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第6章放大电路中的反馈 6 1反馈的概念6 2负反馈放大电路的四种组态6 3负反馈放大电路的一般表达式6 4深度负反馈条件下增益的估算6 5负反馈对放大电路性能影响6 6负反馈放大电路的稳定性 本章要求 一 掌握反馈的基本概念 反馈的分类及判断 二 掌握负反馈放大器的方框图及一般表达式 三 掌握负反馈对放大器性能的影响 四 掌握深度负反馈的条件和负反馈放大器放大倍数的估算 6 1反馈概述 6 1 1反馈的概念 将电路输出电量 电压或电流 的一部分或全部通过反馈网络 用一定的方式送回到输入回路 以影响输入电量 电压或电流 的过程 称为反馈 1 内部反馈 产生在器件内部的反馈 内部反馈 外部反馈 2 外部反馈 通过外接电路元件人为引入而实现的反馈 6 1 2反馈结构 1 开环放大电路 开环放大倍数 开环放大增益 反馈放大电路 闭环放大电路 反馈系数 净输入信号 3 电路有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路 反馈通路 并由此影响了放大电路的净输入 则表明电路引入了反馈 否则电路中没有反馈 6 1 3正反馈和负反馈及其判别方法 根据反馈效果的不同 可以分为正反馈和负反馈 正反馈 引入的反馈信号增强了净输入信号 使输出信号增大 负反馈 引入的反馈信号削弱净输入信号 使输出信号减小 判断正负反馈方法 瞬时极性法 方法 规定电路输入信号在某一时刻对地的极性 并以此为依据 逐级判断电路各相关点电流流向和电位的极性 从而得到输出信号的极性 根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性 若反馈信号使基本放大电路的净输入信号增大 则说明引入了正反馈 若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小 则说明引入了负反馈 负反馈与正反馈的判别方法 瞬时极性法 例2 uid 负反馈电路 例1 正反馈电路 例3 负反馈电路 反馈通路 本级 反馈通路 本级 反馈通路 级间 反馈通路 净输入量减小 本级负反馈 例4 级间反馈通路 净输入量减小 级间负反馈 例5 6 1 4直流反馈和交流反馈及其判别方法 据反馈信号本身的交 直流性质 可分为直流反馈和交流反馈 反馈信号中只含有直流分量的称为直流反馈 或者说存在于放大电路的直流通路中的反馈 直流反馈影响电路的直流性能 如静态工作点 反馈信号中只含有交流分量的称为交流反馈 或者说存在于交流通路中的反馈 交流反馈影响电路的交流性能 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 直流反馈 交流反馈 交直流共存反馈 若在反馈网络中串接隔直电容 则可以隔断直流 此时反馈只对交流起作用 有的反馈只对交流信号起作用 有的反馈只对直流信号起作用 有的反馈对交 直流信号均起作用 直流反馈 交 直流反馈 例1 6 1 5电压反馈与电流反馈及其判别方法 根据负反馈信号在放大电路输出端采样方式的不同 可以分为电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈信号xf和输出电压成比例 即xf Fvo电流反馈 反馈信号xf与输出电流成比例 即xf Fio 并联结构 串联结构 电压反馈和电流反馈判断方法 负载短路法 将负载短路 反馈量仍然存在 电流反馈 将负载短路 未接负载时输出对地短路 反馈量为零 电压反馈 电压反馈 电流反馈 反馈通路 反馈通路 电压反馈 反馈通路 电流反馈 电压负反馈 RL 电压负反馈稳定输出电压 xf Fvo xid xi xf 电流负反馈 RL 电流负反馈稳定输出电流 xf Fio xid xi xf 电压负反馈放大电路 具有恒压输出特性 电流负反馈放大电路 具有恒流输出特性 6 1 6串联反馈与并联反馈及其判别方法 根据放大电路输入端输入信号和反馈信号的连接方式分类 可以分为串联反馈和并联反馈 串联 输入以电压形式求和 KVL vi vid vf 0即vid vi vf 并联 并联 输入以电流形式求和 KCL ii iid if 0即iid ii if 串联反馈 串联反馈 级间反馈通路 并联反馈 级间反馈通路 例1 例2 3 判别正 负反馈 使用瞬时极性法判断 2 判别是交流反馈还是直流反馈 分析电路的直流通路和交流通路 存在于直流通路中的反馈为直流反馈 存在于交流通路中的反馈为交流反馈 同时存在于交 直流通路中的反馈为交 直流反馈 4 对于交流负反馈 判断输入 输出类型 使用 输出短路法 判断是电压反馈还是电流反馈 再通过判断反馈量 输入量和净输入量所对应支路的关系是串联还是并联来确定是串联反馈还是并联反馈 1 判断是否存在反馈 6 1 7反馈的判断步骤 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 6 2负反馈放大电路的四种组态 基本放大电路和反馈网络是双口网络 综合它们在输入 输出端上的不同连接方式可以有四种负反馈类型 1 电压串联负反馈 输出电压uo是取样信号 反馈信号以电压uf的形式串联在输入回路中 uf正比于输出电压uo 反馈系数F uf uo 输入以电压形式求和 KVL uid ui uf 2 电流串联负反馈 输出电流io是取样信号 反馈信号以电压uf的形式串联在输入回路中 uf正比于输出电流io 反馈系数F vf io 输入以电压形式求和 KVL vid vi vf 3 电压并联负反馈 输出电压uo是取样信号 反馈信号以电流if的形式并联在输入回路中 if正比于输出电压uo 反馈系数F if uo 输入以电流形式求和 KCL iid ii if 4 电流并联负反馈 输出电压io是取样信号 反馈信号以电流if的形式并联在输入回路中 if正比于输出电流io 反馈系数F if io 输入以电流形式求和 KCL iid ii if 小结 从输入端确定是串联反馈和并联反馈 串联反馈 反馈信号以电压形式出现在输入回路中 反馈支路与输入回路的连接点与输入端不在同一电极 并联反馈 反馈信号以电流形式出现在输入回路中 反馈支路与输入回路的连接点与输入端在同一电极 反馈信号使净输入信号减少的是负反馈 增大的为正反馈 电压反馈 稳定输出电压 电流反馈 稳定输出电流 从输出端确定电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈取样输出电压 电流反馈 反馈取样输出电流 判断方法 负载短路法 将放大电路的负载两端短路 即uo 0 若反馈信号消失 则为电压反馈 否则为电流反馈 对于三极管电路 若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极 则为并联反馈 若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈 对于运放电路 若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈 若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈 级间电压串联负反馈 例 判断下列电路反馈的组态 电压并联负反馈 直流反馈 交 直流反馈 电流串联负反馈 例 判断图示电路中的负反馈类型 RE1对本级引入串联电流负反馈 RE1 RF对交 直流均起作用 所以引入的是交 直流反馈 解 RE2对交流不起作用 引入的是直流反馈 RE1 RF引入越级串联电压负反馈 例 如果RF不接在T2的集电极 而是接C2与RL之间 两者有何不同 因电容C2的隔直流作用 这时RE1 RF仅引入交流反馈 解 RE1 RF引入越级串联电压负反馈 例 如果RF的另一端不接在T1的发射极 而是接在它的基极 两者有何不同 是否会变成正反馈 解 T2集电极的 反馈到T1的基极 提高了B1的交流电位 使Ube1增大 故为正反馈 这时RE1 RF引入越级正反馈 电流并联负反馈 正反馈 两个2k 电阻构成交直流反馈 两个470k 并联电压负反馈 6 3 1负反馈放大电路的一般表达式 开环增益 反馈系数 闭环增益 因为 所以 已知 闭环增益的一般表达式 即 6 3负反馈放大电路的通用描述 反馈深度讨论 一般负反馈 称为反馈深度 深度负反馈 正反馈 自激振荡 一般情况下 A和F都是频率的函数 当考虑信号频率的影响时 Af A和F分别用 和表示 即 负反馈放大电路中各种信号量的含义 6 3 2 深度负反馈的实质 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 也常写为xf xi 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 输入量近似等于反馈量 xid 0 深度负反馈条件下 xd xi xf 0 uP uN 运放电路 ue ub 三极管电路 1 虚短 vd 0 2 虚断 Id 0 ii ii 0 运放电路 ib 0 三极管电路 6 4 1电压串联深度负反馈电路 电压串联负反馈 反馈系数 设电路满足深度负反馈条件 试写出该电路的闭环电压增益表达式 解 根据虚短 虚断 闭环增益 闭环电压增益 6 4深度负反馈条件下增益的估算 电压串联负反馈 设电路满足深度负反馈条件 试写出该电路的闭环电压增益表达式 解 根据虚短 虚断 闭环电压增益 分立电路 解 求反馈系数 求闭环电压放大倍数 6 4 2电流并联深度负反馈电路 根据虚短 虚断 闭环增益 所以闭环电压增益 注意 若io参考方向不同 将影响闭环增益的结果 又因为 反馈系数 闭环增益 闭环电压增益 解 分立电路电流并联负反馈 闭环增益 根据虚短 虚断 0V 6 4 3电压并联深度负反馈电路 反馈系数 闭环增益 闭环电压增益 利用虚短和虚断可知 vP vN 0 ii if vi R1 vO Rf 得 Avf vO vi 闭环增益 闭环电压增益 反馈系数 由第二章知 该电路闭环电压增益 6 4 4电流串联深度负反馈电路 vf iORe1 闭环电压增益 利用虚短和虚断可知 解 6 5 1稳定闭环增益 闭环时 对A求导得 只考虑幅值有 引入负反馈使放大倍数的稳定性提高 若 AF 1 称为深度负反馈 此时 是闭环放大倍数的相对变化 它总是前者的1 1 AF 6 5负反馈对放大电路性能的影响 在深度负反馈的情况下 闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关 例 A 300 F 0 01 注意 1 负反馈只能使输出量趋于不变 而且只能减小由开环增益变化而引起的闭环增益变化 2 负反馈的组态不同 稳定的增益不同 Avf Arf Agf Aif 6 5 2影响输入电阻和输出电阻 对于串联负反馈 1 对输入电阻的影响 开环输入电阻Ri vid ii 因为vf F xoxo A vid 闭环输入电阻Rif vi ii 所以vi vid vf 1 AF vid 闭环输入电阻Rif vi ii 引入串联负反馈后 输入电阻增加了 在同样的ib下 vi vbe vf vbe 所以rif提高 串联负反馈 无负反馈时 有负反馈时 使电路的输入电阻提高 对于并联负反馈 闭环输入电阻 引入并联负反馈后 输入电阻减小了 开环输入电阻Ri vi iid 闭环输入电阻Rif vi ii ii iid if 1 AF iid 无负反馈时 有负反馈时 在同样的vbe下 ii ib if ib 所以rif降低 并联负反馈 使电路的输入电阻降低 图中R1不在环内 但是 当R1 时 反馈对Rif几乎没有影响 注意 反馈对输入电阻的影响仅限于环内 对环外不产生影响 2 对输出电阻的影响 闭环输出电阻 对于电压负反馈 而Xid Xf FvT 忽略反馈网络对iT的分流 所以 引入电压负反馈后 输出电阻减小了 闭环输出电阻 引入电流负反馈后 输出电阻增大了 注意 反馈对输出电阻的影响仅限于环内 对环外不产生影响 对于电流负反馈 负反馈对放大电路性能的改善 是以牺牲增益为代价的 且仅对环内的性能产生影响 串联负反馈 并联负反馈 电压负反馈 电流负反馈 特别注意表7 4 1的内容 增大输入电阻 减小输入电阻 减小输出电阻 稳定输出电压 增大输出电阻 稳定输出电流 小结 在深度负反馈条件下 估算输入输出电阻 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 无负反馈 有负反馈 通频带扩展到无反馈时的 1 AmF 倍 但增益 带宽保持不变 闭环增益 带宽积 开环增益 带宽积 6 5 3展宽频带 6 5 4减小非线性失真 闭环时增益减小 线性度变好 只能减少环内放大电路产生的失真 如果输入波形本身就是失真的 即使引入负反馈 也无济于事 1 开环特性2 闭环特性 加反馈前 加反馈后 大 略小 略大 略小 略大 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真 因此只能减小失真 而不能完全消除失真 小 接近正弦波 正弦波 1 为了稳定静态工作点 应引入直流负反馈 为了改善电路的动态特性 应引入交流负反馈 2 根据信号源的性质决定引入串联或并联反馈 当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时 引入串联负反馈 当信号源为恒流源或内阻较大的电流源时 引入并联负反馈 3 根据负载对放大电路的要求决定引入电压或电流反馈 当负载需要稳定的电压信号时 引入电压负反馈 当负载需要稳定的电流信号时 引入电流负反馈 4 根据四种组态反馈电路的功能 在需要进行信号变换时 选择合适的组态 5 适当选择反馈网络中的电阻阻值 尽量减小反馈网络对基本放大电路的负载效应 设计负反馈放大电路的一般步骤 设计举例 6 6 1负反馈放大电路自激振荡产生的原因和条件 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 6 6负反馈放大电路的稳定性