放大器中的反馈.ppt

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1、5.2 负反馈对放大器性能的影响,5.4 深度负反馈,5.3 负反馈放大器的性能分析,5.1 反馈放大器的基本概念,第五章 放大器中的负反馈,5.5 负反馈放大器的稳定性,退出,5.1 反馈放大器的基本概念,5.1.1 反馈放大器的组成,将放大器输出信号的一部分或全部，通过反馈网络回送到电路输入端，并对输入信号进行调整，所形成的闭合回路即反馈放大器。,反馈放大器组成框图,退出,反馈放大器增益一般表达式,开环增益,反馈系数,闭环增益,反馈深度,环路增益,反馈深度F（或环路增益T）是衡量反馈强弱的一项重要指标。其值直接影响电路性能。,退出,反馈极性,由于净输入信号,若 xf 削弱了xi，使 xi

2、xi,负反馈,若 xf 增强了xi，使 xi xi,正反馈,负反馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。,例：某原因,正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。,负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。,退出,5.1.2 四种类型负反馈放大器,根据输出端连接方式,电压反馈,在输出端，凡反馈网络与基本放大器并接，反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。,输出量 xo=vo,在输出端，凡反馈网络与基本放大器串接，反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。,电流反馈,输出量 xo=io,退出,根据输入端连接方式,串联反馈,在输入端，反馈网络与基本放大器串接，反馈信号以电压vf 的形式出现，

3、并在输入端进行电压比较，即vi=vi-vf。,在输入端，反馈网络与基本放大器并接，反馈信号以电流if 的形式出现，并在输入端进行电流比较，即ii=ii-if。,并联反馈,退出,四种类型负反馈放大器增益表达式,电压串联负反馈,开环电压增益,电压反馈系数,闭环电压增益,电压并联负反馈,开环互阻增益,互导反馈系数,闭环互阻增益,退出,电流串联负反馈,开环互导增益,互阻反馈系数,闭环互导增益,电流并联负反馈,开环电流增益,电流反馈系数,闭环互阻增益,退出,5.1.2 反馈极性与类型的判别,判断是否为反馈电路,看电路输出与输入之间是否接有元件，若有则为反馈电路，该元件即为反馈元件。,例1,Rf为反馈元件

4、。,例2,RE为反馈元件。,退出,判断反馈类型 采用短路法,假设输出端交流短路，若反馈信号消失，则为电压反馈；反之为电流反馈。,判断电压与电流反馈,判断串联与并联反馈,假设输入端交流短路，若反馈作用消失，则为并联反馈；反之为串联反馈。,退出,判断反馈极性 采用瞬时极性法,用正负号表示电路中各点电压的瞬时极性，或用箭头表示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。,比较xf 与xi 的极性（xi=xi-xf）,若xf 与xi同相，使xi减小的，为负反馈；,若xf 与xi反相，使xi增大的，为正反馈。,退出,用瞬时极性法比较xf 与xi 极性时：,若是并联反馈：则需根据电压的瞬时极性，标出相关支路 的

5、电流流向，然后用电流进行比较（ii=ii-if）。,若是串联反馈：则直接用电压进行比较（vi=vi-vf）。,按交、直流性质分：,直流反馈：,交流反馈：,反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。,反馈信号为交流量，用于改善放大器动态性能。,多级放大器中的反馈：,局部反馈：,越级反馈：,反馈由本级输出信号产生，可忽略。,输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间（或越级）反馈。,退出,例1 判断电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,Rf引入的反馈消失,电压反馈。,假设输入端交流短路，,Rf 的反馈作用消失,并联反馈。,分析：,形成的if 方向如图示。,ii,if,ib,因净输

6、入电流 ib=ii-if ii,负反馈。,结论：Rf引入电压并联负反馈,退出,例2 判断图示电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,RE上的反馈依然存在,电流反馈。,假设输入端交流短路，,RE上的反馈没有消失,串联反馈。,分析：,因净输入电压 vbe=vi-vf vi,负反馈。,结论：RE引入电流串联负反馈,退出,例3 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流并联负反馈,电流串联正反馈,电压并联负反馈,电压串联负反馈,退出,例4 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流串联负反馈,电流并联负反馈,退出,例4 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电压并联正反馈,电压串联负反馈,退出,5

7、.2.1 降低增益,5.2 负反馈对放大器性能的影响,反馈越深，电路增益越小。,注：当取源增益时，上式依然成立，即,5.2.2 减小增益灵敏度（或提高增益稳定性）,定义,由,得,(2)(1)得,-(1),-(2),反馈越深，增益灵敏度越小。,退出,5.2.3 改变输入、输出电阻,输入电阻,串联反馈,基放输入电阻,环路增益,反馈电路输入电阻：,退出,并联反馈,反馈电路输入电阻：,基放输入电阻,环路增益,退出,输出电阻,电压反馈,Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。,Ast：负载开路时，基本放大器源增益。,由定义得Rof电路模型：,得,退出,电流反馈,Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出

8、电阻。,Asn：负载短路时，基本放大器源增益。,由定义得Rof电路模型：,得,退出,5.2.4 减小频率失真（或扩展通频带）,由于负反馈降低了电路增益灵敏度，因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变。,单极点系统引入负反馈后，反馈越深，上限角频率越大、增益越小，但其增益带宽积维持不变。,设基放为单极点系统：,则,若反馈网络反馈系数为：,则闭环系统：,其中：,注意：通频带的扩展是以降低增益为代价的。,退出,5.2.5 减小非线性失真,vi,例如：一基本放大器，,引入负反馈,注意：负反馈只能减小反馈环内的失真，若输入 信号本身产生失真，反馈电路无能为力。,输入正弦信号时，输出产生失真。,vo失

9、真减小。,退出,5.2.6 噪声性能不变,同减小非线性失真一样，引入负反馈可减小噪声。,注意：负反馈在减小噪声的同时，有用信号以同样的倍数 在减小，其信噪比不变。,因此，引入负反馈放大器噪声性能不变。,综上所述，负反馈对放大器性能影响主要表现为：,降低增益,减小增益灵敏度（或提高增益稳定性）,改变电路输入、输出电阻,减小频率失真（或扩展通频带）,减小非线性失真,噪声性能不变,退出,在电路输出端,基本放大器引入负反馈的原则,在电路输入端,反馈效果与信号源内阻RS的关系,退出,反馈效果与RS关系的说明：,串联负反馈,采用电压源激励时，若RS0,则,由于vS恒定，则vf 的变化量全部转化为vi的变化

10、量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若RS,由于iS恒定，vi固定不变，结果导致反馈作用消失。,退出,并联负反馈,采用电压源激励时，若RS0,则,由于iS恒定，则if 的变化量全部转化为ii的变化量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若RS,由于vi固定不变，结果导致反馈作用消失。,退出,深度负反馈条件,5.4 深度负反馈,当电路满足深度负反馈条件时：,串联反馈电路输入电阻：,并联反馈电路输入电阻：,电压反馈电路输出电阻：,电流反馈电路输出电阻：,退出,深度负反馈条件下Avf 的估算,根据反馈类型确定kf含义，并计算kf,分析步骤:,若并联反馈：将输入端交流短路,若串联反馈：将输入端

11、交流开路,则反馈系数,确定Afs(=xo/xs)含义，并计算Afs=1/kf,将Afs转换成 Avfs=vo/vs,kf=xf/xo,计算此时xo产生的xf,退出,例1 图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs,该电路为电压串联负反馈放大器。,解：,将输入端交流开路，即将T1管射极断开：,则,因此,退出,例2 图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs,该电路为电流并联负反馈放大器。,解：,将输入端交流短路，即将T1管基极交流接地：,则,因此,退出,例3 图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs,该电路为电压并联负反馈。,(1)解：,将反相输入端交流接地：,则,因此,该电路为电压串联负反馈

12、。,(2)解：,将反相输入端交流开路：,则,因此,退出,5.5 负反馈放大器的稳定性,实际上，放大器在中频区施加负反馈时，有可能因Akf在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈，引起电路自激。,5.5.1 判别稳定性的准则,反馈放大器频率特性：,若在某一频率上,放大器自激,自激时，即使xi=0，但由于xi=xf，因此反馈电路在无输入时，仍有信号输出。,退出,不自激条件,注意：只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件之一，放大器就不会产生自激。,稳定裕量,要保证负反馈放大器稳定工作，还需使它远离自激状态，远离程度可用稳定裕量表示。,g增益交界角频率；相位交界角频率。,退出,相位裕量图解分析法,假设放大器

13、施加的是电阻性反馈，kf为实数：,由,在A()或T()波特图上找g,在A()波特图上，作1/kf(dB)的水平线，交点即g,在T()波特图上，与水平轴T()=0dB的交点，即g,根据g在相频曲线上找T(g),判断相位裕量,注：1/kf(dB)的水平线称增益线。,退出,例1 已知A(j)波特图，判断电路是否自激。,g,（1）在A()波特图上作1/kf(dB)的水平线。,分析：,（2）找出交点，即g,（3）在T()波特图上，找出T(g),退出,例2 已知T(j)波特图，判断电路是否自激。,（1）由T()波特图与横轴的交点，找出g,分析：,（2）由g在T()波特图上，找出T(g),退出,利用幅频特性

14、渐近波特图判别稳定性,一无零三极系统波特图如下，分析g落在何处系统稳定。,放大器必稳定工作。,或g落在P1与P2之间,只要g落在斜率为：（-20dB/十倍频）的下降段内，,则,P2=10P1，P3=10P2,退出,P2=10P1，将P3 靠近P2,由于|T(P2)|,则g落在P1与P2之间时，放大器依然稳定工作。,退出,结论：在多极点的低通系统中，若P3 10P2，则只要g落在斜率为（-20dB/十倍频）的下降段内，或g落在P1与P2之间，放大器必稳定工作。,将P2 靠近P1,由于|T(P2)|上述结论不成立,退出,5.5.2 集成运放的相位补偿技术,解决方法：采用相位补偿技术。,在中频区，反

15、馈系数kf 越大，反馈越深，电路性能越好。,在高频区，kf 越大，相位裕量越小，放大器工作越不稳定；,在中频增益AI基本不变的前提下，设法拉长P1与P2之间的间距，或加长斜率为“-20 dB/十倍频”线段的长度，使得kf增大时，仍能获得所需的相位裕量。,相位补偿基本思想：,退出,滞后补偿技术,简单电容补偿,降低P1,补偿方法：将补偿电容C并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上，使P1降低到d。,P1降低到d反馈增益线下移稳定工作允许的kf增大。,退出,d与kf 之间的关系：,由图,十倍频,整理得,kfv d 反馈电路稳定性，但H。,kfv=1时，,此时kfv无论取何值，电路均可稳定工作。,

16、退出,例1：一集成运放AvdI=105，fP1=200Hz，fP2=2MHz，fP3=20MHz，产生fP1节点上等效电路R1=200K，接成同相放大器，采用简单电容补偿。,解：,（1）求未补偿前，同相放大器提供的最小增益？,根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。,未补偿前，为保证稳定工作:,Avfmin=104,即,退出,解：,（2）若要求Avf=10，求所需的补偿电容C=？,则,由,得,由,得,（3）若要求Avf=1，求所需的补偿电容CS=？,解：,则,退出,密勒电容补偿,降低P1、增大 P2,补偿方法：将补偿电容C跨接在三极管B极与C极之间，利用密勒倍增效应，使P1降低、P2增大，拉长P

17、1与P2之间的间距。这种补偿方法又称极点分离术。（分析略）,简单电容补偿缺点：,补偿电容C数值较大（F量级），集成较困难。,密勒电容补偿优点：,用较小的电容（PF量级），即可达到补偿目的。,退出,超前补偿技术,引入幻想零点,补偿思路：在P2附近，引入一个具有超前相移的零点，以抵消原来的滞后相移，使得在不降低P1的前提下，拉长P1与P2之间的间距。,在反馈电阻Rf上并接补偿电容C。,补偿方法：,则,其中,退出,利用零点角频率Z将P2抵消，可将斜率为“-20dB/十倍频”的下降段，延长到P3。,假设运放为无零三极系统，且 P1P2 P3,选择合适的C，使,-20dB/十倍频,退出,相位补偿技术在宽带放大器中的应用,退出,