放大器中的负反馈.ppt

5.2 负反馈对放大器性能的影响,5.4 深度负反馈,*5.3 负反馈放大器的性能分析,5.1 反馈放大器的基本概念,第 5 章 放大器中的负反馈,5.5 负反馈放大器的稳定性,5.1 反馈放大器的基本概念,5.1.1 反馈放大器的组成,将放大器输出信号的一部分或全部，通过反馈网络回送到电路输入端，并对输入信号进行调整，所形成的闭合回路即反馈放大器。,一、反馈放大器组成框图,第 5 章 放大器中的负反馈,二、反馈放大器增益一般表达式,开环增益,反馈系数,闭环增益,反馈深度,环路增益,反馈深度 F(或环路增益 T )是衡量反馈强弱的一项重要指标。其值直接影响电路性能。,第 5 章 放大器中的负反馈,反馈量和净输入之比,三、反馈极性,由于净输入信号,若 xf 削弱了xi，使 xi xi,负反馈,若 xf 增强了xi，使 xi xi,正反馈,负反馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。,例：某原因,正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。,负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。,第 5 章 放大器中的负反馈,5.1.2 四种类型负反馈放大器,一、根据输出端连接方式,1、电压反馈,在输出端，凡反馈网络与基本放大器并接，反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。,输出量 xo = vo,在输出端，凡反馈网络与基本放大器串接，反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。,2、电流反馈,输出量 xo = io,第 5 章 放大器中的负反馈,二、根据输入端连接方式,1、串联反馈,在输入端，反馈网络与基本放大器串接，反馈信号以电压vf 的形式出现，并在输入端进行电压比较，即 vi = vi - vf 。,在输入端，反馈网络与基本放大器并接，反馈信号以电流if 的形式出现，并在输入端进行电流比较，即 ii = ii - if 。,2、并联反馈,第 5 章 放大器中的负反馈,三、四种类型负反馈放大器增益表达式,1、电压串联负反馈,开环电压增益,电压反馈系数,闭环电压增益,2、电压并联负反馈,开环互阻增益,互导反馈系数,闭环互阻增益,第 5 章 放大器中的负反馈,3、电流串联负反馈,开环互导增益,互阻反馈系数,闭环互导增益,4、电流并联负反馈,开环电流增益,电流反馈系数,闭环互阻增益,第 5 章 放大器中的负反馈,5.1.2 反馈极性与类型的判别,一、判断是否为反馈电路,看电路输出与输入之间是否接有元件，若有则为反馈电路，该元件即为反馈元件。,例 1,Rf 为反馈元件。,RE 为反馈元件。,第 5 章 放大器中的负反馈,二、判断反馈类型 采用短路法,假设输出端交流短路，若反馈信号消失，则为电压反馈；反之为电流反馈。,1、判断电压与电流反馈,2、判断串联与并联反馈,假设输入端交流短路，若反馈作用消失，则为并联反馈；反之为串联反馈。,第 5 章 放大器中的负反馈,三、判断反馈极性 采用瞬时极性法,用正负号表示电路中各点电压的瞬时极性，或用箭头表示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。,比较 xf 与 xi 的极性 ( xi = xi - xf ),若 xf 与 xi 同相，使 xi 减小的，为负反馈；,若 xf 与 xi 反相，使 xi 增大的，为正反馈。,第 5 章 放大器中的负反馈,用瞬时极性法比较 xf 与 xi 极性时：,若是并联反馈：则需根据电压的瞬时极性，标出相关支路 的电流流向，然后用电流进行比较(ii = ii - if )。,若是串联反馈：则直接用电压进行比较(vi = vi - vf )。,按交、直流性质分：,直流反馈：,交流反馈：,反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。,反馈信号为交流量，用于改善放大器动态性能。,多级放大器中的反馈：,局部反馈：,越级反馈：,反馈由本级输出信号产生，可忽略。,输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间(或越级)反馈。,第 5 章 放大器中的负反馈,例 1 判断电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,Rf 引入的反馈消失,电压反馈。,假设输入端交流短路，,Rf 的反馈作用消失,并联反馈。,分析：, 形成的 if 方向如图示。,ii,if,ib,因净输入电流 ib = ii - if ii,负反馈。,结论： Rf 引入电压并联负反馈。,第 5 章 放大器中的负反馈,例 2 判断图示电路的反馈极性和反馈类型。,假设输出端交流短路，,RE 上的反馈依然存在,电流反馈。,假设输入端交流短路，,RE 上的反馈没有消失,串联反馈。,分析：,因净输入电压 vbe = vi - vf vi,负反馈。,结论： RE 引入电流串联负反馈。,第 5 章 放大器中的负反馈,1.电压/电流 2.串/并 3. 正/负 若与Vo+接同一点，即电压，反之 若与Vi+相连，即并联,例 3 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流并联负反馈,电流串联正反馈,电压并联负反馈,电压串联负反馈,第 5 章 放大器中的负反馈,不算与VO+相连,Vi+相连,例 4 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。,电流串联负反馈,电流并联负反馈,第 5 章 放大器中的负反馈,例 4 判断下列电路的反馈极性和反馈类型。（略）,电压并联正反馈,电压串联负反馈,第 5 章 放大器中的负反馈,一、降低增益,5.2 负反馈对放大器性能的影响,反馈越深，电路增益越小。,注：当取源增益时，上式依然成立，即,二、减小增益灵敏度(或提高增益稳定性),定义,由,得,(2)(1)得,(1),(2),反馈越深，增益灵敏度越小。,第 5 章 放大器中的负反馈,5.2.1 增益灵敏度,5.2.2 改变输入、输出电阻,一、输入电阻,1、串联反馈,基放输入电阻,环路增益,反馈电路输入电阻：,第 5 章 放大器中的负反馈,2、并联反馈,反馈电路输入电阻：,基放输入电阻,环路增益,第 5 章 放大器中的负反馈,二、输出电阻,1、电压反馈,Ro ：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。,Ast ：负载开路时，基本放大器源增益。,得,第 5 章 放大器中的负反馈,2、电流反馈,Ro ：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。,Asn ：负载短路时，基本放大器源增益。,由定义得 Rof 电路模型：,得,第 5 章 放大器中的负反馈,5.2.3 失真和噪声,由于负反馈降低了电路增益灵敏度，因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变。,单极点系统引入负反馈后，反馈越深，上限角频率越大,增益越小，但其增益带宽积维持不变。,设基放为单极点系统：,则,若反馈网络反馈系数为：,则闭环系统：,其中：,注意：通频带的扩展是以降低增益为代价的。,第 5 章 放大器中的负反馈,一、减小频率失真(或扩展通频带),二、减小非线性失真,vi,例如：一基本放大器，,引入负反馈,注意：负反馈只能减小反馈环内的失真，若输入信号本身 产生失真，反馈电路无能为力。,输入正弦信号时，输出产生失真。,vo 失真减小。,第 5 章 放大器中的负反馈,三、噪声性能不变,同减小非线性失真一样，引入负反馈可减小噪声。,注意：负反馈在减小噪声的同时，有用信号以同样的倍数在减小，其信噪比不变。,因此，引入负反馈放大器噪声性能不变。,综上所述，负反馈对放大器性能影响主要表现为：,降低增益,减小增益灵敏度(或提高增益稳定性),改变电路输入、输出电阻,减小频率失真(或扩展通频带),减小非线性失真,噪声性能不变,第 5 章 放大器中的负反馈,在电路输出端,基本放大器引入负反馈的原则（重点）,在电路输入端,反馈效果与信号源内阻 RS 的关系,第 5 章 放大器中的负反馈,反馈效果与 RS 关系的说明：,串联负反馈,采用电压源激励时，若 RS 0,则,由于 vS 恒定，则 vf 的变化量全部转化为 vi 的变化量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若 RS ,由于 iS 恒定，vi 固定不变，结果导致反馈作用消失。,第 5 章 放大器中的负反馈,并联负反馈,采用电压源激励时，若 RS 0,则,由于 iS 恒定，则 if 的变化量全部转化为 ii 的变化量，此时反馈效果最强。,采用电流源激励时，若 RS ,由于 vi 固定不变，结果导致反馈作用消失。,第 5 章 放大器中的负反馈,5.4.1 深度负反馈条件,5.4 深度负反馈,当电路满足深度负反馈条件时：,将 T 1 或 F 1 称为深度负反馈条件。,串联反馈电路输入电阻：,并联反馈电路输入电阻：,电压反馈电路输出电阻：,电流反馈电路输出电阻：,第 5 章 放大器中的负反馈,深度负反馈条件下 Avf 的估算（#）,根据反馈类型确定 kf 含义，并计算 kf,分析步骤：,若并联反馈：将输入端交流短路,若串联反馈：将输入端交流开路,则反馈系数,确定 Afs(= xo / xs) 含义，并计算 Afs = 1 / kf,将 Afs 转换成 Avfs = vo / vs,kf = xf / xo,计算此时 xo 产生的 xf,第 5 章 放大器中的负反馈,例 1 图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs 。,该电路为电压串联负反馈放大器。,解：,将输入端交流开路，即将 T1 管射极断开：,则,因此,第 5 章 放大器中的负反馈,例 2 图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs 。,该电路为电流并联负反馈放大器。,解：,将输入端交流短路，即将 T1 管基极交流接地：,则,因此,第 5 章 放大器中的负反馈,例 3 图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs 。,该电路为电压并联负反馈。,(1)解：,将反相输入端交流接地：,则,因此,该电路为电压串联负反馈。,(2)解：,将反相输入端交流开路：,则,因此,第 5 章 放大器中的负反馈,（略）,5.5 负反馈放大器的稳定性,实际上，放大器在中频区施加负反馈时，有可能因 Akf 在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈，引起电路自激。,5.5.1 判别稳定性的准则,反馈放大器频率特性：,若在某一频率上 T(j) = -1,放大器自激,振幅条件,相位条件,说明,自激时，即使 xi = 0，但由于 xi = xf ，因此反馈电路在无输入时，仍有信号输出。,第 5 章 放大器中的负反馈,一、不自激条件,注意：只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件，放大器就不会产生自激。,二、稳定裕量,要保证负反馈放大器稳定工作，还需使它远离自激状态，远离程度可用稳定裕量表示。,g增益交界角频率； 相位交界角频率。,第 5 章 放大器中的负反馈,1、相位裕量图解分析法（P297）,假设放大器施加的是电阻性反馈，kf 为实数：,由,(1) 在 A() 或 T() 波特图上找 g,在 A() 波特图上，作 1/kf (dB) 的水平线，交点即 g 。,在 T() 波特图上，与水平轴T() = 0 dB的交点，即 g 。,(2) 根据 g 在相频曲线上找 T(g),(3) 判断相位裕量,注：1/kf (dB) 的水平线称反馈增益线。,第 5 章 放大器中的负反馈,例 1 已知 A(j) 波特图，判断电路是否自激。,g,(1)在 A() 波特图上作 1/kf (dB) 的水平线。,分析：,(2)找出交点，即 g。,(3)在 T() 波特图上，找出 T(g) 。,(4)由于 45，因此电路稳定工作，不自激。,第 5 章 放大器中的负反馈,例 2 已知 T(j) 波特图，判断电路是否自激。,(1)由 T() 波特图与横轴的交点，找出 g 。,分析：,(2)由 g 在 T() 波特图上，找出 T(g)。,(3)由于 0，因此电路自激。,第 5 章 放大器中的负反馈,三、利用幅频特性渐近波特图判别稳定性（略）,一无零三极系统波特图如下，分析 g 落在何处系统稳定。,只要 g落在斜率为：(-20dB/10 倍频)的下降段内，或 g 落在 P1 与 P2 之间，则 45，放大器必稳定工作。,1. p2 = 10p1，p3 = 10p2,第 5 章 放大器中的负反馈,重要结论,2. p2 = 10p1，将 p3 远离p2 。,由于|T(p2)| ,则 g 落在 p1 与 p2 之间时，放大器依然稳定工作。,第 5 章 放大器中的负反馈,结论：在多极点的低通系统中，若 p3 10p2，则只要 g 落在斜率为(-20 dB/10 倍频)的下降段内，或 g 落在 p1与 p2 之间，放大器必稳定工作。,3. 将 p2 远离 p1 ，由于|T(p2)| 上述结论不成立。,第 5 章 放大器中的负反馈,5.5.2 集成运放的相位补偿技术,解决方法：采用相位补偿技术。,在中频区， kf 越大反馈越深，电路性能越好。,在高频区，kf 越大相位裕量越小，放大器工作越不稳定。,在中频增益 AI 基本不变的前提下，设法拉长 p1 与 p2 之间的间距，或加长斜率为“-20 dB/10 倍频”线段的长度，使得 kf 增大时，仍能获得所需的相位裕量。,相位补偿基本思想：,第 5 章 放大器中的负反馈,结论,5.5.2集成运放的相位补偿技术（P301,略）,1.简单电容补偿,降低 p1,补偿方法：将补偿电容 C 并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上，使 p1 降低到 d 。,p1 降低到 d 反馈增益线下移 稳定工作允许的 kf 增大。,第 5 章 放大器中的负反馈,一、滞后补偿技术,d 与 kf 之间的关系：,整理得,kfv d 反馈电路稳定性，但 H 。,kfv = 1 时，,此时，kfv 无论取何值，电路均可稳定工作。,第 5 章 放大器中的负反馈,例 1 一集成运放 AvdI = 105 ，fp1 = 200 Hz， fp2= 2 MHz， fp3 = 20 MHz，产生 fp1 节点上等效电路 R1 = 200 k，接成同相放大器，采用简单电容补偿。试求：,解：,(1)求未补偿前，同相放大器提供的最小增益 ？,根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。,未补偿前，为保