西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第五章.ppt

5反馈和负反馈放大电路 5 1反馈的基本概念及类型 实际问题举例 1 什么是反馈 5 1 1反馈的基本概念 直流电流负反馈电路 反馈过程 输出电流ICQ发生变化 在RE上产生压降UEQ ICQRE的变化 输入回路 输出回路 反馈网络 使放大元件的输入UBE产生变化 抑制输出电流ICQ的变化 直流电流负反馈可以稳定输出电流ICQ 以影响放大电路性能 反馈的定义 把放大电路的输出量 电压或电流 的一部分或全部 经过反馈网络 返送到输入回路一个反馈量 电压或电流 反馈量与原来的外加输入量进行比较 得到一个净输入量加到某一放大器件的真正的输入端 双极型晶体管 B E 单极型晶体管 G S 双极型晶体管组成的差分放大电路 B1 B2 运算放大器 同相 反相输入端 放大元件的输入端 反馈信号 输入信号 输出信号 净输入信号 比较环节 反馈电路方框图 开环放大电路 闭环放大电路 闭合环路 2 交流反馈与直流反馈 1 直流反馈 反馈作用仅在直流通路中存在 直流通路 反馈网络 2 交流反馈 在交流通路中存在的反馈 交流通路 输入回路 输出回路 反馈网络 1 正反馈 反馈信号加强输入信号的作用 使净输入信号大于原输入信号 3 正反馈与负反馈 正反馈往往把放大器转变为振荡器 反馈网络 2 负反馈 反馈信号削弱输入信号的作用 使净输入信号小于原输入信号 负反馈改善放大电路的性能 负反馈广泛应用于电子技术 自控等领域之中 a 在输入端加入对地瞬时极性为正的电压uI 判断方法 4 瞬时极性法判断正负反馈 b 根据放大电路的工作原理 标出电路中各点电压的瞬时极性 c 判断反馈信号是增强还是削弱输入信号 d 反馈信号削弱了输入信号 uId uI 为负反馈 e 反馈信号增强了输入信号 uId uI 为正反馈 净输入信号小于输入信号 所以为负反馈 uI 例1 判断图示电路反馈的极性 解 假设uI的瞬时极性为正 即 uI 0 那么 uO 0 uF 0 净输入信号大于输入信号 所以为正反馈 例2 判断图示电路反馈的极性 解 假设uI 0 那么 uO 0 uF 0 a 电压反馈 5 1 2负反馈放大电路的四种基本类型 1 电压反馈和电流反馈 反馈信号与输出电压成正比 反馈信号来源于输出电压 b 电流反馈 反馈信号与输出电流成正比 反馈信号来源于输出电流 c 判断电压和电流反馈的方法 a 令输出电压为零 输出短路 反馈网络 b 令输出电流为零 输出开路 2 串联反馈和并联反馈 特点 反馈网络串联于输入回路 反馈信号为电压 a 串联反馈 b 并联反馈 特点 反馈网络并联于输入回路 反馈信号为电流 3 负反馈放大电路的四种基本类型 a 电压串联负反馈 b 电压并联负反馈 c 电流串联负反馈 d 电流并联负反馈 电压串联电压并联电流串联电流并联 3 四种类型负反馈的表达式 1 电压串联负反馈 a 判断反馈网络 5 1 3负反馈放大电路举例 输入回路 输出回路 反馈网络 寻找输入与输出回路的共有网络 利用瞬时极性法 b 判断反馈极性 当uI 0时 uO 0 uF 0 uId uI uF uI 负反馈 c 负反馈的组态判断 a 反馈网络F与RL并联 属电压反馈 b 反馈电压uF与输入电压uI串联于电路的输入端 属串联反馈 F 电压串联负反馈 d 电压负反馈的作用 稳定输出电压的原理 Uf Uid Ib Ic Uo 能够稳定输出电压 由运算放大器组成的电压跟随器电路 电压串联负反馈 2 电压并联负反馈 a 判断反馈网络 输入回路 输出回路 反馈网络 利用瞬时极性法 b 判断反馈极性 当uI 0时 uO 0 反馈信号的极性也为负 削弱了输入信号 负反馈 c 负反馈的组态判断 a F与RL并联于电路的输出端 属电压反馈 反馈网络F b 反馈电流iF与输入电流iI并联于基本电路的输入端 属并联反馈 电压并联负反馈 d 电压并联负反馈的作用 稳定输出电压 稳定输出电压的原理 iC e 当电阻R1 0时 净输入电流的大小与反馈电流iF无关 电路无反馈作用 由运算放大器组成的电压并联负反馈电路 F RL R2 3 电流串联负反馈 a 判断反馈网络 输入回路 输出回路 反馈网络F b 负反馈的判断 利用瞬时极性法 当uI 0时 uO 0 uF 0 uId uI uF uI 负反馈 c 负反馈的组态判断 a 令uO 0 uF 0 属电流反馈 b uF与uI串联于运放的输入回路 属串联反馈 电流串联负反馈 F 稳定输出电流的机理 d 电流串联负反馈的作用 Io 稳定输出电流 4 电流并联负反馈 输入回路 输出回路 反馈网络F a 判断反馈网络 利用瞬时极性法 b 判断反馈极性 当uI 0时 uO 0 削弱了输入信号 负反馈 反馈信号极性为负 RL c 负反馈的组态判断 a 令uO 0 iF 0 属电流反馈 b iF与iI并联作用于运放的输入回路 属并联反馈 电流并联负反馈 稳定输出电流的机理 d 电流并联负反馈的作用 Io 稳定输出电流 图中 5 1 4负反馈放大电路的一般表达式 方框图 由以上各式得 闭环增益 在图示电路中 即电路的闭环放大倍数是开环放大倍数的1 1 AF 倍 D 1 AF称为反馈深度 负反馈放大电路的放大倍数的一般表达式 a 放大倍数下降的原因 即引入负反馈之后 电路的净输入信号降为原输入信号的1 1 AF 故 b 对负反馈放大电路放大倍数的一般表达式讨论 电路引入负反馈 电路引入正反馈 电路没有反馈 此时 a 便于设计 分析和计算放大电路 b 提高了闭环放大倍数的稳定性 主要特点 即电路没有输入 但仍有一定的输出 电路产生了自激振荡 5 2负反馈对放大电路性能的影响 由负反馈放大电路的一般表示式 对A求微分得 5 2 1提高放大倍数的稳定性 或 其相对变化量为 即Af相对变化量 仅为A的相对变化量的1 1 AF Am 中频区的开环放大倍数 fH 上限截止频率 式中 已知高频区电路开环放大倍数 5 2 2扩展通频带 引入负反馈后高频区闭环放大倍数为 设反馈系数为实数F 为分析方便 式中 fHf为引入负反馈后的电路上限截止频率 同理可证 引入负反馈后的电路下限截止频率 引入负反馈后电路的通频带 由于开环电路的通频带 故 常数 放大电路通频带的扩展是以牺牲放大倍数来换取的 但增益带宽积 注 上式只适合一阶惯性环节的放大电路 5 2 3减小非线性失真 输入信号 输出信号 开环放大电路 减小非线性失真原理 非线性失真 xI 闭环放大电路 xO xId xI 信号传输方向 反馈信号 xId xI xF 5 2 4抑制反馈环内的干扰和噪声 1 对输入电阻的影响 1 串联负反馈 基本放大电路的输入电阻 负反馈放大电路的输入电阻 5 2 5对输入电阻和输出电阻的影响 方框图 由于 故输入电阻 串联负反馈增大输入电阻 2 并联负反馈 基本放大电路的输入电阻 负反馈放大电路输入电阻 方框图 由于 故 并联负反馈使输入电阻减小 2 对输出电阻的影响 1 电压负反馈 根据输出电阻的定义 画出求输出电阻的等效电路方框图 由图可知 由以上各式得 故输出电阻 电压负反馈使输出电阻减小 I Ao Xid U A Rof F 0 Ro Xid Xi Xf I1 2 电流负反馈 求输出电阻的等效电路 那么 由此可得 故 电流负反馈使输出电阻增大 5 2 6正确引入反馈 减小信号源的负载 提高输出端的负载能力 正确引入应考虑的两个主要问题 a 选择合适的负反馈类型 选择负反馈类型应该考虑 b 正确选用各元件参数 对于电压 电流变换器 对于电流 电压变换器 对于电压放大器 对于电流放大器 选择电压串联负反馈 选择电流并联负反馈 选择电流串联负反馈 选择电压并联负反馈 选择元件参数的依据 反馈深度 1 AF 设计放大电路大多都选用集成运算放大器 在运放选定后 Au Ro Ri即被确定 剩下的工作就是估算反馈系数F 正确选用各元件参数 1 对于高内阻 低内阻的信号源 应该分别选择何种类型的负反馈电路 思考题 2 由于负反馈可以展宽频带 所以只要反馈深度足够深 就可以用低频管代替高频管组成放大电路来放大高频信号 这种说法是否正确 负反馈放大电路的分析计算常用方法 a 等效电路法 5 3负反馈放大电路的分析及近似计算 等效电路法 分离法 近似计算法 把放大器中的非线性器件用线性电路等效 然后根据电路理论求解各项指标 b 分别求出基本放大电路的A Ri Ro fH和fL等指标及反馈网络的反馈系数F c 分别求出Af Rid Rof fHf和fLf等指标 a 分负反馈放大电路为基本放大电路和反馈网络两部分 分离法的基本思想 b 分离法 由于集成运算放大器和多级放大电路的放大倍数一般都比较大 很容易使放大电路满足深度负反馈的条件 放大电路满足深度负反馈的条件 5 3 1深度负反馈放大电路近似计算的一般方法 1 采用近似计算的条件 在深度负反馈 AF 1 的条件下 3 近似计算的原理 1 当电路引入串联负反馈时 称为虚短 2 当电路引入并联负反馈时 由于基本放大电路的电压放大倍数也很大 条件 也同时成立 1 电压串联负反馈 同相输入比例放大器 5 3 2电压模运放组成的反馈电路 根据电路在深度负反馈条件下的分析依据 有 故电路的闭环电压放大倍数 Rif Rof 2 电压并联负反馈 反相输入比例放大器 在深度负反馈条件下 故闭环互阻增益 闭环电压放大倍数 输入电阻 Rif 输出电阻 Rof 3 电流串联负反馈 电压电流变换器 故电路的闭环互导增益 闭环电压放大倍数 输入 输出电阻 4 电流并联负反馈 电流放大器 在深度负反馈的条件下 闭环电流放大倍数 闭环电压放大倍数 输入 输出电阻 Rif Rof 1 电压串联负反馈 5 3 3分立元件组成的反馈电路 1 负反馈的判断 2 闭环电压放大倍数 由于 3 输入电阻 Rif 4 输出电阻 Rof 2 电流并联负反馈 1 负反馈的判断 由于反馈电流iF来自于输出级晶体管T2集电极电流iC2 故电路稳定的是iC2 而不是负载电流iO 2 闭环电流放大倍数 F 3 闭环电压放大倍数 4 输入电阻 5 输出电阻 从T2集电极看进去的闭环输出电阻 从负载看进去的输出电阻 5 3 4电流模运放的闭环特性 电流模运放同相输入放大电路 低频闭环电压放大倍数 在深度负反馈的条件下 分析电路的高频特性 由图可知 由以上各式得电路的高频闭环特性 由于 当Auf0Ri R2时 电路的闭环上限截止频率为 结论 1 fHf仅与CZ R2有关 而与R1无关 2 电流模运放的闭环电压放大倍数增大时 带宽增益积有所增加 电流模运放幅频特性 电压模运放幅频特性 电压模运放带宽增益积等于常数 5 4 1负反馈放大电路的自激振荡条件 将上式写成 5 4负反馈放大电路的自激振荡及消除 相位条件 幅度条件 基本放大电路在高频或低频区内产生的附加相移 反馈网络高频或低频区内产生的附加相移 式中 相位条件 幅度条件 对于负反馈电路 1 在中频区 反馈信号与输入信号反相 即 2 高频或低频区 放大电路与反馈网络 因电路中的电容而产生附加相位移 A F 反馈电压信号和输入电压信号同相 负反馈变为正反馈 1 这时如果AF 1 产生自激振荡 电路中存在 b 放大电路内部元器件的热噪声电压 a 开启电源时的瞬间冲击电压 由于噪声和冲击电压具有很宽的频谱 其中必有某一种频率分量满足自激振荡的条件 即使无输入信号 也有一定的信号输出 输出信号在不断的减小 不会产生自激振荡 2 如果AF 1 结论 相位条件是产生自激振荡的必要条件 幅度条件是产生自激振荡的充分条件 a 电路包含一或二个惯性环节时 附加相移最大不会超过180 不会产生自激振荡 5 4 2负反馈放大电路的稳定性 b 电路的级数愈多 附加相移愈大 愈容易产生自激振荡 c 反馈系数F愈大 愈容易产生自激振荡 1 找相位临界频率fc 电路不稳定 1 判断放大电路是否稳定的方法 b 如果 电路稳定 电路1 电路2 稳定 不稳定 2 找幅度条件临界频率f0 a 如果 电路稳定 b 如果 电路不稳定 电路1 电路2 稳定 不稳定 3 根据fc和f0的位置判断 a 当fc f0时 电路不稳定 b 当fc f0时 电路稳定 2 稳定裕度 1 幅度裕度Gm dB 10 dB 2 相位裕度 m 45 要求 要求 在放大电路中加入RC相位补偿网络 使其具有足够的幅度裕度Gm和相位裕度 m 相位补偿的思想 相位补偿方法 5 4 3消除自激振荡的方法 相位补偿 滞后补偿 超前补偿 1 滞后补偿 在多级放大电路中的上限截止频率最低的一级放大电路中加入RC相位补偿网络 1 补偿方法 补偿电容C 补偿网络等效电路 补偿后 补偿前 2 补偿前后 该级电路的上限截止频率 由于电容的并入使滞后的附加相移更加滞后 所以称为滞后补偿 3 补偿效果 幅频特性 补偿前 补偿后 不稳定 稳定 2 超前补偿 在反馈网络中加入补偿电容C 使 F 0 以补偿滞后附加相移 A A 0 使 1 补偿方法 2 补偿电路 3 反馈系数 补偿电路 由于 式中 反馈放大电路具有超前附加相移 练习题 例1 某一负反馈放大电路的开环电压放大倍数 A 300 反馈系数 F 0 01 试问 1 闭环电压放大倍数 Af 为多少 2 如果 A 发生20 的变化 则 Af 的相对变化为多少 解 1 闭环电压放大倍数 2 当已知A的相对变化率来计算Af的相对变化率时 应根据A的相对变化率的大小采用不同的方法 本例中A已有20 的变化 应采用后一种方法