第五章 放大电路中的反馈.ppt

第5章反馈 5 1反馈的基本概念及基本方程5 2负反馈对放大器性能的影响5 3反馈放大器的分类及对输入 输出阻抗的影响5 4反馈放大器的分析和近似计算 5 5反馈放大器稳定性讨论5 6运算放大器的小信号闭环带宽 压摆率及功率带宽 6 1反馈的基本概念及基本方程 6 1 1什么是反馈 反谓反馈 就是将放大器的输出量 电流或电压 通过一定的网络 回送到放大器的输入回路 并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用 从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程 反馈电路我们并不陌生 在第二章 曾经讨论过的电流负反馈稳定工作点偏置电路 就是一个很好的例子 如图6 1所示 图6 1负反馈稳定工作点电路 6 1 2反馈放大器的基本框图为了使问题的讨论更具普遍性 我们将反馈放大器抽象为如图6 2所示的方框图 图中虚线表示反馈放大器 其输入信号为 输出信号为 反馈放大器包含两部分 即基本放大器和反馈网络 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 图中箭头方向就是信号的传输方向 图6 2反馈放大器基本框图 6 1 3反馈放大器的基本方程 基本放大器的传输增益 也称开环增益或开环放大倍数 6 1 6 2 6 3 6 4 反馈网络的传输系数 也称反馈系数 环路增益 回归比 现在 我们来推导闭环增益Af与开环增益以及反馈系数之间的关系 由图6 2可见 6 5 6 6 6 7 6 8 6 9 6 2负反馈对放大器性能的影响 6 2 1负反馈使放大倍数稳定度提高 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的放大倍数不稳定 通常用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性 开环放大倍数相对稳定度为闭环放大倍数相对稳定度为 6 13 6 14 例1设计一个负反馈放大器 要求闭环放大倍数Af 100 当开环放大倍数A变化 10 时 Af的相对变化量在 0 5 以内 试确定开环放大倍数A及反馈系数F值 解因为 所以 反馈深度D必须满足 因为 所以 因为 6 2 2负反馈使放大器通频带展宽 线性失真减小简单的数学分析将告诉我们 频带展宽的程度与反馈深度有关 设开环增益的高频响应具有一阶极点 即 6 15 6 16 6 17 6 18a 6 18b 6 19 显然 AIf是闭环中频放大倍数 它比开环中频放大倍数减小了 1 FAI 倍 fHf是闭环放大倍数的上限频率 它比开环上限频率展宽了 1 FAI 倍 定义增益频带积为中频增益与上限频率的乘积 即有 6 20 6 21 图6 3负反馈改善放大器频率响应的示意图 图6 4引起频率失真的因素必须包含在反馈环之内 6 2 3负反馈使非线性失真减小 输入动态范围展宽负反馈减小非线性失真的原理可以用图6 5简要说明 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 使输出信号产生了非线性失真 如图6 5 a 所示 将输出信号形象地描述为 上长下短 的非正弦波 引入负反馈后 如图6 5 b 图6 5负反馈改善非线性失真的工作原理示意图 a 无反馈 b 负反馈使非线性失真减小 6 22 6 23 6 24 6 25 6 2 4负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响 利用负反馈抑制放大器内部噪声及干扰的机理与减小非线性失真是一样的 负反馈输出噪声下降 1 AF 倍 如果输入信号本身不携带噪声和干扰 且其幅度可以增大 输出信号分量保持不变 那么放大器的信噪比将提高 1 AF 倍 综上所述 负反馈有以下特点 1 负反馈使放大器的放大倍数下降 但增益稳定度提高 频带展宽 非线性失真减小 内部噪声干扰得到抑制 且所有性能改善的程度均与反馈深度 1 AF 有关 2 被改善的对象就是被取样的对象 例如 反馈取样的是输出电流 则有关输出电流的性能得到改善 反之 取样对象是输出电压 则有关输出电压的性能得到改善 3 负反馈只能改善包含在负反馈环节以内的放大器性能 对反馈环以外的 与输入信号一起进来的失真 干扰 噪声及其它不稳定因素是无能为力的 6 3反馈放大器的分类及对输入 输出阻抗的影响 6 3 1电压反馈与电流反馈 按反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同 反馈分为电压反馈和电流反馈两种类型 如图6 6 a 所示 反馈网络与基本放大器输出端并联连接 反馈信号直接取自于输出电压 且与输出电压成正比 若令 则反馈信号立即为零 我们将这种反馈称之为电压反馈 图6 6电压反馈和电流反馈 6 3 2电压反馈和电流反馈对输出电阻的影响 电压反馈与电流反馈对放大器输出电阻的影响极为不同 电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增大 图6 7给出分析电压负反馈输出电阻的等效电路 其中 Ro为基本放大器的输出电阻 即开环输出电阻 为等效路电压 A0为不计负载时的放大倍数 反馈放大器的输出电阻定义为 图6 7电压负反馈放大器输出电阻的计算 6 26 6 27 6 28 式 6 28 表明 电压负反馈使放大器输出电阻减少了 1 A0F 倍 输出电阻减小 意味着负载RL变化时 输出电压的稳定度提高了 这与上一节的分析结果是完全一致的 对于电流负反馈 由于反馈信号与输出电流成正比 所以我们采用恒流源等效电路 如图6 8所示 输出电阻Rof为 图6 8电流负反馈放大器输出电阻的计算 6 30 6 29 式 6 30 表明 电流负反馈使放大器的输出电阻增大为Ro的 1 AF 倍 输出电阻增大 意味着负载变化时 输出电流稳定 这一点和上一节的分析结果也是完全一致的 6 3 3串联反馈与并联反馈 根据反馈网络和基本放大器输入端的连接方式不同 反馈有串联反馈和并联反馈之分 如图6 9 a 所示 反馈网络串联在基本放大器的输入回路中 输入信号支路与反馈支路不接在同一节点上 控制端的净输入电压等于输入电压和反馈电压的矢量和 如果是负反馈 则有 6 31 图6 9串联反馈和并联反馈框图 a 串联反馈 b 并联反馈 图6 9 b 所示电路中 反馈网络直接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器的同一节点上 在这种反馈方式中 用节点电流描述较为方便 直观 即放大器的净输入电流等于输入电流和反馈电流的矢量和 如果是负反馈 则有 6 32 图6 10放大器输入回路中引入串联反馈和并联反馈 a 串联反馈 b 并联反馈 反馈输入端 信号输入端 信号输入端 反馈输入端 图6 11差分放大器中引入串联反馈和并联反馈 a 串联反馈 b 并联反馈 6 3 4串联负反馈和并联负反馈对放大器输入电阻的影响 串联负反馈使输入电阻增大 并联负反馈使输入电阻减小 如图6 9 a 所示 输入电阻Rif为 6 33 6 34 6 35 6 36 6 37 图6 12四种典型的负反馈组态电路 a 串联电压负反馈 b 串联电流负反馈 c 并联电压负反馈 d 并联电流负反馈 6 4反馈放大器的分析和近似计算 6 4 1四种组态反馈放大器增益和反馈系数的定义及近似计算 为了分析计算公式的一致性和反映四种反馈组态的特点 定义不同的增益和反馈系数 一 串联电压负反馈如图6 12 a 所示 串联电压负反馈的增益和反馈系数的定义为 二 串联电流负反馈 如图6 12 b 所示 电流反馈的反馈信号正比于输出电流 故串联电流负反馈的增益和反馈系数的定义为 6 38 6 39 三 并联电压负反馈 如图6 12 c 所示 并联反馈的输入量取电流 反馈量也为电流 而输出量是电压 故并联电压负反馈的增益和反馈系数的定义 6 40 四 并联电流负反馈 如图6 12 d 所示 并联电流负反馈的输入量 反馈量及输出量均取电流 故增益和反馈系数定义为 6 41 可见 Ai Aif及Fi都是无量纲的 6 42 6 43 6 4 2集成运算放大器的两种基本反馈阻态 一 集成运算放大器的开环传输特性 集成运算放大器是高增益的直接耦合放大器 在集成运算放大器中施加深度负反馈 就可以得到性能十分优异的放大电路 集成运算放大器有两个输入端和一个输出端 输出电压正比于两个输入电压之差 图6 13集成运算放大器开环传输特性 a 运算符号 b 开环传输特性 二 并联电压负反馈 反相比例放大器 如图6 14 a 所示 图6 14并联电压负反馈 反相比例放大器 a 电路 b 闭环传输特性 1 闭环增益Auf 根据深反馈条件 6 44 6 45 2 闭环输入电阻Rif 由图6 14 a 可见 反馈电阻R2跨接在运放的输入端和输出端 应用密勒定理 将R2等效到运放的输入端 则等效阻抗Z1为 6 46 6 47 图6 15反相比例放大器的输入电阻 3 闭环输出电阻Rof 因为理想运算放大器的输出电阻Ro 0 施加电压负反馈后的输出电阻进一步减小 所以 6 48 三 串联电压负反馈 同相比例放大器 如图6 16 a 所示 6 49 6 50 6 51 图6 16串联电压负反馈 同相比例放大器 a 电路 b 闭环传输特性 图6 16串联电压负反馈 同相比例放大器 a 电路 b 闭环传输特性 图6 17运放构成的电压跟随器 理想运算放大器开环输入阻抗Ri 输出电阻Ro 0 串联电压负反馈又使输入阻抗增大 输出电阻减小 所以 闭环输入电阻Rif 闭环输出电阻Rof 0 6 4 3分立元件负反馈放大器的分析计算一 单级负反馈放大器电路图6 18给出了三个单级放大器电路 这三个电路是大家十分熟识的电路 其放大倍数 输入电阻 输出电阻在第二章用等效电路方法已经计算过 这里我们仅从负反馈的角度进一步认识它们 1 单级串联电压负反馈电路 图6 18 a 为共集放大器 即射极跟随器 图6 18三种不同反馈组态的单级放大器 图6 18三种不同反馈组态的单级放大器 2 单级串联电流负反馈电路 图6 18 b 电路是一个基极输入 集电极输出的共射放大器 6 55 6 56 该电路的输出电阻可视为集电极负载电阻RC与管子支路的等效输出电阻R of并联 因为电流反馈使管子支路的输出电阻增大了 所以总的输出电阻Rof为 6 57 3 单级并联电压负反馈电路 图6 18 c 电路得 6 58 6 59a 6 59b 6 59c 6 60 二 多级反馈放大器电路 1 串联电压负反馈对 图6 19给出一个二级级联的共射 共射放大电路 观察该电路 发现R4将输出电压反馈到第一级发射极 所以R4和R3组成两级间的大闭环反馈网络 6 61 图6 19串联电压负反馈对 图6 20等效到第一级射极的反馈电压 a 输入回路等效 b 戴文宁等效电路 6 62 6 63 2 并联电流负反馈对如图6 21所示 R6将第二级射极和第一级基极连在一起 R1 R6和R5构成了两级间的反馈网络 6 64 6 65 6 66 图6 21并联电流负反馈对 3 串联电流负反馈电路 图6 22是一个三级串联电流负反馈放大器 其中 R8将V3射极电压反馈到V1的射极 信号从V3集电极输出 所以该电路是一个三级串联电流反馈电路 图6 22串联电流负反馈电路 6 67 6 68 6 69 4 并联电压负反馈电路 图6 23是一个三级并联电压负反馈放大器 图6 23三级并联电压负反馈电路 6 70 5 串联电流正反馈电路 前面讨论的都是负反馈电路 但如果将第二级的射极电压反馈到第一级源极 则电路将引进正反馈 如图6 24所示 6 71 图6 24串联电流正反馈电路 6 复反馈放大器 以上讨论的电路 其反馈系数F都是常数 与频率无关 所谓复反馈 就是反馈网络引入电抗元件 电容或电感等 以致于反馈系数F成为频率的函数 如图6 25 a 所示 图6 26 a b 分别给出两个单片集成宽带放大器电路 其中图 a 中的C1 C2就是高频补偿电容 即复反馈电容 R4 R5 C1引入三级间的串联电压复反馈 R3 R6 C2引入了两级间的并联电流复反馈 图6 25电流复反馈电路及高频响应的补偿 a 电流复反馈电路 b 复反馈补偿电流高频响应 图6 25电流复反馈电路及高频响应的补偿 a 电流复反馈电路 b 复反馈补偿电流高频响应 图6 26单片集成宽带放大器电路 图6 26单片集成宽带放大器电路 三 反馈放大器例题分析 例2电路如图6 27所示 这是一个两级放大器 第一级为场效应管差分放大器 第二级为运放构成的反相比例放大器 1 为进一步提高输出电压稳定度 试正确引入反馈 2 计算开环放大倍数 3 计算引入反馈后的闭环放大倍数Auf 4 若一定要求引入并联电压负反馈 电路应如何改接 图6 27例2电路 解 1 为进一步提高输出电压稳定度 必须引入电压负反馈 如图6 27虚线所示 这有两种可能 一种是将反馈引至V1管栅极 开关S b 构成并联反馈 另一种是将反馈引至V2栅极 开关S a 构成串联反馈 问题的关键是哪一种能保证是 负反馈 根据瞬时极性判别法 我们将各点信号的极性标于图6 27中 判断结果 开关S接a点 构成了串联电压负反馈 而接b点则为正反馈 所以电路应将开关S接a点 2 开环增益 若将S接c点 则没有引入反馈 此时 其中 3 引入串联电压负反馈后的闭环增益Auf为 4 若一定要求引入并联电压负反馈 最简单的办法是将第一级输出由V1管漏极改为V2管的漏极 6 5反馈放大器稳定性讨论 6 5 1负反馈放大器稳定工作的条件 负反馈放大器的基本方程如式 6 72 所示 6 73a 6 72 6 73b 6 73c 6 74 图6 28用环路增益来判断稳定性 6 5 2利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定性如果反馈网络F为常数 则我们可以用开环增益A j 直接来判断放大器是否能稳定工作 我们以集成运算放大器为例来说明该问题 某运算放大器的开环特性A j 为一个三极点放大器 即 6 75 图6 29用开环特性波特图来判断放大器的稳定性 6 76 6 77 6 78 6 5 3常用的消振方法 相位补偿法一 电容滞后补偿 这种补偿方法是在放大器时常数最大的那一级里并接补偿电容C 以高频增益下降更多来换取稳定工作之目的 如图6 30所示 图6 30电容滞后补偿的开环频率特性波特图 二 零极点对消 RC滞后补偿 与单纯的电容滞后补偿不同 RC滞后补偿可在A j 中引入一个零点 6 79 图6 31零极点相消 RC滞后补偿 a RC串联补偿网络电路 b 输出等效电路 c 简化等效电路 6 80 6 81 6 82 6 83 6 84 图6 32零极点相消 RC滞后补偿的开环频率响应波特图 三 密勒效应补偿 利用密勒效应进行补偿 可大大减小补偿电容的容量 如图6 33所示 6 85 若C 30pF A2 1000 则C 30000pF 密勒效应补偿在集成电路中有着广泛的应用 因为集成电路工艺不宜制作大容量电容 密勒效应补偿使小电容发挥大电容的作用 图6 33密勒电容补偿 四 导前补偿 负反馈自激振荡的条件为环路增益 A j F j 1 相移 A F 180 前面分析中 我们设F不是频率的函数 用校正和补偿A j 的办法来消振 如果我们设计成F是频率的函数 而且在F j 的表达式中引入一 导前相移 与A j 的 滞后相移 相抵消 而使总相移小于 180 那么 同样可以达到消振的目的 如图6 34所示 6 86 图6 34导前补偿电路 式中 R R1 Rf 记 6 87 6 6运算放大器的小信号闭环带宽 压摆率及功率带宽 6 6 1运算放大器的小信号闭环带宽我们知道 通用运算放大器的开环增益很大 而 3dB带宽BW很窄 引入深度负反馈