模拟电路-放大电路中的反馈.ppt

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1、6.1 反馈的基本概念及判断方法,第六章 放大电路中的反馈,6.2 负反馈放大电路的四种基本反馈阻态,6.3 负反馈放大电路的方框图及一般表达式,6.4 深度负反馈放大电路放大倍数分析,6.5 负反馈对放大电路性能的影响,6.6 负反馈放大电路的稳定性,6.7 放大电路中其他形式的反馈,6.1.1 基本概念,一.反馈,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。,内部反馈,外部反馈,6.1 反馈的基本概念及判断方法,反馈通路信号反向传输的渠道,开环 无反馈通路,闭环 有反馈通路,反馈通路（反馈网络）,信号的正向传输,反馈概念方框图,所以有,图中：是输入信号，是反馈信号，称为净

2、输入信号。,在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端，这个方向称为正向传输。反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。所以放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。,二.正反馈与负反馈,正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。,负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。,另一角度,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,判别方法：瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率（正斜率或负斜率，用“+”、“

3、-”号表示）。,三、交流反馈与直流反馈,根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行判别。,取决于反馈通路。,例,(+),(+),(+),(+),交、直流负反馈,(+),存在将输出信号引回输入电路的回路，并由此影响了放大器的净输入量。,例,6.1.2 反馈的判断,一、有无反馈的判断,正反馈和负反馈的判断法之一：瞬时极性法,在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，可用“+”、“-”或“”、“”表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,二、反馈极性判断,负反馈加入反馈后，净输入信

4、号|Xi|Xi|，输出幅度下降。,正反馈加入反馈后，净输入信号|Xi|Xi|，输出幅度增加。,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相 输入端。,正反馈和负反馈的判断法之二：,以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言，这样才有可比性。,正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；,瞬时极性法,例,(+),(+),(-),(-)

5、,(-),净输入量,(+),(+),(-),(-),净输入量,负反馈,正反馈,反馈通路,反馈通路,级间反馈通路,(+),(+),(+),(+),(-),(-),净输入量,级间负反馈,反馈存在于直流还是交流通路,例,三、直流反馈与交流反馈的判断,作业,6.1,6.2.1 负反馈放大电路的分析要点,1、输入量和输出量之间稳定的比例关系,2、反馈量是对输出量的取样,3、负反馈的作用是将引回的反馈量与输入量相减,由此可组成四种阻态：,输出端：反馈信号在输出端分为取电压和取电流两种方式。,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,输入端：反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式。,6.2 负反馈放大电

6、路的四种基本反馈阻态,四种阻态的判断方法,电流：将负载短路，反馈量仍然存在。,电压：将负载短路，反馈量为零。,一、电压串联负反馈,6.2.2 四种负反馈阻态,二、电流串联负反馈,电流串联负反馈,三、电压并联负反馈,四、电流并联负反馈,电流并联负反馈,反馈的判断小结,对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端一个加在反相输入端则为串联反馈。,A.电压串联,RL,电压负反馈：稳定输出电压,串联反馈：输入端电压求和（KVL）,各种反馈类型的特点,各种反馈类型的特点,B.电流并联,RL,电流负反馈：稳定输出电流,并联反馈：输入端电流求和（KC

7、L）,其他两种阻态有类似的结论,串联反馈,信号源对反馈效果的影响,vID=vI-vF,则vI最好为恒压源，即信号源内阻RS越小越好。,要想反馈效果明显，就要求vF变化能有效引起vID的变化。,并联反馈,信号源对反馈效果的影响,iID=iI-iF,则iI最好为恒流源，即信号源内阻RS越大越好。,要想反馈效果明显，就要求iF变化能有效引起iID的变化。,end,反馈分析举例：,电压反馈采样的两种形式：,一、电压反馈和电流反馈,电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比 例的反馈称为电压反馈；,6.2.3 反馈阻态的判断,将输出电压短路，若反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,

8、电压反馈与电流反馈的判断：,电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比 例的反馈称为电流反馈。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极，则为并联反馈；一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,二、串联反馈和并联反馈,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极，则为并联反馈；反之，加在放大电路输入回路的两个电极，则为串联反馈。,解:根据瞬时极性法，见图中的红色“+”、“-”号，可知经电阻R1加在基极B1上的是直流并联负反馈。因反馈信号与输出电流成比例，故又为电流反馈。结论：是直

9、流电流并联负反馈。,图02 例题01图,经Rf 加在E1上是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在T1两个输入电极，故为串联反馈。结论：交流电压串联负反馈。,例题1:试判断图02所示电路的反馈组态。,解:根据瞬时极性法，见图中的红色“+”、“-”号，可知是负反馈。因反馈信号和输入信号加在运放A1的两个输入端，故为串联反馈。,图03 例题02图,因反馈信号与输出电压成比例，故为电压反馈。结论：交直流串联电压负反馈。,例题2:试判断图03所示电路的反馈组态。,作业,6.4,6.3 负反馈放大电路的方框图及一般表达式,反馈网络的反馈系数,放大电路的闭环放大倍数:,根据图6.3.1可以推导出反馈放大电路的

10、基本方程。放大电路的开环放大倍数,式中：,称为环路增益。,以上几个量都采用了复数表示，因为要考虑实际电路的相移。由于,6.3.1 负反馈放大电路的方框图表示法,信号源,输出信号,反馈放大电路的输入信号,反馈信号,基本放大电路的输入信号（净输入信号）,信号的单向化传输,信号的正向传输,信号的反向传输,信号在反馈网络中的正向传输,信号在基本放大电路中的反向传输,信号的单向化传输,信号的正向传输,信号的反向传输,单向化,6.3.2 四种组态电路的方框图,1.表达式推导,信号 在四种反馈阻态中的具体形式,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,2.电路形式,6.3.3 负反馈放大电路的一般表达式,开环

11、增益（考虑反馈网络的负载效应）,反馈系数,闭环增益,因为,所以,即,闭环增益的一般表达式,又因为,所以,对信号源的增益,反馈深度的讨论,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,开环时反馈网络的负载效应,对输入口的影响,对输出口的影响,6.3.4 负反馈放大电路的基本放大电路,作业,6.6,6.4.1 深度负反馈实质,环路增益 是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益，当 1时称为深度负反馈，与 1+1相当。于是闭环放大倍数,6.4 深度负反馈放大电路放大倍数分析,6.4.2 反馈网络的分析,也就是说在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参数基本无关。

12、一般反馈网络是无源元件构成的，其稳定性优于有源器件，因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。,对图所示电路，根据瞬时极性法判断，经Rf加在发射极E1上的反馈电压为+，与输入电压极性相同，且加在输入回 路的两点，故为串联负反馈。反馈信 号与输出电压成比例，是 电压反馈。后级对前级的这一反 馈是交流反馈，同时Re1上 还有第一级本身的负反馈，这将在下面分析。,图6.4.3 串联电压负反馈,一、电压串联负反馈,6.4.3 放大倍数的分析,对图(b)，因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端，故为串联反馈，根据瞬时极性判断是负反馈，且为电压负反馈。结论是交直流串联电压负反馈。,反馈系数：,对于图02(a)

13、：,对于图02(b)：,对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以,解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器，见图中棕色线框。因A1和A2 都是反相输入的，因此可确定输入信号,和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以,例：求电压放大倍数。,对图示电路，反馈电压从Re1上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。,二、电流串联负反馈,于是 1/R，这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为:,电压并联负反馈,三 电压并联负反馈,电压并联负反馈的电路如图所示。因反馈信号与输入信号在

14、一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈在输入端采用电流相加减。即,具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲,而电压增益为:,称为互阻增益，称为互导反馈系数,相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为,电流并联负反馈的电路如图所示。对于图(a)电路，反馈节点与输入点相同，所以是电流并联负反馈。对于图(b)电路，也为电流并联负反馈。,四 电流并联负反馈,电流放大倍数：,电流反馈系数是，以图(b)为例,显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为：,求静态时运放的共模输入电压;若要实现串联电压反馈,Rf 应接向何处?要实

15、现串联电压负反馈,运放的输入端极性如何确定？求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数。,例：回答下列问题。,Ic1=Ic2=Ic3/2,解：静态时运放的共模输入电压，即静态时 T1和T2的集电极 电位。,解 既然是串联反馈,反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性。,见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。,解:可以把差动放大电路看成运放A的输入级。输入信号加在T1的基极，要实现串联反馈，反馈信号必然要加在B2。所以要实现串联电压反馈,Rf应接向B2。,为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相

16、当同相输入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为,解:求引入电压串联负反馈后的闭环电压增益，可把差放和运放合为一个整体看待。,作业,6.19,6.5 负反馈对放大电路性能的影响,负反馈是改善放大电路性能的重要技术措施，广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。1 负反馈对增益的影响2 负反馈对输入电阻的影响3 负反馈对输出电阻的影响4 负反馈对通频带的影响5 负反馈对非线性失真的影响6 负反馈对噪声、干扰和温漂的影响,在负反馈条件下增益的稳定性也得到了提高，这里增益应该与反馈组态相对应,有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。,6.5.1 稳定放大倍

17、数,根据负反馈基本方程，不论何种负反馈，都可使反馈放大倍数下降1+AF倍，只不过不同的反馈组态A、F的量纲不同而已，但AF无量纲。对电压串联负反馈,式中Ri=rid。,负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关,一、对输入电阻的影响,(1)串联负反馈使输入电阻增加 串联负反馈输入端的电路结构形式如图所示。对串联电压负反馈和串联电流负反馈效果相同。有反馈的输入电阻,6.5.2 改变输入电阻和输出电阻,并联负反馈对 输入电阻的影响,并联负反馈输入端的电路结构形式如图所示。对电压并联负反馈和电流并联负反馈效果相同，只要是并联负反馈就可使输入电阻减小。有

18、反馈的输入电阻为,(2)并联负反馈使输入电阻减小,(1)电压负反馈使输出电阻减小,电压负反馈对输出电阻的影响,负载开路,二、负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈可以使输出电阻减小，这与电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好以串联电压负反馈为例，有,电流负反馈对输出电阻的影响,式中Ais是负载短路时的开环增益，即将负载短路，把电压源转换为电流源，再求负载开路的增益,这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳定性就好。,例：为求输出电阻的等效电路。将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的

19、电压Vo，并令输入信号源为零，即VS=0。可得,(2)电流负反馈使输出电阻增加,无反馈时的通频带f=f HfL f H 有反馈时的放大电路高频段的增益为,6.5.3 展宽频带,放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了,有反馈时的通频带,同理：,失真的反馈信号，会使净输入产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真,6.5.4 减小非线性失真,负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。,注意：,1、信号源要有足够的负载能力,2、只能抑制电路内部非线性失真,6.5.5 放大电路中引入反馈的一般原则,1、稳定动、静态交直流,2、信号源性质决定串并联,3、

20、负载决定电压、电流反馈,4、根据输入输出量纲最终确定组态,负反馈对噪声、干扰和温漂均有不同程度的影响,原理同负反馈对放大电路非线性失真的改善。负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用，且必须加大输入信号后才使抑制作用有效。,作业,6.11,负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是负反馈引入不当，会引起放大电路自激。为了使放大电路正常工作，必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法。,6.6 负反馈放大电路的稳定性,自激振荡现象,在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一定频率的信号输出。,在高频区或低频区产生的附加相移达到180，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足

21、了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。,6.6.1 自激振荡产生的原因和条件,一、自激振荡产生的原因,图a是一个同相比例放大电路，其输入、反馈、净输入和输出信号的相位关系如图b所示。因运放输出与输入相移为0，若附加相移达到180，则可形成正反馈。,图b 同相比例运算电路 矢量图,图a 同相比例运算电路,二、自激振荡的平衡条件,起振条件：,AF是放大电路和反馈电路的总附加相移，如果在中频条件下，放大电路有180的相移。在其它频段电路中如果出现了附加相移AF，且AF达到180，使总的相移为360，负反馈变为正反馈。如果幅度条件满足要求，放大电路产生自激。在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所以F=0

22、，AF=A+F=A。,6.6.2 负反馈放大电路稳定性的定性分析,1、单管放大电路不可能自激振荡,2、双管放大电路不可能自激振荡,3、放大电路级数越多越容易产生自激振荡,4、自激振荡之取决于电路结构本身，不受输入信号约束。但可以被外信号激发。,环路增益的幅频响应写为,利用波特图分析,即该点满足,波特图的绘制,有效地判断放大电路是否能自激的方法，是用波特图。第五章波特图的Y 轴坐标是20lgA，单位是分贝，X 轴是对数坐标，单位是赫兹。例：一个三极点直接耦合开环放大电路的频率特性方程式，波特图绘制过程方法如下：,6.6.3 负反馈放大电路稳定性的判断,幅频特性,放大电路在高频段有三个极点频率fp

23、1=104、fp2=106和fp3=107。分子105代表中频电压放大倍数（100dB）。,1、以20lg|105|=100dB 自0Hz A点做线段至fp1=104 B点，注意该点为第一个拐点 B。,2、以100dB-（20db/10倍频）*f 自fp1=104 B点做线段至fp2=106 C点，注意该点为第二个拐点C。,3、以100dB-（40db/10倍频）*f 自fp1=106 C点做线段至fp2=107 E点，注意该点为第三个拐点E。,4、自0开始做A至0.1 fp1=103 G点，自G点以（45/10倍频）到R(C)点。,、自R(C)开始以（9010倍频）做A至 T(E)点。,6、

24、自T(E)开始以（13510倍频）做A至-270,相频特性,环路增益波特图的引入,由于负反馈的自激条件是，所以将以 20 为Y坐标的波特图改变为以20 为Y坐标的波特图，用于分析放大电路的自激更为方便。由于,相当在以20 为Y坐标的波特图上减去 即可到以环路增益20 为Y坐标的 波特图了。如图19所示。,在图10.04中，当F3=0.01时，MN线为20lg=0 dB。20lg=0 dB这条线与幅频特性的交点称为切割频率f0。此时=1，A=180，幅度和相位条件都满足自激条件，所以20lg=0dB这条线是临界自激线。,在临界自激线上，从S点向左达到对应R点的频率时，此时 A=135，距A=18

25、0有m=45的裕量，这个m称为相位裕度。一般在工程上为了保险起见，相位裕度m45。,图19 环路增益波特图,仅仅留有相位裕度是不够的，也就是说，当A=180时，还应使 1，即反馈量要比 F=0.01再小一些，例如F=0.001，相当于图中的MN这条线。此时距线MN有Gm=-20 dB的裕量，Gm称为幅度裕度。工程上为保险起见，幅度裕度|Gm|10 dB。,一、判断方法,根据以上讨论，可将环路增益波特图分为三种情况，如图所示。,(a)稳定:f0 fc,Gmf0,Gm0dB(c)临界状态:fc=f0,Gm=0dB,fc 20lg|AF|=0 处的频率,fo AF=0 处的频率,自激的判断,思考,找

26、不到f0 放大电路是稳定的。,放大电路自激的判断举例,加入负反馈后，放大倍数降低，频带展宽，设反馈系数F1=10-4，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=90，不满足相位条件，不自激。,进一步加大负反馈量，设反馈系数F2=10-3，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=135，不满足相位条件，不自激。,此时A虽不是180，但反馈信号的矢量方向已经基本与输入信号相同，已进入正反馈的范畴，因此当信号频率接近106Hz时，即P点时，放大倍数就有所提高。,再进一步加大反馈量，设反馈系数F3=10-2，闭环波特图与开环波特图交P点，对应的附加相移A=180。当放大电路的工作频率

27、提高到对应P点处的频率时，满足自激的相位条件。,此时放大电路有 40 dB 的 增 益，AF=10010-2=1，正好满足放大电路自激的幅度条件，放大电路产生自激。,fcf0,Gm 0 dB。从A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，不满足幅度条件。,判断自激的条件归纳如下：,fc 0 dB。从A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，满足幅度条件。,fc=f0,Gm=0 dB。从A=180出发，得到的Gm=0 dB，即AF=1。,稳定状态：,自激状态：,临界状态：,二、稳定裕度,破坏自激振荡条件,或写为,其中,Gm幅值裕度，一般要求Gm-10dB,m相位裕度，一般要求m 4

28、5,保证可靠稳定，留有余地。,利用电容补偿消除自激振荡,加电容补偿，改变极点频率fp1的位置至102 Hz处，从新的相频特性曲线可知，在f 0处有45的相位裕量。因此负反馈放大电路稳定，可消除原来的自激。此时反馈系数F=0.1。,由A=180可确定临界自激线，所以反馈量使闭环增益在60dB以下时均可产生自激。,6.6.4 负反馈放大电路自激振荡的消除方法,一、滞后补偿,利用电容补偿消除自激振荡,作业,6.20,6.7 放大电路中其他形式的反馈,6.7.1 放大电路中的正反馈,一、电压电流转换电路,关键是自己能列方程,二、自举电路,1、引入合适的正反馈,2、通过反馈使输入端动态电位升高的电路叫自举电路,6.7 放大电路中其他形式的反馈,6.7.2 电流反馈运算放大电路,