《反馈放大电路》PPT课件.ppt

7 1反馈的基本概念与分类 7 2负反馈放大电路的方框图及增益的一般表达式 7 3负反馈对放大电路性能的改善 7 4负反馈放大电路的分析方法 7反馈放大电路 7 5负反馈放大电路的稳定问题 学习指导 小结 作业 反馈在电子电路中应用极为广泛 按照极性的不同 反馈可分为负反馈和正反馈两种类型 它们在电子电路中的作用不同 在所有实用的放大电路中都要适当地引入负反馈 用以改善放大电路的一些性能指标 正反馈会造成放大电路的工作不稳定 但在波形产生 即振荡 电路中则要引入正反馈 以满足自激振荡的件 主要内容 1 反馈的基本概念 分类及特点 2 负反馈对放大电路性能的影响 3 负反馈放大电路的稳定问题 学习指导 基本要求 1 正确理解反馈的基本概念 负反馈放大电路增益的一般表达式 4种反馈组态及其特点 2 能用瞬时极性法判别正 负反馈及反馈类型 正确解释负反馈对放大电路性能的影响 3 近似计算深度负反馈放大电路的增益 4 了解负反馈放大电路产生自激的原因和条件 能用稳定裕度的概念分析反馈放大电路的稳定性 学习目标 会看 会判断反馈的类型和极性 会定性分析其作用 会引 会根据需要正确引入反馈 会算 会估算深度负反馈放大电路的闭环增益 会消振 会通过实验调试消除反馈放大电路中的自激振荡 学习方法 反馈放大电路是本课程的重点 也是难点 为达到本章的学习目标 首先必须针对几个电路实例 深入掌握一些重要的基本概念 如反馈 反馈网络 反馈信号 净输入信号 开环与闭环 直流和交流反馈 负反馈和正反馈 即反馈的极性 电压和电流反馈 串联和并联反馈 在此基础上 用瞬时极性法 输出短路法等方法判断反馈的极性和反馈的类型 掌握负反馈对放大电路性能的影响 并以此为依据引入符合要求的反馈 不仅要会定性分析反馈 还要会定量计算 这样才能更加深入地理解在放大电路中引入负反馈的重要性 基本公式表明了开环和闭环增益之间的关系 它是在中频区推导出来的 其中的 1 决定了反馈对放大电路性能的影响程度 在的条件下 可由估算放大电路的闭环增益 负反馈放大电路中的自激振荡是必须要加以消除的 因此 要清楚自激振荡产生的原因及条件 从而懂得如何消除自激振荡 7 1反馈的基本概念与分类 7 1 1基本概念 7 1 2四种类型的反馈组态 1 反馈 2 内部反馈和外部反馈 3 正反馈与负反馈 4 级间反馈与本级反馈 5 交流反馈与直流反馈 6 串联反馈与并联反馈 7 电压反馈与电流反馈 1 电压串联负反馈 2 电流并联负反馈 3 电压并联负反馈 4 电流串联负反馈 5 电压和电流负反馈的特点 6 信号源对反馈效果的影响 7 四种反馈组态中各信号量的比较 放大电路A 输入信号 Ui或Ii 输出信号 Uo或Io 反馈网络F 反馈信号 Uf或If 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 正向传输 反向传输 放大电路有反馈也称闭环 放大电路无反馈也称开环 7 1 1基本概念 1 反馈 7 1 1基本概念 1 反馈 将电子系统输出回路的电量 电压或电流 送回到输入回路的过程称之为反馈 反馈通路 信号反向传输的渠道 开环 无反馈通路 闭环 有反馈通路 反馈通路 反馈网络 信号的正向传输 判断有无反馈的方法 看有无联系输出和输入的电路元素 7 1 1基本概念 内部反馈 外部反馈 2 内部反馈和外部反馈 7 1 1基本概念 3 正反馈与负反馈 正反馈 输入量不变时 引入反馈后输出量变大了 负反馈 输入量不变时 引入反馈后输出量变小了 另一角度 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 判别方法 瞬时极性法 即在电路中 从输入端开始 沿着信号流向 标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 正斜率或负斜率 用 号表示 动画一 例 净输入量 净输入量 负反馈 正反馈 反馈通路 反馈通路 级间反馈通路 净输入量 级间负反馈 4 级间反馈与本级反馈 7 1 1基本概念 5 交流反馈与直流反馈 交 直流负反馈 判别方法 根据反馈到输入端的信号是交流 还是直流 或同时存在 来进行判别 它取决于反馈通路 引入直流负反馈的目的主要是稳定静态工作点 引入交流负反馈的目的主要是改善放大电路的性能 增加隔直电容C后 Rf只对交流起反馈作用 注 本电路中C1 C2也起到隔直作用 7 1 1基本概念 5 交流反馈与直流反馈 增加旁路电容C后 Rf只对直流起反馈作用 7 1 1基本概念 5 交流反馈与直流反馈 输入端 反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式 7 1 1基本概念 6 串联反馈与并联反馈 并联反馈 串联反馈 7 1 1基本概念 6 串联反馈与并联反馈 输出端 反馈信号在输出端分为取电压和取电流两种方式 7 1 1基本概念 7 电压反馈与电流反馈 判别方法电压 将负载短路 反馈信号为零 电流 将负载短路 反馈信号仍然存在 电压反馈 电流反馈 7 1 1基本概念 7 电压反馈与电流反馈 反馈类别的小结 反馈信号的极性 正反馈 负反馈 反馈信号使放大器的净输入信号增强 反馈信号使放大器的净输入信号减小 反馈信号的属性 直流反馈 交流反馈 混合反馈 反馈的取样信号 电压反馈 电流反馈 反馈在输入端的引入方式 并联反馈 串联反馈 7 1 1基本概念 负反馈 交流反馈 直流反馈 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 稳定静态工作点 7 1 2四种类型的反馈组态 重点讨论交流负反馈的四种组态 3 是否负反馈 4 是负反馈 那么是何种类型的负反馈 判断反馈的组态 1 找出反馈网络 电阻 2 是交流反馈还是直流反馈 7 1 2四种类型的反馈组态 反馈类型的分析步骤 动画二 动画三 1 电压串联负反馈 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf和Re1 2 判断反馈的类型 3 将输出对地短路 反馈消失 因此是电压反馈 4 输入信号和反馈信号分别加在三极管的b e 为串联反馈 2 假定输入电压的瞬时极性为正 反馈电压的瞬时极性也为正 Udi Ui Uf Ui 因此是负反馈 1 电路中无电容 因此是交直流反馈 电路1 判断反馈的类型 Rf和Re1组成两级放大电路的交直流电压串联负反馈 Re1又是T1本级的电流串联负反馈 Re2是T2本级的电流串联负反馈 称为级间反馈 电路中存在三个反馈环 分析时以级间反馈作为主要反馈环 1 电压串联负反馈 电路1 方框图 1 电压串联负反馈 电路1 三极管的集电极与基极相位相反 电压串联负反馈 电路2 负反馈 uo uf ube ui uf uc1 ub2 uc2 uo 电路2 电压负反馈的重要特点是电路的输出电压趋于维持恒定 电路3 运放输出的极性与同相输入端的极性相同 与反相输入端的极性相反 电压串联负反馈 负反馈 电路4 电压串联负反馈 负反馈 2 电流并联负反馈 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf和Re2 2 判断反馈的类型 3 将输出对地短路 反馈仍存在 因此是电流反馈 4 输入信号和反馈信号都加在三极管的基极 故为并联反馈 2 由瞬时极性法可判断 If的方向由输入流入Rf Idi Ii If Ii 因此是负反馈 1 电路中无电容 因此是交直流反馈 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 电路1 方框图 电路2 电流并联负反馈 电流负反馈的重要特点是电路的输出电流趋于维持恒定 电路3 iID iI iF 电流并联负反馈 负反馈 电流并联负反馈 负反馈 iB1 is iF 电路4 3 电压并联负反馈 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf 2 判断反馈的类型 3 将输出对地短路 反馈消失 因此是电压反馈 4 输入信号和反馈信号都加在三极管的基极 故为并联反馈 2 由瞬时极性法可判断 If的方向由输入流入Rf Idi Ii If Ii 因此是负反馈 1 电路中无电容 因此是交直流反馈 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 电路1 方框图 iID iI iF 电压并联负反馈 负反馈 电路2 4 电流串联负反馈 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 即与输入回路有关 又与输出回路有关的网络 Re 2 判断反馈的类型 判断是电压反馈还是电流反馈 电压反馈 反馈信号的大小与输出电压成比例 电流反馈 反馈信号的大小与输出电流成比例 由电路知Uf IoRe 与输出电流Io成正比 因此是电流反馈 电路1 判断反馈的类型 2 判断反馈的类型 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 反之 加在放大电路输入回路的两个电极 则为串联反馈 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 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 电路中输入信号Ui加在基极 反馈信号Uf加在发射极 因此是串联反馈 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 按信号传输方向经基本放大器 反馈网络 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 电流串联负反馈 判断反馈的类型 2 判断反馈的类型 Udi Ui Uf Ui 即由于反馈的引入削弱了净输入信号 因此是负反馈 电流串联负反馈 判断反馈的类型 2 判断反馈的类型 电容观察法 反馈通路如存在隔直电容 则为交流反馈反馈通路如存在旁路电容 则为直流反馈反馈通路不存在电容 则为交直流混合反馈 显然 反馈为交直流混合反馈 综合前面分析可知 该电路反馈元件Re引入的是交直流 电流串联负反馈 方框图 由交流通路得到 电路2 vS vI vF vID vID vI vF 电流串联负反馈 负反馈 电路3 vS vF vgs vI vF 电流串联负反馈 负反馈 A 电压串联负反馈 RL 电压负反馈 稳定输出电压 5 电压和电流负反馈的特点 RL 电流负反馈 稳定输出电流 B 电流并联负反馈 6 信号源对反馈效果的影响 vID vI vF 要想反馈效果明显 就要求vF变化能有效引起vID的变化 则vI最好为恒压源 即信号源内阻RS越小越好 iID iI iF 要想反馈效果明显 就要求iF变化能有效引起iID的变化 则iI最好为恒流源 即信号源内阻RS越大越好 串联负反馈 并联负反馈 7 四种反馈组态中各信号量的比较输出量 输入量 净输入量 反馈量的量纲各不相同 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 为什么在并联负反馈电路中不加恒压源信号 为什么在串联负反馈电路中不加恒流源信号 7 2负反馈放大电路的方框图及增益的一般表达式 7 2 1负反馈放大电路的方框图 7 2 2负反馈放大电路增益的一般表达式 环路增益 反馈深度的讨论 表达式推导 构成 信号的单向化传输 开环时反馈网络的负载效应 7 2 1负反馈放大电路的方框图 1 构成 信号源 输出信号 反馈放大电路的输入信号 反馈信号 基本放大电路的输入信号 净输入信号 反馈放大电路的三个环节 放大 反馈 叠加 基本放大电路A 反馈网络F 输出信号 输入信号 反馈信号 差值信号 2 信号的单向化传输 信号的正向传输 信号的反向传输 信号在反馈网络中的正向传输 信号在基本放大电路中的反向传输 7 2 1负反馈放大电路的方框图 2 信号的单向化传输 信号的正向传输 信号的反向传输 7 2 1负反馈放大电路的方框图 单向化 7 2 1负反馈放大电路的方框图 3 开环时反馈网络的负载效应 对输入口的影响 对输出口的影响 7 2 2负反馈放大电路增益的一般表达式 1 表达式推导 开环增益 考虑反馈网络的负载效应 反馈系数 闭环增益 因为 所以 已知 即 闭环增益的一般表达式 又因为 所以 对信号源的增益 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 信号在四种反馈阻态中的具体形式 四种反馈组态中各信号量的比较输出量 输入量 净输入量 反馈量的量纲各不相同 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 2 反馈深度的讨论 一般负反馈 7 2 2负反馈放大电路增益的一般表达式 称为反馈深度 深度负反馈 正反馈 自激振荡 3 环路增益 7 2 2负反馈放大电路增益的一般表达式 环路电压增益 7 3负反馈对放大电路性能的改善 提高增益的稳定性 减少非线性失真 扩展频带 对输入电阻的影响 为改善性能引入负反馈的一般原则 对输出电阻的影响 7 3 1提高增益的稳定性 1 闭环时 则 只考虑幅值有 即闭环时增益相对变化量减小到开环时的1 1 AF 倍 2 在深度负反馈条件下 即闭环增益只取决于反馈网络 当反馈网络由稳定的线性元件组成时 闭环增益将有很高的稳定性 1 负反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真 但不能完全消除失真 2 负反馈只能减小反馈环内的失真 如输入信号本身就是失真的 负反馈则不能改善失真 7 3 2减少非线性失真 方法1 动画四 7 3 2减少非线性失真 闭环时增益减小 线性度变好 vI vo 方法2 在深度负反馈条件下 幅频特性曲线 放大器的增益AV与频率f的关系曲线 低频截止频率 高频截止频率 BW fh fl 通频带 引入反馈后 增益下降 通频带加宽BWf 1 AF BW 由此可知 负反馈的引入使放大电路的通频带得到展宽 7 3 3扩展频带 负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关 即与串联或并联反馈有关 而与输出取样无直接关系 即与电压或电流反馈无关 1 串联负反馈使输入阻抗增加 无反馈时 ri Udi Ii 有反馈时 rif Ui Ii 7 3 4对输入电阻的影响 2 并联负反馈使输入阻抗减小 无反馈时 ri Ui Idi 有反馈时 rif Ui Ii Ii If Idi If AFIdi Ii 1 AF Idi 负反馈对输出电阻的影响与输出取样的内容有关 即与电压或电流反馈有关 而与输入端的连接方式无直接关系 即与串联或并联反馈无关 7 3 5对输出电阻的影响 1 电压负反馈 电压负反馈能稳定输出电压 电压负反馈使输出电阻减小 7 3 5对输出电阻的影响 2 电流负反馈 电流负反馈能稳定输出电流 电流负反馈使输出电阻增大 为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量 引入直流负反馈 要稳定交流量 引入交流负反馈 要稳定输出电压 引入电压负反馈 要稳定输出电流 引入电流负反馈 要增大输入电阻 引入串联负反馈 要减小输入电阻 引入并联负反馈 要增大输出电阻 要减小输出电阻 引入电流负反馈 引入电压负反馈 7 4深度负反馈条件下放大电路的分析方法 1 找出信号放大通路和反馈通路 2 用瞬时极性法判断正 负反馈 3 判断交 直流反馈 4 判断反馈组态 5 标出输入量 输出量及反馈量 6 估算深度负反馈条件下电路的 分析负反馈放大电路的一般步骤 1 深度负反馈的特点 即 深度负反馈条件下 闭环增益只与反馈网络有关 由于 则 又因为 代入上式 得 输入量近似等于反馈量 净输入量近似等于零 由此可得深度负反馈条件下 基本放大电路 两虚 的概念 深度负反馈条件下的近似计算 1 深度负反馈的特点 串联负反馈 输入端电压求和 深度负反馈条件下 虚短 虚断 虚短 虚断 并联负反馈 输入端电流求和 深度负反馈条件下的近似计算 2 各种反馈组态的近似计算 1 电压串联负反馈 利用虚短和虚断的概念得知 则反馈系数为 闭环电压增益 深度负反馈条件下的近似计算 2 各种反馈组态的近似计算 2 电流并联负反馈 利用虚短和虚断可知 反馈系数为 闭环增益 闭环电压增益 则 深度负反馈条件下的近似计算 2 各种反馈组态的近似计算 3 电压并联负反馈 则反馈系数为 闭环增益 闭环电压增益 利用虚短和虚断可知 深度负反馈条件下的近似计算 2 各种反馈组态的近似计算 4 电流串联负反馈 则反馈系数为 闭环增益 闭环电压增益 利用虚短和虚断可知 深度负反馈条件下的近似计算 例 电路如图所示 近似计算它的电压增益 闭环增益 闭环电压增益 解 忽略基极直流偏置电路后的交流通路如下图所示 电路为电流串联负反馈 则反馈系数为 注 电路必须满足深度负反馈条件才有此结论 在深度负反馈条件下 利用虚短和虚断可知 例 求 1 大环组态 2 二 三级局部组态 闭环增益 闭环电压增益 在深度负反馈条件下 利用虚短和虚断可知 解 1 电压并联负反馈 则反馈系数为 3 深度负反馈下大环的闭环电压增益 2 T2电流串联负反馈 T3电流串联负反馈 T2和T3级间电流串联反馈 3 例 求 1 判断反馈阻态 解 1 电压串联负反馈 2 深度负反馈下大环的闭环电压增益 例 求 1 判断反馈组态 闭环电压增益 在深度负反馈条件下 利用虚短和虚断可知 解 1 电压串联负反馈 则反馈系数为 2 深度负反馈下大环的闭环电压增益 2 7 5 1自激及稳定工作条件 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 2 产生原因 在高频区或低频区产生的附加相移达到180 使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈 当满足了一定的幅值条件时 便产生自激振荡 7 5负反馈放大电路的稳定问题 7 5 1自激及稳定工作条件 3 自激振荡条件 自激振荡 反馈深度 即 又 得自激振荡条件 幅值条件 相位条件 附加相移 注 输入端求和的相位 1 不包含在内 闭环增益 7 5 1自激及稳定工作条件 4 稳定工作条件 破坏自激振荡条件 或写为 其中 Gm 幅值裕度 一般要求Gm 10dB m 相位裕度 一般要求 m 45 保证可靠稳定 留有余地 Gm幅值裕度 m相位裕度 7 5 1自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 环路增益的幅频响应写为 利用波特图分析 即该点满足 7 5 1自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 判断稳定性方法 若P点在水平线之下 稳定 否则不稳定 或 7 5 1自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 基本放大电 基本放大 反馈深度越深 越容易自激 小结 1 几乎所有实用的放大电路中都要引入负反馈 反馈是指把输出电压或输出电流的一部分或全部通过反馈网络 用一定的方式送回到放大电路的输入回路 以影响输入电量的过程 反馈网络与基本放大电路一起组成一个闭合环路 通常假设反馈环内的信号是单向传输的 即信号从输入到输出的正向传输只经过基本放大电路 反馈网络的正向传输作用被忽略 而信号从输出到输入的反向传输只经过反馈网络 基本放大电路的反向传输作用被忽略 判断 分析 计算反馈放大电路时都要用到这个合理的设定 小结 有无反馈的判断方法是 看放大电路的输出回路与输入回路之间是否存在反馈网络 或反馈通路 若有则存在反馈 电路为闭环的形式 否则就不存在反馈 电路为开环的形式 2 在熟练掌握反馈基本概念的基础上 能对反馈进行正确判断尤为重要 它是正确分析和设计反馈放大电路的前提 交 直流反馈的判断方法是 存在于放大电路交流通路中的反馈为交流反馈 引入交流负反馈是为了改善放大电路的性能 存在于直流通路中的反馈为直流反馈 引入直流负反馈的目的是稳定放大电路的静态工作点 小结 反馈极性的判断方法是 用瞬时极性法 即假设输入信号在某瞬时的极性为 再根据各类放大电路输出信号与输入信号间的相位关系 逐级标出电路中各有关点电位的瞬时极性或各有关支路电流的瞬时流向 最后看反馈信号是削弱还是增强了净输入信号 若是削弱了净输入信号 则为负反馈 反之则为正反馈 实际放大电路中主要引入负反馈 电压 电流反馈的判断方法是 用输出短路法 即设或 若反馈信号不存在了 则是电压反馈 若反馈信号仍然存在 则为电流反馈 电压负反馈能稳定输出电压 电流负反馈能稳定输出电流 小结 串联 并联反馈的判断方法是 根据反馈信号与输入信号在放大