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1、5 反馈和负反馈放大电路,5.1 反馈的基本概念及类型,实际问题举例,1. 什么是反馈,5.1.1 反馈的基本概念,直流电流负反馈电路,反馈过程,输出电流ICQ发生变化,在RE上产生压降UEQ ICQ RE的变化,输入回路,输出回路,反馈网络,使放大元件的输入UBE产生变化,抑制输出电流ICQ的变化,直流电流负反馈可以稳定输出电流ICQ,以影响放大电路性能。,反馈的定义,把放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，,经过反馈网络，,返送到输入回路一个反馈量（电压或电流），,反馈量与原来的外加输入量进行比较，,得到一个净输入量加到某一放大器件的真正的输入端，,双极型晶体管 B、E,单极型晶体
2、管 G、S,双极型晶体管组成的差分放大电路 B1、B2,运算放大器 同相、反相输入端,放大元件的输入端,反馈信号,输入信号,输出信号,净输入信号,比较环节,反馈电路方框图,开环放大电路,闭环放大电路,闭合环路,2交流反馈与直流反馈,(1) 直流反馈反馈作用仅在直流通路中存在,直流通路,反馈网络,(2) 交流反馈 在交流通路中存在的反馈,交流通路,输入回路,输出回路,反馈网络,(1) 正反馈反馈信号加强输入信号的作用，使净输入信号大于原输入信号。,3. 正反馈与负反馈,正反馈往往把放大器转变为振荡器,反馈网络,(2) 负反馈反馈信号削弱输入信号的作用，使净输入信号小于原输入信号。,负反馈改善放大
3、电路的性能,负反馈广泛应用于电子技术、自控等领域之中。,a. 在输入端加入对地瞬时极性为正的电压uI。,判断方法,4. 瞬时极性法判断正负反馈,b. 根据放大电路的工作原理，标出电路中各点电压 的 瞬时极性。,c. 判断反馈信号是增强还是削弱输入信号。,d. 反馈信号削弱了输入信号(uId uI)为负反馈。,e. 反馈信号增强了输入信号(uId uI)为正反馈。,净输入信号小于输入信号，所以为负反馈。,uI,例1 判断图示电路反馈的极性。,解 假设uI的瞬时极性为正。即,uI0,那么,uO0,uF0,净输入信号大于输入信号，所以为正反馈。,例2 判断图示电路反馈的极性。,解,假设 uI0,那么
4、,uO0,uF0,a. 电压反馈,5.1.2 负反馈放大电路的四种基本类型,1. 电压反馈和电流反馈,反馈信号与输出电压成正比,反馈信号来源于输出电压,b. 电流反馈,反馈信号与输出电流成正比,反馈信号来源于输出电流,c. 判断电压和电流反馈的方法,a. 令输出电压为零（输出短路）,反馈网络,b. 令输出电流为零（输出开路）,.,2. 串联反馈和并联反馈,特点,反馈网络串联于输入回路,反馈信号为电压,a. 串联反馈,b. 并联反馈,特点,反馈网络并联于输入回路,反馈信号为电流,3. 负反馈放大电路的四种基本类型,a. 电压串联负反馈,b. 电压并联负反馈,c. 电流串联负反馈,d. 电流并联负
5、反馈,电压串联 电压并联 电流串联 电流并联,3四种类型负反馈的表达式,1电压串联负反馈,a. 判断反馈网络,5.1.3 负反馈放大电路举例,输入回路,输出回路,反馈网络,寻找输入与输出回路的共有网络,利用瞬时极性法,b. 判断反馈极性,当uI0时,uO0,uF0,uId=uI uF uI,负反馈,c. 负反馈的组态判断,(a) 反馈网络F与RL并联，属电压反馈。,(b) 反馈电压uF与输入电压uI串联于电路的输入端， 属串联反馈。,F,电压串联负反馈,d. 电压负反馈的作用,稳定输出电压的原理,Uf ,Uid ,Ib,Ic,Uo ,能够稳定输出电压,由运算放大器组成的电压跟随器电路,电压串联
6、负反馈,2电压并联负反馈,a. 判断反馈网络,输入回路,输出回路,反馈网络,利用瞬时极性法,b. 判断反馈极性,当uI0时,uO0,反馈信号的极性也为负,削弱了输入信号,负反馈,c. 负反馈的组态判断,(a) F与RL并联于电路的输出端，属电压反馈。,反馈网络F,(b) 反馈电流iF与输入电流iI并联于基本电路的输入端，属并联反馈。,电压并联负反馈,d. 电压并联负反馈的作用,稳定输出电压,稳定输出电压的原理,iC,e. 当电阻R1=0时,净输入电流的大小与反馈电流iF无关,电路无反馈作用,由运算放大器组成的电压并联负反馈电路,F,RL,R2,3电流串联负反馈,a. 判断反馈网络,输入回路,输
7、出回路,反馈网络F,b. 负反馈的判断,利用瞬时极性法,当uI0时,uO0,uF0,uId=uI uF uI,负反馈,c. 负反馈的组态判断,(a) 令uO=0， uF0，属电流反馈。,(b) uF 与uI串联于运放的输入回路，属串联反馈。,电流串联负反馈,F,稳定输出电流的机理,d. 电流串联负反馈的作用,Io ,稳定输出电流,4电流并联负反馈,输入回路,输出回路,反馈网络F,a. 判断反馈网络,利用瞬时极性法,b. 判断反馈极性,当uI0时,uO0,削弱了输入信号,负反馈,反馈信号极性为负,RL,c. 负反馈的组态判断,(a) 令uO=0， iF0，属电流反馈。,(b) iF 与iI并联作
8、用于运放的输入回路，属并联反馈。,电流并联负反馈,稳定输出电流的机理,d. 电流并联负反馈的作用,Io ,稳定输出电流,图中,5.1.4 负反馈放大电路的一般表达式,方框图,由以上各式得,闭环增益,在图示电路中,即 电路的闭环放大倍数是开环放大倍数的1/(1+AF)倍。,D=1+AF 称为反馈深度,负反馈放大电路的放大倍数的一般表达式,a. 放大倍数下降的原因,即引入负反馈之后，电路的净输入信号降为原输入信号的1/(1+AF) 。,故,b. 对负反馈放大电路放大倍数的一般表达式讨论,电路引入负反馈,电路引入正反馈,电路没有反馈,此时,a. 便于设计、分析和计算放大电路,b. 提高了闭环放大倍数
9、的稳定性,主要特点,即电路没有输入，但仍有一定的输出。,电路产生了自激振荡,5.2 负反馈对放大电路性能的影响,由负反馈放大电路的一般表示式,对A求微分得,5.2.1 提高放大倍数的稳定性,或,其相对变化量为,即 Af相对变化量，仅为A的相对变化量的1/(1+AF)。,Am 中频区的开环放大倍数,fH 上限截止频率,式中,已知高频区电路开环放大倍数,5.2.2 扩展通频带,引入负反馈后高频区闭环放大倍数为,设反馈系数为实数F（为分析方便）,式中,fHf为引入负反馈后的电路上限截止频率,同理可证，引入负反馈后的电路下限截止频率,引入负反馈后电路的通频带,由于开环电路的通频带,故,常数,放大电路通
10、频带的扩展是以牺牲放大倍数来换取的,但增益带宽积,（注：上式只适合一阶惯性环节的放大电路）,5.2.3 减小非线性失真,输入信号,输出信号,开环放大电路,减小非线性失真原理,非线性失真,xI,闭环放大电路,xO,xId=xI,信号传输方向,反馈信号,xId=xI xF,5.2.4 抑制反馈环内的干扰和噪声,1对输入电阻的影响,(1) 串联负反馈,基本放大电路的输入电阻,负反馈放大电路的输入电阻,5.2.5 对输入电阻和输出电阻的影响,方框图,由于,故 输入电阻,串联负反馈增大输入电阻,(2) 并联负反馈,基本放大电路的输入电阻,负反馈放大电路输入电阻,方框图,由于,故,并联负反馈使输入电阻减小
11、,2对输出电阻的影响,(1) 电压负反馈,根据输出电阻的定义,画出求输出电阻的等效电路方框图,由图可知,由以上各式得,故输出电阻,电压负反馈使输出电阻减小,+,-,I,Ao,Xid,+,-,U,A,Rof,F,=0,Ro,+,+,-,Xid,Xi,Xf,I1,(2) 电流负反馈,求输出电阻的等效电路,那么,由此可得,故,电流负反馈使输出电阻增大,5.2.6 正确引入反馈,减小信号源的负载、提高输出端的负载能力。,正确引入应考虑的两个主要问题,a. 选择合适的负反馈类型,选择负反馈类型应该考虑,b. 正确选用各元件参数,对于电压 电流变换器,对于电流 电压变换器,对于电压放大器,对于电流放大器,
12、选择电压串联负反馈,选择电流并联负反馈,选择电流串联负反馈,选择电压并联负反馈,选择元件参数的依据,反馈深度（1+AF）,设计放大电路大多都选用集成运算放大器，在运放选定后，Au、Ro、Ri即被确定，剩下的工作就是估算反馈系数F。,正确选用各元件参数,1. 对于高内阻、低内阻的信号源，应该分别选择何种类型的负反馈电路？,思 考 题,2. 由于负反馈可以展宽频带，所以只要反馈深度足够深，就可以用低频管代替高频管组成放大电路来放大高频信号。这种说法是否正确？,负反馈放大电路的分析计算常用方法,a. 等效电路法,5.3 负反馈放大电路的分析及近似计算,等效电路法,分离法,近似计算法,把放大器中的非线
13、性器件用线性电路等效，然后根据电路理论求解各项指标。,(b) 分别求出基本放大电路的A、Ri、Ro、fH 和fL等指 标及反馈网络的反馈系数F。,(c) 分别求出Af、Rid、Rof、fHf 和fLf等指标。,(a) 分负反馈放大电路为基本放大电路和反馈网络 两部分。,分离法的基本思想,b. 分离法,由于集成运算放大器和多级放大电路的放大倍数一般都比较大，很容易使放大电路满足深度负反馈的条件。,放大电路满足深度负反馈的条件,5.3.1 深度负反馈放大电路近似计算的一般方法,1. 采用近似计算的条件,在深度负反馈（AF 1）的条件下,3. 近似计算的原理,(1) 当电路引入串联负反馈时,(称为虚
14、短),(2) 当电路引入并联负反馈时,由于基本放大电路的电压放大倍数也很大，条件,也同时成立。,1电压串联负反馈（同相输入比例放大器）,5.3.2 电压模运放组成的反馈电路,根据电路在深度负反馈条件下的分析依据,有,故 电路的闭环电压放大倍数,Rif,Rof,2电压并联负反馈（反相输入比例放大器）,在深度负反馈条件下,故 闭环互阻增益,闭环电压放大倍数,输入电阻,Rif,输出电阻,Rof,3电流串联负反馈 电压电流变换器,故电路的闭环互导增益,闭环电压放大倍数,输入、输出电阻,4电流并联负反馈 电流放大器,在深度负反馈的条件下,闭环电流放大倍数,闭环电压放大倍数,输入、输出电阻,Rif,Rof
15、,1电压串联负反馈,5.3.3 分立元件组成的反馈电路,(1) 负反馈的判断,(2) 闭环电压放大倍数,由于,(3) 输入电阻,Rif,(4) 输出电阻,Rof,2电流并联负反馈,(1) 负反馈的判断,由于反馈电流iF来自于输出级晶体管T2集电极电流iC2,故 电路稳定的是iC2，而不是负载电流iO,(2) 闭环电流放大倍数,F,(3) 闭环电压放大倍数,(4) 输入电阻,(5) 输出电阻,从T2集电极看进去的闭环输出电阻,从负载看进去的输出电阻,5.3.4 电流模运放的闭环特性,电流模运放同相输入放大电路,低频闭环电压放大倍数,在深度负反馈的条件下,分析电路的高频特性,由图可知,由以上各式得
16、电路的高频闭环特性,由于,当Auf0 RiR2时,电路的闭环上限截止频率为,结论,(1) fHf仅与CZ、R2有关，而与R1无关。,(2) 电流模运放的闭环电压放大倍数增大时，带宽增益积有所增加。,电流模运放幅频特性,电压模运放幅频特性,电压模运放带宽增益积等于常数,5.4.1 负反馈放大电路的自激振荡条件,将上式写成,5.4 负反馈放大电路的自激振荡及消除,相位条件,幅度条件,基本放大电路在高频或低频区内产生的 附加相移,反馈网络高频或低频区内产生的附加相移,式中,相位条件,幅度条件,对于负反馈电路,1. 在中频区，反馈信号与输入信号反相，即,2. 高频或低频区，放大电路与反馈网络，因电路
17、中的电容而产生附加相位移A、F。,反馈电压信号和输入电压信号同相,负反馈变为正反馈,(1) 这时如果AF1，产生自激振荡。,电路中存在,b. 放大电路内部元器件的热噪声电压,a. 开启电源时的瞬间冲击电压,由于噪声和冲击电压具有很宽的频谱，其中必有某一种频率分量满足自激振荡的条件，即使无输入信号，也有一定的信号输出。,输出信号在不断的减小,不会产生自激振荡。,(2) 如果AF1,结论,相位条件是产生自激振荡的必要条件,幅度条件是产生自激振荡的充分条件,a. 电路包含一或二个惯性环节时，附加相移最大不会超过180，不会产生自激振荡。,5.4.2 负反馈放大电路的稳定性,b. 电路的级数愈多，附加
18、相移 愈大，愈容易产生自激振荡。,c.反馈系数F愈大，愈容易产生自激振荡。,(1) 找相位临界频率 fc,电路不稳定,1判断放大电路是否稳定的方法,b. 如果,电路稳定,电路1,电路2,稳定,不稳定,(2) 找幅度条件临界频率f0,a. 如果,电路稳定,b. 如果,电路不稳定,电路1,电路2,稳定,不稳定,(3) 根据 fc 和 f0 的位置判断,a. 当 fcf0 时,电路不稳定,b.当 fcf0 时,电路稳定,2稳定裕度,(1) 幅度裕度Gm(dB),-10(dB),(2) 相位裕度 m, 45,要求,要求,在放大电路中加入RC相位补偿网络，使其具有足够的幅度裕度Gm和相位裕度m。,相位补
19、偿的思想：,相位补偿方法,5.4.3 消除自激振荡的方法 相位补偿,滞后补偿,超前补偿,1滞后补偿,在多级放大电路中的上限截止频率最低的一级放大电路中加入RC相位补偿网络。,(1) 补偿方法,补偿电容C,补偿网络等效电路,补偿后,补偿前,(2) 补偿前后，该级电路的上限截止频率,由于电容的并入使滞后的附加相移更加滞后，所以称为滞后补偿。,(3) 补偿效果,幅频特性,补偿前,补偿后,不稳定,稳定,2. 超前补偿,在反馈网络中加入补偿电容C，使F0，以补偿滞后附加相移A (A0) 。使,(1) 补偿方法,(2) 补偿电路,(3) 反馈系数,补偿电路,由于,式中,反馈放大电路具有超前附加相移,练 习
20、 题,例1 某一负反馈放大电路的开环电压放大倍数|A|=300，反馈系数|F|=0.01。试问 (1) 闭环电压放大倍数|Af|为多少？ (2) 如果|A|发生20%的变化，则|Af| 的相对变化为多少？,解 (1) 闭环电压放大倍数,(2) 当已知A的相对变化率来计算Af的相对变化率时，应根据A的相对变化率的大小采用不同的方法。,本例中A已有20%的变化，应采用后一种方法。,b.当A的相对变化率较大时，应通过|A|/|A|计算出|Af |后再计算|Af |/|Af |。,a.当A的相对变化率较小时，可对|Af|=|A|/(1+|AF|) 求导, 推出d|Af|/|Af|与d|A|/|A|的关系式后再计算。,当A变化20%时,则|Af |的相对变化率为,当A变化 20% 时,那么，|Af |的相对变化率为,例2 某负反馈放大电路的组成框图如图所示，试求电路的总闭环增益 。,解 该负反馈放大电路有两个反馈环，F1构成外环，F2构成内环。,内环的闭环增益为,外环的开环增益为,因而该电路的闭环增益为,故,(2) 由图可见，该放大电路环路增益的幅频特性有2个转折点（即2个极点f1=10Hz和f2=103Hz）。,(3) 不会产生自激。,