反馈放大电路及其应用.doc

反馈放大电路及其应用作者：imefan文章来源：本站原创点击数：6560更新时间：2008-2-5反馈的基本概念与分类反馈基本概念反馈：放大器输出电量(电压或电流)中的一部分(或全部)，通过一定的电路形式(称反馈网络)，送回到输入回路，与原输入信号一起加到放大器的净输入端，从而使输出电量得以自动调节。反馈放大器框图表示：输出电量中的一部分经过反馈网络，产生反馈量，送回到输入回路中，与输入量比较求和后，产生净输入信号，再由基本放大器放大，送到输出，从而形成闭环。虚线内的整个放大器就称为反馈放大器。其中电量x，可能是电流量，也可能是电压量，由反馈网络与放大电路的输出/输入连接方式决定。反馈网络：它向输出电路索取电量，并将该电量转换成与原输入量纲一致的电量。两种取样电路：电压取样，反馈信号与输出电压成正比-电压反馈；电流取样，反馈信号与输出电流成正比-电流反馈。由于输入量可能是电压量，也可能是电流量，反馈量只有与输入量的量纲相一致时，才能求和，所以，反馈网络还承担信号的变换作用。比较求和电路：输入量与反馈量在相同的电量下相加减。也有两种电路，如图所示：串联反馈时，并联反馈时。比较求和后，净输入增加时正反馈；比较求和后，净输入减少时负反馈。正反馈一般用在振荡器中，而负反馈通常用在放大器中，以改善放大器的性能指标。根据取样到的电量和比较求和的电量不同，反馈放大器有以下的分类：电压反馈：反馈信号与输出电压成正比，。电流反馈：反馈信号与输出电流成正比，。串联反馈：反馈信号是电压，因此与输入信号电压求和，即。并联反馈：反馈信号是电流，因此与输入信号电流求和。即。正反馈：反馈后，使净输入电量增加，即。负反馈：反馈后，使净输入电量减小，即。交流反馈：仅存在交流反馈量的反馈。直流反馈：仅存在直流反馈量的反馈。主要应分清楚下面四种反馈：1. 电压串联负反馈，且反馈量为电压只有在为电压量的情况下，才能与输入信号电压相串联连接，即。2.电压并联反馈反馈量为电流量。只有在为电流量的情况下，才能与输入信号电流相并联，即。3.电流串联反馈：反馈量为电压量，只有在为电压量的情况下，才能与输入信号电压相串联，即。4.电流并联反馈：反馈量为电流量，只有在为电流量的情况下，才能与输入信号电流相并联，即。总结：1. 运放的基本指标除开环增益、共模抑制比、差模输入电阻、差模输出电阻等外，还有最大共模输入电压，单位增益带宽，转换速率大信号运用时的输出电压上升速率；2. 为减少输出失调电压，在连接上，运放的同相端和反相端的等效输入电阻应取相等，且阻值应小；3. 电压反馈还是电流反馈取决于反馈量xf是正比于输出电压还是正比于输出电流。电压反馈，电流反馈判断方法：将输出端瞬时短路，即rl=0，。如果此时无反馈了，即时，为电压反馈；如果，则为电流反馈。也可用输出开路来做，即rl开路，则如果此时无反馈了，即时，为电流反馈；如果则为电压反馈。4. 串联反馈还是并联反馈取决于反馈量xf是电流量还是电压量，即反馈网络与输入信号的连接方式。串联反馈：其反馈信号xf一定是电压量，电压量才能相串联；并联反馈：其反馈信号xf一定是电流量，电流量才能并联，进行电流求和。5. 正反馈和负反馈(在频带的中频段)反馈后净输入增加：正反馈；反馈后净输入减少：负反馈。判断方法：用瞬时极性法：假若在某瞬时输入极性为，然后根据放大器的组态，逐级推出该时刻的瞬时变化极性、经反馈网络后的极性，然后决定反馈信号与原信号的相位关系。6. 直流反馈和交流反馈在直流通路中存在的反馈：直流反馈；在交流通路中存在的反馈：交流反馈；在交直流通路中都有反馈：交直流反馈并存。负反馈放大电路的方框图表示及增益函数一、负反馈放大电路的方框图表示四种反馈下各参数的物理意义：二、负反馈放大电路的增益函数由负反馈放大器的方块图可知，放大器的闭环增益函数为：式中的项称环路增益或回路增益。将上式写成幅模形式后。如果，闭环增益小于开环增益。则电路为负反馈。若，则电路为深度负反馈，此时，其电压增益为：闭环后的电路增益由反馈系数决定，式中的称为反馈深度，它越大，反馈深度越深。 当，则表示其反馈为正反馈。 当，则说明在无输入信号的情况下也有输出，此时电路产生了自激振荡。负反馈牺牲了放大器增益：提高了放大器的性能指标；正反馈虽提高增益：但稳定性差，会使放大器无法工作。负反馈对放大电路性能的改善一、提高闭环增益的稳定性放大器的增益会因环境的各种因素而发生变化，加了负反馈后会抑制这种变化，使其增益稳定。假定信号在中频段，且反馈网络为纯电阻，故放大倍数和反馈系数都是实数。所以增益函数表达式为：，微分得，。两边同除af后得。该式表明：放大器引入了负反馈后，其增益的相对变化量daf/af是无反馈时的1/(1+af)。说明负反馈越深，放大倍数的稳定性越好。二、改善放大器的非线性失真非线性失真由器件的非线性特性引起。假定输入信号为正弦，经放大后产生了不对称的输出波形，即产生了失真了。非线性失真的定量分析：由于非线性失真是信号大了之后引起，所以假定失真由末级引起，如图所示：开环时：，。闭环后：输出信号降低了，并为，。式子表明，有用信号和失真信号部分都下降为开环时的。比较反馈效果应该在同一输出幅度下才有意义，所以应加大使其反馈后的输出电压和反馈前的相等。增大后，上式变为：。式子表明，负反馈后，可以加大有用的输入信号，使损失部分得以补尝，而负反馈将失真部分的信号得到了抑制。这里必须注意：信号本身的非线性，负反馈将无能为力。三、抑制放大电路内部的温漂，噪声及干扰如果噪声、干扰来自电路内部时，负反馈能起到抑制作用，这时只要加大有用信号，以提高信噪比(s/n)。如果噪声、干扰混在有用信号中或来自电路外部，则负反馈无能为力。只能用屏蔽、隔离、滤波或消除干扰源等手段加以剔除。四、展扩放大器的通频带假定反馈网络为纯电阻，f为实数，且放大电路在低频段和高频段都只有一个转折频率(极点频率)。因此，高低频段频率特性的复数表达式分别为， 高频段：，低频段：加了负反馈后的高频段频率特性：，加了负反馈后的低频段频率特性：其中，可见放大器引入负反馈后，上限频率升高了，下限频率降低了，因而使放大器的通频带扩展了，下图是负反馈使通频带展宽的波特图。五、负反馈对输出电阻的影响1. 电压反馈使输出电阻减少。 电压串联假定反馈电路中信号单向化传输，取样电路不取电流并无压降；2. 电流反馈使输出电阻增加。六、负反馈对输入电阻的影响串联反馈输入电阻增加，；并联反馈输入电阻减少，无反馈时，加了负反馈后，。输入电流增加了，输入电阻下降了，且为。负反馈放大电路的计算一、由集成运放构成的各种运算电路集成运放的开环增益为无穷大，由运放组成的各种放大电路都满足深度反馈的条件。1. 比例运算电路比例运算主要有三种：反相输入，同相输入和差动输入三种形式。反相输入方式(反相(比例)、求和运算)，该电路属于电压并联负反馈放大器。 同相输入方式(同相(比例)求和运算)信号从运放的同相输入端加入，称同相输入。是电压串联负反馈。由电路可知：，所以或。当r1开路时，电路的输出即为电路的输入，通常称为电压跟随器，即。输入电阻rif：，注意是串联反馈。输出电阻rof：，注意是电压反馈。 差分输入方式(减法输入方式)两个信号分别加在同相端和反相端，反相端通过r2构成闭环。对电路的求解可以采用线性电路的叠加原理进行。2 .求和运算 反相求和运算。由于n端是“虚地”，所以有： 同相求和运算。同样用线性电路的叠加原理求解。由于vp=vn可分别求出vp和vn。 双端输入求和运算。3 .微分和积分运算电路 积分运算电路 微分运算电路4 .对数和指数运算电路 对数运算电路 指数运算电路5 .电流/电压(i/v)变换电路使输出电压和输入电流成线性关系，而与rl无关。6 .电压/电流变换电路输出电流与输入电压成线性关系，与负载大小无关。在许多场合，负载必须接地，此时可列方程组后求得输入电压与输出电流关系：，解得：，注意：运算电路中输出端都是和反相输入端相连接的，说明在放大电路中全部构成负反馈。不可能引回到运放的同相端，否则成为正反馈，就不是线性放大了。二、 由分立元件构成的深度负反馈放大电路的分析计算这一部分内容只讲思路，不举例说明工程中常用方法：方块图法、双口网络分离法、环路增益法、拆环法等，(在自动控制理论课中介绍)拆环法的思路：闭环放大器拆成开环求开环下的，再用关系求闭环下的，。拆环法的条件：闭环时的信号传转只通过基本放大器，不经过反馈网络；反馈信号只经过反馈网络传到输入，不经过基本放大器；反馈系数与信号源内阻及负截电阻无关；拆环法的步骤：计算输入电阻时，应将反馈网络折合到输入。 若是电流反馈，因维持输出电流不变，为取消反馈影响，应将输出开路； 若是电压反馈，因维持输出电压不变，为取消反馈，应将输出短路。 计算输出电阻时，应将反馈网络拆合到输出端。 并联反馈时，将净输入短路，以消除反馈电流对净输入的影响； 串联反馈时，将净输入开路，使反馈电压不再影响净输入。三、 应用pspice分析实际运算电路的误差一般情况下，运放理想化，在工程上是完全能满足要求的。但在高精度场合，还得要考虑运放的实际参数。现用pspice软件来分析一个实际运放电路，以便和前述近似估算之间存在的误差。图示是一个反相比例运算电路。由近似计算可得：当时，则由近似计算得：。现用pspice软件仿真，进行精确计算后的频率特性如图。其电压增益略小于1，(1.99994)，虽存在误差，但该误差工程上可略。负反馈放大电路的自激问题一、产生自激的原因和条件自激是指：电路没有输入信号，也会有输出。下面电路是一个电压串联负反馈，假若电路具有三个极点频率，其频率特性表达式和开环对数幅频特性如下：开环幅频特性表达式：从频率特性曲线可知，在通频带以内，即其附加相移还是小于，所以引入的还是负反馈。 而在通频带以外，如在(fp)频率上，其此时的附加相移已是-了(即)，这说明，放大器在通频带以内是负反馈，但是在通频带以外的某一频率上，原负反馈已变成了正反馈了，这导致放大器工作不稳定，可能自激。由增益函数可知，当时，闭环增益变为无穷大，即此时，无输入也会有输出，电路产生了自激。所以，产生自激的幅度条件为：。也可写成：(或20)，(幅度平衡条件)；，(相位平衡条件)。负反馈放大器要产生自激振荡必须满足两个条件，幅度条件和相位条件。在通频带以内，该电路是负反馈，而当在通频带以外，在波特图中的其附加相移-，如果此时的信号，该信号正好代替了，即使为0，反馈回来的信号又经放大和反馈，如此不断的循环，电路会具有一定的输出。实际上，整个起振过程为：刚开始时环路增益使反馈回来的信号不断加强，由于器件的非线性，逐渐接近并等于1，振荡幅度达到平衡。二、稳定判据和稳定裕度一个负反馈放大器工作是否稳定，会不会产生自激振荡？可以通过产生自激的两个条件决定。1. 稳定判据方法：用环路增益的波特图来判断。判据：(或20)，(幅度平衡条件)；，(相位平衡条件)。具体操作：作出环路增益波特图； 从相位条件看幅度从波特图的处，找幅频特性上的幅度是0db还是0db，如0db则一定自激；如0db则放大电路工作稳定，不会自激。 从幅度条件看相位从=0db处，找相频特性上的附加相移，时，必定存在某一频率，满足幅度和相位条件，使放大器产生自激振荡；如果时，则不满足相位条件，放大电路工作稳定，不会产生自激。2. 稳定裕度为保证负反馈放大器在各种环境下都处于稳定的工作，工程上在处的回路增益或在处的相位都有一定的余量裕度。它是衡量一个放大器工作是否稳定的重要指标。裕度有两种标准： 增益裕度gm表示环路增益的附加相移时，其对应的环路增益，即为增益裕度gm(幅度裕度)，如图所示： 相位裕度表示环路增益处时，其对应的环路附加相移为相位裕度。 放大器的幅度裕度和相位裕度总称放大器的稳定裕度。三、消除自激振荡的方法思路：用相位补偿来破坏产生自激振荡的两个条件；具体方法：在放大电路的适当地方加阻容元件(rc元件)，使环路增益的频率性发生变化，从而相位和幅度不满足自激条件。1. 电容滞后补偿法将补偿电容连接在前一级的输出电阻和后一级的输入电阻都比较大的回路，如下二个电路所示。它的目的是使决定上限的截止频率下移。该两个电路的等效电路可以画成下面的形式：在未接补偿电容c前，其上限频率为：接入补偿电容c后，上限频率变为：现以三级开环幅频特性为例，补偿前的频率特性复数表达式为：补偿后fp被fp代替，所以表达式变为：假定原，补偿后，则补偿后的频率特性如粗线所示。补偿前后，同样以的相位裕度下：补偿前，反馈系数最大只可，补偿后f可以为，即可加深负反馈了。该补偿优缺点：简单，方便；但上限频率下降了，通带变窄了。2. 阻容滞后补偿法(rc滞后补偿