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4 1反馈的基本概念 4 2负反馈对放大器性能的影响 4 3振荡的基本概念与原理 本章小结 第四章负反馈放大电路 4 1 1什么是反馈 4 1反馈的基本概念 反馈 在放大电路中 从输出端把输出信号的部分或全部通过一定的方式回送到输入端的过程称为反馈 反馈电路 用于反向传输信号的电路称为反馈电路或反馈网络 反馈放大电路 凡带有反馈环节的放大电路称为反馈放大电路 净输入信号 输入信号与反馈信号叠加得到净输入信号 4 1反馈的基本概念 反馈放大器与基本放大器的区别 1 输入信号是信号源和反馈信号叠加后的净输入信号 2 输出信号在输送到负载的同时 还要取出部分或全部再回送到原放大器的输入端 3 引入反馈后 使信号既有正向传输也有反向传输 电路形成闭合环路 4 1反馈的基本概念 1 正反馈和负反馈 正反馈 反馈信号起到增强输入信号的作用 负反馈 反馈信号起到削弱输入信号的作用 采用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈 瞬时极性法 先在放大器输入端设定输入信号对地的极性为 或 再依次按相关点的相位变化情况推出各点信号对地的交流瞬时极性 再根据反馈到输入端的反馈信号对地的瞬时极性判断 若使原输入信号减弱是负反馈 使原输入信号增强是正反馈 4 1反馈的基本概念 4 1 2反馈的基本类型 4 1反馈的基本概念 例4 1 试判断图所示电路的反馈是正反馈还是负反馈 解假定两级放大器输入端信号极性为上正下负 即基极对地的极性为 集电极倒相后对地极性为 即集电极输出为 通过反馈至的电压对地极性为 则净输入量减小 可判断该反馈为负反馈 例4 2 判断图所示电路中有无反馈存在 如有 属于何种反馈 4 1反馈的基本概念 解反馈元件Re并联了旁路C电容 为交流信号提供了通路 消除了交流反馈的条件 所以放大器只有直流反馈 用瞬时极性法判断如下 设VB某一时刻上升 4 1反馈的基本概念 故为负反馈 2 电压反馈与电流反馈 4 1反馈的基本概念 电压反馈 反馈信号取自输出电压 并与输出电压成正比 电流反馈 反馈网络的输出信号与输出电流成正比 判断方法 设想把输出端短路 如果反馈信号消失 则为电压反馈 如反馈信号依然存在 则为电流反馈 4 1反馈的基本概念 3 串联反馈与并联反馈 4 1反馈的基本概念 串联反馈 放大器的净输入电压是由信号源电压与反馈电压串联得到的 并联反馈 放大器的净输入电压是由信号源电压与反馈电压并联得到的 判断方法 把输入端短路 如果反馈电压为零 则为并联反馈 如果反馈电压仍存在 则为串联反馈 4 1反馈的基本概念 4 反馈放大器的四种基本类型 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 4 1反馈的基本概念 电压串联负反馈 4 1反馈的基本概念 4 1反馈的基本概念 例4 3 试判断图示电路的反馈类型 解判断思路 分析电路中是否存在反馈 如果电路中确有反馈 判断其性质是正反馈还是负反馈 从输出回路分析反馈信号取自于输出电压还是输出电流 以判断是电压反馈还是电流反馈 从输入回路分析反馈信号与原输入信号是串联还是并联 以判断它是串联反馈还是并联反馈 4 1反馈的基本概念 具体分析 通过Re的不仅有输出信号 而且也有输入信号 因而它能将输出信号的一部分取出来馈送给输入回路 从而影响原输入信号 由此 Re是该电路的反馈元件 电路存在着反馈 设信号源瞬时极性为上正下负 加到三极管发射极电压亦为上正下负 三极管的射极电压就是反馈信号电压 它使加到发射结的纯输入信号电压比原输入信号电压小 故是负反馈 根据以上分析 引入的为电流串联负反馈 4 1反馈的基本概念 将负载电阻短路 则输出回路并不因负载短路而使反馈电流消失 因此 从输入端看 反馈属电流反馈 如将输入端短接 则反馈电压依然存在 故为串联反馈 例4 4 图 a 为另一负反馈放大电路 图 b 所示为它的交流通路 指出反馈类型 4 1反馈的基本概念 解从输出端 反馈信号取自输出电压 为电压反馈 4 1反馈的基本概念 从输入端 Rf与输入电路并联 为并联反馈 则该电路是一个电压并联负反馈电路 作业题 1 画出反馈放大器四种基本类型的电路图 2 比较四种负反馈电路的特点 4 2 1降低放大器的放大倍数 提高放大信号的稳定性 4 2负反馈对放大器性能的影响 开环放大倍数 在未接入反馈之前 电路未形成闭合回路时的放大倍数 这时 反馈系数 接入负反馈后 将反馈信号Xf与输出信号Xo之比 定义为反馈系数F 引入负反馈后 放大器的闭环放大倍数降低了 且降低为原放大倍数的 当AF 1时 说明闭环放大倍数仅与反馈系数有关 由于反馈环节一般都必须是由线性元件构成 性能稳定 因此闭环放大倍数稳定 4 2负反馈对放大器性能的影响 表示净输入信号 它是输入信号与反馈信号的差值 闭环放大倍数 引入负反馈后 环路闭合后输出信号与环路输入信号之比 4 2 2减小非线性失真 原理 在负反馈放大电路中 净输入信号是输入信号vi与失真输出信号的反馈量vf相减的结果 净输入信号的波形与原输出失真信号的畸变方向相反 从而使放大器的输出信号波形得以改善 如图所示 4 2负反馈对放大器性能的影响 放大器引入负反馈后 在中频区 放大器的放大倍数下降多 在高 低频区 放大倍数下降得少 结果是放大器的幅频特性变得平坦 上限频率由fH移至fHf 下限频率由fL移至fLf 如图所示 4 2 3展宽频带 4 2负反馈对放大器性能的影响 1 串联负反馈使放大器输入电阻增大 并联负反馈使放大器输入电阻降低 2 电压负反馈使放大器的输出电阻降低 电流负反馈使放大器的输出电阻增大 4 2 4对输入电阻和输出电阻的影响 4 2负反馈对放大器性能的影响 4 3 1自激振荡原理和振荡平衡条件 4 3振荡的基本概念与原理 1 自激振荡的原理 1 开关拨1 放大器输入端与信号源vi接通 在LC回路产生信号电压 经L2耦合加到负载上RL 称为 他激 状态 2 开关突然拨2 LC回路的电压通过L1和L2互感耦合 从L1上获得感应电压vf 如果选定电感的同名端的匝数比 使感应电压vf与输入信号同相位 同幅度 则反馈信号vf即可取代输入信号vi 4 3振荡的基本概念与原理 自激状态 无需外加信号而靠振荡器内部反馈作用维持振荡的工作状态 自激振荡器 依靠反馈维持振荡的振荡器称为反馈式自激振荡器 自激振荡器包括两个基本环节 放大器和反馈网络 2 自激振荡的概念 4 3振荡的基本概念与原理 方框图如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 3 自激振荡的条件 1 相位平衡条件 反馈信号的相位必须与输入信号同相位 即反馈极性必须是正反馈 2 振幅平衡条件 反馈信号vf的振幅应等于输入信号vi的振幅 即AvF 1 自激振荡器在电源接通瞬间还必须满足起振条件 1保证LC回路的振荡从无到有 从小逐渐增大 直到满足平衡条件为止 4 3振荡的基本概念与原理 LC振荡器是由电感L和电容C组成的振荡电路 常用的有变压器反馈式 电感反馈式 电容反馈式三种 4 3 2LC振荡器 1 变压器反馈式LC振荡器 1 电路结构 反馈网络由二次线圈L2和Cb组成 Cb为隔直流的耦合电容 4 3振荡的基本概念与原理 振荡器接通电源瞬间 电路各处电流电压都产生一个冲击 这个 电冲击 可以产生一个包含频率范围很宽的微弱信号 设某一瞬时基极电压极性为正 则集电极应为负 L2上端电压极性为正 反馈回基极的电压极性为正 满足相位平衡条件 只要变压器L1与L2匝数比恰当 即满足振幅起振条件 以上是共射集电极调谐变压反馈式振荡电路 此外还有共基射极调谐等变压器反馈式振荡电路 2 工作原理 4 3振荡的基本概念与原理 3 特点 变压器反馈式振荡电路容易起振 振荡频率一般为几千赫到几百赫 2 电感反馈式振荡器 又称电感三点式振荡器 三极管的三个电极分别与LC回路中L的三个点相连 故而得名 4 3振荡的基本概念与原理 1 工作原理 4 3振荡的基本概念与原理 振幅条件 电感抽头位置选择适当 就能满足振幅起振条件 4 3振荡的基本概念与原理 相位条件 设基极电压瞬时极性为 时 则集电极为 LC回路另一端为 反馈回基极为 满足相位平衡条件 电路能够起振 电路振荡频率为 式中 M是线圈L1与L2之间的互感系数 2 特点 这种振荡电路易起振且振幅大 振荡频率可达几十兆赫 缺点是振荡波形失真较大 4 3振荡的基本概念与原理 3 电容反馈式振荡器 又称电容三点式振荡器 在图 b 交流通路中 三极管的三个电极与电容支路的三个点相接 故而得名 电容三点式振荡电路如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 1 电路结构 与电感反馈式的区别 一是LC回路中 将电感支路与电容支路对调 且在电容支路中将电容C1 C2接成串联分压形式 通过C2将电压反馈到基极 二是在集电极加接电阻Re 用以提供集电极直流通路 2 工作原理 振幅起振条件 适当的选择C1 C2的数值 改变反馈量 即可满足条件 4 3振荡的基本概念与原理 相位平衡条件 如果基极电位瞬时极性为 则集电极为 LC回路 1 端为 C1 C2接地 LC回路的另一端 3 为 C2上的电压反馈到基极为正 满足相位条件 电路振荡频率为 4 3振荡的基本概念与原理 该振荡电路的输出波形好 振荡频率可高达100MHz以上 缺点是频率范围较小 三点式振荡器的组成法则 接在发射极与集电极 发射极与基极之间的电抗必须为同性质电抗 接在集电极与基极之间的电抗必须为异性质电抗 此法测可用来检查实际的三点式振荡电路是否正确 3 特点 4 3振荡的基本概念与原理 4 改进型电容反馈式振荡器 在LC回路的电感支路串入小容量电容C 如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 由于C C1 C C2三个电容串联的等效电容近似等于C 振荡频率近似为 这种电路振荡波形好 频率稳定 缺点是用作频率可调式振荡器时 输出幅度随频率而下降 4 3振荡的基本概念与原理 例4 5 分析图示各电路能否构成正弦波振荡器 试说明原因 图中 Cb Ce Cc均为隔直电容或旁路电容 它们在振荡频率上的容抗很小 近似短路 4 3振荡的基本概念与原理 解 a 图中 没有基极偏置电路 无基极偏流 故三极管不能进行放大 因此无法产生振荡 b 图中 集电极的直流通路被阻断 ICQ 0 因三极管不能进行放大 故不能产生振荡 c 图中 没有选频回路 而且L2并接在Rb2上 将Rb2短接 无法加偏置 因此不能形成正弦波振荡器 4 3振荡的基本概念与原理 例4 6 试画出图中各电路的交流通路 并用相位平衡条件判断哪些电路能产生振荡 哪些不能 说明理由 对于不能振荡的电路 应如何改接才能产生振荡 4 3振荡的基本概念与原理 4 3振荡的基本概念与原理 解各电路的交流通路 如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 a 图中L2 为反馈元件 可判断为负反馈电路 故不能产生振荡 只有将变压器的引出线端对换 同名端连接正确才有可能产生振荡 b 图中L1 为反馈元件 可判断为负反馈 不能产生振荡 将L1两端的外连接线对调 才有可能振荡 c 图中C1 为反馈元件 但信号压降太大 可能无法起振 在Rb2两端并联一只电容就有可能起振 d 图中L2 为反馈元件 且系正反馈 如满足振幅平衡条件 就可起振 4 3振荡的基本概念与原理 1 RC串并联电路的选频特性 桥式振荡器电路由RC选频反馈网络和两级阻容耦合同相放大器两部分组成 其电路图和方框图如图所示 4 3 3RC振荡器 4 3振荡的基本概念与原理 将RC串并联电路单独画出 如图 a 所示 4 3振荡的基本概念与原理 1 输出电压v2的幅频特性 输入信号频率较低时串联网络等效于图 b 所示 可以看出 信号频率越低 Xc1越大 R2分压越小 v2幅度就越小 4 3振荡的基本概念与原理 输入信号频率较高时等效电路如图 c 所示 可以看出 信号频率越高 Xc2越小 分压越小 v2幅度就越低 4 3振荡的基本概念与原理 RC串关联电路的幅频特性如图 a 所示 只有在谐振频率f0上输出电压振幅最大 偏离这个频率 输出电压振幅迅速减小 这就是RC串并联网络的选频特性 2 v1与v2的相频特性 相频特性 输出电压v1与输入信号电压v2的相位随信号频率的变化关系 称为相频特性 如图 b 所示 4 3振荡的基本概念与原理 结论 当信号频率f等于RC电路的选频频率f0时 输出电压v2振幅最大 且与v1同相 如果放大器为同相放大器即输出电压与输入电压同相 则将RC串并联电路作为反馈网络 当振荡频率等于f0时 反馈回来的电压作阻性分压 不产生相移 这样就能满足自激振荡的相位条件而可能产生振荡 当R1 R2 R C1 C2 C时 RC串并联选频电路的选频频率为 4 3振荡的基本概念与原理 RC桥式振荡器中 将RC选频网络和负反馈电阻单独画出 即得电桥电路 又称文氏电桥振荡器 2 RC桥式振荡电路 4 3振荡的基本概念与原理 RC串并联选频网络改接成如图所示电路 可获得振荡频率范围宽且连接可调的效果 4 3振荡的基本概念与原理 1 石英晶体的压电效应与等效电路 1 概念 石英晶体 天然石英是二氧化硅晶体 将它按一定方位角切成薄片 称为石英晶体 4 3 4石英晶体振荡器 石英晶体外形谐振器如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 压电效应 在晶片上施加机械压力使其发生形变 将在相应方向上产生电压 这种物理现象称为压电效应 压电谐振 当外加交变电压的频率与晶体固有频率相等时 通过晶体的电流达到最大 这就是晶体的振荡频率 4 3振荡的基本概念与原理 石英晶体谐振器的等效电路和频率特性如图所示 4 3振荡的基本概念与原理 2 等效电路 等效电路中 等效元件 说明如下 C0 静态电容 一般约几皮法到几十皮法 L 石英晶体振动时的振动惯性 用电感L等效 C 相当于晶片的弹性 用电容等效 R 晶片振动时因摩擦而造成的损耗 4 3振荡的基本概念与原理 3 输出频率 当R L C支路发生串联谐振时 等效于纯电阻R 阻抗最小 串联谐振频率为 当外加信号频率高于时 R L C支路呈感性 可与所在电容支路发生并联