5 放大器中的负反馈(56).ppt

线性电子电路 文凤 书山有路勤为径学海无崖苦作舟 第五章放大器中的负反馈 第五章放大器中的负反馈 电子设备对所应用的放大器的质量要求越来越高 要求放大器的非线性失真小 频率特性好 增益稳定度高 并且具有所需要的输入 输出电阻 提高放大器的质量的一个重要措施就是在基本放大器基础上加一负反馈网络 引入负反馈可以改善放大器的性能 如提高放大器的增益稳定度 展宽频带 减小非线性失真等 因而负反馈在电子电路中应用非常广泛 可以这么说几乎所有的实用放大电路都是带负反馈的电路 这一章牵涉到许多以前没接触的名词 概念 因而我们先从负反馈放大器的基本概念入手 然后介绍反馈放大器的类型及性质的判别方法以及各种类型负反馈放大器性能改善情况 引入负反馈的一般原则 最后讲它的分析方法 并估算深度负反馈条件下的放大器的性能指标及电路稳定性分析 第五章放大器中的负反馈 主要内容 返回 5 2负反馈对放大器性能的影响 5 4深度负反馈 5 3负反馈放大器的性能分析 5 1反馈放大器的基本概念 5 5负反馈放大器的稳定性 5 1负反馈放大器的基本概念 第五章放大器中的负反馈 在前一章放大器基础中讨论静态工作点稳定问题时已接触过反馈现象 直流通路 T ICQ VEQ ICQRE VBEQ VBQ VEQ IBQ ICQ ICQ的变化通过RE改变VEQ 从而改变输入回路偏置电压VBEQ的这个过程称为反馈 一 反馈的概念 直流通路中存在的反馈称直流反馈 用来稳定直流电量的直流反馈 称直流负反馈 交流反馈 第五章放大器中的负反馈 交流通路 ic ve icRE vbe vi ve ib ic ic的变化通过RE改变ve 从而改变净输入电压vbe 交流通路中存在的反馈称交流反馈 用来稳定交流电量 改善放大器性能的交流反馈 为交流负反馈 反馈及反馈放大器的概念 二 反馈放大器的基本组成框图 第五章放大器中的负反馈 反馈 将放大器输出信号的部分或全部 通过一定形式的反馈网络 比如Re 取样后以一定的方式送回到电路输入端 并对净输入信号进行调整的过程就称为反馈 xi x i xf xo为反馈放大器的四个标准物理量 反馈放大器 具有反馈的放大器称为反馈放大器 三 反馈放大器的主要参数 第五章放大器中的负反馈 开环增益 反馈系数 闭环增益 反馈深度 环路增益 反馈深度F 或环路增益T 是衡量反馈强弱的一项重要指标 其值直接影响电路性能 5 1 2四种类型负反馈放大器 第五章放大器中的负反馈 一 反馈放大器的类型 从输出端看 1 若反馈网络与基本放大器并接 反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈 输出量xo为vo例 2 若反馈网络与基本放大器串接 反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈 输出量xo为io例 即从输出端看反馈方式有两种 电压反馈和电流反馈 返回类型判别方法 电压反馈 第五章放大器中的负反馈 返回 电压并联反馈 电压串联反馈 正 负 电流反馈 第五章放大器中的负反馈 返回 电流串联反馈 电流并联反馈 负 正 负反馈放大器的类型 第五章放大器中的负反馈 从输入端看 1 若反馈网络与基本放大器串接 反馈信号以电压vf的形式出现 并在输入端进行电压比较 即v i vi vf 例 2 若反馈网络与基本放大器并接 反馈信号以电流if的形式出现 并在输入端进行电流比较 即ii ii if 例 即从输入端看反馈方式有两种 串联反馈和并联反馈 由此可知反馈放大器有四种反馈类型 电压串联反馈 电压并联反馈 电流串联反馈 电流并联反馈 四种类型负反馈放大器增益表达式 返回类型判别方法 串联反馈 第五章放大器中的负反馈 返回 v i vi vf 电流串联反馈 电压串联反馈 负 负 并联反馈 第五章放大器中的负反馈 返回 i i ii if 电压并联反馈 电流并联反馈 负 负 第五章放大器中的负反馈 电压串联负反馈的标准物理量为 vi v i vf vo 电压并联负反馈的标准物理量为 ii i i if o 四种类型负反馈放大器增益表达式 返回 四种类型负反馈放大器增益表达式 第五章放大器中的负反馈 电流并联负反馈的标准物理量为 ii i i if io 电流串联负反馈的标准物理量为 vi v i vf io 返回 二 反馈类型的判别 第五章放大器中的负反馈 判断是否为反馈电路 看电路输出与输入之间是否接有元件 若有则为反馈电路 该元件即为反馈元件 例1 Rf为反馈元件 例2 RE为反馈元件 反馈类型对性能的影响 类型判别方法 类型判别方法 第五章放大器中的负反馈 方法一 短路法 结合前面框图讲 将输出端交流短路 若反馈信号消失 则为电压反馈 反之为电流反馈 将输入端交流短路 若反馈信号加不到输入端 则为并联反馈 反之为串联反馈 方法二 经验法 在一定前提条件下用 有一定局限性 若反馈支路与输出端直接相连为电压反馈 反之为电流反馈 若反馈支路与输入信号端直接相连为并联反馈 反之为串联反馈 例子 返回框图 返回框图 电压反馈 并联 短路法判别反馈类型 第五章放大器中的负反馈 1 判断是电压反馈还是电流反馈 将输出端交流短路RL 0若反馈信号xf 0 则为电压反馈 反之为电流反馈 2 判断是串联还是并联反馈 将输入端交流短路 即令xs 0 Rs 0 若反馈信号加不到输入端 则为并联反馈反之为串联反馈 uf 例1 例2 uf 例3 返回 例子 第五章放大器中的负反馈 将输出端交流短路 RE上的反馈依然存在 电流反馈 将输入端交流短路 RE上的反馈没有消失 串联反馈 分析 结论 RE引入电流串联反馈 例1 例2 例3 负 返回 例1判断下列电路的反馈极性和反馈类型 第五章放大器中的负反馈 电流并联反馈 电流串联反馈 电压并联反馈 电压串联反馈 负 正 负 负 例子 例2 例3 返回 例2判断下列电路的反馈极性和反馈类型 第五章放大器中的负反馈 电流串联反馈 负 电流并联反馈 负 例1 例子 例3 反馈类型对性能的影响 返回 例3判断下列电路的反馈极性和反馈类型 第五章放大器中的负反馈 电压并联反馈 正 电压串联反馈 负 返回类型判别 返回性质判别 思考 什么是全局反馈 什么是局部反馈 反馈类型对性能的影响 第五章放大器中的负反馈 三 反馈极性 即反馈性质 由于净输入信号 若xf削弱了xi 使x i xi 负反馈 若xf增强了xi 使x i xi 正反馈 负反馈具有自动调整作用 可改善放大器性能 例 某原因 正反馈使放大器工作不稳定 多用于振荡器中 负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的 第五章放大器中的负反馈 反馈极性 即正负反馈 判别方法 瞬时极性法 用正负号表示电路中各点对地的瞬时电位 并利用它们的相互制约关系来判别的方法 比较xf与xi的极性若xf与xi在放大器的输入回路中是 同端同号 异端异号 正反馈 同端异号 异端同号 负反馈 例1 例2 例3 例子 第五章放大器中的负反馈 5 2负反馈对放大器性能的影响 5 2 1降低增益 反馈越深 电路增益越小 注 当取源增益时 上式依然成立 即 5 2 2减小增益灵敏度 或提高增益稳定性 定义 由 得 2 1 得 1 2 反馈越深 增益灵敏度越小 第五章放大器中的负反馈 5 2 3改变输入 输出电阻 也可从物理意义上讲 输入电阻 主要与输入端的反馈方式有关 串联负反馈 基放输入电阻 环路增益 反馈电路输入电阻 第五章放大器中的负反馈 并联负反馈 反馈电路输入电阻 基放输入电阻 环路增益 输入电阻 主要与输入端的反馈方式有关 第五章放大器中的负反馈 输出电阻 主要与输出端的反馈方式有关 电压负反馈 Ro 考虑反馈网络负载效应后 基放输出电阻 Ast 负载开路时 基本放大器源增益 由定义得Rof电路模型 得 第五章放大器中的负反馈 输出电阻 主要与输出端的反馈方式有关 电流负反馈 Ro 考虑反馈网络负载效应后 基放输出电阻 Asn 负载短路时 基本放大器源增益 由定义得Rof电路模型 得 5 2 4减小频率失真 或扩展通频带 第五章放大器中的负反馈 由于负反馈降低了电路增益灵敏度 因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变 单极点系统引入负反馈后 反馈越深 上限角频率越大 增益越小 但其增益带宽积维持不变 设基放为单极点系统 则 若反馈网络反馈系数为 则闭环系统 其中 注意 通频带的扩展是以降低增益为代价的 第五章放大器中的负反馈 5 2 5减小非线性失真 v i 例如 一基本放大器 引入负反馈 注意 负反馈只能减小反馈环内的失真 若输入信号本身产生失真 反馈电路无能为力 输入正弦信号时 输出产生失真 vo失真减小 第五章放大器中的负反馈 5 2 6噪声性能不变 同减小非线性失真一样 引入负反馈可减小噪声 注意 负反馈在减小噪声的同时 有用信号以同样的倍数在减小 其信噪比不变 因此 引入负反馈放大器噪声性能不变 综上所述 负反馈对放大器性能影响主要表现为 降低增益 减小增益灵敏度 或提高增益稳定性 改变电路输入 输出电阻 减小频率失真 或扩展通频带 减小非线性失真 噪声性能不变 第五章放大器中的负反馈 基本放大器引入负反馈的原则 在电路输出端 在电路输入端 反馈效果与信号源内阻RS的关系 反馈效果与增益的关系 第五章放大器中的负反馈 5 3负反馈放大器的性能分析 负反馈放大器的分析步骤 一 判断反馈类型二 画考虑反馈网络负载效应后的基本放大器三 在基本放大器中求出Ri Ro A kf等四 根据Rif Rof Af与Ri Ro A kf的关系求出Rif Rof Af五 求出源电压增益AVfS 画基本放大器的方法 例子用传统方法在黑板上画 画输入回路 令xo 0 若为电压反馈就将输出端短路 令vo 0 若为电流反馈就将输出开路 令io 0 画输出回路 若为并联反馈就将输入端短路 令vi 0 若为串联反馈就将输入开路 令ii 0 电压串联负反馈 第五章放大器中的负反馈 us us 1 反馈放大器交流等效通路 3 基本放大器交流等效通路 2 判断反馈极性及类型 返回 电压并联 电流并联 电流串联 电压并联负反馈 第五章放大器中的负反馈 is uS RS 返回 电压串联 电流并联 电流并联负反馈 第五章放大器中的负反馈 us is 返回 电压串联 电压并联 第五章放大器中的负反馈 5 4深度负反馈 深度负反馈条件 当电路满足深度负反馈条件时 串联反馈电路输入电阻 并联反馈电路输入电阻 第五章放大器中的负反馈 深度负反馈条件下Avfs的估算 根据反馈类型确定kf含义 并计算kf 分析步骤 若并联反馈Rif 0 将输入端交流短路 若串联反馈Rif 将输入端交流开路 则反馈系数 确定Afs xo xs 含义 并计算Afs 1 kf 将Afs转换成Avfs vo vs kf xf xo 计算此时xo产生的xf 例2 例3 返回 例1 第五章放大器中的负反馈 例1图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电压串联负反馈放大器 解 将输入端交流开路 即将T1管射极断开 则 因此 例2 例3 返回 第五章放大器中的负反馈 例2图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电流并联负反馈放大器 解 将输入端交流短路 即将T1管基极交流接地 则 因此 例1 例3 返回 例3图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电压并联负反馈 1 解 将反相输入端交流接地 则 因此 该电路为电压串联负反馈 2 解 将反相输入端交流开路 则 因此 例2 例1 返回 第五章放大器中的负反馈 第五章放大器中的负反馈 5 5负反馈放大器的稳定性 实际上 放大器在中频区施加负反馈时 有可能因Akf在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈 引起电路自激 5 5 1判别稳定性的准则 反馈放大器频率特性 若在某一频率上 放大器自激 自激时 即使xi 0 但由于xi xf 因此反馈电路在无输入时 仍有信号输出 第五章放大器中的负反馈 不自激条件 注意 只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件之一 放大器就不会产生自激 稳定裕量 要保证负反馈放大器稳定工作 还需使它远离自激状态 远离程度可用稳定裕量表示 g 增益交界角频率 相位交界角频率 第五章放大器中的负反馈 相位裕量图解分析法 假设放大器施加的是电阻性反馈 kf为实数 由 在A 或T 波特图上 找 g 在A 波特图上 作1 kf dB 的水平线 交点即 g 在T 波特图上 与水平轴 T 0dB 的交点 即 g 根据 g在相频曲线上 找 T g 判断相位裕量 注 1 kf dB 的水平线称增益线 第五章放大器中的负反馈 例1已知A j 波特图 判断电路是否自激 g 1 在A 波特图上作1 kf dB 的水平线 分析 2 找出交点 即 g 3 在 T 波特图上 找出 T g 第五章放大器中的负反馈 例2已知T j 波特图 判断电路是否自激 1 由T 波特图与横轴的交点 找出 g 分析 2 由 g在 T 波特图上 找出 T g 第五章放大器中的负反馈 利用幅频特性渐近波特图判别稳定性 一无零三极系统波特图如下 分析 g落在何处系统稳定 放大器必稳定工作 或 g落在 P1与 P2之间 只要 g落在斜率为 20dB 十倍频 的下降段内 则 P2 10 P1 P3 10 P2 P2 10 P1 将 P3靠近 P2 由于 T P2 则 g落在 P1与 P2之间时 放大器依然稳定工作 第五章放大器中的负反馈 结论 在多极点的低通系统中 若 P3 10 P2 则只要 g落在斜率为 20dB 十倍频 的下降段内 或 g落在 P1与 P2之间 放大器必稳定工作 将 P2靠近 P1 由于 T P2 上述结论不成立 第五章放大器中的负反馈 5 5 2集成运放的相位补偿技术 解决方法 采用相位补偿技术 在中频区 反馈系数kf越大 反馈越深 电路性能越好 在高频区 kf越大 相位裕量越小 放大器工作越不稳定 在中频增益AI基本不变的前提下 设法拉长 P1与 P2之间的间距 或加长斜率为 20dB 十倍频 线段的长度 使得kf增大时 仍能获得所需的相位裕量 相位补偿基本思想 滞后补偿技术 超前补偿技术 第五章放大器中的负反馈 第五章放大器中的负反馈 滞后补偿技术 简单电容补偿和弥勒电容补偿 简单电容补偿 降低 P1 补偿方法 将补偿电容C 并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上 使 P1降低到 d P1降低到 d 反馈增益线下移 稳定工作允许的kf增大 返回 第五章放大器中的负反馈 d与kf之间的关系 由图 十倍频 整理得 kfv d 反馈电路稳定性 但 H kfv 1时 此时kfv无论