负反馈放大电路的多方法分析与对比 精品.doc

题目 题目 负反馈放大电路的多方法分析与对比 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1引言 1 1 2国内外研究现状 1 1 3本课题研究的主要内容及意义 1 2 负反馈的基础知识 1 2 1负反馈的基本概念 1 2 1 1 定义 1 2 1 2 基本框图 1 2 1 3 基本方程式 1 2 2反馈的分类 2 2 3负反馈对放大电路的性能影响 3 2 3 1 降低了放大倍数 3 2 3 2 提高放大倍数的稳定度 3 2 3 3 扩展了通频带 4 2 3 4 使非线性失真减小 5 2 3 5 改变了输入电阻和输出电阻 5 3 负反馈放大电路的分析方法 6 3 1微变等效分析法 6 3 2方框图分析法 6 3 3估算分析法 6 3 4仿真分析法 7 3 5实验分析法 7 4实例进行分析与对比 7 5结语 11 6参考文献 12 7致 谢 13 1绪论绪论 1 1引言 反馈理论及反馈技术在自动控制 信号处理 电子电路及电子设备中有着十分重要的作用 放大电 路引入负反馈可以非常有效地改善其放大性能 是一种用电路来改善电路的重要方法之一 引入负反馈 后 可以提高放大电路的稳定性 改善非线性失真和频带 改变输入 输出电阻等 因此 几乎所有实 用的放大电路都含有负反馈 正因为如此 对负反馈放大电路的研究方法就是一个非常重要的课题 目前 分析负反馈放大电路 的方法比较多 难度各不相同 各有优缺点 适用的范围也各有差异 本文就是对常用的几种反馈放大 电路的分析方法进行研究 1 2国内外研究现状 1934 年 第一篇关于负反馈技术能改善放大器性能的发表 随着负反馈技术的广泛应用 国内外对 其分析方法的研究也逐渐趋于多样性 对负反馈放大电路进行理论分析的主要方法有 方框图分析法 深度负反馈条件下的估算法 微变 等效法等 随着计算机技术的不断发展 各种对电子电路进行仿真分析的软件也层出不穷 利用这些仿 真软件分析电子电路有许多优越性 另外 还有不少专家致力于负反馈放大电路的实验研究 总之 对于负反馈放大电路的研究 国内外都将有进一步的探讨 针对负反馈放大电路组态的多样 性 力求找到更为简便的方法去分析负反馈放大电路 1 3本课题研究的主要内容及意义 本主要是围绕负反馈放大电路做了一些研究工作 对多种分析负反馈放大电路的方法进行了对比研 究 结合一个实际的负反馈放大电路 用五种不同的方法进行了分析 并对结果进行了对比 在文献调研过程中 我发现很多文献对负反馈电路的分析方法的介绍都不够完整 一般都介绍一 两种不同的方法 不够深入细致 从而看不出不同分析方法的适用范围及优缺点 而且都显得比较粗糙 很难理解 本运用估算分析 微变等效分析 方框图分析 仿真分析 实验分析 理论分析和实验分析 相结合 对负反馈放大电路的若干分析方法进行了比较研究 使各种分析方法更加具体 清晰 2负反馈的基础知识负反馈的基础知识 2 1负反馈的基本概念 2 1 1 定义 所谓反馈 就是将放大器的输出量 电流或电压 的部分或全部 通过一定的网络 回送到放大器的 输入回路 并和输入信号一起参与放大器的输入控制作用 从而使放大器的性能得到有效改善 2 1 2 基本框图 由图 1 知 反馈放大器包含两部分 即基本放大电路和反馈网络 基本放大器的传输方向为输入到 输出 反馈网络的传输方向为输出到输入 图中的箭头方向为信号的传输方向 当输入信号与反馈信号叠加后的信号才是真正加到基本放大器输入端的 净输入信号 我们将输入 信号与反馈信号反相相加 即相减 使净输入信号小于输入信号的情况定义为 负反馈 A F o X f X i X i X 图 1 负反馈放大电路基本框图 2 1 3 基本方程式 基本放大电路的放大倍数称为开环放大倍数 记作 反馈放大器的放大倍数 称为闭环放大倍A f A 数 反馈网络进行信号返送 其传输系数称为反馈系数 记作 所以可定义为F 开环放大倍数 2 1 o i X A X 闭环放大倍数 2 2 o f i X A X 反馈系数 2 3 f o X F X 环路增益 回归比 2 4 ff o ioi XX X TAF XXX 注 等信号可以取电压量或电流量 所以传输系数 不一定是电压比或电流比 f X o X i XAF 也可能是互导或互阻 由图 1 可知 2 5 oi X AX iif XXX fo XFX 所以可得 2 6 1 oi A XX AF 即 闭环增益与开环增益以及反馈系数之间的关系为 f AAF 2 7 1 o f i XA A XAF 2 2反馈的分类 反馈的种类可以从不同的角度来区分 按反馈信号的成分来看 有直流反馈和交流反馈 如果从输出回路反送到输入回路的电量是直流量 则称为直流反馈 如果从输出回路反送到输入回 路的电量是交流量 则称为交流反馈 按反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同 分为电压反馈和电流反馈两种类型 如果反馈信号直接取自于输出电压 且与输出电压成正比 如 输出电压为 0 时 反馈信号立即为 0 就将这种反馈称之为电压反馈 如果反馈支路不引自于输出端 反馈网络串联在输出回路中 反馈信 号与输出电流成正比 则称之为电流反馈 按反馈网络和基本放大器输入端的连接方式不同 可分为串联反馈和并联反馈 如果反馈网络串联在基本放大器的输入回路中 输入信号与反馈支路不接在同一节点上 称为串联 反馈 如果反馈网络并联在基本放大器的输入端 输入信号支路与反馈信号支路接到基本放大电路的同 一节点上 则称之为并联反馈 所以 对负反馈而言 根据反馈网络与基本放大器输出 输入端连接方式不同 反馈电路一般可归 纳为四种组态 即 串联电压负反馈 串联电流负反馈 并联电压负反馈 并联电流负反馈 Error Error ReferenceReference sourcesource notnot found found 如图 2 所示 A F i U d U f U o U L R A F o U dU d U f U i U L R a 电压串联负反馈 b 电流串联负反馈 A F i U L R o U A F i U o U L R c 电压并联负反馈 d 电流并联负反馈 图 2 四种负反馈组态的框图 2 3负反馈对放大电路的性能影响 2 3 1 降低了放大倍数 由式 2 9 负反馈时 已知为反馈深度 所以 1 f A A AF 1AF 1 f AA 1AF 归纳后可得结论如表 1 所示 表 1 负反馈对放大倍数的影响 1AF 1 1 1 1 0 f AA 1 f A F A A 效果 负反馈深度负反馈 无反馈正反馈 自激振荡 明显地 从表 1 可以知道 负反馈降低了放大倍数 2 3 2 提高放大倍数的稳定度 负反馈稳定放大器增益的原理是因为负反馈有自动调节作用 工作环境变化 如温度 湿度 器件 更换或老化 电源电压不稳等诸因素会导致基本放大器放大倍数的不稳定 引入负反馈后 反馈网络将 输出信号的变化信息返回到基本放大器的输入回路 从而使净输入信号也随着输出信号而变化 i X o X 不过负反馈使二者变化的趋势相反 其结果便输出信息自动保持稳定 即有当输入信号不变时 若 i X A o X 取样 fo XFX iif XXX o X 负反馈 图 3 提高放大倍数示意图 由图 3 可见 保持稳定 闭环增益也将保持稳定 o X foi AXX 通常地 我们用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性 引入负反馈使放大倍数的相对变化 减小为原相对变化的 说明反馈越深 稳定性越好 当深反馈时 则 1 1AF 1AF 2 8 1 1 f A A AFF 可见 即使开环放大倍数不稳定 但只要是稳定的 那么也将稳定 F f A 2 3 3 扩展了通频带 在阻容耦合放大器中 信号频率在低频区和高频区时 其放大倍数均要下降 由于负反馈放大电路 具有稳定放大倍数作用 因此 放大倍数在高 低频区的下降速度减慢 这样相当于展宽了通频带 不 带负反馈时 通频带为 由于 可近似为 带负反馈后 通频带为 HL BWff H f L f H BWf 可作简单分析 fHf BWf 由放大电路的频率特性可知 高频时的放大倍数与中频放大倍数的关系为 2 9 1 m H H A A f j f 根据式 2 9 带反馈后的高频放大倍数与中频放大倍数的关系为 1 H Hf H A A AF 1 1 1 m H m H A f j f A f jF F 1 1 1 1 mm m Hm AA F f A Fj fA F 2 10 1 1 mf Hm A f j fA F 其中是带负反馈后的中频放大倍数 如果令 mf A 1 HfHm ffA F 则有 2 11 1 mf Hf Hf A A f j f 故 2 12 1 fHfHm BWffA F 由式 2 12 可知 负反馈使放大电路的频带展宽了约倍 Error Error ReferenceReference sourcesource notnot found found 1AF 2 3 4 使非线性失真减小 引入负反馈后 可以减小放大电路的非线性失真 具体过程我们可以由图 4 作简要说明 在图 4 中 若输入信号为单一频率的正弦波 由于放大器内部器件 如晶体管 的非线性 使输 i X 出信号产生了非线性失真 就是说 输出信号中产生了输入信号中所没有的谐波分量 如图 4 a 所示 输出信号为 上大下小 的非正弦波 但引入负反馈后 反馈信号正比于输出信号 也应该是 f X 0 X 上大下小 和相减后 使净输入信号变成了 上小下大 这种失真 预失真 与原器件的非 f X i X 线性特性的作用正好相反 所以结果就会使输出信号的非线性失真减小 如图 4 b 所示 2 3 5 改变了输入电阻和输出电阻 由表 2 归纳可看出负反馈对于输入 输出电阻的影响 A i X o x 0 t i x 0t o X a i x 0 0 o x t o X F A f x t i X i X b 图 4 负反馈放大电路非线性失真的改善 输入电阻是从放大电路输入端看出去的等效电阻 取决于电路输入端的连接方式 也就是说它取决 于放大电路引入的是串联负反馈还是并联负反馈 输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻 取 决于电路的输出连接方式 即取决于放大电路引入的是电压反馈还是电流反馈 表 23 负反馈对电阻的影响 类型串联负反馈并联负反馈电压负反馈电流负反馈 影响 1 ifi RAF R 1 i if R R AF 1 o of o R R A F 1 ofoo RA F R 效果 提高输入电阻降低输入电阻 降低输出电阻 使输出电压稳定 提高输出电阻 使输出电流稳定 备注 为时的 o A L R 开环放大倍数 为时的开 o A0 L R 环放大倍数 3负反馈放大电路的分析方法负反馈放大电路的分析方法 3 1微变等效分析法 在放大电路的输入信号很小时 其工作点将在特性曲线上一个很小的区域内运动 这时可以设想在 这个小范围内把三极管的特性曲线近似地看成直线 从而把三极管这个非线性元件用一个线性模型来替 代 运用微变等效电路法分析负反馈放大电路时 首先要分析反馈放大电路的静态特性 求出其静态工作点 其次要画出其相应的交流通路 再将三极管用其微变等效模型代替 得到相应的微变等效电路 最后以微变等效电路为基础 运用电路原理 分析 求解放大电路的动态性能指标 3 2方框图分析法 该方法在分析计算负反馈放大电路时比较常见 主要是将负反馈放大器划分为基本放大电路和反馈 网络两部分 在分析电路时 首先画出基本放大电路 由此计算出其开环动态性能指标 其次要找出反馈网络并求得反馈系数 最后利用闭环量和开环量之间的关系式 求出放大电路闭环性能指标 画出基本放大器的电路时 既要除去反馈 又要考虑反馈网络对基本放大器的负载作用 基本放大电路的输入回路 如果是电压反馈 则将输出端短路 此时电压反馈被排除 如果是电流 反馈 则令输出端开路 此时电流反馈被排除 基本放大电路的输出回路 如果是并联反馈 需将输入端短路 此时便没有反馈电流加到输入端 如果是串联反馈 令将输入端开路 便没有反馈电压加到输入端 只有这样 才能使反馈网络呈现在输入回路中 其负载效应即被考虑进去 画反馈网络 求反馈系数 由于反馈是取自基本放大器的输出量 故可以将基本放大器作为反馈F 网络的信号源 如果是电压反馈 将基本放大器用恒压源代替 如果是电流反馈 将基本放大器用恒流 源代替 这样便可以画出反馈网络的框图 根据具体的反馈类型求出反馈系数 但在实际分析的过程中 不一定画出反馈网络的框图 常根据反馈放大电路直接求出反馈系数 3 3估算分析法 在负反馈放大电路的一般表达式中 若 1 则 其中为反馈深度 根据1 AF 1 f A F 1 AF 和的定义 f AF 3 1 o f i X A X 3 2 f o X F X 3 3 1 o f f X A FX 由式 3 1 3 2 和 3 3 可知 可见 深度负反馈的实质是在近似分析中忽略净输入 if XX 量 但不同组态 可忽略的净输入量不同 当电路引入深度串联负反馈时 认为净输入电压 if UU 可忽略不计 当电路引入深度并联负反馈时 认为净输入电流可忽略不计 i U o I 电压串联负反馈电路的放大倍数就是电压放大倍数 3 4 1 oo uufuf ifuu UU AA UUF 电流串联负反馈电路的放大倍数 3 5 1 oo iuf ifui II A UUF 3 4仿真分析法 PSPICE 软件主要用于对分立器件电路及集成电路硬件实现之前进行仿真研究 分析不同输入状态下 电路的时域响应 频域响应 频谱等性能 并可以设置各种模拟测试条件 对电路进行全面分析 本主 要采用了此软件对所选放大电路进行仿真调试出波形和曲线 并观察结果 3 5实验分析法 实验分析主要是采用一些常用仪器 如 示波器 信号源 多用表 毫伏表 直流稳压电源等器件 对放大电路进行实际操作 从示波器中观察出放大电路的放大倍数 此方法比其它方法显得更实际和直 观 4实例进行分析与对比实例进行分析与对比 如图 5 所示 已知有参数 1211 100 2 9 2 12 510 6 510 bebeccbce rkrkUV RkRkR 2 3 9 c Rk 2 1 6 e Rk 10 f Rk 3 L Rk 2 s Rk 要求 用微变等效法 方框图法 估算法 仿真法 实验五种分析方法计算此负反馈放大电路的闭 环放大倍数及输入 输出电阻 图 7 中箭头表示电流的传输方向 由图中的标示可知 2 LCL RRR 3 9 31 7 2 obfL UIIR 4 1 2 1701 7 bf II 4 2 1o f f UU I R 整体分析 由图 5 可知 此电路显示的是一个电压串联负反馈 其中和组成反馈网络 f R 1e R 4 1微变等效分析法 首先 我们可以根据图 5 画出原放大电路的交流通路 如图 6 所示 然后可由图 6 画出交流通路的 微变等效电路 如图 7 所示 4 3 1 11 1 bbf e U III R 图 5 电压串联负反馈 图 6 放大电路的交流通路 式 4 3 等价于 1111 bbfe UIIIR 4 4 1 51 50 51 bf II 11111 ibbebbfe UI rIIIR 4 5 1 54 40 51 bf II 由式 4 4 式 4 5 联立解得 4 6 1 51 5 10 51 ob f UI I 由式 4 2 式 4 6 联立化简后可得关系式 4 7 21 146 37 17 obb UII 把式 4 7 代入式 4 6 中可得关系式 4 8 21 13 94 22 fbb III 再将式 4 8 代入 4 5 中得关系式 4 9 12 52 257 1 ibb UII 从式 4 7 4 8 和式 4 9 我们可以看出 和都与 存在一定的关系 而图 7 o U i U f I 1b I 2b I 电路所示中 可知为上的分流 且电流方向相反 有 2b I 1b I 4 10 1 21 11 c bb cbe R II Rr 1 75 b I 所以由式 4 7 4 8 4 9 4 10 联立可得 4 11 o uf i U A U 111 111 146 3 757 1710979 7 18 8 52 257 1 75584 8 bbb bbb III III 4 12 1 1 584 75 ib ifb ib UI RR II 272k 4 13 o of o U R I 2 2 o o bf cL U U II RR 1 111 10979 7 0 291 1038 31007530010 b bbb I k III 图 7 放大电路的等效电路 4 2方框图分析法 首先需计算出开环性能指标 和 所以我们先可以在考虑到反馈网络对放大器输入 输出 u A i R o R 回路影响的前提下将原电路拆环 即 将 输出短路 将等效到输入回路 将即 输 0 0U f R 1 0 e I 入端开路 将和等效到输出回路 就可得到拆环后的开环放大器的交流通路 如图 8 所示 f R 1e R 图 8 基本放大电路的交流通路 由图 8 可知 22 2 ibe Rrk 10 0 51 3 9 3 1 46 4 14 1Lfe RRR 2c R L Rk 12 0 211 1 ci L u ibebeef RRUR A UrrRR 186 4 15 1003 9 2100 1 46 2 9 1010 51 102 2 9 101 4 16 11 1 ibeef RrRR 0 51 1052k 12 0 51 10 3 92 84 oefc RRRRk 电压反馈系数 4 17 1 1 0 51 0 049 100 51 f e u ofe U R F URR 再利用串联电压负反馈公式可得 4 18 186 18 6 110 ou uf iuu UA A UA F 4 19 2 84 0 284 110 o of uu R R A F k 4 20 110 52520 ifuui RA FRk 由于基极偏置电阻在反馈环外 所以不受串联负反馈的影响 而是从左侧看进去的反 b R b R if R b R 馈输入电阻 因此 放大器的输入电阻为 4 21 510 520257 5 ifbif RRRk 4 3估算分析法 在深度负反馈下 1 AF 1 所以 4 22 1 1 u u o uf iuu A U A UA FF 1 1 0 51 10 20 6 0 51 ef e RR R 在理想情况下 可近似地将输入 输出电阻按如下定义 深度串联负反馈 if r 深度并联负反馈 0 if r 深度电压负反馈 0 of r 深度电流负反馈 of r 小结 由式 4 20 可知 运用估算法计算出的放大倍数与微变等效法和方框图法算出的结果有一 定的误差 经过许多实验证明