模拟电子技术 第六章 放大电路的反馈ppt课件

第六章放大电路得反馈 6 1反馈得基本概念及判断方法6 2负反馈放大电路的四种基本组态6 3负反馈放大电路的表示方法6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析6 5负反馈对放大电路性能的影响6 6负反馈放大电路的稳定性 6 1反馈得基本概念及判断方法 基本概念 一 反馈 Feedback 1 所谓 反馈 就是把放大器中放大了的输出信号Xo 取出其一部分或全部 通过反馈网络形成反馈信号Xf 和原来的输入信号Xi进行比较 矢量求和 共同加到基本放大器的输入端 构成X i X i中包含有输出信号Xo的成分 把输出量 一部分或者全部 回送到放大器的输入端称为反馈 具有反馈的放大器 称为反馈放大器 反馈放大电路方框图 2 通常将连接输入回路与输出回路的反馈元件 称为反馈网络 FeedbackNetwork 把没有引入反馈的放大电路 称为基本放大电路 而把引入反馈的放大电路称为反馈放大电路或闭环放大电路 3 由方框图可知 基本放大电路的放大倍数 也称为开环增益 OpenLoopGain 为 4 反馈网络的反馈系数 FeedbackFactor 5 反馈放大电路的闭环放大倍数 即闭环增益 ClosedLoopGain 为 Xi 称为净输入量 基本放大电路的输入信号 Xf称为反馈量 反馈网络的输出信号 6 1反馈得基本概念及判断方法 基本概念 二 正反馈 PositiveFeedback 与负反馈 NegativeFeedback 正反馈 使加强 使放大倍数增加 负反馈 使减小 使放大倍数降低 6 1反馈得基本概念及判断方法 基本概念 三 直流反馈与交流反馈 内部反馈 外部反馈 若反馈信号中只包含直流成份 直流反馈若反馈信号中只包含交流成份 交流反馈 四 内部反馈与外部反馈五 本级反馈与级间反馈 补充 集成电路的表示方式 由于Aod高达几十万倍 所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 uP uN 的数值仅为几十 一百多微伏 在线性区 uO Aod uP uN Aod是开环差模放大倍数 uP uN 的数值大于一定值时 集成运放的输出不是 UOM 就是 UOM 即集成运放工作在非线性区 6 1反馈得基本概念及判断方法 反馈的判断方法 一 有无反馈的判断 反馈与反馈通路 1 我们判断一个电路是否有反馈 是通过分析它是否存在反馈通路而进行的 而反馈通路是跨接在输出和输入间的网络 2 若电路中不存在反馈 开环 反馈通路 反馈网络 信号的正向传输 3 若电路中存在反馈 闭环 6 1反馈得基本概念及判断方法 反馈的判断方法 二 反馈极性的判断 判断电路中反馈的正 负极性用瞬时极性法 1 按中频段考虑 即不考虑电路中所有的电容对相位的影响 2 用正 负号 或箭头 表示电路中各关键点对 地 的电位的瞬时极性 或瞬时变化 这种表示要符合放大器的基本原理 共射极放大器 集电极与基极电位反相 共基极放大器 集电极与发射极电位同相 共集极放大器 发射极与基极电位同相 集成运放电路 看xf是加在同相端还是反相端 3 要逐级进行 最后看反馈到输入端的信号的瞬时极性 若与原输入信号的位相相同 则为正反馈 若与原输入信号的位相相反 则为负反馈 反馈通路 负反馈 负反馈 净输入量 反馈通路 正反馈与负反馈判断举例 净输入量 正反馈 反馈通路 级间反馈通路 级间负反馈 正反馈与负反馈判断举例 6 1反馈得基本概念及判断方法 反馈的判断方法 三 直流反馈与交流反馈的判断 交 直流反馈判断举例 交流负反馈 交 直流反馈判断举例 交流负反馈 反馈判断 习题6 4 6 5 6 2负反馈放大电路的四种基本组态 6 2 1分析要点6 2 2四种基本组态6 2 3反馈组态的判断 6 2 1分析要点 1 类型 由此可组成四种组态 输入端 反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式 输出端 反馈信号在输出端分为取电压和取电流两种方式 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 6 2 2四种反馈组态 一 电压串联负反馈 瞬时极性如图 反馈电压为 集成运放同相输入端和反相输入端的电流iP iN 0 为虚断 集成运放同相输入端和反相输入端的电压uP uN 为虚短 所以 uI uP uN uF 表明电路引入电压串联负反馈后 只要R1和R2确定 uO仅仅取决于uI 与负载无关 可以看成uI控制uO的电压源 输出内阻很小 补充 集成电路的表示方式 第四章 4 1 集成运放同相输入端和反相输入端的电流iP iN 0 为虚断 集成运放同相输入端和反相输入端的电压uP uN 为虚短 6 2 2四种反馈组态 二 电流串联负反馈 所以 uI uP uN uF 表明电路引入电流串联负反馈后 只要R1确定 iO仅仅取决于uI 可以看成uI控制iO的电流源 输出电阻趋于无穷大 当某种原因使输出电流iO增大 产生如下过程 小结 1 电压负反馈能够稳定输出电压 电流负反馈能够稳定输出电流 2 串联负反馈电路的输入电流很小 适用于输入信号为恒流源或近似恒压源的情况 6 2 2四种反馈组态 三 电压并联负反馈 集成运放的Aod与rid趋于无穷大uP uN 0 表明电路引入电压并联负反馈后 只要R确定 uO仅仅取决于iI 可以看成iI控制uO的电压源 输出电阻趋于零 6 2 2四种反馈组态 四 电流并联负反馈 集成运放的Aod与rid趋于无穷大uP uN 0 表明电路引入电流并联负反馈后 只要R1和R2确定 iO仅仅取决于iI 可以看成iI控制iO的电流源 输出电阻趋于无穷大 小结 闭环放大系数 电压串联负反馈 电流并联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 放大电路中引入电压负反馈还是电流负反馈 取决于负载预得到的稳定的电压还是稳定的电流 引入串联负反馈还是并联负反馈 取决于输入信号是恒流源还是恒压源 1 四种组态的判断方法 电流 将负载短路 反馈量仍然存在 电压 将负载短路 反馈量为零 6 2 3反馈组态的判断 电压反馈与电流反馈 一 电压反馈 电压反馈与电流反馈 二 从电路的连接方式上 凡是直接从uO端口引回的反馈为电压反馈 否则为电流反馈 电流反馈 串联反馈与并联反馈 一 串联反馈 串联反馈与并联反馈 一 并联反馈 从电路的连接方式上 凡是直接引回到Xi端口的反馈为并联反馈 否则为串联反馈 例 电流并联负反馈 例 例 组态判断 电压并联负反馈 例题 组态判断 6 3负反馈放大电路的方框图及表示方法 6 3 1方框图表示方法6 3 2四种组态的方框图6 3 3负反馈放大电路的一般表达式6 3 4基本放大电路 6 3 1方框图表示 AF称为电路的环路放大倍数 信号在四种反馈阻态中的具体形式 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 6 3 2四种组态的方框图 表6 3 1四种组态负反馈放大电路的比较 6 3 3负反馈放大电路的一般表达式 当电路引入负反馈时 AF 0 表明引入负反馈后电路的放大系数等于基本放大电路放大倍数的 1 AF 分之一 而且 A F和Af同符号 反馈深度的讨论 一般负反馈 称为反馈深度 深度负反馈 正反馈 说明电路在输入量为零时就有输出 电路产生自激振荡 6 3 4负反馈放大电路的基本放大电路 负反馈放大电路分解成基本放大电路 反馈网络单向化 根据网络定理 当考虑反馈网络在输入端的负载效应时 应令输出量的作用为零 当考虑反馈网络在输出端的负载效应时 应令输入量的作用为零 一般方法 1 找出反馈网络2 求解反馈网络在放大电路输入端的等效电阻 对电压反馈 令uO 0 即输出端短路对电流反馈 令iO 0 将iO所在回路断开 3 求解反馈网络在放大电路输出端的等效电阻 对串联负反馈 令iI 0 即断开放大电路输入级与反馈网络的连接对并联负反馈 令输入端接地 负反馈放大电路 基本放大电路 6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析 6 4 1深度负反馈的实质6 4 2反馈网络的分析6 4 3放大倍数的分析 6 4 1深度负反馈的实质 1 深度负反馈的特点 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 输入量近似等于反馈量 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 1 深度负反馈的特点 串联负反馈 输入端电压求和 深度负反馈条件下 虚短 虚断 虚短 虚断 并联负反馈 输入端电流求和 6 4 2反馈网络的分析 确定反馈网络 求解反馈系数 6 4 3放大倍数的分析 一 电压串联负反馈电路 二 电流串联负反馈电路 6 4 3放大倍数的分析 三 电压并联负反馈电路 6 4 3放大倍数的分析 四 电流并联负反馈电路 总结步骤 1 正确判断反馈组态 2 求反馈系数 3 利用F求解Af Auf 用瞬时极性法判断Uo和Ui的相位关系 例题6 4 1 6 4 2 例题6 4 3 6 4 4 电压串联负反馈放大电路 a 集成运放构成的电路 b 分立元件构成的电路 电路的形式 电压并联负反馈放大电路 a 集成运放构成的电路 b 分立元件构成的电路 电流串联负反馈放大电路 a 集成运放构成的电路 b 分立元件构成的电路 电流并联负反馈放大电路 a 集成运放构成的电路 b 分立元件构成的电路 6 5负反馈对放大电路性能的影响 6 5 1稳定放大系数6 5 2改变输入电阻和输出电阻6 5 3展宽频带6 5 4减小非线性失真6 5 5放大电路中引入负反馈的一般原则 6 5 1稳定放大系数 闭环时 则 中频 只考虑幅值有 另一方面 在深度负反馈条件下 即闭环增益只取决于反馈网络 当反馈网络由稳定的线性元件组成时 闭环增益将有很高的稳定性 例 1 AF 100时 A 1000 10 即dA A 10 则dAf Af 0 1 Af 10 0 1 表明引入负反馈后 Af的相对变化量仅为其基本放大电路放大倍数A的相对变化量的 1 AF 分之一 也就是Af的稳定性是A的 1 AF 倍 放大倍数的稳定性是基本放大电路的倍 6 5 2改变输入电阻和输出电阻 一 对输入电阻的影响 1 引入串联负反馈时 对输入电阻的影响仅与反馈网络与基本放大电路输入端的接法有关 即决定于是串联反馈还是并联反馈 无反馈时 结论 引入串联负反馈 使引入反馈的支路的等效电阻增大到原来的 1 AF 倍 串联负反馈对输入电阻影响的讨论 引入串联负反馈 对图示两电路的输入电阻所产生的影响一样码 Rb1支路在引入反馈前后对输入电阻的影响有无变化 6 5 2改变输入电阻和输出电阻 一 对输入电阻的影响 1 串联负反馈使输入电阻增加 特殊说明 无反馈时 Ri Rb1 rbe 1 Re1 引入反馈时 对Rb1不产生影响 Rif 1 AF Ri 整个电路的Rif Rb1 Rif 反馈仅仅影响引入反馈的支路 2 引入并联负反馈时 串联负反馈增大输入电阻 并联负反馈减小输入电阻 无反馈时 二 对输出电阻的影响 1 引入电压负反馈时 对输出电阻的影响仅与反馈网络与基本放大电路输出端的接法有关 即决定于是电压反馈还是电流反馈 电压负反馈减小输出电阻 电流负反馈增大输出电阻 所取电流已在其负载效应中考虑 2 引入电流负反馈时 所取电压已在其负载效应中考虑 电流负反馈对输出电阻影响的讨论 Rc2支路在引入反馈前后对输出电阻的影响有无变化 引入电流负反馈 使引出反馈的支路的等效电阻增大到原来的 1 AF 倍 负反馈对输入电阻和输出电阻的影响 设开环放大器的高频区频响函数为 加负反馈后闭环增益的频响函数应为 6 5 3扩展频带 加负反馈后 fhf为fh的 1 AmF 倍 中频区增益Amf为Am的1 1 AmF 倍 同理 负反馈放大器的下限频率flh是开环放大器的下限频率fl的1 1 AmF 倍 即 开环幅频响应 闭环幅频响应 6 5 3扩展频带 引入负反馈后使通频带扩展了 1 AF 倍 6 5 4减少非线性失真 若输入信号本身就是失真波形 是不能靠引入负反馈来改善的 只有放大器内部所产生的非线性失真用负反馈改善才有效 三 抑制噪声和干扰负反馈能将噪声和干扰抑制 1 AF 倍注意 1 放大电路引入负反馈后 信噪比并没有提高2 若干扰或噪声与输入信号同时由外界引入 靠负反馈无济于事 6 5 5为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定静态工作点 引直流负反馈 要改善电路的动态性能 引交流负反馈 要稳定输出电压 引电压负反馈 要稳定输出电流 引电流负反馈 当信号源为恒压源或内阻较小的电压源 要增大输入电阻 引串联负反馈 当信号源为恒流源或内阻较大的电流源 要减小输入电阻 引并联负反馈 说明 引入负反馈虽然可以改善电路的性能 然而 若处理不当 则电路将产生自激振荡 使改善性能的愿望落空 在需要进行信号变换时 选择合适的组态 1 引入电压串联负反馈 解 求 例 正反馈 1 引入电压串联负反馈 解 求 例 电压串联负反馈 2 引入电压并联负反馈 解 求 例 正反馈 解 求 例 电压并联负反馈 2 引入电压并联负反馈 3 引入电流串联负反馈 解 求 例 电流串联负反馈 4 引入电流并联负反馈 解 求 例 电流并联负反馈 例题6 5 1 练习 电路如下图所示 1 合理连线 接入信号源和反馈 使电路的输入电阻增大 输出电阻减小 2 若 则RF应取多少千欧 负反馈放大电路的分析方法 步骤 1 找出信号放大通路和反馈通路 2 用瞬时极性法判断正 负反馈 3 判断交 直流反馈 4 判断反馈阻态 5 标出输入量 输出量及反馈量 6 估算深度负反馈条件下电路的 任务 求出各项电路指标与电路中有关元件参数之间的关系 方法 1 微变等效电路分析法2 方框图法3 若为深度负反馈 则计算更简单4 回路增益法 6 6负反馈放大电路的稳定性 6 6 1负反馈放大电路自激振荡的原因和条件6 6 2负反馈放大电路稳定性的分析6 6 3负反馈放大电路稳定性的判断6 6 4自激振荡的消除方法 6 6 1自激产生的原因及工作条件 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 3 自激振荡条件 自激振荡 反馈深度 即 又 得自激振荡条件 幅值条件 相位条件 附加相移 注 输入端求和的相位 1 不包含在内 闭环增益 6 6 1自激产生的原因及工作条件 3 自激振荡条件 自激振荡条件 说明 1 一级或两级负反馈放大电路是稳定的 三级或三级以上的负反馈电路 在深度负反馈的条件下 由可能产生自激振荡 2 为使负反馈放大器能够稳定地工作 必须设法破坏自激振荡的条件 在时 在时 使 使 6 6 1自激产生的原因及工作条件 1 稳定工作条件 破坏自激振荡条件 或写为 其中 Gm 幅值裕度 一般要求Gm 10dB m 相位裕度 一般要求 m 45 保证可靠稳定 留有余地 6 6 2稳定性分析 f0 满足自激振荡相位条件的频率fc 满足自激振荡幅值条件的频率Gm 20log AF f f0 m 180 A F f fc判稳 若不存在f0 则电路稳定若存在f0 f0fc 电路稳定 负反馈放大电路稳定性的判断 fc f0 满足起振条件 电路不稳定 电路稳定 f0 fc 电路不稳定 会产生自激振荡 f0 fc 电路稳定 不会产生自激振荡 稳定裕度 电路稳定 Gm 幅值裕度 相位裕度 Gm 10dB 且 m 45 负反馈放大电路才具有可靠的稳定性 2 负反馈放大电路稳定性分析 环路增益的幅频响应写为 利用波特图分析 即该点满足 6 6 2稳定性分析 判断稳定性方法 若P点在水平线之下 稳定 否则不稳定 或 6 6 3稳定性判断 负反馈放大电路稳定性判断分析 基本放大电 基本放大 反馈深度越深 越容易自激 6 6 3稳定性判断 思考 如果在0dB线以上只有一个转折频率 则无论反馈深度如何 电路都能稳定工作 对吗 假设F为无源网络 最大为1 即 无论反馈深度如何 P点都交在的 20dB 十倍频程处 放大电路是稳定的 通过以上分析可知 要保证负反馈放大电路稳定工作 必须破坏自激条件 通常是在相位条件满足 即反馈为正时 破坏振幅条件 使反馈信号幅值不满足原输入量 或者在振幅条件满足 反馈量足够大时 破坏相位条件 使反馈无法构成正反馈 根据这两个原则 克服自激振荡的方法有 6 6 4负反馈放大电路自激振荡的消除方法 1 减小反馈环内放大电路的级数 因为级数越多 由于耦合电容和半导体器件的极间电容所引起的附加相移越大 负反馈越容易过渡成正反馈 一般来说 两级以下的负反馈放大电路产生自激的可能性较小 因为其附加相移的极限值为 180 当达到此极限值时 相应的放大倍数已趋于零 振幅条件不满足 所以实际使用的负反馈放大电路的级数一般不超过两级 最多三级 3 在放大电路的适当位置加补偿电路 为了克服自激振荡 又不使放大电路的性能改善受到影响 通常在负反馈放大电路中接入由C或RC构成的各种校正补偿电路 来破坏电路的自激条件 以保证电路稳定工作 2 减小反馈深度 当负反馈放大电路的附加相移达到 180 满足自激振荡的相位条件时 能够防止电路自激的唯一方法是不再让它满足振幅条件 即限制反馈深度 使它不能大于或等于1 这就限制了中频时的反馈深度不能太大 显然 这种方法会影响放大电路性能的改善 四 消除自激振荡的方法 1 简单滞后补偿 常用的方法为滞后补偿方法 设放大电路为直接耦合方式 反馈网络为电阻网络 在最低的上限频率所在回路加补偿电容 补偿电容 1 简单滞后补偿 最大附加相移为 135 具有45 的相位裕度 故电路稳定 补偿前 补偿后 滞后补偿法是以频带变窄为代价来消除自激振荡的 2 密勒补偿 在获得同样补偿的情况下 补偿电容比简单滞后补偿的电容小得多 在最低的上限频率所在回路加补偿电容 补偿前 补偿后 3 RC滞后补偿 在最低的上限频率所在回路加补偿 上式表明 最大附加相移为 180 不满足起振条件 闭环后一定不会产生自激振荡 电路稳定 RC滞后补偿与简单滞后补偿比较 简单补偿后的幅频特性 RC滞后补偿后的幅频特性 补偿前 滞后补偿法消振均以频带变窄为代价 RC滞后补偿较简单电容补偿使频带的变化小些 为使消振后频带变化更小 可考虑采用超前补偿的方法 略 例题6 6 2P290 习题6 20 1 解 1 电路一定会产生自激振荡因为 在f 103Hz时附加相移为 45 在f 104Hz时附加相移约为 135 在f 105Hz时附加相移约为 225 因此附加相移为 180 的频率在104Hz 105Hz之间 此时 故一定会产生自激振荡 练习题一 填空选择合适答案填入空内 A 电压B 电流C 串联D 并联 1 为了稳定放大电路的输出电压 应引入