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第六章放大电路中的反馈 6 1反馈的基本概念及判断方法 6 2负反馈放大电路的四种基本组态 6 4深度负反馈放大电路放大倍数分析 6 6负反馈放大电路的稳定性 6 3负反馈对放大电路的方框图 6 5负反馈对放大电路性能的影响 童诗白第四版 童诗白第四版 本章重点和考点 1 负反馈组态的正确判断 2 深度负反馈放大电路放大倍数的计算 3 负反馈的作用 本章教学时数 8学时 6 1反馈的基本概念及判断方法 6 1 1反馈的基本概念 一 什么是反馈 在电子设备中经常采用反馈的方法来改善电路的性能 以达到预定的指标 放大电路中的反馈 是指将放大电路输出电量 输出电压或输出电流 的一部分或全部 通过一定的方式 反送回输入回路中 图6 1 1反馈放大电路的方框图 本节应掌握的知识点 6 1 1反馈的基本概念 1 如何判断电路中的反馈支路 2 如何判断输入信号 反馈信号 净输入信号是电压还是电流 二 正反馈和负反馈 反馈信号增强了外加净输入信号 使放大电路的放大倍数提高 正反馈 反馈信号削弱了外加净输入信号 使放大电路的放大倍数降低 负反馈 负反馈稳定静态工作点 三 直流反馈和交流反馈 a 直流负反馈 b 交流负反馈 交流负反馈 反馈量只含有交流量 用以改善放大电路的性能 直流负反馈 反馈量只含有直流量 可稳定静态工作点 6 1 2反馈的判断 一 有无反馈的判断 是否有联系输入 输出回路的反馈通路 是否影响放大电路的净输入 a 没引入反馈的放大电路 b 引入反馈的放大电路 c R的接入没引入反馈 反馈极性的判断方法 瞬时极性法 先假定某一瞬间输入信号的极性 然后按信号的放大过程 逐级推出输出信号的瞬时极性 最后根据反馈回输入端的信号对原输入信号的作用 判断出反馈的极性 二 反馈极性的判断 对分立元件而言 C与B极性相反 E与B极性相同 对集成运放而言 uO与uN极性相反 uO与uP极性相同 动画avi 9 2 avi 例 用瞬时极性法判断电路中的反馈极性 差模输入电压等于输入电压与反馈电压之差 反馈信号削弱了输入信号 因此为负反馈 a 正反馈 b 负反馈 反馈信号增强了输入信号 因此为正反馈 例 净输入量减小 净输入量增加 a负反馈 b正反馈 反馈通路 反馈通路 级间反馈通路 净输入量减小 c级间负反馈 分立元件电路反馈极性的判断 图6 1 4分立元件放大电路反馈极性的判断 反馈通路 净输入量减小 负反馈 原则 对分立元件而言 C与B极性相反 E与B极性相同 三 直流反馈与交流反馈的判断 直流负反馈 反馈量只含有直流量 交流负反馈 反馈量只含有交流量 图6 1 5直流反馈与交流反馈的判断 一 a 电路 b 直流通路 c 交流通路 直流反馈 无交流反馈 6 2负反馈放大电路的四种基本组态 1 如何正确判断负反馈的组态 本节应掌握的知识点 6 4 4理想运放的两个工作区 一 理想运放的性能指标 开环差模电压增益Aod 输出电阻ro 0 共模抑制比KCMR 差模输入电阻rid UIO 0 IIO 0 输入偏置电流IIB 0 3dB带宽fH 理想运放工作区 线性区和非线性区 UIO IIO 0 二 理想运放在线性工作区 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 理想运放工作在线性区特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 虚短 2 理想运放的输入电流等于零 由于rid 两个输入端均没有电流 即 虚断 三 理想运放的非线性工作区 UOM UOM 图7 1 3集成运放的电压传输特性 理想运放工作在非线性区特点 当uP uN时 uO UOM当uP uN时 uO UOM 1 uO的值只有两种可能 在非线性区内 uP uN 可能很大 即uP uN 虚短 不存在 2 理想运放的输入电流等于零 虚断 存在 实际运放Aod 当uP与uN差值比较小时 仍有Aod uP uN 运放工作在线性区 例如 F007的UoM 14V Aod 2 105 线性区内输入电压范围 但线性区范围很小 6 2负反馈放大电路的四种基本组态 6 2 1负反馈放大电路分析要点 3 负反馈的基本作用是将引回的反馈量与输入量相减 从而调整电路的净输入量和输出量 1 交流负反馈使放大电路的输出量与输入量之间具有稳定的比例关系 任何因素引起的输出量的变化均得到抑制 由于输入量的变化也同样会受到抑制 因此交流负反馈使电路的放大能力下降 2 反馈量实质上是对输出量的取样 其数值与输出量成正比 2 从输入端看 反馈量与输入量是以电压方式相叠加 还是以电流方式相叠加 对于具体的负反馈放大电路 首先应研究下列问题 进而进行定量分析 1 从输出端看 反馈量是取自于输出电压 还是取自于输出电流 反馈信号取自输出电压 则为电压反馈 反馈信号取自输出电流 则为电流反馈 反馈量与输入量以电压形式求和 为串联反馈 反馈量与输入量以电流形式求和 为并联反馈 动画avi 9 1 avi 6 2 2四种负反馈组态 一 电压串联负反馈 图6 2 2电压串联负反馈电路 反馈信号与输出电压成正比 集成运放的净输入电压等于输入电压与反馈电压之差 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联负反馈 二 电流串联负反馈 图6 2 3电流串联负反馈电路 反馈信号与输出电流成正比 净输入电压等于外加输入信号与反馈信号之差 2 串联负反馈电路的输入电流很小 适用于输入信号为恒压源或近似恒压源的情况 1 电压负反馈能够稳定输出电压 电流负反馈能够稳定输出电流 小结 三 电压并联负反馈 图6 2 4电压并联负反馈电路 反馈信号与输出电压成正比 净输入电流等于外加输入电流与反馈电流之差 四 电流并联负反馈 图6 2 5电流并联负反馈电路 反馈信号与输出电流成正比 净输入电流等于外加输入信号与反馈信号之差 四种负反馈组态的放大倍数 电压串联负反馈电路 电流串联负反馈电路 电压并联负反馈电路 电流并联负反馈电路 电压放大倍数 转移电阻 转移电导 电流放大倍数 6 2 3反馈阻态的判断 电流 将负载短路 反馈量仍然存在 电压 将负载短路 反馈量为零 一 电压负反馈与电流负反馈的判断 令输出电压为零 反馈电流不存在 所以是电压负反馈 令输出电压为零 反馈电流仍存在 所以是电流负反馈 二 串联反馈与并联反馈的判断 略 例6 2 1 判断反馈的组态 反馈通路 T R2与R1 交 直流反馈 瞬时极性法判断 负反馈 输出端看 电流负反馈 输入端看 串联负反馈 电路引入交 直流电流串联负反馈 例6 2 2 判断反馈的组态 图6 2 9例6 2 2电路图 反馈通路 T3 R4与R2 交 直流反馈 瞬时极性法判断 负反馈 输出端看 电压负反馈 输入端看 串联负反馈 电路引入交 直流电压串联负反馈 6 4判断图P6 4所示电路中是否引入了反馈 是直流反馈还是交流反馈 是正反馈还是负反馈 设图中所有电容对交流信号均可视为短路 a 直流负反馈电压串联 b 交 直流正反馈 c 直流负反馈电压并联 d 交 直流负反馈电流并联 例 P3186 4 e 交流负反馈电压串联 h 交 直流负反馈电压串联 f 交 直流负反馈电压串联 g 交 直流负反馈电压串联 6 3 1负反馈放大电路的方框图表示法 图6 3 1反馈放大电路方框图 分别为输入信号 输出信号和反馈信号 开环放大倍数 无反馈时放大网络的放大倍数 因为 6 3负反馈放大电路的方框图及一般表达式 所以 闭环放大倍数 电路的环路放大倍数 反馈系数 6 3 2四种组态电路的方块图 电压串联负反馈 电流串联负反馈 电压并联负反馈 电流并联负反馈 表6 3 1四种组态负反馈放大电路的比较 电压放大倍数 转移电阻 转移电导 电流放大倍数 若 深度负反馈 结论 深度负反馈放大电路的放大倍数主要由反馈网络的反馈系数决定 能保持稳定 若 则 自激振荡 6 3 3负反馈放大电路的一般表达式 闭环放大倍数 6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析 应掌握的知识点 在深度负反馈或理想集成运放条件下1 如何计算反馈系数F 闭环放大倍数Af 2 如何计算电压放大倍数Auuf 6 4 1深度负反馈的实质 放大电路的闭环电压放大倍数 深度负反馈放大电路的闭环电压放大倍数 对于串联负反馈 并联负反馈 结论 根据负反馈组态 选择适当的公式 再根据放大电路的实际情况 列出关系式后 直接估算闭环电压放大倍数 6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析 6 4 2反馈网络的分析 图6 4 1反馈网络的分析 a 电压串联 b 电流串联 c 电压并联 d 电流并联 6 4 3放大倍数的分析 一 电压串联负反馈 闭环放大倍数则为电压放大倍数 二 电流串联负反馈 闭环放大倍数为转移电导 电压放大倍数 三 电压并联负反馈 闭环放大倍数为转移电阻 源电压放大倍数 图6 4 2并联负反馈电路的信号源 对于并联负反馈电路 信号源内阻是必不可少的 四 电流并联负反馈 闭环放大倍数为电流放大倍数 电压放大倍数 小结 1 正确判断反馈组态 2 求解反馈系数 例6 4 1 在图6 2 9所示电路中 已知R2 10K R4 100K 求解在深度负反馈条件下的AUF 图6 2 9例6 4 1电路图 反馈通路 T3 R4与R2 电路引入电压串联负反馈 闭环电压放大倍数 对于串联负反馈 例6 4 2 如图6 2 8 已知R1 10K R2 100K R3 2K RL 5K 求解在深度负反馈条件下的AUf 解 反馈通路 T R3 R2与R1电路引入电流串联负反馈 对于串联负反馈 该电路为电压串联负反馈 在深度负反馈条件下 例6 4 3 a 电路图 例6 4 3a 例6 4 3b 估算深负反馈运放的闭环电压放大倍数 解 该电路为电压并联负反馈 在深度负反馈 即理想集成运放 条件下 则闭环电压放大倍数为 例6 4 3b电路图 由于虚地 U U 0 由于虚断 I I 0 例6 4 4电路图 该电路为电流并联负反馈 在深度负反馈条件下 故 闭环电压放大倍数为 例6 4 4 由于虚地 U U 0 由于虚断 I I 0 6 5负反馈对放大电路性能的影响 本节应掌握的知识点 负反馈的作用 或如何引入负反馈或如何设计负反馈放大电路 6 5负反馈对放大电路性能的影响 6 5 1稳定放大倍数 引入负反馈后 在输入信号一定的情况下 当电路参数变化 电源电压波动或负载发生变化时 放大电路输出信号的波动减小 即放大倍数的稳定性提高 放大倍数稳定性提高的程度与反馈深度有关 在中频范围内 放大倍数的相对变化量 结论 引入负反馈后 放大倍数的稳定性提高了 1 AF 倍 例 在电压串联负反馈放大电路中 估算反馈系数和反馈深度 估算放大电路的闭环电压放大倍数 如果开环差模电压放大倍数A的相对变化量为 10 此时闭环电压放大倍数Af的相对变化量等于多少 解 反馈系数 反馈深度 闭环放大倍数 Af的相对变化量 结论 当开环差模电压放大倍数变化 10 时 电压放大倍数的相对变化量只有 0 0001 而稳定性提高了一万倍 6 5 2改变输入电阻和输出电阻 不同类型的负反馈 对输入电阻 输出电阻的影响不同 一 对输入电阻的影响 1 串联负反馈增大输入电阻 得 结论 引入串联负反馈后 输入电阻增大为无反馈时的倍 图6 5 1 注意 在某些负反馈放大电路中 有些电阻不在反馈内 如图6 5 2中的Rb1 反馈对它不产生影响 只针对串联负反馈 2 并联负反馈减小输入电阻 得 结论 引入并联负反馈后 输入电阻减小为无负反馈时的1 图6 5 3并联负反馈对Ri的影响 二 负反馈对输出电阻的影响 1 电压负反馈减小输出电阻 放大电路的输出电阻定义为 得 结论 引入电压负反馈后 放大电路的输出电阻减小到无反馈时的 图6 5 4 2 电流负反馈增大输出电阻 图6 5 5 结论 引入电流负反馈后 放大电路的输出电阻增大到无反馈时的倍 注意 在某些负反馈放大电路中 有些电阻不在反馈内 如图6 4 4中的RC2 反馈对它不产生影响 只针对电流负反馈 综上所述 1 反馈信号与外加输入信号的求和方式只对放大电路的输入电阻有影响 串联负反馈使输入电阻增大 并联负反馈使输入电阻减小 2 反馈信号在输出端的采样方式只对放大电路的输出电阻有影响 电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增大 3 串联负反馈只增大反馈环路内的输入电阻 电流负反馈只增大反馈环路内的输出电阻 4 负反馈对输入电阻和输出电阻的影响程度 与反馈深度有关 6 5 3展宽频带 由于负反馈可以提高放大倍数的稳定性 因而对于频率不同而引起的放大倍数下降 也可以改善 设无反馈时放大电路在中 高频段的放大倍数分别为 上限频率为f 引入反馈系数为的负反馈后 放大电路在中 高频段的放大倍数分别为 上限频率为fHf 所以 可见 引入负反馈后 放大电路的中频放大倍数减小为无反馈时的1 而上限频率提高到无反馈时的倍 同理 可推导出引入负反馈后 放大电路的下限频率降低为无反馈时的1 结论 引入负反馈后 放大电路的上限频率提高 下限频率降低 因而通频带展宽 fbwf fHf fLf fHf fbw fH fL fH 基本放大电路的通频带 反馈放大电路的通频带 fL fH fLf fHf 负反馈对通频带和放大倍数的影响 f 负反馈减小了波形失真 加入负反馈 无负反馈 F xf xo 略大 略小 略小 略大 接近正弦波 预失真 6 5 4减小非线性失真和抑制干扰 同样道理 负反馈可抑制放大电路内部噪声 图6 5 7 动画avi 9 3 avi 动画avi 9 4 avi 6 5 5放大电路中引入负反馈的一般原则 负反馈对放大电路性能方面的影响 均与反馈深度有关 负反馈放大电路的分析以定性分析为主 定量分析为辅 定性分析常用EDA软件 Multisim PSPICE 进行分析 电路设计时 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 根据信号源的性质引入串联负反馈 或者并联负反馈 当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时 为增大放大电路的输入电阻 以减小信号源的输出电流和内阻上的压降 应引入串联负反馈 4 根据表6 3 1所示的四种组态反馈电路的功能 在需要进行信号变换时 选择合适的组态 例如 若将电流信号转换成电压信号 应在放大电路中引入电压并联负反馈 若将电压信号转换成电流信号 应在放大电路中引入电流串联负反馈 等等 当信号源为恒流源或内阻较大的电压源时 为减小电路的输入电阻 使电路获得更大的输入电流 应引入并联负反馈 3 根据负载对放大电路输出量的要求 即负载对其信号源的要求 决定引入电压负反馈或电流负反馈 当负载需要稳定的电压信号时 应引入电压负反馈 当负载需要稳定的电流信号时 应引入电流负反馈 电路设计时 引入负反馈的一般原则 例6 5 1 电路如图6 5 8所示 为了达到下列目的 分别说明应引入哪种组态的负反馈以及电路如何连接 3 将输入电流iI转换成稳定的输出电压uO 1 减小放大电路从信号源索取的电流并增强带负载能力 2 将输入电流i1转换成与之成稳定线性关系的输出电流io 2 应引入电流并联负反馈 电路中将 与 与 与 分别连接 3 应引入电压并联负反馈 电路中应将 与 与 与 分别连接 1 应引入电压串联负反馈 电路中将 与 与 与 分别连接 6 6负反馈放大电路的稳定性 对于多级放大电路 如果引入过深的负反馈 可能引起自激振荡 如果电路的组成不合理 反馈过深 在输入量为零时 输出却产生了一定频率和幅值的信号 此时电路不能正常工作 不稳定 自激振荡 本节讨论的问题 1 自激振荡产生的原因和条件 2 如何判断负反馈放大电路是否会产生自激振荡 3 如何消除自激振荡 6 6 1负反馈放大电路自激振荡产生的原因和条件 放大电路的闭环放大倍数为 在中频段 在高 低频段 放大倍数和反馈系数的模和相角都随频率变化 使 一 自激振荡产生的原因 说明 此时放大电路没有输入信号 但仍有一定的输出信号 因此产生了自激振荡 不产生自激振荡 二 自激振荡的平衡条件 即 幅值条件 相位条件 自激振荡过程如下 例 单管阻容耦合共射放大电路的频率响应 6 6 2负反馈放大电路稳定性的定性分析 可见 在低 高频段 放大电路分别产生了0 90 和0 90 的附加相移 两级放大电路将产生0 180 附加相移 三级放大电路将产生0 270 的附加相移 对于多级放大电路 如果某个频率的信号产生的附加相移为180o 而反馈网络为纯电阻 则 满足自激振荡的相位条件 如果同时满足自激振荡的幅值条件 放大电路将产生自激振荡 但三级放大电路 在深度负反馈条件下 对于某个频率的信号 既满足相位条件 也满足幅度条件 可以产生自激振荡 结论 单级放大电路不会产生自激振荡 两级放大电路当频率趋于无穷大或趋于零时 虽然满足相位条件 但不满足幅度条件 所以也不会产生自激振荡 一 判断方法 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 6 6 3负反馈放大电路稳定性的判断 满足自激振荡的幅度条件频率为fC 满足自激振荡的相位条件频率为fO 若存在fO 且fO fC 则电路不稳定 动画avi 10 1 avi 判断方法 虽然存在fO 但fO fC 则电路稳定 不产生自激振荡 判断方法小结如下 1 若不存在fO 则电路稳定 2 若存在fO 且fO fC 则电路不稳定 必然产生自激振荡 若存在fO 但fO fC 则电路稳定 不产生自激振荡 动画avi 10 2 avi 例1 某负反馈放大电路的波特图为 a 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 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 此频率对应的对数幅频特性位于横坐标轴之上 即 结论 该负反馈放大电路不会产生自激振荡 能够稳定工作 例2 由负反馈放大电路的波特图可见 当f f0 相位移 AF 180 时 二 稳定裕度 当环境温度 电路参数及电源电压等在一定范围内变化时 为保证放大电路也能满足稳定条件 要求放大电路要有一定的稳定裕度 1 幅值裕度Gm 对于稳定的负反馈放大电路 Gm为负值 Gm值愈负 负反馈放大电路愈稳定 一般要求Gm 10dB 2 相位裕度 m 当f fc时 负反馈放大电路稳定 对于稳定的负反馈放大电路 m为正值 m值愈大 负反馈放大电路愈稳定 一般要求 m 45 例6 6 2 已知放大电路幅频特性近似如图6 6 10所示 引入负反馈时 反馈网络为纯电阻网络 且其参数的变化对基本放大电路的影响可忽略不计 回答下列问题 2 若引入负反馈系数F 1则电路是否会产生自激振荡 图6 6 10例6 6 2放大电路的幅频特性 图6 6 10例6 6 2放大电路的幅频特性 解 1 当f 103Hz 所以放大电路一定会产生自激振荡 6 6 4负反馈放大电路自激振荡的消除方法 为保证放大电路稳定工作 对于三级或三级以上的负反馈放大电路 需采取适当措施破坏自激振荡的幅度条件和相位条件 最简单的方法是减小反馈系数或反馈深度 使得在满足相位条件时不满足幅度条件 但是 由于反馈深度下降 不利于放大电路其他性能的改善 因此通常采用接入电容或RC元件组成校正网络 以消除自激振荡 消除自激振荡的思路 采用某种方法 改变AF的频率特性 使之不存在fO 或者即使存在fO 但fO fC 1 简单滞后补偿 比较简单的消振措施是在负反馈放大电路的适当地方 接入一个电容 多大 图6 6 4电容校正网络 一 滞后补偿 接入的电容相当于并联在前一级的负载上 在中 低频时 容抗很大 所以这个电容对增益基本不起作用 动画avi 10 3 avi 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 简单滞后补偿前后基本放大电路的幅频特性 虚线为补偿前的幅频特性 实线为补偿后的幅频特性 图6 6 3简单滞后补偿前后基本放大电路的幅频特性 缺点 电路的通频带变窄 2 RC滞后补偿 除了电容校正以外 还可以利用电阻 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 见教材P287 P288 图6 6 5RC校正网络 3 密勒效应补偿 二 超前补偿 利用密勒效应将补偿电容 或补偿电阻和电容跨接放大电路的输入端和输出端 若改变负反馈放大电路在环路增益为0dB点的相位 使之超前 也能破坏其自激振荡条件 使fo fc 通常将补偿电容加在反馈回路 6 6 5集成运放的频率响应和频率补偿 一 集成运放的频率响应 集成运放有很好的低频特性 fL 0 集成运放直接耦合放大电路 集成运放高频特性较差 集成运放AOd很大 等效电容或很大 集成运放内部需接补偿电容 末加频率补偿集成运放的频率响应 图6 6 1末加频率补偿 fC 单位增益带宽 fO 附加相移为 1800对应的频率 集成运放常引入负反馈 容易产生自激振荡 自激振荡产生的条件 存在fO 且fO fC 如何消除自激振荡 图6 6 1末加频率补偿的集成运放的频率响应 一 滞后补偿 在加入补偿电容后 使运放的幅频特性在大于0dB的频率范围内只存在一个拐点 并按 20dB 十倍频的斜率下降 即相当于一个RC回路的频率响应 其附加相移为 900 1 简单电容补偿 将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级电路中 使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低 以至增益隋频率始终按 20dB 十倍频的斜率下降 直至0dB 设某运放第二级放大电路输入端等效电容所在回路的时间常数最大 图5 6 4简单电容补偿 加C之前 加C之后 将电容C跨接在某级放大电路的输入端和输出端 则折合到输入端的等效电容C 是C的 Auk 倍 Auk 该级放大电路的电压放大倍数 2 密勒效应补偿 图5 6 5密勒效应补偿 滞后补偿的缺点 降低了上限频率 二 超前补偿 略 6 7放大电路中的其它形式的反馈 6 7 1放大电路中的正反馈 一 电压 电流转换电路 二 自举电路 6 7 2电流反馈运算放大电路 一 什么是电流反馈集成运算放大电路 二 电流模电路 三 电流反馈运算放大电路的工作原理 四 由电流反馈运算放大电路组成的负反馈放