教学PPT负反馈放大电路.ppt

4.1 反馈的基本概念与分类 4.2 负反馈放大电路的方框图及增益 的一般表达式 4.3 负反馈对放大电路性能的改善 4.4 负反馈放大电路的估算方法,第4章 负反馈放大电路,教学内容： 本章从反馈的概念和分类入手，抽 象出反馈放大电路的方框图，推导出基 本方程式，为讨论反馈效果和分析放大 电路的技术指标打下基础。,教学要求： 本章内容是整个课程的重点之一，也 是难点，要求从反馈的概念和分类入手，熟 练掌握负反馈的四种组态及特点作用，并能 基于反馈放大电路的方块图和基本方程，对 其基本性能进行分析和计算，尤其对闭环 增益进行估算。,4.1 反馈的基本概念与分类,4.1.1 反馈的基本概念 反馈是把电子电路中输出回路的电压或电流(包括直流和交流)的全部或部分送回到输入回路的过程。 4.1.2 反馈类型及判断 1.正反馈和负反馈： 视反馈加入前后基本放大器的输入信号变 化情况而定。如加入反馈后，使基本放大器的 输入信号增大，则为正反馈；若使基本放大器,的输入信号减小，则为负反馈。模拟电路中通常采用瞬时极性法来判断；也可从反馈深度角 度判断,|1+af|1为负反馈，|1+af|1为正反 馈。 例如图4.1.1中，输出电流流经re所产生的电压uf，将使放大器净输入ube减少，因为 ，故 re是负反馈,图4.1.1 负反馈,例如图4.1.2所示，设定电路输入信号瞬时极性对地为+，因公射极放大电路的倒相作用。输出信号瞬时极性为-，故反馈元件rf上的反馈电流有输入端流向输出端，净输入电流ib=ii-ifii,所以电路引入负反馈。,图4.1.2 反馈极性判断,2.直流反馈与交流反馈 若反馈信号只与输出回路的直流电压或直流电流有关，则称为直流反馈；若反馈信号只与输出回路的交流电压或交流电流有关，则称为交流反馈。 直流负反馈可以稳定直流工作点，通常总希望直流反馈强一些；交流反馈用于改善放大电路的动态性稳定交流输出及增益，但使放大器增益下降，所以交流反馈的引入要适量，为了兼顾两者，可以引入不同深度的负反馈量，图4.1.3就是一例。,该电路对交流及直流引入了不同的反馈量。 ce对直流开路，直流反馈电阻： re1及re2； ce对交流短路，交流反馈电阻： re1 ，这里显然，直流负反馈要比交流负反馈强。,图4.1.3 交直流反馈,3.电压反馈与电流反馈 视反馈信号是取自输出回路的电压量还是电流量而定。若反馈信号使取自输出电压信号，则称为电压反馈；若反馈信号使取自输出电流信号，则称为电流反馈。判断方法可采用负载 rl短路法，即当rl= 0 时，输出电压必为零，此时若反馈信号也等于零，则为电压反馈；即当 rl=0 时，若反馈信号不等于零，则为电流反馈。,图4.1.4 负反馈信号的获取方式,4.串联反馈与并联反馈 视输入信号与反馈信号在基本放大器 输入端的相加方式而定。若输入信号与反 馈信号在基本放大器输入端以电流的形式 相叠加则为并联反馈；若输入信号与反馈 信号在基本放大器输入端以电压的形式相 叠加则为串联反馈。 也可以采取以下简化方式判断： 串联反馈反馈信号与输入信号串联 并联反馈反馈信号与输入信号并联,图4.1.5 反馈放大器输入端联接形式,4.1.3四种类型的反馈组态 根据输出端取样对象和输入端连接方式 的不同，负反馈放大电路可以构成以下4种组 态： 电压串联负反馈； 电流并联负反馈； 电压并联负反馈； 电流串联负反馈。,1.电压串联负反馈 如图所示，根据瞬 时极性法对它的反馈类 型进行判断。 由于输出和输入同相，各点极性如图所示。,图4.1.6 电压串联负反馈,由图可知， v = vd+ vf 电压负反馈的重要特点是电路的输出电 压趋于维持恒定，因为无论反馈信号以何种 方式引回到输入端，实际上都是利用输出电 压vo本身通过反馈网络对放大电路起自动调 整作用，这就是电压反馈的实质。,例如，当v 一定时，若负载电阻rl减小而 使输出电压vo下降， rl vo vf vd vo 可见，反馈结果牵制了vo的下降，使 vo基 本维持恒定。它适用于信号源内阻较小时。,2.电流并联负反馈 如图所示，仍采用瞬时极性法判断反 馈的极性。图中，id = i - if, rf 很大， r很小，|f|o|,电流负反馈的重 要特点是趋向于维持 输出电流io恒定。,在 i一定的条件下，不论何种原因，使io减 小时，负反馈的作用将引起如下的自动调整过程： rl io if id io 可见，电流负反馈作用的结果牵制了io的减 小，使io基本维持恒定。此电路适用于信号源内 阻较大时。,3.电压并联负反馈 如图所示，首先用瞬时极性法判断电路的 反馈极性。由图可知， i = id + if if = - vo / rf 假定|vo| if id vo 可见，本电路的作用是维持输出电压的恒 定。,图4.1.8 电压并联负反馈,电压并联负反馈适用于信号源内阻较大时； 若当信号源时理想的电压源时，电压并联负反 馈将失去调节作用。 由于a的放大倍数很大，因此： |d| |f|, 可近似认为 = f。,4. 电流串联负反馈 如图所示电路图 与射极偏置电路相似， 不过这里是以集成运 放作为基本放大电路。 同样用瞬时极性法判 断反馈极性。同样可 知，电流负反馈的特 点是维持输出电流基 本恒定。,图4.1.9 电流串联负反馈,4.2 负反馈放大电路的 方框图及增益的一般表达式,4.2.1 负反馈放大电路的方框图,图4.2.1 负反馈放大电路的方框图,如图所示，由基本放大电路和反馈网络组 成的闭合环路叫做反馈环，由一个反馈环组成 的放大电路叫做单环反馈放大电路。 4.2.2 负反馈放大电路增益的一般表达式 1. 一般表达式的推导 a. 闭环增益：,这是负反馈放大电路的基本关系式，分析 反馈问题的出发点。,净输入信号：,反馈网络的反馈系数:,(4.2.2),负反馈放大器的放大倍数(闭环增益):,(4.2.4),(4.2.3),根据 式(4.2.1) 得,再根据式(4.2.3)得,而由式(4.2.2),则,基本放大器的放大倍数(开环增益):,(4.2.1),(4.2.5),如果放大器及反馈网络是电阻性的（不考虑电抗元件的影响),式(4.2.5)中各参量便是实数:,(4.2.6),其中,式(4.2.6)的分母(1+af)称为反馈深度。,由于 1+af1 故 afa,称为环路增益，如图4.2.3所示，,图4.2.3 环路增益,注意:式(4.2.6)中，a与f均为正值，,因为对于反相放大器a为负值，f也应该是负值，但af为正值。,结论:由于负反馈的引入，放大倍数将由原来的a降为,下降的倍数就是反馈深度。,，,2.反馈深度 |1+af|称为反馈深度，其值是衡量负反馈程度的一个重要指标，其值愈大，放大电路的增益减小愈多。 (1)若|1+af|1, 则|af|a|,这种反馈一般称为正反馈。 (3)若|1+af|=0, 则|af|，这就是说,放大电路在没有输入信号时，也有输出信号，叫做放大电路的自激。,3.环路增益 环路增益,反馈深度和环路增益都是描述反馈放大电 路性能的指标。,图4.2.3 环路增益,4.3 负反馈对放大电路性能的改善,4.3.1 提高增益的稳定性 引入负反馈后，当输入信号一定时，电压 负反馈能使输出电压基本维持恒定，电流负反 馈能使输出电流基本维持恒定，总的来说，就 是维持增益（放大倍数）的稳定性。,4.3.2 抑制反馈环内噪声和干扰 放大电路容易受到外界和内部的一些干扰电压或噪声电压的影响，若它们的大小与有用信号的大小在同一数量级，那么在输出端就难以分辨出有用信号。引入负反馈后，有用信号和噪声信号同时受到抑制，抑制程度为1+af倍，若在信号源处将有用信号提高1+af倍，则在输出端有用信号比噪声大1+af倍，可以很容易分辨出有用信号。负反馈对反馈环外的干扰和噪声五抑制能力。 4.3.3 减小非线性失真 负反馈减小非线性失真所指的是反馈环内的失真。 在多级放大电路的最后几级，包括功率输出级及驱动级，输入信号的幅度较大，在动态过程中，放大器件可能工作到它的传输特性的非线性部分，因而使输出波形产生了非线性失真。引入负反馈之后，可使这种非线性失真减小。,这是由于放大器产生非线性失真后，引入负反馈，反馈信号也有失真,使净输入信号发生某种失真，经过放大，净输入的失真与原失真在负反馈放大器里正好起一定补偿作用，但不能完全消除失真。如图4.3.1所示。,a+a-,4.3.4 扩展频带,由此可知，反馈放大电路的中频增益为：,上限角频率hf变为： hf= h(1+amf) 这说明引入负反馈之后，放大电路的上 限频率增加了，增加的程度与反馈深度有关。,4.3.5 对输入电阻的影响,. 串联负反馈 。 以图4.3.2为例 。,未反馈前，ri=rbe 加上rf（电流串联负反馈）后， 由于 故,图4.3.2 串联反馈,（4.3.2 ）,结论：串联负反馈将使输入电阻增加,为（1+aufu）倍。,对于图4.3.2， ， ， ri=rbe 则 因此 （4.3.3） 公式（4.3.3）亦可以直接按图4.3.2（b）导出：,故,式(4.3.4)又可改写成其他形式： 对于图4.3.3电压并联反馈 ，,故,于是式（4.3.4）变为,式中,（4.3.5）,式（4.3.5）可由图4.3.4表示。,图4.3.4 并联负反馈的输入电阻,图4.3.4（b）中， 是并联负反馈电阻rf折算到输入端的并联等效电阻。,式（4.3.5）中,是该放大器的外观电压增益。,4.3.6 对放大器输出电阻的影响,电压反馈具有稳定输出电压u0的作用，即有恒压输出特性，而恒压源的内阻很低，故负反馈使放大电路的输出电阻降低。,电流反馈具有稳定输出电流i0的作用，即有恒流输出特性，而恒流源的内阻很高，故放大电路（不含rc）的输出电阻将增大。,综上所述，负反馈能改善放大电路的性能，归根到底是由于将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。,4.4 负反馈放大电路的估算方法,深度负反馈条件下的近似计算 a.深度负反馈条件是：,b.相应的放大电路增益为：,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,电压增益,互阻增益,互导增益,电流增益,电压比,传输互导,传输互阻,电压比,u0 ui uf,i0 ui uf,u0 ii if,i0 ii if,输出 输入 反馈,表4-1 af与f的含义,方法一：利用,要再次强调，这里的af是广义的，其含义 因反馈组态而异：对于电压串联负反馈为avf； 对于电流并联负反馈为af；对于电压并联负反 馈为arf；对于电流串联负反馈为 agf ；如果估 算电压放大倍数，除了avf外，其它几种增益都 要转换。,反馈系数的确定： a.如果是并联反馈，将输入端对地短路， 可求出反馈系数,b.如果是串联反馈，将输入端回路开路， 可求出反馈系数,方法二： 利用xf xi，求解。 在深度负反馈条件下，由于af=x0/xi，f=xf/x0，根据af 1/f可得出 xf xi，即 xd 0。 a.对于串联反馈，vf vi, 相当于基本放 大器输入端电压为零，这一特性称为虚短特 性。 b.对于并联反馈，f i,相当于基本放大 器输入端电流为零，这一特性称为虚断特性。 抓住这个特点写出有关方程式，往往可 以直接而且简捷的得到电压放大倍数。,例4.1 电路如图所示，试估算auf。,解： 基本放大器由运放组成， 反馈网络由r1和r2组成。由于 是电压负反馈，所以电路具有 稳定输出电压的特点。电路的反馈 量是uf，在输入端以串联形式 接入，ud=ui-uf，当信号源的内阻 很小时，ui us，ui近似为定值， 反馈效果比较明显。在rs=0时，ui=us，ud的变化只与 uf有关，反馈最灵敏，即串联负反馈要求rs越小越好。,图4.4.1 电压串联负反馈,例4.2 电路如图所示，试估算auf。,解： 反馈网络由r1和r2组成。基本放大器由运放组成 。由于是电流负反馈，所以电路具有稳定输出电流的特点。电路的反馈量是if，在输入端以串联形式接入，id=ii-if，当信号源的内阻很大时，ii近似为定值，反馈效果比较明显。在rs 时，ii恒定不变，此时反馈最灵敏，即并联负反馈要求rs越大越好。,深度负反馈条件下，aif=1/fi 根据运放的虚短原理，u+=u-=0，按分流公式得 则 所以 根据u+=u-=0，可得 输入电压：us=iirs 输出电压：u0=-i0rl 所以电压放大倍数auf,例4.3 电路如图所示，试估算auf。,解：根据运放的虚短原理， u+=u-=0,图4.4.3 电压并联负反馈,解：,例4.4 电路如图所示，试估算auf。,图4.4.4 电流串联负反馈,根据虚断原则，同相端和反相端流入的电流为0。,（其实根据虚短原则，也可得ui=uf）,1.反馈是把电子电路中输出回路的电压或电流(包括直流和交流)的全部或部分送回到输入回路的过程。按极性分，反馈可分为正反馈和负反馈。正反馈可使电路的放大倍数提高，但容易造成电路的不稳定；负反馈使电路的放大倍数降低，但可改善电路的性能。按反馈信号的性质分，反馈可分为直流反馈和交流反馈。直流负反馈可稳定电路的静态工作点；交流负反馈可改善电路的动态性能指标。,小结,2.为了改善放大电路的某些性能应如何引入负反馈呢？一般是： （1）要稳定直流量（静态工作点），应该引入直流负反馈。 （2）要改善交流性能，应引入交流负反馈。