[理学]模电ch5负反馈及运放的线性应用.ppt

1-1,第5章 负反馈及运放的线性应用,1-2,反馈的基本概念,反馈和反馈放大器 放大电路的基本任务是放大输入的变化量，输入一定，输出也一定，但有时不满足这个关系，怎么办？用输出去影响输入。 所谓反馈就是把输出量的一部分或全部按一定的方式送回到输入回路，来影响输入量的一种连接方式。 引入反馈的目的是使电子线路按预期的功能正常稳定的工作，反馈可以改善放大电路的性能、改变放大器的组态。（显著的提高） 现代的理论和实践都证明，一切实用的电路几乎都有反馈。,1-3,5.1 集成运放的电压传输特性,集成运放有二个输入端：同相输入端和反相输入端。同相和反相是指输入电压和输出电压的关系。如图所示：,从外部看，运放就是一个差模信号增益高、共模信号抑制能力强、输入电阻高、负载能力强的双入单出放大电路。,1-4,5.1 理想集成运放,理想运放的性能指标 开环差模增益Aud= 共模抑制比KCMR= 差模输入电阻rid= 输出电阻rO=0 集成运放均为理想运放。 -无特殊要求时均可将集成运放当作理想运放。,1-5,5.1 集成运放的电压传输特性,输出电压与输入电压的关系曲线叫做电压传输特性，即：,电压传输特性如图所示。线性区很窄。,UOM饱和电压 Aud开环放大倍数 反馈,集成电路线性放大，必须引入负反馈,1-6,5.2 反馈的概念和反馈方程式,反馈放大电路可分成两部分：基本放大电路和反馈网络。,本放大电路的输入信号叫净输入信号，它与输入量和反馈量都有关。,1-7,5.2 反馈的概念和反馈方程式,从一个例子说起,输入量：ui、ube、ib,反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。,输出量：uo、uce、ic,正向传输信号从输入端到输出端的传输,稳定工作点电路：,UB一定,1-8,5.2.1 反馈的概念,1、直流反馈与交流反馈 反馈有不同的性质。 放大电路中存在直流分量和交流分量，分析电路时可以画出直流通路和交流通路。 仅在直流通路中存在的反馈称为直流反馈。 仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。 直流负反馈主要用于稳定放大电路的静态工作点，本章的重点是研究交流负反馈。,1-9,5.2.1 反馈的概念,解：（判断方法）分别根据电路的直流通路和交流通路，来进行判别。,例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用！,1-10,5.2.1 反馈的概念,再如： 根据直流反馈与交流反馈的定义，画出电路的直流通路和交流通路就一目了然了。例如：,结论：电路中只存在直流反馈，不存在交流反馈。,1-11,5.2.1 反馈的概念,2、反馈的极性 根据反馈的效果可以区分反馈的极性。 放大电路中引入反馈后，对输出量的影响有两种可能： 正反馈：输入量不变时，经过反馈后，输出量比没有反馈时变大了。 负反馈：输入量不变时，经过反馈后，输出量比没有反馈时变小了。 本章研究的是负反馈。,判定方法“瞬时极性法”,1-12,5.2.1 反馈的概念,瞬时极性法： 具体做法： 在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，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电压极性。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。,例如：,净输入uid=uP-uN，数值减小，为负反馈。,1-13,5.2.1 反馈的概念,净输入uid=uP-uN，数值增大，为正反馈。,再如：,再如：,净输入uid=uP-uN，数值减小，为负反馈。,1-14,5.2.1 反馈的概念,3、局部反馈与级间反馈,本级反馈反馈只存在于某一级放大器中（局部反馈）,级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中,例,级间反馈,本级反馈,本级反馈,本章重点研究的是级间反馈,1-15,5.2.1 反馈的概念,负反馈有不同的连接方式，例如：,从输入端看，有的反馈通路与输入信号连于同一节点，有的则引回到不同的节点；从输出端看，有的反馈通路直接从输出端引回来，有的则不然。 不同的连接方式作用不同，因此必须弄清负反馈的连接关系。,本章的重点是级间交流负反馈,1-16,5.2.1 交流负反馈的四种组态,当我们只考虑一个反馈通路的作用时，我们把这个反馈通路看成一个双口网络，把放大电路的其余部分看成另一个双口网络，它们的连接方式如下图：,反馈网络通常是由纯电阻组成。从采样方式来说，一种是电压采样，一种是电流采样；从求和网络来说，一种是并联连接，一种是串联连接。,1-17,由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定,串联,串联：输入以电压形式求和（KVL） -vi+vid+vf=0 即 vid=vi- vf,并联：输入以电流形式求和（KCL） ii-iid-if=0 即 iid=ii-if,并联,5.2.1 串联反馈和并联反馈,1-18,判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈,并联反馈,级间反馈通路,xf (if),1-19,5.2.1 交流负反馈的四种组态,串联反馈与并联反馈的判断 根据串联反馈与并联反馈的定义： 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，另一个加在发射极或集电极则为串联反馈。 -不同的节点 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，另一个加在反相输入端则为串联反馈。 -同一个节点,1-20,5.2.1 交流负反馈的四种组态,试判断下列电路中引入的反馈是串联反馈还是并联反馈。,1-21,vid=vi- vf,串联反馈,1-22,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：反馈信号xf和输出电压成比例，即xf=Fvo 电流反馈：反馈信号xf与输出电流成比例，即xf=Fio,并联结构,串联结构,5.2.1 电压反馈和电流反馈,1-23,判断方法：负载短路法,将负载短路，反馈量仍然存在电流反馈。,将负载短路（未接负载时输出对地短路），反馈量为零电压反馈。,电压反馈,电流反馈,反馈通路,反馈通路,5.2.1 电压反馈和电流反馈,1-24,电压反馈,反馈通路,1-25,举例,例、:试判断图示电路的R1、 Rf反馈类型,解：该电路既有本级反 馈又有级间反馈。,Re11和Re12构成第一级的直流电流串联负反馈。 Re11构成第一级的交流电流串联负反馈。 Re2构成第二级的交直流电流串联负反馈。 R1构成电流并联级间直流负反馈。 Rf构成电压串联级间交流负反馈。,1-26,5.2.1 交流负反馈的四种组态,电压反馈：反馈信号与输出信号在同一个节点上，称为 电压反馈；输出短路，则反馈消失。 电流反馈：反馈信号与输出信号不在同一个节点上，称为 电流反馈。输出短路，则反馈不消失。 并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回 路的同一个节点上，此时反馈信号与输入 信号是电流相加减的关系； 串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回 路的不同节点上，此时反馈信号与输入信 号是电压相加减的关系。,一、四种负反馈组态 二、反馈组态的判断 三、分析举例,因此，负反馈的类型有四种，即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。,1-27,5.2.1 交流负反馈的四种组态,1、电压串联负反馈 电压串联负反馈的典型多路如图所示：,与输出电压成比例，因此是电压负反馈；,反馈电压,输入信号加在同相输入端，反馈信号加在反相输入端，因此是串联负反馈。,一、四种负反馈组态,1-28,5.2.1 交流负反馈的四种组态,当某种原因使输出电压下降时，必然产生如下过程：,所以，电压负反馈能够稳定输出电压。,电流源对电压的变化不敏感，因此适用于输入信号为电压源的情况。,电压串联负反馈相当于一个压控电压源。其放大倍数为：,负载变化时，输出电压稳定输出电阻,1-29,5.2.1 交流负反馈的四种组态,2、电流串联负反馈 电流串联负反馈的典型电路如图所示：,反馈电压 uF=iOR1 与输出电流成比例，因此是电流负反馈；,输入信号加在同相输入端，反馈信号加在反相输入端，因此是串联负反馈。,1-30,5.2.1 交流负反馈的四种组态,当某种原因使输出电流上升时，必然产生如下过程：,所以，电流负反馈能够稳定输出电流。,电流串联负反馈相当于一个压控电流源。放大倍数为：,负载变化时，输出电流稳定输出电阻,1-31,5.2.1 交流负反馈的四种组态,3、电压并联负反馈 电压并联负反馈的典型电路如图所示：,反馈电流 iF=-uO/R (因为uN uP=0) 与输出电压成比例，因此是电压负反馈；,输入信号与反馈信号加在了同一个节点上，因此是并联负反馈。,电压并联负反馈相当于一个流控电压源。其放大倍数为：,电压源对电流的变化不敏感，因此适用于输入信号为电流源的情况。,1-32,5.2.1 交流负反馈的四种组态,4、电流并联负反馈 电流并联负反馈的典型电路如图所示：,反馈电流,与输出电流成比例，因此是电流反馈；,输入电流与反馈电流加于同一个节点，因此是并联反馈。,电流并联负反馈相当于一个流控电流源。其放大倍数为：,电压源对电流的变化不敏感，因此适用于输入信号为电流源的情况。,1-33,5.2.1 交流负反馈的四种组态,放大电路中应引入电压负反馈还是电流负反馈，取决于负载欲得到稳定的电压还是稳定的电流； 放大电路中应引入串联负反馈还是并联负反馈，取决于信号源是恒压源（或近似恒压源）还是恒流源（或近似恒流源）。,电压串联反馈：压控电压源 电流串联反馈：压控电流源 电压并联反馈：流控电压源 电流并联反馈：流控电流源,1-34,5.2.1 交流负反馈的四种组态,三、分析举例,例1、电路如图所示。分析电路中有无引入反馈；若有反馈，则说明是直流反馈还是交 流反馈，是正反馈还是负反馈，若为交流负反馈，则说明反馈的组态。,1-35,5.2.1 交流负反馈的四种组态,解：因为有反向传输通道，因此有反馈。 若画出交直流通路，则可判断为交直流反馈。 根据瞬时极性法可判断为负反馈。 因为反馈不是直接从输出端引出，故为电流负反馈；因为输入信号与反馈信号加在了不同的输入端，因此是串联负反馈。,结论：该电路引入了电流串联交直流负反馈。,1-36,5.2.2 负反馈放大电路的框图和表达式,基本放大电路A,放大：,净输入：,1.方框图：,A称为开环放大倍数,AF称为闭环放大倍数,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,F称为反馈系数,1-37,5.2.2 负反馈放大电路的框图和表达式,2. 负反馈放大器的一般关系,闭环放大倍数：,放大：,环路增益,1-38,5.2.2 负反馈放大电路的框图和表达式,3. 关于反馈深度的讨论,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,反馈深度和环路增益是描述反馈放大电路性能的重要指标。,1-39,5.2.2 负反馈放大电路的框图和表达式,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。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。,电路放大能力越强，反馈深度越深。,1-40,5.2.2 负反馈放大电路的框图和表达式,注意：X既可以是电压，又可以是电流。,放大：,1-41,5.2.2 四种组态电路的量纲,互阻增益,互导增益,电阻反馈,电导反馈,1-42,举例,已知某放大电路反馈系数Fv=0.01,输入信号ui=10mv，开环增益Av=10000，试求电路的闭环增益Avf、反馈电压Vf、净输入电压vid？,1-43,5.3 负反馈对放大电路性能的影响,提高增益的稳定性,减少非线性失真,扩展频带,改变输入电阻和输出电阻,在放大器中引入负反馈,降低了放大倍数,使放大器的性能得以改善：,定性讨论,1-44,5.3.1 稳定放大倍数,闭环时,则,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍,另一方面:,在深度负反馈条件下,即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。,1-45,5.3.2 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。,无反馈时放大器的通频带： fbw= f HfL 有反馈时放大器的通频带： fbwf= f HffLf f Hf,可以证明：fHf = (1+AF) fH； fLf = fL/ (1+AF) ； fbwf = (1+AF) fbw 放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。 即： Amf fbwf= Am fbw,1-46,5.3.3 减小非线性失真,加反馈前,加反馈后,失真,改善,动画演示,1-47,5.3.4 改变输入电阻和输出电阻,1、对输入电阻的影响 串联负反馈使输入电阻增大,无反馈时：,有反馈时：,1-48,5.3.4 改变输入电阻和输出电阻,并联负反馈使输入电阻减小,无反馈时：,有反馈时：,1-49,5.3.4 改变输入电阻和输出电阻,2、对输出电阻的影响,电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）恒压源输出电阻小。可以证明，减小 倍,(1) 电压负反馈使输出电阻减小,电流负反馈稳定输出电流（当负载变化时）恒流源输出电阻大。可以证明，增加 倍,(2) 电流负反馈使输出电阻提高,1-50,5.3.4 改变输入电阻和输出电阻,但是，对于下图所示电路则有：,1-51,5.3.4 引入负反馈的一般原则,1、为了稳定静态工作点，应引入直流负反馈；为了改善 电路的动态性能，应引入交流负反馈。 2、为了稳定输出电压（减小输出电阻），应引入电压负 反馈；为了稳定输出电流（增大输出电阻），应引入 电流负反馈。 3、信号源能提供电压信号（电压源），或为了提高输入 电阻，应引入串联负反馈 ；信号源能提供电流信号 （电流源），或为了减小输入电阻，应引入并联负反馈。 4、若将电流信号转换成电压信号，应引入电压并联负反 馈；若将电压信号转换成电流信号，应引入电流串联 负反馈。,1-52,一放大电路的开环电压增益为Avo=104，当它接成负反馈放大电路时，其闭环电压增益为Avf=50，若Avo变化10%，则Avf变化（ B ）。 A 0.5% B 0.05% C 10% D 1%,1-53,5.4 深度负反馈放大电路放大倍数分析,一、深度负反馈的实质 二、放大倍数的分析 三、分析举例,1-54,5.4.1 深度负反馈的实质,如果我们把各量都用净输入量来表示，如图所示：,1-55,5.4.1 深度负反馈的实质,即净输入近似为零，但不等于零，若等于零就没有反馈了。“虚短和虚断”,则：,对于串联深度负反馈：,对于并联深度负反馈：,1-56,5.4.1 深度负反馈的实质,深度负反馈条件下：X=Xi-Xf0,up=un（运放电路）,ue=ub （串联） =0 （并联）,(1)“虚短”ud0,(2)“虚断”id0,ip=in=0 （运放电路）,ib=0（三极管电路）,“虚短”与“虚断”,(3) 同时存在。ui=0 （并联）,1-57,5.4.1 深度负反馈的实质,电阻反馈网络，三个量的符号相同,求解深度负反馈放大电路放大倍数的一般步骤和方法： 1、正确判断反馈组态 2、结合虚短和虚断，电路增益，注意符号。 3、利用前后电阻和电路增益求解电压放大倍数(电压增益。 注意符号： 输入输出同相时，放大倍数和反馈为正号； 输入输出反相时，放大倍数和反馈为负号。,1-58,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,1、电压串联负反馈 电压串联负反馈的 反馈网络如图所示：,1-59,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,例. 分立电路电压串联负反馈,解：,求闭环电压放大倍数：,1-60,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,2、电压并联负反馈 电压并联负反馈的 反馈网络如图所示：,1-61,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,实际上，输入量通常不是恒流源，具有内阻RS，可用电源变换把电流源并联电阻变换成电压源串联电阻：,1-62,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,电压并联负反馈,解：,1-63,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,3、电流串联负反馈 电流串联负反馈的 反馈网络如图所示；,1-64,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,电流串联负反馈,解：,1-65,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,4、电流并联负反馈 电流并联负反馈的 反馈网络如图所示：,1-66,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,当以RS为内阻的电压源为输入信号时：,1-67,5.4.2 深度负反馈电压放大倍数的分析,闭环增益,闭环电压增益,解：,例.分立电路电流并联负反馈,1-68,5.4.2 分析举例,例1、电路如图所示，已知R1=10K， R2=100K， R3=2K， RL=5K。求解在深度负反馈条件下的闭环电压放大倍数。,解：电路中引入了电流串联负反馈,1-69,5.4.2 分析举例,反馈系数和电压放大倍数分别为：,1-70,例2 何种组态？，电压放大倍数？,证明反馈和等效计算结果一致,5.4.2 分析举例,1-71,5.5 集成运放基本运算电路,能完成各种模拟信号运算（比例、求和、求差、积分、微分等等）的电路叫做运算电路。 完成模拟信号运算的集成电路叫做集成运算放大器，简称集成运放。,1-72,5.5.1 集成运放应用的基本规则,输出电压与输入电压的关系曲线叫做电压传输特性，即：,电压传输特性如图所示。线性区很窄。,UOM饱和电压 Aud开环放大倍数 反馈,1-73,5.5.1 集成运放应用的基本规则,(2) 分析方法： 净输入电压为零，即uP-uN=0， 所以 uP=uN 称两个输入端“虚短路”。 因为净输入电压为零，而输入电阻为无穷，所以 iP=iN=0 称两个输入端“虚断路”。,(1) 集成运放工作在线性区的电路特征（条件）： 必须引入负反馈,1-74,5.5.1 集成运放应用的基本规则,（3）理想运放的性能指标 开环差模增益Aud= 共模抑制比KCMR= 差模输入电阻rid= 输出电阻rO=0 上限截止频率H= (BW= ) 温漂均为零，且无内部噪声。 下面用的集成运放均为理想运放。 -无特殊要求时均可将集成运放当作理想运放。,1-75,5.5.2 基本运算电路,集成运放的应用首先是能构成各种运算电路，名字由此而来。在运算电路中， 引入深度负反馈，利用不同的反馈网络实现各种数学运算； 运放可以看成是理想的运放。 利用“虚断”和“虚短”的方法进行判断。 一、比例运算电路 二、加减运算电路（加法器） 三、积分和微分运算电路,1-76,5.5.2.1 比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,1-77,5.5.2.1 比例运算电路,反相比较运算电路 图中 R=R/Rf,输出与输入成比例，且相位相反。因此叫反相比例电路。,“虚地”,节点电流法：,1-78,5.5.2.1 比例运算电路,反相比例电路的特点：,1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,3. 输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2. 输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,1-79,5.5.2.1 比例运算电路,例1、上述比例电路，要求Ri=100K，Au=-100，求Rf。,电阻数值太大，精度不高，又不稳定。,解：要求 Ri=100K，即R=100K，,1-80,例2、T型网络反相比例电路，要求Ri=51K，Au=-100，求R4。,电阻数值较小。,解：,5.5.2.1 反向比例运算电路,1-81,5.5.2.1 比例运算电路,输出与输入成比例，且相位相同，故叫同相比例电路。 同相比例电路要求运放的共模抑制比高。,同相比较运算电路,1-82,5.5.2.1 比例运算电路,同相比例电路的特点：,2. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,3. 输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,1. 一般输入电阻大。,1-83,5.5.2.1 比例运算电路电压跟随器,如果同相比例电路的反馈系数为1，如图所示，则：,uO= uI,输出与输入相等，且相位相同，故叫电压跟随器。,此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。电压跟随性能好。,1-84,电压跟随器的作用,无电压跟随器时 负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovn vp vs,1-85,5.5.2.2 加减运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,1-86,5.5.2.2 加法运算电路,还可以用叠加法来求解：,反相求和,1-87,5.5.2.2 加法运算电路,（2）同相求和 如图所示：,1-88,5.5.2.2 加法运算电路,输出与输入成比例，且相位相同，故叫同相比例电路。 输入电阻较小。但电阻易匹配。,1-89,5.5.2.2 加法运算电路,1-90,5.5.2.3 减法运算电路,电路如图所示：,我们可以用叠加定理先让反相输入端的各信号作用：,（3）加减运算,1-91,5.5.2.3 减法运算电路,再让同相输入端的各信号作用，R1/ R2/ Rf= R3/ R4/ R5，则：,1-92,5.5.2.3 减法运算电路,解出：,单运放的加减运算电路的特例：差动放大器,1-93,5.5.2.3 减法运算电路-双运放加减运算,利用加法器和反相比例器组成的加减运算电路,1-94,5.5.2.3 加减运算电路-双运放加减运算,利用加法器和反相比例器组成的加减运算电路,1-95,5.5.2.4 微积分运算电路积分运算,微分电路与积分电路是矩形脉冲激励下的 RC 电路。若选取不