负反馈放大电路ppt课件.ppt

第1第2章晶体二极管及应用第3章晶体三极管及应用第4章场效应管及基本放大电路第5章放大电路的频率响应第6章负反馈放大电路第7章双极型模拟集成电路的分析与应用第8章集成运算放大器的分析与应用第10章直流稳压源电路 课程章节 问题 1 什么是反馈 为什么要引入反馈 2 如何判断电路是是否有反馈 3 反馈有哪几种组态 4 反馈改善了放大电路的哪些性能 5 什么样的反馈放大电路容易产生自激振荡 如何消除自激 第6章负反馈放大电路 第6章负反馈放大电路 6 1反馈的基本概念 6 2负反馈放大器的分类 6 3负反馈对放大器性能的影响 6 4负反馈方框图分析方法 小结 6 5负反馈放大器的稳定性及其相位补偿 6 1反馈的基本概念 三 单环反馈理想模型 四 基本反馈方程式 一 反馈的定义 二 反馈的分类 一 反馈的定义 放大电路A 输入信号 Ui或Ii 输出信号 Uo或Io 反馈网络B 反馈信号 Uf或If 正向传输 反向传输 闭环 放大电路有反馈称闭环 开环 放大电路无反馈称开环 举例说明 稳定工作点的过程 T ICBO ICQ IEQ UE IEQRe UBE UB UE IBQ ICQ 基本放大电路 反馈网络 直流反馈 二 反馈的分类 反馈信号的极性 正反馈 负反馈 反馈信号使放大器的净输入信号增强 反馈信号使放大器的净输入信号减小 反馈信号的属性 直流反馈 交流反馈 混合反馈 反馈的取样信号 电压反馈 电流反馈 反馈在输入端的引入方式 并联反馈 串联反馈 三 单环反馈的理想模型 放大电路A 反馈网络B 反馈环 正向传输 反向传输 1 正向传输信号只经过放大电路A 2 反向传输信号只经过反馈网络B 开环增益 反馈系数 闭环增益 基本反馈方程式 Af A 反馈放大器方框图 四 基本反馈方程式 反馈深度 AB 环路增益 四 基本反馈方程式 续 在深度反馈的情况下 F 1或AB 1 说明 在深度负反馈条件下 闭环放大倍数近似等反馈系数的倒数 与有源器件的参数基本无关 一般反馈网络是无源元件构成的 其稳定性优于有源器件 因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定 反馈放大器方框图 6 2负反馈放大器的分类及判别方法 三 电流并联负反馈 四 电压并联负反馈 一 电流串联负反馈 二 电压串联负反馈 输出取样方式 输入引入方式 一 电流串联负反馈放大电路 1 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 即与输入回路有关 又与输出回路有关的网络 Re 2 判断反馈的类型 判断电压 电流反馈的方法 电压反馈 反馈信号的大小与输出电压成比例 电流反馈 反馈信号的大小与输出电流成比例 由电路知Uf IoRe 与输出电流Io成正比 因此是电流反馈 判断电压 电流反馈简单的判断方法 将输出电压 短路 若反馈回来的反馈信号为零 则为电压反馈 若反馈信号仍然存在 则为电流反馈 2 判断反馈的类型 续 问题 如何判断是电压反馈还是电流反馈 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 反馈信号与输入信号是电压相加减的关系 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极 则为并联反馈 反之 加在放大电路输入回路的两个电极 则为串联反馈 举例说明 对于三极管来说 反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极 则为并联反馈 一个加在基极 另一个加在发射极则为串联反馈 右上角电路中 输入信号Ui加在基极 反馈信号Uf加在发射极 因此是串联反馈 2 判断反馈的类型 续 瞬时极性法 在放大电路的输入端 假设一个输入信号的电压极性 可用 按信号传输方向经基本放大器 反馈网络 判断相关点的瞬时极性 直至判断出反馈信号的瞬时电压极性 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小 则为负反馈 反之为正反馈 电流串联负反馈 2 判断反馈的类型 续 电流串联负反馈 Udi Ui Uf Ui 即由于反馈的引入削弱了净输入信号 因此是负反馈 判断正 负反馈方法 续 电流串联负反馈 电容观察法 反馈通路如存在隔直电容 则为交流反馈 反馈通路如存在旁路电容 则为直流反馈 反馈通路不存在电容 则为交直流混合反馈 举例说明 经分析可知 右上角电路反馈元件Re引入的是交直流 电流串联负反馈 2 判断反馈的类型 续 电流串联负反馈 3 增益及反馈系数 说明 电流串联负反馈是利用输出电流Io取得反馈 在输入端以电压的形式来调节输入 因此采用输出电流Io和输入电压来描述该反馈组态的增益为佳 2 方框图 问题 如何获得方框图 答案 由交流通路得到 具有电阻的量纲称互阻反馈系数 电流串联负反馈 3 增益及反馈系数 续 开环增益 具有电导的量纲称互导增益 闭环增益 反馈系数 反馈方程式 反馈深度 电压增益 无量纲 二 电压串联负反馈放大电路 1 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf和Re1 2 判断反馈的类型 将输出对地短路 反馈消失 因此是电压反馈 输入信号和反馈信号加在三极管的两个输入端 故为串联反馈 假定输入电压的瞬时极性为正 反馈电压的瞬时极性也为正 Udi Ui Uf Ui 因此是负反馈 电路中无电容 因此是交直流反馈 称为极间反馈 2 判断反馈的类型 续 Rf和Re1组成两级放大电路的交直流电压串联负反馈 Re1也是T1本级的电流串联负反馈 Re2又是T2本级的电流串联负反馈 电路中存在三个反馈环 分析时以级间反馈作为主要反馈环 电压串联负反馈 电压串联负反馈 2 方框图 电压串联负反馈 3 增益及反馈系数 开环增益 闭环增益 反馈系数 反馈方程式 反馈深度 无量纲 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 三 电流并联负反馈放大电路 1 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf和Re2 2 判断反馈的类型 将输出对地短路 反馈仍存在 因此是电流反馈 输入信号和反馈信号加在三极管的同一输入端 故为并联反馈 由瞬时极性法可判断 If的方向由输入流入Rf Idi Ii If Ii 因此是负反馈 电路中无电容 因此是交直流反馈 2 增益及反馈系数 开环增益 无量纲 闭环增益 反馈系数 反馈方程式 反馈深度 电流并联负反馈 反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 四 电压并联负反馈放大电路 1 判断反馈的类型 1 找出反馈网络 Rf 2 判断反馈的类型 将输出对地短路 反馈消失 因此是电压反馈 输入信号和反馈信号加在三极管的同一输入端 故为并联反馈 由瞬时极性法可判断 If的方向由输入流入Rf Idi Ii If Ii 因此是负反馈 电路中无电容 因此是交直流反馈 2 增益及反馈系数 开环增益 闭环增益 反馈系数 反馈方程式 反馈深度 具有电导量纲称互导反馈系数 具有电阻量纲称互阻增益 五 电压 电流负反馈特点 电流负反馈的特点是使输出电流稳定 当输入信号ui稳定的情况下 负反馈电路的调整控制过程如下 五 电压 电流负反馈特点 电压负反馈的特点是使输出电压稳定 当输入信号ui稳定的情况下 负反馈电路的调整控制过程如下 6 3负反馈对放大器性能的影响 三 负反馈对非线性失真的影响 五 负反馈对输入输出阻抗的影响 一 负反馈对增益的影响 二 负反馈对通频带的影响 四 信号源内阻对负反馈放大器性能的影响 一 负反馈对增益的影响 根据负反馈基本方程 不论何种负反馈 都可使反馈放大倍数下降 1 AB 倍 只不过不同的反馈组态A B的量纲不同而已 反馈放大器的增益 由于某种原因 使基本放大器的增益由A A 一 负反馈对增益的影响 续 加深度反馈后 放大器的稳定性更高 注意 在负反馈条件下增益的稳定性也得到了提高 这里增益应该与反馈组态相对应 深度反馈情况下1 A B 1 可得 二 负反馈对通频带的影响 幅频特性曲线 放大器的增益AU与频率f的关系曲线 低频截止频率 高频截止频率 BW fh fl 通频带 引入反馈后 增益下降 通频带加宽BWf 1 AUB BW 小结 负反馈的引入使放大电路的通频带得到展宽 三 负反馈对非线性失真的影响 小结 1 负反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真 但不能完全消除失真 2 负反馈只能减小反馈环内的失真 如输入信号本身就是失真的 负反馈则不能改善失真 四 信号源内阻对负反馈放大器性能的影响 输入应采用电压源Us Rs影响归入基本放大器 当Rs 时 AUs 0 结论 对于串联负反馈 信号源应采用低内阻Rs才能得到好的反馈效果 失去负反馈的作用 输入应采用电流源Is Rs影响归入基本放大器 当Rs 0时 AIs 0 对于并联负反馈 信号源应采用高内阻Rs才能得到好的反馈效果 失去负反馈的作用 五 负反馈对输入 输出阻抗的影响 1 负反馈对输入阻抗的影响 负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关 而与输出取样无直接关系 说明 因为输入电阻与输出取样无直接关系 因此框图中B网络的输入没有画出具体的连接 1 串联负反馈输入阻抗 无反馈时 ri Udi Ii 有反馈时 rif Ui Ii 电压串联负反馈 1 电压串联负反馈 输入输出阻抗的影响 1 电压串联负反馈 2 电流串联负反馈 结论 串联负反馈使输入阻抗增加 增大的倍数等于反馈深度 1 串联负反馈输入阻抗 续 输入输出阻抗的影响 2 并联负反馈输入阻抗 1 电流并联负反馈 无反馈时 ri Ui Idi 有反馈时 rif Ui Ii 输入输出阻抗的影响 2 并联负反馈输入阻抗 1 电流并联负反馈 2 电压并联负反馈 ri Ui Idi rif Ui Ii 结论 并联负反馈使输入阻抗减小 减小的倍数等于反馈深度 输入输出阻抗的影响 小结 1 负反馈对输入阻抗的影响只取决于反馈在输入端的连接方式即串联反馈和并联反馈有关 而与输出取样信号即电压反馈和电流反馈无关 输出的取样信号只影响A和B的下标内容 2 串联负反馈使输入阻抗增大 并联负反馈使输入阻抗减小 增大或减小的倍数等于反馈的深度 1 负反馈对输入阻抗的影响 续 输入输出阻抗的影响 2 负反馈对输出阻抗的影响 说明 负反馈对输出电阻的影响与输出取样的内容有关 而与输入端的连接方式无直接关系 分析输出阻抗的方法 1 将输入电压源短路 或将输入电流源开路 但电源的内阻必须保留 2 去掉负载RL 并在输出端外加激励电压Uos 此时产生的电流为Ios 3 输出阻抗rof Uos Ios4 当考虑集电极负载Rc的影响时 输出阻抗r of rof Rc 考虑Rs后基本放大器的开路电压增益 AUo输出开路电压增益 1 电压负反馈输出阻抗 1 电压串联负反馈 基本放大器输出电阻 1 电压串联负反馈 续 r of rof Rc ARo输出开路互阻增益 考虑Rs后基本放大器的开路互阻增益 2 电压并联负反馈 2 电压并联负反馈 续 r of rof Rc 结论 电压负反馈使输出阻抗减小 减小的倍数等于反馈深度 AIo输出短路电流增益 2 电流负反馈输出阻抗 1 电流并联负反馈 考虑Rs后基本放大器的开路互阻增益 1 电流并联负反馈 续 r of rof Rc AGo输出短路互导增益 2 电流串联负反馈 考虑Rs后基本放大器的开路互阻增益 2 电流串联负反馈 r of rof Rc 结论 电流负反馈使输出阻抗增大 增大的倍数等于反馈深度 输入输出阻抗的影响 小结 1 负反馈对输出阻抗的影响只取决于输出取样是电压还是电流 与输入端的连接方式无直接关系 2 电压负反馈使输出阻抗减小 电流负反馈使输出阻抗增加 3 电压负反馈可以稳定输出电压 电流负反馈可以稳定输出电流 2 负反馈对输出阻抗的影响 续 5 4负反馈放大器的分析方法 一 等效电路法二 方框图分析法三 负反馈放大器的近似计算四 基于框图法负反馈放大器的分析步骤五 深负反馈条件下的近似计算 一 等效电路法 方法 画交流等效电路 列电流电压方程 优点 适合任何类型放大电路 能够得到精确结果 二 方框图分析法 1 方法 将反馈放大器划分为基本放大器和反馈网络两部分 分别求出基本放大器的放大增益A和反馈网络的反馈系数B 然后利用反馈方程式求Auf 分析流程图 注意 求基本放大电路的放大增益时必须考虑反馈网络的负载作用 确定输出信号量电压反馈 Xo Uo电流反馈 Xo Io 确定输入信号量和反馈信号量串联反馈 Xi Xf均为电压信号并联反馈 Xi Xf均为电流信号 求反馈系数B Xf Xo和基本放大器的放大增益A Xo Xi 求反馈深度F 1 AB 根据反馈方程式求Af 继续求其他指标如rif rof等 2 方框图分析法流程图 方框图分析方法 3 画基本放大电路的原则 为了考虑反馈网络对基本放大器输入端和输出端的负载效应 在画基本放大电路时 应遵循以下两条原则 1 画输入电路原则如果是电压反馈 则令Uo 0 即将输出端对地短路 如果是电流反馈 则令Io 0 即将输出回路开路 2 画求输出电路原则如果是并联反馈 则令Ui 0 即将输入端对地短路 如果是串联反馈 则令Ii 0 即将输入回路开路 三 负反馈放大器的近似计算 1 电压并联负反馈放大器的计算 1 判断反馈类型 反馈元件 Rf反馈类型 电压并联负反馈 2 画基本放大器电路 反馈网络对输入回路的负载作用 反馈网络对输出回路的负载作用 反馈放大器的计算 1 电压并联负反馈放大器的计算 续 3 基本放大器的计算 续 3 开环互阻增益的计算 考虑RS的影响 1 输入电阻 ri Rf hie 2 输出电阻 ro Rf 反馈放大器的计算 4 反馈系数的计算 3 如考虑Rs的影响 在深度反馈的情况下AB 1 5 反馈放大器的计算 基本放大器 反馈放大器的计算 并联反馈使输入阻抗减小 减小的倍数等于F 6 输出电阻 考虑Rc的影响 5 反馈放大器的计算 续 电压反馈使输出阻抗减小 减小的倍数等于F 5 输入电阻 2 电流串联负反馈放大器的计算 例 1 判断反馈类型 反馈元件 Re反馈类型 电流串联负反馈 解1 晶体管的参数 hfe 100 hie 1K hre hoe 0Rs 0 Re 100 Rb1 100K Rb2 50K Rc 2K RL 2K 试求 AGf rif rof和Auf 已知单级电流负反馈电路 三 负反馈放大器的近似计算 续 2 画基本放大器电路 反馈网络对输入回路的负载作用 反馈网络对输出回路的负载作用 反馈放大器的计算 3 基本放大器计算 ri hie Re 1 1K ro 1 hoe Re 4 反馈放大器计算 Io 反馈放大器的计算 4 反馈放大器计算 续 例 解2 晶体管的参数 hfe 100 hie 1K hre hoe 0Rs 0 Re 100 Rb1 100K Rb2 50K Rc 2K RL 2K 试求 AGf rif rof和Auf 已知单级电流负反馈电路 四 基于框图法负反馈放大器的分析步骤 判断反馈类型 画出基本放大器电路分别考虑反馈网络的负载作用 基本放大器的参数计算A ri ro 反馈放大器的计算B F Af rif和rof r if和r of 继续求其它指标 五 深负反馈条件下的近似计算 串联负反馈时 有 并联负反馈时 有 在深度负反馈下 有 由基本反馈方程式 在深负反馈的条件下 有 分析 在深度负反馈下 有 例 负反馈放大电路如图所示 设电路满足深负反馈的条件 求电路的源电压增益AUSf 输入电阻及输出电阻 解 据图基本放大器电路 可得反馈系数 在深负反馈条件下 电流增益 If 深度负反馈时 输入电阻 源电压增益 深度负反馈时 输出电阻 反馈深度 5 5反馈放大器的稳定性及其相位补偿 一 负反馈放大电路自激振荡的条件 二 负反馈放大电路稳定性的判别方法 三 防止负反馈放大器自激的方法 1 什么是自激 当Ui 0时 在输出端仍有一定频率和幅度的信号输出的现象 说明 负反馈可以改善放大电路的性能指标 但是负反馈引入不当 会引起放大电路的自激 为了使放大电路正常工作 必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法 2 产生自激的原因在中频 放大电路有180 的相移 在其它频段 电路中出现附加相移 且 达到180 使总的相移为360 负反馈变为正反馈 产生自激 一 反馈放大器自激振荡的条件 3 自激的条件 幅度条件 相位条件 自激振荡现象 负反馈系统 当负反馈放大器的环路增益满足AB 1 Af 即无输入信号 电路也会产生输出 出现自激振荡 自激振荡的条件 AB 1 4 起振条件 幅度条件 相位条件 自激振荡现象 负反馈系统 自激振荡的起振条件 AB 1 1 由环路增益判别稳定性 20lg AB 20lg A 20lg B 20lg A 20lg 1 B 对于幅度条件 AB 1 20lg AB 20lg A 20lg 1 B 0dB 在以20lgA为Y坐标的波特图上减去20lg 1 B 即可得到环路增益20lg AB 的波特图了 由于负反馈的自激条件是AB 1 所以将以20lgA为Y坐标的波特图改变为以20lgAB为Y坐标的波特图 用于分析放大电路的自激更为方便 由于 二 负反馈放大器稳定性的判别 根据以上讨论 可将环路增益波特图分为三种情况 f0 增益交界频率 满足幅值条件20lg AB 0dB时的频率 fc 相位交界频率 满足相位条件 180 时的频率 幅度裕量 a 稳定 fc f0 Gm 0dB 相位裕量 b 自激 fc0dB c 临界状态 fc f0 Gm 0dB 判断自激的条件归纳如下 fc f0 Gm 0dB 从 180 出发 得到的Gm 0dB 即 AB 1 不满足幅度条件 fc0dB 从 180 出发 得到的Gm 0dB 即 AB 1 满足幅度条件 fc f0 Gm 0dB 从 180 出发 得到的Gm 0dB 即AB 1 稳定状态 自激状态 临界状态 试分析放大电路的闭环稳定性 解 1 先作出幅频特性曲线和相频特性曲线 中频电压增益AU 104即80dB 有三个高频极点fp1 104 fp2 105 fp3 106 1 由开环增益判别稳定性 续 稳定性判别 1 一阶零点的渐近线幅频特性 波特图复习 0 1 1 1 10 1 2 一阶极点的渐近线 45 dec 45 dec 1 一阶零点的渐近线相频特性 2 一阶极点的渐近线相频特性 450 1350 2250 1800 临界曲线 2 由 1800作出临界特性曲线引入负反馈后 闭环增益Auf将下降 当Auf下降到临界增益曲线40dB以下时 就可能产生自激振荡 3 检验幅度条件是否满足 并求最大反馈系数 为保证系统稳定 临界的反馈系数Bmax 1 100 0 01 20lg AB 20lg A 20lg 1 B 40 40 0dB 00 如引入反馈后 使闭环增益下降到60dB 即AUf 1 B 60dB 此时系统稳定 幅度裕度Gm 20dB相位裕度 m 450 工程设计中 应留有余量 一般Gm 10dB m 450 1 防止负反馈放大电路自激的方法 1 尽可能不使用多级放大电路组成的反馈环 2 限制反馈深度 使之不能满足自激条件 3 采用相位补偿的方法 破坏自激条件 三 防止负反馈放大器自激的方法 三 防止负反馈放大器自激的方法 2 常用的相位补偿方法 1 滞后补偿 接入补偿元件后 使附加相位更加滞后 但以牺牲带宽为代价 所以适合带宽要求不太宽的场合 2 超前补偿 在产生自激的频率附近引入超前相移零点 利用该零点产生的超前相移来抵消原有的滞后相移 小结 1 找出反馈网络方法 与输入回路有关 又与输出回路有关的网络 2 输出端 电压 电流反馈的判别方法 判断方法1 将输出电压 短路 若反馈回来的反馈信号为零 则为电压反馈 若反馈信号仍然存在 则为电流反馈 判断方法2 反馈信号与输出电压成比例 则为电压反馈 与电流成比例 则为电流反馈 2 反馈判别方法 小结 续 3 输入端 串联 并联反馈判别方法 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极 则为并联反馈 反之 加在放大电路输入回路的两个电极 则为串联反馈 4 正 负反馈判别方法 瞬时极性法 在放大电路的输入端 假设一个输入信号的电压极性 可用 按信号传输方向经基本放大器 反馈网络 判断相关点的瞬时极性 直至判断出反馈信号的瞬时电压极性 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小 则为负反馈 反之为正反馈 5 直流 交流反馈判别方法 电容观察法 反馈通路如存在隔直电容 则为交流反馈反馈通路如存在旁路电容 则为直流反馈反馈通路不存在电容 则为交直流混合反馈 3 闭环增益 无论何种类型的负反馈可用统一形式的反馈方程来描述 即Af A 1 AB 反馈的类型不同将影响A Af和B的下标和量纲 反馈深度F 1 AB将影响反馈放大器的性能 小结 续 4 负反馈放大器的主要影响