反馈的概念.doc

867-1.1 反馈的概念7-1.1.1 反馈的定义在放大电路中，信号的传输是从输入端到输出端，这个方向称为正向传输。反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。所以，放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。反馈的示意图见图7-1。图7-1 反馈概念方框图图中是输入信号，是反馈信号， 称为净输入信号。所以有 7-1.1.2 负反馈和正反馈负反馈，加入反馈后，净输入信号，输出幅度增加。正反馈和负反馈的判断法之一：瞬时极性法在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，可用“+”、“-”或“”、“”表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时电压极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。7-1.1.3 电压反馈和电流反馈电压反馈，反馈信号的大小与输出电压成比例的反馈称为电压反馈；电流反馈，反馈信号的大小与输出电流成比例的反馈称为电流反馈。电压反馈与电流反馈的判断：将输出电压短路，若反馈回来的反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。7-1.1.4 串联反馈和并联反馈 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；反之，加在放大电路输入回路的两个电极，则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。 对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极，则为并联反馈；一个加在基极，另一个加在发射极则为串联反馈。 对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。7-1.1.5 交流反馈和直流反馈反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。正反馈和负反馈的判断法之二：正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端。 （动画9-1）（动画9-2）例题09.1:试判断图7-2所示电路的反馈组态。 解: 根据瞬时极性法，见图中的红色“+”、“-” 号，可知经电阻R1加在基极B1上的是直流并联负反馈。因反馈信号与输出电流成比例，故为电流反馈。结论是直流电流并联负反馈。 经Rf 加在E1上的是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在三极管两个输入电极，故为串联反馈。结论：交流电压串联负反馈。图7-2 例题09.1图例题09.2:试判断图7-3所示电路的反馈组态。 解: 根据瞬时极性法，见图中的红色“+”、“-” 号，可知是负反馈。因反馈信号和输入信号加在运放两个输入端，故为串联反馈。因反馈信号与输出电压成比例，故为电压反馈。结论：交、直流串联电压负反馈。图7-3 例题09.2图7-1.2 反馈的基本方程7-1.2.1 闭环放大倍数的一般表达式 根据图09.01可以推导出反馈放大电路的基本方程。放大电路的开环放大倍数 反馈网络的反馈系数 放大电路的闭环放大倍数 以上几个量都采用了复数表示，因为要考虑实际电路的相移。由于 式中 ，称为环路增益。7-1.2.2 反馈深度 称为反馈深度 =它反映了反馈对放大电路影响的程度。可分为下列三种情况 (1)当 |1时，|，相当负反馈 (2)当 |1时，|，相当正反馈 (3)当 |=0 时，|= ，相当于输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”7-1.2.3 环路增益| 环路增益|是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益，当|1时称为深度负反馈，与|1相当。于是闭环放大倍数 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。在此还要注意的是、和可以是电压信号，也可以是电流信号。1当它们都是电压信号时，、无量纲，和是电压放大倍数。2当它们都是电流信号时，、无量纲，和是电流放大倍数。3当它们既有电压信号也有电流信号时，、有量纲，和也有专门的放大倍数称谓。例09.3 ：求图7-4电路的电压放大倍数。解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器。因A1和A2都是反相输入的，因此可确定输入信号和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以： 图7-4 例题09.3电路图7-1.3 四种负反馈类型的分析 负反馈的类型有四种，即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。在此要分析反馈的属性、求放大倍数等动态参数。7-1.3.1 电压串联负反馈 (a)分立元件放大电路 (b)集成运放放大电路 图7-5 电压串联负反馈 (1) 判断方法对图7-5(a)所示电路，根据瞬时极性法判断，经Rf加在发射极E1上的反馈电压为+，与输入电压极性相同，且加在输入回路的两点，故为串联负反馈。反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈。后级对前级的这一反馈是交流反馈，同时Re1上还有第一级本身的负反馈，这将在下面分析。对图(b)，因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端，故为串联反馈，根据瞬时极性判断是负反馈，且为电压负反馈。结论是交直流串联电压负反馈。 (2) 闭环放大倍数 对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以 反馈系数 ，对于图7-5(a) ， 对于图7-5(b) 7-1.3.2 电压并联负反馈 电压并联负反馈的电路如图7-6所示。因反馈信号与输入信号在一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈，在输入端采用电流相加减。即。 图7-6 电压并联负反馈 具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲 称为互阻增益，称为互导反馈系数，相乘无量纲。 对于深度负反馈，互阻增益为 而电压增益为 7-1.3.3 电流串联负反馈电流串联负反馈电路如图7-7所示。图7-7 (a)是基本放大电路将Ce去掉而构成，图7-7 (b)是由集成运放构成。对图7-7 (a)，反馈电压从Re上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。 (a) (b) 图7-7 电流串联负反馈 对图7-7(b)的电路，求其互导增益 于是1/R ，这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为 7-1.3.4 电流并联负反馈电流并联负反馈的电路如图7-8(a)、(b)所示。对于图(a)电路，反馈节点与输入点相同，所以是电流并联负反馈。对于图(b)电路，也为电流并联负反馈。 (a) (b) 图7-8 并联电流负反馈 电流反馈系数是，以图7-8(b)为例 电流放大倍数 显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为 例题09.4：回答下列问题。 求图7-9在静态时运放的共模输入电压; 若要实现串联电压反馈, Rf 应接向何处? 要实现串联电压负反馈, 运放的输入端极性如何确定？ 求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数。图7-9 例题图 解： 静态时运放的共模输入电压，即静态时T1和T2的集电极电位。 IC1 = IC2 = IC3 /2 可以把差动放大电路看成运放A的输入级。输入信号加在T1的基极，要实现串联反馈，反馈信号必然要加在B2。所以要实现串联电压反馈, Rf应接向B2。 既然是串联反馈, 反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性，见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。 求引入电压串联负反馈后的闭环电压增益，可把差放和运放合为一个整体看待。为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为 7-1.4 负反馈对放大电路性能的影响 负反馈是改善放大电路性能的重要技术措施，广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。7-1.4.1 负反馈对增益的影响 根据负反馈基本方程，不论何种负反馈，都可使反馈放大倍数下降|1+AF|倍，只不过不同的反馈组态AF的量纲不同而已。对电压串联负反馈， 在负反馈条件下增益的稳定性也得到了提高，这里增益应该与反馈组态相对应 有反馈时，增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。7-1.4.2 负反馈对输入电阻的影响 负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联反馈或并联反馈有关，而与电压反馈或电流反馈无关。 (1) 串联负反馈使输入电阻增加 串联负反馈输入端的电路结构形式如图7-10所示。对电压串联负反馈和电流串联负反馈效果相同。有反馈时的输入电阻式中Ri =rid 。图7-10 串联负反馈对输入电阻的影响 (2) 并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈输入端的电路结构形式如图7-11所示。对电压并联负反馈和电流并联负反馈效果相同，只要是并联负反馈就可使输入电阻减小。有反馈时的输入电阻图7-11并联负反馈对输入电阻的影响 = 7-1.4.3 负反馈对输出电阻的影响 (1) 电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈可以使输出电阻减小，这与电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。图7-12为求输出电阻的等效电路，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的电压，并将输入端接地。于是有 式中Avo是负载开路时的放大倍数。 图7-12 电压负反馈对输出电阻的影响 (2) 电流负反馈使输出电阻增加 电流负反馈可以使输出电阻增加，这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳定性就好。图7-13为求输出电阻的等效电路，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的电压，并将输入端接地。图7-13 电流负反馈对输出电阻的影响 由图7-13可得 式中Ais是负载短路时的开环增益，即将负载短路，把电压源转换为电流源，再将负载开路的增益。7-1.4.4 负反馈对通频带的影响 放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了，见图7-14。图7-14 负反馈对通频带的影响 无反馈时的通频带Df= f HfL f H 放大电路高频段的增益为 有反馈时 有反馈时的通频带 DfF = (1+AmF)f H负反馈放大电路扩展通频带有一个重要的特性，即增益与通频带之积为常数 7-1.4.5 负反馈对非线性失真的影响 负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。因加入负反馈，放大电路的输