱了输入信号，就构成了负反馈，反之则构成了正反馈。利用瞬时极性法可以判别反馈式正反馈还是负反馈。.负反馈放大电路的四种类型可以通过反馈网络在输出端的取样方式和反馈信号在输入端的叠加方式来区分。假定负载短路时，如果反馈信号不存在，表明反馈信号正比于输出电压，为电压反馈，否则，就是电流反馈。电压负反馈能稳定输出电压，减小输出电阻，电流负反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。如果反馈信号与输入信号串联后作用于放大电路的净输入端，则为串联反馈，当反馈信号与输入信号并联后作用于放大电路的净输入端，则为并联反馈。串联负反馈使得闭环输入电阻增大，而并联负反馈使得闭环输入电阻减小。,.负反馈以减小放大倍数为代价，换来了放大倍数稳定性的提高、频带展宽、非线性失真减小、环内的干扰和噪声得到抑制等许多好处，所以广泛应用于各种电子电路中。.当负反馈放大电路满足了深度负反馈条件时，闭环增益近似等于反馈系数的倒数，这也意味着反馈信号近似等于输入信号，从而引出了“虚短”、“虚断”等概念。利用这些关系，可以很方便的近似计算深度负反馈放大电路的闭环增益。.由于放大电路存在附加相移，它将有可能使得按照负反馈设计的放大电路变成正反馈，这种正反馈满足一定条件时，就会产生自激振荡。利用相位补偿法可以破坏自激振荡的条件，使放大电路稳定工作。,
