(97)负反馈放大电路.ppt

5 1反馈的基本概念 5 2负反馈对放大电路的影响 5 3负反馈放大电路的计算 5 4负反馈放大电路的自激振荡 第5章负反馈放大电路 凡是将放大电路输出端的信号 电压或电流 的一部分或全部引回到输入端 与输入信号迭加 就称为反馈 若引回的信号削弱了输入信号 就称为负反馈 增强了 就称为正反馈 反馈基本概念 2 5 1反馈的基本概念5 1 1反馈的定义 3 美国贝尔实验室的Black 布莱克 于1927年发现 把输出信号的一部分反馈给输入 将使放大器的性能得到很大的改善 该问题起源于利用真空管放大器的中继站来提高长距离的通话能力 起初 这些中继站串联起来产生了很大的积累失真 为了保真起见 引入了反馈 没有这个发现 跨越地区的通话将是不可能实现的 事实证明 任何因电路自身所引起的输出偏差都可以通过负反馈加以纠正 反馈基本概念 小资料 Black H S StabilizedFeedbackAmplifiers BellSyst Tech J 1934 13 1 18 4 中转站 5 内部反馈 外部反馈 反馈基本概念 内 外部反馈 取 加强输入信号正反馈用于振荡器 取 削弱输入信号负反馈用于放大器 反馈电路框图 反馈电路框图 6 叠加 输出信号 输入信号 反馈信号 差值信号 反馈电路框图 7 占输出总量的份额 反馈电路的三个环节 开环放大倍数 闭环放大倍数 反馈系数 反馈电路框图 8 定义三个参数 开环放大倍数 反馈系数 闭环放大倍数 要考虑反馈网络的负载效应 9 对输入口的影响 对输出口的影响 考虑到输入端的负载效应时 应令输出量为0 电压 短路 电流 开路 考虑到输出端的负载效应时 应令输入量为0 串联 断开 并联 短路 见实验三 开环时反馈网络的负载效应 10 4 观察输出波形失真的改善 1 在无反馈的情况下 但有Rf的负载效应 即Rf与RL并联 输入信号的频率保持1KHz 逐步增大输入信号VI 使输出波形出现失真 记录此时的VO值 画出波形 实验三部分内容 负反馈放大电路放大倍数的一般表达式 反馈电路框图 11 定义 反馈深度 12 一般负反馈 称为反馈深度 深度负反馈 正反馈 自激振荡 反馈深度的讨论 在实际的反馈放大电路中 通常当 1 AF 10时 便可认为是深度负反馈 后面介绍 13 讨论负反馈放大器的闭环放大倍数 为了分析方便 在以后讨论反馈放大电路性能时 除频率特性外 均假定工作信号在中频范围 且反馈网络具有纯电阻性质 因此 均可用实数表示 14 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 Rf RE1组成反馈网络 反馈系数 15 例 忽略了IE1 16 5 1 2反馈类型及其判断 17 一 正反馈与负反馈 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 常用的判别方法 瞬时极性法 假定输入信号在某一时刻的极性 以此为依据推出其它各点的瞬时极性 用 号表示 得到输出信号的极性 最后判定反馈信号的极性 看其使净输入信号增强还是减弱 增强为正反馈 减弱为负反馈 以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言 这样才有可比性 18 严格地说 反馈极性 正反馈还是负反馈 与信号的频率有关 我们通常所说的反馈极性是指中频而言 在此频率下 通常把射极旁路电容 隔直电容看作短路 把管子的极间电容看作开路 并且不产生相移 补充 运用瞬时极性法判定电路各点电位极性时 一定要非常熟练掌握三极管三种基本联接方式 组态 的判定及相应组态输出信号电压的相位关系 双极性型或单极型的晶体三极管有三种基本联接方式 组态 其中双极型是共射极 共集电极和共基极 19 例子 若在反馈网络中串接隔直电容 此时反馈只对交流起作用 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 可以使其只对直流起作用 20 二 交流反馈与直流反馈 仅在直流通路中存在的反馈 直流反馈仅在交流通路中存在的反馈 交流反馈 增加隔直电容C后 Rf只对交流起反馈作用 21 例 增加旁路电容C后 Rf只对直流起反馈作用 22 例 23 四种组态电路的方块图 输入口形态 输出口形态 三 电压反馈和电流反馈 输入口分并联串联输出口分并联串联 24 输入口 F和A分为串联和并联 输出口 F和RL也分为串联和并联 但将输出口的串联和并联分别称为电流反馈和电压反馈 且有一规律 电压负反馈可以稳定输出电压 电流反馈可以稳定输出电流 这样可以顾名思义 知其电路功能 不是随便起名呀 呵呵 从输出端看 反馈信号在输出端的联接分为电压和电流两种方式 若反馈量与输出电压 有时不一定是输出电压 而是取样处的电压 成正比则为电压反馈 若反馈量与输出电流 有时不一定是输出电流 而是取样处的电流 成正比则为电流反馈 电压反馈和电流反馈 26 电压反馈采样的两种形式 电压反馈 一般从后级放大器的集电极采样 采样电阻较大 27 采样电阻很小 电流反馈采样的两种形式 电流反馈 一般从后级放大器的发射极采样 28 a 是根据负载电阻与反馈网络的连接方式来区分 将负载电阻与反馈网络看作双端网络 若负载电阻与反馈网络并联 即输出端和采样端相同 为电压反馈 否则 即输出端和采样端不同 即为电流反馈 判断电压反馈和电流反馈更直观的方法 b 负载短路法 负载短路法实际上是一种反向推理法 假设将放大电路的负载电阻RL短路 此时 若输入回路中仍然存在反馈量 即 则为电流反馈 若输入回路中已不存在反馈 即 则为电压反馈 28 29 电压负反馈可以稳定输出电压 而电流负反馈则可以稳定输出电流 区分电压反馈与电流反馈只有在负载电阻RL变动时才有意义 如果RL固定不变 因输出电压与输出电流成正比 所以 在稳定输出电压的同时也必然稳定输出电流 反之亦然 二者效果相同 但是当负载电阻RL改变时 二者的效果则完全不同 电压负反馈在稳定输出电压时 输出电流将更不稳定 而电流负反馈在稳定输出电流时 输出电压将更不稳定 注意 30 四 串联反馈和并联反馈 从输入端看 反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式 若反馈量与输入量以并联方式相连 即为并联反馈 若反馈量与输入量以串联方式相连 即为串联反馈 31 时 根据反馈量与输入量的连接方式不难区分串联反馈与并联反馈 若反馈量与输入量连到放大电路的两个不同的输入端 则可表示为电压串联比较求和 即为串联反馈 若反馈量与输入量连到放大电路的同一个输入端 则可表示为电流并联比较求和 即为并联反馈 实际应用 32 对于运算放大器构成的反馈电路 运放的同相输入端和反相输入端是两个输入端 对于三极管组成的放大电路来说 三极管的基极和发射极是两个输入端 对于差分放大电路来说 两个基极b1 b2是两个输入端 信号加在差分放大电路的基极b1 反馈接到差分放大电路的基极b2 所以是串联反馈 并 串 ib i if ube ui uf 33 并联反馈串联反馈 输入端 34 正反馈与负反馈 瞬时极性法 电压反馈和电流反馈 串联反馈和并联反馈 交流反馈与直流反馈 从输出端看 b 负载短路法 RL短路后反馈仍存在为电压反馈 否则为电流反馈 a 连接方式法 输出端和采样端相同为电压反馈 否则为电流反馈 从输入端看 连接方式法 输入端和采样端相同为电流反馈 否则为电压反馈 总结反馈的判断 反馈组态判断一 反馈组态判断二 稳定静态工作点 用于改善放大电路性能 35 五 负反馈的分类及判别例子 事实证明 任何因电路自身所引起的输出偏差都可以通过负反馈加以纠正 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 此电路是电压串联负反馈 对直流不起作用 36 例1 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 此电路是电压并联负反馈 对直流也起作用 37 例2 问题 三极管的静态工作点如何提供 能否在反馈回路加隔直电容 不能 Rf为三极管提供静态电流 Rf的作用 1 提供静态工作点 2 直流负反馈 稳定静态工作点 3 交流负反馈 稳定放大倍数 38 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 39 例3 电流并联负反馈 对直流也起作用 可以稳定静态工作点 判断如图电路中RE1 RE2的负反馈作用 1 对交流信号 RE1 电流串联负反馈 40 例4 对直流信号 RE1 RE2对直流均起作用 通过反馈稳定静态工作点 反馈过程 41 判断如图电路中RE3的负反馈作用 电流串联负反馈 42 例5 注意 是瞬时极性法 信号源对反馈效果的影响 串联反馈 串联反馈 如信号源内阻Rs越小 则反馈信号Vf和输入信号Vs在Rs上的损耗越小 当Rs 0时 信号源相当于理想电压源 反馈电压的变化完全反映到净输入端 反馈作用得到充分发挥 反之 如Rs 输入信号源成为恒流源时 净输入电压与Vf无关 负反馈不起作用 43 串联反馈 44 例6线性串联型稳压电路 输入电压VI的增加 必然会使输出电压VO有所增加 输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较 获得误差信号 V 误差信号经放大后为VO1 用VO1去控制调整管的管压降VCE增加 从而抵消输入电压增加的影响 VI VO VF VO1 VCE VO 第11章 45 例7线性串联型稳压电路 根据电路图的接线 当三角波的幅度小于比较放大器的输出时 比较器输出高电平 对应调整管的导通时间为ton 反之输出为低电平 对应调整管的截止时间toff 为了稳定输出电压 应按电压负反馈方式引入反馈 以确定基准源和比较放大器的连线 设输出电压增加 FVO增加 比较放大器的输出Vf减小 比较器方波输出的toff增加 调整管导通时间减小 输出电压下降 起到了稳压作用 各点波形见下页图 由于调整管发射极输出为方波 有滤波电感的存在 使输出电流iL为锯齿波 趋于平滑 输出则为带纹波的直流电压 三角波发生器通过比较器产生一个方波 去控制调整管的通断 调整管导通时 向电感充电 当调整管截止时 必须给电感中电流提供一个泄放通路 续流二极管D即可起到这个作用 有利于保护调整管 09微电子毕业设计内容 46 开关电源波形图 q称为占空比方波高电平的时间占整个周期的百分比 在输入电压一定时 输出电压与占空比成正比 可以通过改变比较器输出方波的宽度 占空比 来控制输出电压值 这种控制方式称为脉冲宽度调制 PWM 例7续 当Rs 时 可看成恒流源 iid is if 反馈电流if的变化完全反映到净输入电流iid中 反馈作用得到充分发挥 反之 如Rs 0 信号源相当于理想电压源 净输入电流iid为 并联反馈 恒定 即净输入电流iid不随反馈电流if的变化而变化 因而就没有什么反馈作用了 47 反馈效果与负载电阻RL的关系 负反馈电路的基本方程 49 5 2负反馈对放大电路的影响 50 一 对放大倍数的影响 则有 负反馈使放大倍数下降 引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高 2 52 例如 当 1 FA 10时 Af的相对变化量只有A相对变化量的1 10 若未加反馈前放大电路的开环放大倍数变化5 即dA A 5 而引入负反馈后 放大电路的闭环放大倍数的变化量为 可见 引入负反馈以后 放大电路放大倍数的相对变化量减小到0 5 即放大电路的相对稳定性提高了10倍 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络有关 加反馈前 加反馈后 改善 53 二 改善波形的失真 注 负反馈只能减小本级放大器自身产生的非线性失真和自身的噪声 对输入信号存在的非线性失真和噪声 负反馈是无能为力的 负反馈对放大电路的影响动画 54 同学问 如果负反馈后 波形被改善得不失真了 那么再反馈岂不是又没有改善的功效了吗 答 你这个问题提的很好我是这样认为的 输出信号只是被改善了 并没有完全不失真 只要有一点失真 负反馈就有改善的功效 所以如果负反馈是彻底消除了失真 就会出现你问到的问题 但是实践证明负反馈是改善了输出波形的 所以负反馈应该是改善 而不是彻底的消除失真 55 三 对电路输入 输出电阻的影响 定性了解 1 串联负反馈使输入电阻增加 2 并联负反馈使输入电阻减小 例如 射极输出器 理解 串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻 故输入电阻增加 理解 并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路 故输入电阻减小 56 3 电压负反馈使输出电阻减小 理解2 电压负反馈目的是阻止 uo的变化 稳定输出电压 放大电路空载时可等效右图框中为电压源 输出电阻越小 输出电压越稳定 反之亦然 57 理解1 电压负反馈相当于在输出回路中并联了一条支路 故输出电阻减小 理解2 电流负反馈目的是阻止 io的变化 稳定输出电流 放大电路空载时可等效为右图框中电流源 输出电阻越大 输出电流越稳定 反之亦然 4 电流负反馈使输出电阻增加 58 理解1 电流负反馈相当于在输出回路中串联了一个电阻 故输出电阻增加 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 59 四 对通频带的影响 当输入Ui一定时 频率的改变使输出Uo减少时 负反馈量Uf也跟着减小 净输入信号Ud增加 因而使得输出不致下降过多 反之亦然 这就改善了放大器的频率响应 拓了宽放大器通频带 1 直流负反馈可以稳定直流工作点 交流负反馈可以改善放大电路的性能 2 电压负反馈可以稳定输出电压 减小输出电阻 电流负反馈可稳定输出电流 增大输出电阻 3 串联负反馈可增大输入电阻 要求信号源为恒压源 并联负反馈减小输入电阻 要求信号源为恒流源 4 负反馈只能减小自身产生的波形失真和噪声 5 负反馈虽然降低了放大倍数 但使放大倍数更稳定 且通频带展宽了 60 小结 电路比较简单 单级 时 可直接用微变等效电路分析 例 61 5 3负反馈放大电路的计算一 微变等效电路法 方法一 电流串联负反馈 60时 Ao 93 50时 Ao 77 60时 AF 19 4 50时 AF 18 6 无负反馈时 有负反馈时 RB1 100k RB2 33k RE 2 4k RE1 100 RC 5k RL 5k 60EC 15Vrbe 1 62k 62 放大倍数稳定性的比较 结论 1 输入电阻提高了 2 放大倍数减小了 但稳定了 即受晶体管的影响减小 RB1 100k RB2 33k RE 2 4k RE1 100 RC 5k RL 5k 60EC 15Vrbe 1 62k 63 性能比较 输出电阻RC 5k 电流串联负反馈 从负反馈电路的闭环放大倍数的公式出发 先计算Ao和F 再计算AF 64 二 分离法 方法二 略 65 该方法只能估算增益 不能估算其它指标 而深度负反馈放大电路满足 所以由上式可得 又因为 Xf Xi Xd 0 重点 三 深负反馈时放大倍数的估算法 方法三 66 利用上述概念和公式 可以大大简化对深度负反馈放大电路电压放大倍数的计算过程 并能得到工程上允许的近似结果 对不同组态的负反馈电路 式Xf Xi中的Xf和Xi表示不同的电量 见下一页 串联负反馈 虚短 并联负反馈 虚断 67 四种反馈组态下 A F和Af的不同含义 均非电压增益 68 是将反馈网络从电路中分离出来 分离时 对电压反馈 认为输出电压是恒定的 反馈网络与基本放大电路相连端用恒压源Uo代替 图1 2 对电流反馈 认为输出电流是恒定的 则用恒流源Io代替 图3 4 见下例 结合具体电路理解 输出端 如何根据电路求得F呢 就是求Uf Uo之比方法之一 图3 图4 69 因为Uf和If是深度反馈信号 在求解他们的时候 应在深度反馈的被取样信号 Uo Io 的单独作用下进行 所以 反馈电压Uf 串联反馈 就是AB两端的开路电压 而反馈电流If 并联反馈 就是AB两端的短路电流 列出关系式即可求得相应的反馈系数F 输入端 70 电路如下图所示 试估算电压放大倍数 解 已知该电路属于电压串联负反馈组态 故 Af Auf F Fu 1 利用关系式 例题1 IRe1 Ie1 If 但是 Ie1 0 所以 IRe1 If Rf与Re1为串联关系 即认为Ie1 0 只有Uo单独作用下的If存在 If 71 该电路的反馈网络等效电路如右图所示 由图知 2 利用Uf Ui 电压串联负反馈等效电路 If Ie1 0 更简单 实验3 72 电路如图所示 估算电压放大倍数 解 由图可判断该电路为电流串联负反馈组态 故Af Agf F Fr 1 利用关系式 例题2 四种反馈组态下 A F和Af的含义不同见P63 73 该电路的反馈网络等效电路如图所示 由图可知 Uf IoRe 故 由定义知 可见 电流串联负反馈利用这种关系求解Auf 不必进行转换 很简单 74 电路如教材所示 试估算ArfS 解 这是一个电压并联负反馈电路 故Af Arf F Fg 例题3 该电路的反馈网络等效电路如图所示 由图可知 1 利用关系式 故 而 电压并联负反馈等效电路 因为是深度并联负反馈 所以Rs rif 故Ui 0 75 2 利用电压并联负反馈关系式Ii If 由电路可知 而故从而可得 恒流源Rs rif 电压并联负反馈等效电路 76 电路如图所示 试估算AufS 例题4 解 该电路为电流并联负反馈组态 它的反馈网络等效电路如图所示 利用关系式Ii If 故 因而 由图可知 Ie2 Ie2 1 计算负反馈放大电路放大倍数的方法有三种 微变等效法 分离法 深负反馈估算法 微变等效法较精确分离法比较清晰 但有时计算F困难深负反馈估算法简单 但结果误差较大 77 小结 2 深负反馈估算法掌握三点对串联反馈Ui UfUi 0虚短对并联反馈Ii IfIi 0虚断求Uf和If时 应在深度反馈的被取样信号 Uo或Io 的单独作用下进行 而输入端对它们的作用可以忽略 78 5 4 1自激振荡 电路中的反馈形式 5 4负反馈放大电路的自激振荡 重点 稳定工作条件 了解 79 5 4 1自激及稳定工作条件 一放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号输出 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 这种现象就是放大电路的自激振荡 80 电路中的反馈形式 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 振荡电路的输入信号是从自己的输出端反馈回来的 开始产生相移 变成了正反馈 有动画 81 2 产生原因 82 电路中的反馈形式 3 自激振荡条件 83 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 4 自激振荡的判断方法 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 此时 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 84 理想线性的器件是不存在的 任何实际的器件都一定的非线性 随着输入信号的增大 有源器件 比如transistors 开始出现明显增益压缩 表现为输出信号不再跟随输入信号成比例变化 管子的工作点处于饱和区域 或截止区域 和线性放大区的过渡区域 当信号幅度再大到一定程度后 管子的工作点移动到饱和区 或截止区 输出信号几乎保持不变 典型的如在没有限幅措施的振荡电路中 运放 或其他放大器 被最终驱动到饱和输出 接近电源电压 AF 1仅仅是稳态时 稳幅震荡 的振幅条件 对于振荡器的设计来说 要保证初始情况下的 AF 1 才能在噪声或其他扰动作用下触发正反馈的自持震荡 这是起振条件 起振后 随着瞬时振幅的加大 在电路非线性或其他因素 比如AGC 作用下 环路的 AF 下降 使得瞬时振幅下降 相当于一个以振幅为反馈量的负反馈 环路经过一段时间的动态调节 最终处于 AF 1的平衡状态 至于相位条件 当形式上是负反馈时 AF的相位为 180度的整数倍 形式上是正反馈时 AF的相位为 360度的整数倍 AutomaticGainControl自动增益控制 对一个输入信号进行放大 为了方便处理 应该保证输出有一定的幅度同时又不会饱和 但是由于输入信号的幅度通常变化很大 所以不能采用一个简单的单一放大倍数 AGC就是根据输入信号调整放大倍数 是输出信号幅度一致 85 破坏自激振荡条件 保证可靠稳定 留有余地 Gm增益裕度 m相位裕度 电路中的反馈形式 5 稳定工作条件 增益裕度 见教材一般要求Gm 10dB 相位裕度 见教材一般要求 m 45 86 对于一个负反馈放大电路而言 消除自激的方法 就是采取措施破坏自激的幅度或相位条件 最简单的方法是减少其反馈系数或反馈深度 使当附加相移时 这样虽然能够达到消振的目的 但是由于反馈深度下降 不利于放大电路其它性能的改善 为此希望采取某些措施 使电路即有足够的反馈深度 又能稳定地工作 通常采用的措施是在放大电路中加入由RC元件组成的校正电路 如下图所示 它们均会使高频放大倍数衰减快一些 以便当时 常用的消除自激的方法 87 一 电容滞后补偿 在负反馈放大电路的适当地方接入一个电容 上图中将电容并联在前一级的负载上 在中 低频时 容抗很大 所以这个电容基本不起作用 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 电容校正网络 88 二 RC滞后补偿 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 RC校正网络 89 三 密勒电容补偿 将较小的补偿电容跨接放大电路中 以上滞后补偿是以牺牲频带宽度来获得放大电路的稳定性 密勒效应补偿电路 90 四 超前补偿 超前补偿电路常接于反馈网络中 改变反馈系数的频率特性 达到负反馈放大电路的稳定