(98)负反馈放大电路.ppt

5.1 反馈的基本概念 5.2 负反馈对放大电路的影响 5.3 负反馈放大电路的计算 5.4 负反馈放大电路的自激振荡,第5章 负反馈放大电路,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈；增强了，就称为正反馈。,反馈基本 概念,2,5.1 反馈的基本概念 5.1.1 反馈的定义,3,美国贝尔实验室的Black（布莱克）于1927年发现，把输出信号的一部分反馈给输入，将使放大器的性能得到很大的改善。该问题起源于利用真空管放大器的中继站来提高长距离的通话能力。起初，这些中继站串联起来产生了很大的积累失真。为了保真起见，引入了反馈。没有这个发现，跨越地区的通话将是不可能实现的。 事实证明，任何因电路自身所引起的输出偏差都可以通过负反馈加以纠正。,反馈基本 概念,小资料,Black, H. S., “Stabilized Feedback Amplifiers”, Bell Syst. Tech. J., 1934, 13:118.,4,中转站,5,内部反馈,外部反馈,反馈基本 概念,内、外部反馈,取+ 加强输入信号 正反馈 用于振荡器,取 - 削弱输入信号 负反馈 用于放大器,反馈电路框图,反馈电路 框图,6,叠加：,输出信号,输入信号,反馈信号,差值信号,反馈电路 框图,7,占输出总量的份额,反馈电路的三个环节：,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈系数,反馈电路 框图,8,定义三个参数：开环放大倍数、反馈系数、闭环放大倍数,要考虑反馈网络的负载效应,9,对输入口的影响,对输出口的影响,考虑到输入端的负载效应时，应令输出量为0。（电压短路：电流开路）。,考虑到输出端的负载效应时，应令输入量为0。（串联断开：并联短路，见实验三）。,*开环时反馈网络的负载效应,10,4观察输出波形失真的改善。 （1）在无反馈的情况下（但有Rf的负载效应，即Rf与RL并联），输入信号的频率保持1KHz，逐步增大输入信号VI，使输出波形出现失真，记录此时的VO值，画出波形。,* 实验三部分内容,负反馈放大电路放大倍数的一般表达式：,反馈电路 框图,11,定义：反馈深度,12,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,反馈深度的讨论,在实际的反馈放大电路中，通常当|1AF| 10时，便可认为是深度负反馈。,后面介绍,13,讨论负反馈放大器的闭环放大倍数,为了分析方便，在以后讨论反馈放大电路性能时，除频率特性外，均假定工作信号在中频范围，且反馈网络具有纯电阻性质，因此， 、 均可用实数表示。,14,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。,Rf 、RE1组成反馈网络，反馈系数：,15,例：,忽略了IE1,16,5.1.2 反馈类型及其判断,17,一、正反馈与负反馈,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,常用的判别方法：瞬时极性法：假定输入信号在某一时刻的极性,以此为依据推出其它各点的瞬时极性（用“+”、“-”号表示），得到输出信号的极性,最后判定反馈信号的极性,看其使净输入信号增强还是减弱,增强为正反馈,减弱为负反馈。,以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言，这样才有可比性。,18,严格地说，反馈极性（正反馈还是负反馈）与信号的频率有关，我们通常所说的反馈极性是指中频而言。在此频率下，通常把射极旁路电容，隔直电容看作短路，把管子的极间电容看作开路，并且不产生相移。,*补充,运用瞬时极性法判定电路各点电位极性时，一定要非常熟练掌握三极管三种基本联接方式（组态）的判定及相应组态输出信号电压的相位关系。双极性型或单极型的晶体三极管有三种基本联接方式（组态），其中双极型是共射极，共集电极和共基极。,19,例子,+,+,-,-,+,若在反馈网络中串接隔直电容，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,20,二、交流反馈与直流反馈,仅在直流通路中存在的反馈-直流反馈 仅在交流通路中存在的反馈-交流反馈,增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。,21,例,增加旁路电容C后，Rf只对直流起反馈作用。,22,例,23,四种组态电路的方块图,输入口形态,输出口形态,三、电压反馈和电流反馈,输入口分并联串联 输出口分并联串联,24,输入口：F和A分为串联和并联。输出口： F和RL也分为串联和并联。但将输出口的串联和并联分别称为电流反馈和电压反馈。,且有一规律：电压负反馈可以稳定输出电压，电流反馈可以稳定输出电流。这样可以顾名思义，知其电路功能。不是随便起名呀，呵呵。,从输出端看：反馈信号在输出端的联接分为 电压和电流两种方式。,若反馈量与输出电压（有时不一定是输出电压，而是取样处的电压）成正比则为电压反馈； 若反馈量与输出电流（有时不一定是输出电流，而是取样处的电流）成正比则为电流反馈。,电压反馈和 电流反馈,26,*电压反馈采样的两种形式：,电压反馈，一般从后级放大器的集电极采样。,采样电阻较大,27,采样电阻很小,*电流反馈采样的两种形式：,电流反馈，一般从后级放大器的发射极采样。,28,（a）是根据负载电阻与反馈网络的连接方式来区分。将负载电阻与反馈网络看作双端网络，若负载电阻与反馈网络并联，即输出端和采样端相同 ，为电压反馈。否则（即输出端和采样端不同 ），即为电流反馈。,判断电压反馈和电流反馈更直观的方法,（b）负载短路法。负载短路法实际上是一种反向推理法，假设将放大电路的负载电阻RL短路（此时， ），若输入回路中仍然存在反馈量，即 ，则为电流反馈；若输入回路中已不存在反馈，即 ，则为电压反馈。,28,29,电压负反馈可以稳定输出电压；而电流负反馈则可以稳定输出电流。区分电压反馈与电流反馈只有在负载电阻RL变动时才有意义。如果RL固定不变，因输出电压与输出电流成正比，所以，在稳定输出电压的同时也必然稳定输出电流，反之亦然，二者效果相同。但是当负载电阻RL改变时，二者的效果则完全不同，电压负反馈在稳定输出电压 时，输出电流将更不稳定；而电流负反馈在稳定输出电流 时，输出电压 将更不稳定。,*注意,30,四、串联反馈和并联反馈,从输入端看：反馈信号在输入端的联接分为 串联和并联两种方式。,若反馈量与输入量以并联方式相连，即为并联反馈,若反馈量与输入量以串联方式相连，即为串联反馈,31,时，根据反馈量与输入量的连接方式不难区分串联反馈与并联反馈。若反馈量与输入量连到放大电路的两个不同的输入端，则可表示为电压串联比较求和，即为串联反馈。 若反馈量与输入量连到放大电路的同一个输入端，则可表示为电流并联比较求和，即为并联反馈。,实际应用,32,对于运算放大器构成的反馈电路，运放的同相输入端和反相输入端是两个输入端；,对于三极管组成的放大电路来说，三极管的基极和发射极是两个输入端；,对于差分放大电路来说，两个基极b1、b2是两个输入端。,信号加在差分放大电路的基极b1，反馈接到差分放大电路的基极b2，所以是串联反馈.,并,串,ib=i-if,ube=ui-uf,33,并联反馈 串联反馈,输入端,34,正反馈与负反馈：瞬时极性法,电压反馈和电流反馈：,串联反馈和并联反馈：,交流反馈与直流反馈：,从输出端看,（b）负载短路法：RL短路后反馈仍存在 为电压反馈；否则为电流反馈。,（a）连接方式法：输出端和采样端相同 为电压反馈；否则为电流反馈。,从输入端看：连接方式法：输入端和采样端相同 为电流反馈；否则为电压反馈。,总结 反馈的判断,反馈组态 判断一,反馈组态 判断二,稳定静态工作点,用于改善放大电路性能,35,五、负反馈的分类及判别例子,事实证明，任何因电路自身所引起的输出偏差都可以通过负反馈加以纠正。,：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,此电路是电压串联负反馈，对直流不起作用。,36,例1,+,-,-,+,+,：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,此电路是电压并联负反馈，对直流也起作用。,37,例2,+,-,-,问题：三极管的静态工作点如何提供？能否在反馈回路加隔直电容？,不能！Rf为三极管提供静态电流！,Rf 的作用： 1. 提供静态工作点。 2. 直流负反馈，稳定静态工作点。 3. 交流负反馈，稳定放大倍数。,38,*,：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,39,例3,电流并联负反馈。对直流也起作用，可以稳定静态工作点。,+,-,-,-,-,：判断如图电路中RE1、RE2的负反馈作用。,1. 对交流信号：,RE1：电流串联负反馈。,40,例4,对直流信号：,RE1、RE2对直流均起作用，通过反馈稳定静态工作点。,反馈过程：,41,：判断如图电路中RE3的负反馈作用。,电流串联负反馈。,42,例5,注意: 是瞬时 极性法,信号源对反馈效果的影响-串联反馈,串联反馈,如信号源内阻 Rs 越小，则反馈信号Vf 和输入信号Vs在 Rs 上的损耗越小。当Rs= 0时，信号源相当于理想电压源，反馈电压的变化完全反映到净输入端，反馈作用得到充分发挥。,反之，如 Rs ，输入信号源成为恒流源时，净输入电压 与Vf 无关，负反馈不起作用。,43,*串联反馈,44,例6 线性串联型稳压电路,输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号V。误差信号经放大后为VO1，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。,VIVOVFVO1VCEVO,第11章,45,*例7 线性串联型稳压电路,根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为ton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间toff。 为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。各点波形见下页图。 由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。,三角波发生器通过比较器产生一个方波，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。,06微电子毕业设计内容,46,开关电源波形图,q称为占空比方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比。 可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制(PWM)。,*例7续,当Rs 时，可看成恒流源，iid=is-if， 反馈电流if的变化完全反映到净输入电流iid中，反馈作用得到充分发挥。反之，如Rs0，信号源相当于理想电压源，净输入电流iid为,*并联反馈,恒定，即净输入电流iid不随反馈电流if的变化而变化，因而就没有什么反馈作用了。,47,反馈效果与负载电阻RL的关系,负反馈电路的基本方程,49,5.2 负反馈对放大电路的影响,50,一、对放大倍数的影响,则有：,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高。,(2),52,例如：当（1FA）= 10时，Af的相对变化量只有A相对变化量的1/10，若未加反馈前放大电路的开环放大倍数变化5，即dA/A = 5，而引入负反馈后，放大电路的闭环放大倍数的变化量为,可见，引入负反馈以后，放大电路放大倍数的相对变化量减小到0.5，即放大电路的相对稳定性提高了10倍。,在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。,加反馈前,加反馈后,改善,53,二、改善波形的失真,注：负反馈只能减小本级放大器自身产生的非线性失真和自身的噪声，对输入信号存在的非线性失真和噪声，负反馈是无能为力的。,负反馈对放大 电路的影响动画,54,同学问：如果负反馈后，波形被改善得不失真了，那么再反馈岂不是又没有改善的功效了吗？ 答：你这个问题提的很好 我是这样认为的： 输出信号只是被改善了 ，并没有完全不失真 。只要有一点失真 ，负反馈就有改善的功效； 所以如果负反馈是彻底消除了失真，就会出现你问到的问题。 但是实践证明 负反馈是改善了输出波形的。 所以负反馈应该是改善，而不是彻底的消除失真。,55,三、对电路输入、输出电阻的影响(定性了解),1. 串联负反馈使输入电阻增加：,2. 并联负反馈使输入电阻减小：,例如:射极输出器,理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。,理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。,56,3. 电压负反馈使输出电阻减小：,理解2：电压负反馈目的是阻止uo的变化，稳定输出电压。,放大电路空载时可等效右图框中为电压源：,输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。,57,理解1：电压负反馈相当于在输出回路中并联了一条支路，故输 出电阻减小。,理解2：电流负反馈目的是阻止io的变化，稳定输出电流。,放大电路空载时可等效为右图框中电流源：,输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。,4. 电流负反馈使输出电阻增加：,58,理解1：电流负反馈相当于在输出回路中串联了一个电阻，故输出电阻增加。,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,59,四、对通频带的影响,当输入Ui一定时，频率的改变使输出Uo减少时，负反馈量Uf也跟着减小，净输入信号Ud增加，因而使得输出不致下降过多，反之亦然，这就改善了放大器的频率响应，拓了宽放大器通频带。,1、直流负反馈可以稳定直流工作点；交流负反馈可以改善放大电路的性能。 2、电压负反馈可以稳定输出电压、减小输出电阻；电流负反馈可稳定输出电流，增大输出电阻。 3、串联负反馈可增大输入电阻，要求信号源为恒压源；并联负反馈减小输入电阻，要求信号源为恒流源。 4、负反馈只能减小自身产生的波形失真和噪声。 5、负反馈虽然降低了放大倍数，但使放大倍数更稳定，且通频带展宽了。,60,小 结,电路比较简单(单级)时，可直接用微变等效电路分析。,例：,61,5.3 负反馈放大电路的计算 一、微变等效电路法方法一,电流串联负反馈,=60时, Ao =-93,=50时, Ao =-77,=60时, AF =-19.4,=50时, AF =-18.6,无负反馈时：,有负反馈时：,RB1=100k RB2=33k RE=2.4k RE1=100 RC=5k RL=5k =60 EC=15V rbe=1.62 k,62,放大倍数稳定性的比较：,结论: (1) 输入电阻提高了。 (2) 放大倍数减小了，但稳定了，即受晶体管的影响减小。,RB1=100k RB2=33k RE=2.4k RE1=100 RC=5k RL=5k =60 EC=15V rbe=1.62 k,63,性能比较：,输出电阻RC 5k,电流串联负反馈,从负反馈电路的闭环放大倍数的公式出发。,先计算Ao和F 。 再计算AF。,64,二、分离法方法二,略,65,该方法只能估算增益，不能估算其它指标。,而深度负反馈放大电路满足 ，所以由上式可得,又因为,Xf Xi , Xd 0,重点,三、深负反馈时放大倍数的估算法方法三,66,利用上述概念和公式，可以大大简化对深度负反馈放大电路电压放大倍数的计算过程，并能得到工程上允许的近似结果。,对不同组态的负反馈电路，式Xf Xi中的Xf 和Xi表示不同的电量(见下一页)。,串联负反馈：,虚短,并联负反馈：,虚断,67,四种反馈组态下，A，F和Af的不同含义,均非电压增益！,68,是将反馈网络从电路中分离出来，分离时，对电压反馈，认为输出电压是恒定的，反馈网络与基本放大电路相连端用恒压源Uo代替（图1、2）；对电流反馈，认为输出电流是恒定的，则用恒流源Io代替（图3、4）。,见下例，结合具体电路理解,输出端,如何根据电路求得 F 呢？就是求Uf/Uo之比 方法之一:,图3,图4,69,因为Uf和If是深度反馈信号，在求解他们的时候，应在深度反馈的被取样信号（Uo/Io）的单独作用下进行。所以，反馈电压Uf（串联反馈）就是AB两端的开路电压，而反馈电流If（并联反馈）就是AB两端的短路电流。列出关系式即可求得相应的反馈系数F 。,输入端,70,电路如下图所示。试估算电压放大倍数。,解：已知该电路属于电压串联负反馈组态，故，Af = Auf ，F = Fu （1）利用关系式,例题1,IRe1=Ie1+If , 但是, Ie1 0, 所以, IRe1=If , Rf与Re1为串联关系.即认为Ie1=0,只有Uo单独作用下的If存在.,If,71,该电路的反馈网络等效电路如右图所示，由图知：,（2）利用 UfUi,电压串联负反馈等效电路,If,Ie10,（更简单）,实验3,72,电路如图所示，估算电压放大倍数。 解：由图可判断该电路为电流串联负反馈组态，故 Af = Agf ，F = Fr,（1） 利用关系式,例题2,四种反馈组态下，A、F和Af的含义不同 见P63,73,该电路的反馈网络等效电路如图所示，由图可知,Uf = IoRe,故 ， ，由定义知,可见，电流串联负反馈利用这种关系求解Auf，不必进行转换，很简单 。,74,电路如教材所示。试估算ArfS。 解：这是一个电压并联负反馈电路。故 Af = Arf ，F = Fg,例题3,该电路的反馈网络等效电路如图所示。由图可知：,（1）利用关系式,故,而,电压并联负反馈等效电路,因为是深度并联负反馈，所以Rsrif，故Ui 0,75,（2）利用电压并联负反馈关系式Ii If,由电路可知： ， 而 故 从而可得：,恒流源 Rsrif,电压并联负反馈等效电路,76,电路如图 所示。试估算AufS 。,例题4,解：该电路为电流并联负反馈组态。它的反馈网络等效电路如图所示。利用关系式Ii If,故,因而,由图可知:,Ie2,Ie2,1、计算负反馈放大电路放大倍数的方法有三种，微变等效法、分离法、深负反馈估算法。 微变等效法较精确 分离法比较清晰，但有时计算F困难 深负反馈估算法简单，但结果误差较大,77,小 结,2、深负反馈估算法掌握三点 对串联反馈 UiUf Ui0 虚短 对并联反馈 IiIf Ii0 虚断 求Uf 和If 时，应在深度反馈的被取样信号（Uo或Io）的单独作用下进行，而输入端对它们的作用可以忽略。,78,5.4.1 自激振荡,电路中的 反馈形式,5.4 负反馈放大电路的自激振荡,重点,稳定工作条件,了解,79,5.4.1 自激及稳定工作条件,一放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号输出。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，这种现象就是放大电路的自激振荡。,80,电路中的 反馈形式,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。,振荡电路的输入信号是从自己的输出端反馈回来的。,开始产生相移,变成了正反馈,有动画,81,2. 产生原因,82,电路中的 反馈形式,3. 自激振荡条件,83,利用负反馈放大电路回路增益 的波特图，分析是否同时满足自激振荡的幅度和相位条件。,4、自激振荡的判断方法,产生自激,由波特图中的相频特性可见，当f =f0时,相位移AF =-180，满足相位条件；此时,结论：当f =f0 时，电路同时满足自激振荡的相位条件和幅度条件，将产生自激振荡。,*,84,理想线性的器件是不存在的， 任何实际的器件都一定的非线性。随着输入信号的增大，有源器件（比如transistors）开始出现明显增益压缩，表现为输出信号不再跟随输入信号成比例变化，管子的工作点处于饱和区域（或截止区域）和线性放大区的过渡区域； 当信号幅度再大到一定程度后，管子的工作点移动到饱和区（或截止区），输出信号几乎保持不变。 典型的如在没有限幅措施的振荡电路中，运放（或其他放大器）被最终驱动到饱和输出（接近电源电压）。,|AF|=1仅仅是稳态时（稳幅震荡）的振幅条件。对于振荡器的设计来说，要保证初始情况下的|AF|1，才能在噪声或其他扰动作用下触发正反馈的自持震荡，这是起振条件。 起振后，随着瞬时振幅的加大，在电路非线性或其他因素（比如AGC）作用下，环路的|AF|下降，使得瞬时振幅下降，相当于一个以振幅为反馈量的负反馈。环路经过一段时间的动态调节，最终处于|AF|=1的平衡状态。 至于相位条件，当形式上是负反馈时，AF的相位为+- 180度的整数倍；形式上是正反馈时，AF的相位为+- 360度的整数倍。,Automatic Gain Control自动增益控制; 对一个输入信号进行放大，为了方便处理，应该保证输出有一定的幅度同时又不会饱和，但是由于输入信号的幅度通常变化很大，所以不能采用一个简单的单一放大倍数，AGC就是根据输入信号调整放大倍数，是输出信号幅度一致。,*,85,破坏自激振荡条件,保证可靠稳定，留有余地。,Gm增益裕度,m相位裕度,电路中的 反馈形式,*5. 稳定工作条件,增益裕度， 见教材 一般要求Gm -10dB,相位裕度，见教材 一般要求m 45,86,对于一个负反馈放大电路而言，消除自激的方法，就是采取措施破坏自激的幅度或相位条件。 最简单的方法是减少其反馈系数或反馈深度，使当附加相移 时， 。这样虽然能够达到消振的目的，但是由于反馈深度下降，不利于放大电路其它性能的改善。为此希望采取某些措施，使电路即有足够的反馈深度，又能稳定地工作。,通常采用的措施是在放大电路中加入由RC元件组成的校正电路，如下图所示。它们均会使高频放大倍数衰减快一些，以便当 时， 。,常用的消除自激的方法,87,一、电容滞后补偿：在负反馈放大电路的适当 地方接入一个电容。,上图中将电容并联在前一级的负载上，在中、低频时，容抗很大，所以这个电容基本不起作用。高频时，容抗减小，使前一级的放大倍数降低，从而破坏自激振荡的条件，使电路稳定工作,电容校正网络,88,二、RC 滞后补偿：利用电阻、电容元件串联组 成的 RC 校正网络来消除自激振荡,利用 RC 校正网络代替电容校正网络，将使通频带变窄的程度有所改善。,RC 校正网络,89,三、密勒电容补偿：将较小的补偿电容跨 接放大电路中,以上滞后补偿是以牺牲频带宽度来获得放大电路的稳定性。,密勒效应补偿电路,90,四、超前补偿：超前补偿电路常接于反馈网络 中，改变反馈系数的频率特性，达到负反 馈放大电路的稳