第6章放大电路中的反馈1.ppt

第6章 反馈放大电路,6.1 反馈的基本概念与分类 6.2 负反馈放大电路的方框图及增益的一 般表达式 6.3 负反馈对放大电路性能的改善 6.4 负反馈放大电路的分析方法 6.5 负反馈放大电路的稳定问题,本章基本教学要求,掌握反馈放大电路类型和极性的判断，负反馈对放大电路性能的影响，深度负反馈下的闭环增益。,正确理解虚短和虚断和公式 的含义，根据要求引入负反馈，以及自激振荡的条件。,一般了解自激振荡消除的原理,本章重点内容,正确判断放大电路的反馈类型,负反馈对放大电路性能的影响,深度负反馈放大电路电压放大倍数的计算,6.1.1 反馈的基本概念 6.1.2 负反馈和正反馈 6.1.3 交流反馈和直流反馈 6.1.4 电压反馈和电流反馈 6.1.5 串联反馈和并联反馈 6.1.6 交流负反馈的四种组态,6.1 反馈的基本概念与分类,6.1.1 反馈的定义,反馈就是将输出信号的一部分或者全部通过一定的路径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。 放大电路无反馈时称开环，放大电路有反馈时称闭环。 反馈必须有反馈网络，它在输出与输入端的不同连接方式构成不同的反馈类型，具有不同的功能。,图中： 是输入信号， 是反馈信号， 称为净输入信号。,图6.1 反馈概念方框图,所以有：,。,三极管的电压净输入信号是Ube 差动放大电路和集成运放的电压净输入信号是(UP-UN),6.1.2 负反馈和正反馈,负反馈Xi不变,加入反馈后，净输入信号| Xd | | Xi | ， 输出幅度下降。,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起到使净输入削弱的作用，则为负反馈；增强为正反馈。 参见教材例题。,动画6-1,正反馈Xi 不变,加入反馈后，净输入信号| Xd | | Xi | ， 输出幅度增加 。,6.1.3 交流反馈和直流反馈,反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。 主要研究交流反馈对放大电路性能的影响。 参见教材例题。,将负载两端的输出电压“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。参见教材例题。,6.1.4 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；,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。,电压反馈和电流反馈反映了反馈网络与放大电路在输出端的两种接法（与负载的并、串）。判断方法：,6.1.5 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。参见教材例题。,串联反馈和并联反馈反映了反馈网络与放大电路在输入端的两种接法。（三个信号以电压 或电流相加减）,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。,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。,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即并联反馈时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；,反馈信号和输入信号加于输入回路两点即串联反馈时，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：,6.1.6 交流负反馈的四种组态,（1）电压串联负反馈,电压负反馈的重要特点是电路的输出电压趋向于维持恒定。,（2）电压并联负反馈,电压负反馈的重要特点是电路的输出电压趋向于维持恒定。,（3）电流串联负反馈,电流负反馈的重要特点是电路的输出电流趋向于维持恒定。,（4）电流并联负反馈,电流负反馈的重要特点是电路的输出电流趋向于维持恒定。,例题6.1:试判断图6.6所示电路 的反馈组态。,解: 根据瞬时极性法，见图中的红色“+”、“-”号，可知经电阻R1加在基极B1上的是并联负反馈。因反馈信号与输出电流成比例，故又为电流反馈。结论：是电流并联负反馈。,图6.6 例题6.1图,经Rf 加在E1上是负反馈。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：电压串联负反馈。,6.2 反馈放大电路的方框图及增益的一般表达式,6.2.1 闭环放大倍数的一般表达式 6.2.2 反馈深度 6.2.3 环路增益,6.2.1闭环放大倍数的一般表达式,根据图6.8可以推导出反馈放大电路的基本方程。放大电路的开环放大倍数:,反馈网络的反馈系数:,放大电路的闭环放大倍数:,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:,称为环路增益。,6.2.2 反馈深度,称为反馈深度 它反映了反馈对放大电路影响的程度。可分为下列三种情况 (1)当 1时， ，相当负反馈 (2)当 1时， ，相当正反馈 (3)当 =0 时， = ， 相当于输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”。,6.2.3 环路增益 ,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:,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。 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。,在此还要注意的是 、 和 可以是 电压信号，也可以是电流信号。,1.当它们都是电压信号时， 、 、 无量纲， 和 是电压放大倍数。,2.当它们都是电流信号时， 、 、 无量纲， 和 是电流放大倍数。,3.当它们既有电压信号也有电流信号时， 、 、 有量纲， 和 也有专门的放大倍数 称谓。,解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个放大器，见图中棕色线框。 可判断出该电路是电压串联负反馈，在输入端以电压形式叠加。,图6.9 例题6.3电路图,该电路相当同相比例运算电路,例6.3 ：求图6.9电路的电压放大倍数。,例题6.2:试判断图6.7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6.7 例题6.2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。,动画6-2,6.3 负反馈对放大电路性能的改善,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。 6.3.1 提高增益的恒定性 6.3.2 负反馈对输入电阻的影响 6.3.3 负反馈对输出电阻的影响 6.3.4 扩展频带 6.3.5 减少非线性失真 6.3.6 负反馈对噪声、干扰和温漂的影响,6.3.1 提高增益的恒定性,根据负反馈基本方程，不论何种负反馈，都使反馈放大倍数下降1+AF倍，不同的反馈组态A、F的量纲不同，但AF无量纲。对电压串联负反馈：,在负反馈条件下增益的稳定性得到了提高，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。,6.3.2 负反馈对输入电阻的影响,(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6.10所示。 有反馈的输入电阻为：,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。,图6.10 串联负反馈对 输入电阻的影响,(2)并联负反馈使输入电阻减小,并联负反馈输入端的电路结构形式如图6.11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。有反馈的 输入电阻为：,图6.11 并联负反馈对 输入电阻的影响,6.3.3 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，输出电压的变化就小，稳定性就好。以串联电压负反馈为例，有:,(1) 电压负反馈使输出电阻减小,图6.12 电压负反馈对输出电阻的影响,负载开路,(2) 电流负反馈使输出电阻增加,电流负反馈可以 使输出电阻增加。,图6.13 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，再将负载开路的增益,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。,电流并联负反馈为例，图6.13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电压Vo，并令输入信号源为零，即VS =0。可得：,6.3.4 扩展频带,放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了，如图6.14所示。,图6.14 负反馈对通频带的影响,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,有反馈时的通频带fF = (1+AF) fH 负反馈放大电路扩展通频带后仍然有 增益与通频带之积为常数：,6.3.5 减少非线性失真,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。,加入负反馈改善非线性 失真，可通过图来加以说明。失真的反馈信号，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。,6.3.6 负反馈对噪声、干扰和 温漂的影响,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。,6.4 负反馈放大电路的分析方法,6.4.1 电压串联负反馈 6.4.2 电压并联负反馈 6.4.3 电流串联负反馈 6.4.4 电流并联负反馈,负反馈类型有四 种组态: 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 在此要计算深度 反馈电压放大倍数。,深度负反馈条件下电压放大倍数的近似计算有两种：,一、利用公式 进行求解。,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,反馈系数：,Af和F都是广义的，具体含义取决于反馈组态。而电压增益Au与Af有关。,对于串联负反馈利用： 即“虚短”； 对于并联负反馈利用： 即“虚断”。,二、利用深度负反馈条件下放大电路同时具有“虚短”和“虚断”的特点进行求解。,在深度负反馈条件下有：,(a)分立元件放大电路,6.4.1 电压串联负反馈,反馈系数：,对于图6.16(a) ：,对于图6.16(b)：,闭环增益：,闭环电压放大倍数：,一、利用公式 求解。,因为是串联负反馈，所以有： 因此：,对于图6.16(a) ：,对于图6.16(b)：,(a)分立元件放大电路,二、利用“虚短”、“虚断”求解。,6.4.2 电压并联负反馈,图6.17 电压并联负反馈,反馈系数：,对于图6.17 ：,闭环增益：,一、利用公式 求解。,图6.17 电压并联负反馈,二、利用“虚短”、“虚断”求解。,因为是并联负反馈，所以有： 因此有：,由于有：,6.4.3电流串联负反馈,图6.18 (a) 电流串联负反馈,一、利用公式 求解。,反馈系数：,对于图6.18（a） ：,闭环增益：,闭环电压放大倍数：,当 很大时，与前面所推公式吻合。,图6.18(b)电流串联负反馈,二、利用“虚短”、“虚断”求解。,由“虚短”和“虚断”得：,因为：,所以有：,即：,6.4.4 电流并联负反馈,图6.19 并联电流负反馈,放大倍数：,反馈系数：,电压放大倍数为：,例题6.4:回答下列问题。,图6.20 例题6.4电路图,若要实现串联电压反馈, Rf 应接向何处? 要实现串联电压负反馈,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。,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。,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。,图6.20 例题6.4电路图,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。,图6.20 例题6.4电路图,为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输入端，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,6.5.1 负反馈放大电路的自激条件 6.5.2 用波特图判断负反馈放大电路的自激,6.5 负反馈放大电路的稳定问题,负反馈可以改善放大电路的性能指标，越大越好吗？,6.5.1 自激及稳定工作条件,1. 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。,由于存在RC回路，在高频区或低频区产生附加相移AF，当AF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，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。 在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所以F=0 ，AF = A+F= A。,2. 产生原因,6.5.1 负反馈放大电路的自激条件,6.5.1 自激及稳定工作条件,3. 自激振荡条件,自激振荡,反馈深度,即,得自激振荡条件,幅值条件,相位条件（附加相移）,闭环增益,6.5.2 负反馈放大电路的自激,1. 波特图的绘制 2. 放大电路自激的判断 3. 环路增益波特图的引入 4. 判断自激的条件,1. 波特图的绘制,有效地判断放大电路是否能自激的方法，可用波特图。 例：有一个三极点直接耦合开环放大电路的频率特性方程式如下:,图6.23 以20lg|Av |为Y坐标的波特图 （动画6-4）,根据给定的频率特性方程，放大电路在高频段有三个极点频率fp1、fp2和fp3。105代表中频电压放大倍数（100dB），于是可画出幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线。总的相频特性曲线是用每个极点频率的相频特性曲线合成而得到的。,相频特性曲线的Y坐标是附加相移A。当A=180时，即图中的S点对应的频率称为临界频率fc。当f= fc时反馈信号与输入信号同相，负反馈变成了正反馈，只要信号幅度满足要求，即可自激。,6.5.1 自激及稳定工作条件,负反馈放大电路稳定性分析,即该点满足,对于幅度条件,6.5.1 自激及稳定工作条件,判断稳定性方法,若P点在 水平线之下，稳定；否则不稳定。,或,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，但已接近正反馈的范畴，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= 102 ×10-2=1， 正好满足放大电路 自激的幅度条件， 放大电路产生自激。 此时F是可取得的最大反馈系数。,6.5.1 自激及稳定工作条件,5. 负反馈放大电路稳定性分析,基本放大电,基本放大,图6.24 环路增益波特图,环路增益波特图,(动画6-6),4. 稳定裕度: 相位裕度m45 幅度裕度| Gm | 10 dB,4. 判断自激的条件,根据以上讨论，可将环路增益波特图分为三种情况，如图6.25所示。临界频率fc(180)大于切割频率f 0 则电路稳定。,(a)稳定:fcf0 ,Gm0dB (c)临界状态: fc=f0, Gm=0dB,图6.25 判断自激的实用方法,消除自激的条件,1、当 使 2、当 使 在靠近主极点的地方加电容,