模电 电子线路线性部分第五版 主编 冯军 谢嘉奎第五章ppt课件

5 2负反馈对放大器性能的影响 5 4深度负反馈 5 3负反馈放大器的性能分析 5 1反馈放大器的基本概念 第5章放大器中的负反馈 5 5负反馈放大器的稳定性 5 1反馈放大器的基本概念 5 1 1反馈放大器的组成 将放大器输出信号的一部分或全部 通过反馈网络回送到电路输入端 并对输入信号进行调整 所形成的闭合回路即反馈放大器 反馈放大器组成框图 第5章放大器中的负反馈 反馈放大器增益一般表达式 开环增益 反馈系数 闭环增益 反馈深度 环路增益 反馈深度F 或环路增益T 是衡量反馈强弱的一项重要指标 其值直接影响电路性能 第5章放大器中的负反馈 反馈极性 由于净输入信号 若xf削弱了xi 使x i xi 负反馈 若xf增强了xi 使x i xi 正反馈 负反馈具有自动调整作用 可改善放大器性能 例 某原因 正反馈使放大器工作不稳定 多用于振荡器中 负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的 第5章放大器中的负反馈 5 1 2四种类型负反馈放大器 根据输出端连接方式 电压反馈 在输出端 凡反馈网络与基本放大器并接 反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈 输出量xo vo 在输出端 凡反馈网络与基本放大器串接 反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈 电流反馈 输出量xo io 第5章放大器中的负反馈 根据输入端连接方式 串联反馈 在输入端 反馈网络与基本放大器串接 反馈信号以电压vf的形式出现 并在输入端进行电压比较 即v i vi vf 在输入端 反馈网络与基本放大器并接 反馈信号以电流if的形式出现 并在输入端进行电流比较 即ii ii if 并联反馈 第5章放大器中的负反馈 四种类型负反馈放大器增益表达式 电压串联负反馈 开环电压增益 电压反馈系数 闭环电压增益 电压并联负反馈 开环互阻增益 互导反馈系数 闭环互阻增益 第5章放大器中的负反馈 电流串联负反馈 开环互导增益 互阻反馈系数 闭环互导增益 电流并联负反馈 开环电流增益 电流反馈系数 闭环互阻增益 第5章放大器中的负反馈 5 1 2反馈极性与类型的判别 判断是否为反馈电路 看电路输出与输入之间是否接有元件 若有则为反馈电路 该元件即为反馈元件 例1 Rf为反馈元件 RE为反馈元件 第5章放大器中的负反馈 判断反馈类型 采用短路法 假设输出端交流短路 若反馈信号消失 则为电压反馈 反之为电流反馈 判断电压与电流反馈 判断串联与并联反馈 假设输入端交流短路 若反馈作用消失 则为并联反馈 反之为串联反馈 第5章放大器中的负反馈 判断反馈极性 采用瞬时极性法 用正负号表示电路中各点电压的瞬时极性 或用箭头表示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法 比较xf与xi的极性 xi xi xf 若xf与xi同相 使xi 减小的 为负反馈 若xf与xi反相 使xi 增大的 为正反馈 第5章放大器中的负反馈 用瞬时极性法比较xf与xi极性时 若是并联反馈 则需根据电压的瞬时极性 标出相关支路的电流流向 然后用电流进行比较 ii ii if 若是串联反馈 则直接用电压进行比较 vi vi vf 按交 直流性质分 直流反馈 交流反馈 反馈信号为直流量 用于稳定电路静态工作点 反馈信号为交流量 用于改善放大器动态性能 多级放大器中的反馈 局部反馈 越级反馈 反馈由本级输出信号产生 可忽略 输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间 或越级 反馈 第5章放大器中的负反馈 例1判断电路的反馈极性和反馈类型 假设输出端交流短路 Rf引入的反馈消失 电压反馈 假设输入端交流短路 Rf的反馈作用消失 并联反馈 分析 形成的if方向如图示 ii if ib 因净输入电流ib ii if ii 负反馈 结论 Rf引入电压并联负反馈 第5章放大器中的负反馈 例2判断图示电路的反馈极性和反馈类型 假设输出端交流短路 RE上的反馈依然存在 电流反馈 假设输入端交流短路 RE上的反馈没有消失 串联反馈 分析 因净输入电压vbe vi vf vi 负反馈 结论 RE引入电流串联负反馈 第5章放大器中的负反馈 例3判断下列电路的反馈极性和反馈类型 电流并联负反馈 电流串联正反馈 电压并联负反馈 电压串联负反馈 第5章放大器中的负反馈 例4判断下列电路的反馈极性和反馈类型 电流串联负反馈 电流并联负反馈 第5章放大器中的负反馈 例4判断下列电路的反馈极性和反馈类型 电压并联正反馈 电压串联负反馈 第5章放大器中的负反馈 5 2 1降低增益 5 2负反馈对放大器性能的影响 反馈越深 电路增益越小 注 当取源增益时 上式依然成立 即 5 2 2减小增益灵敏度 或提高增益稳定性 定义 由 得 2 1 得 1 2 反馈越深 增益灵敏度越小 第5章放大器中的负反馈 5 2 3改变输入 输出电阻 输入电阻 串联反馈 基放输入电阻 环路增益 反馈电路输入电阻 第5章放大器中的负反馈 并联反馈 反馈电路输入电阻 基放输入电阻 环路增益 第5章放大器中的负反馈 输出电阻 电压反馈 Ro 考虑反馈网络负载效应后 基放输出电阻 Ast 负载开路时 基本放大器源增益 得 第5章放大器中的负反馈 电流反馈 Ro 考虑反馈网络负载效应后 基放输出电阻 Asn 负载短路时 基本放大器源增益 由定义得Rof电路模型 得 第5章放大器中的负反馈 5 2 4减小频率失真 或扩展通频带 由于负反馈降低了电路增益灵敏度 因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变 单极点系统引入负反馈后 反馈越深 上限角频率越大 增益越小 但其增益带宽积维持不变 设基放为单极点系统 则 若反馈网络反馈系数为 则闭环系统 其中 注意 通频带的扩展是以降低增益为代价的 第5章放大器中的负反馈 5 2 5减小非线性失真 v i 例如 一基本放大器 引入负反馈 注意 负反馈只能减小反馈环内的失真 若输入信号本身产生失真 反馈电路无能为力 输入正弦信号时 输出产生失真 vo失真减小 第5章放大器中的负反馈 5 2 6噪声性能不变 同减小非线性失真一样 引入负反馈可减小噪声 注意 负反馈在减小噪声的同时 有用信号以同样的倍数在减小 其信噪比不变 因此 引入负反馈放大器噪声性能不变 综上所述 负反馈对放大器性能影响主要表现为 降低增益 减小增益灵敏度 或提高增益稳定性 改变电路输入 输出电阻 减小频率失真 或扩展通频带 减小非线性失真 噪声性能不变 第5章放大器中的负反馈 在电路输出端 基本放大器引入负反馈的原则 在电路输入端 反馈效果与信号源内阻RS的关系 第5章放大器中的负反馈 反馈效果与RS关系的说明 串联负反馈 采用电压源激励时 若RS 0 则 由于vS恒定 则vf的变化量全部转化为vi 的变化量 此时反馈效果最强 采用电流源激励时 若RS 由于iS恒定 vi 固定不变 结果导致反馈作用消失 第5章放大器中的负反馈 并联负反馈 采用电压源激励时 若RS 0 则 由于iS恒定 则if的变化量全部转化为ii 的变化量 此时反馈效果最强 采用电流源激励时 若RS 由于vi 固定不变 结果导致反馈作用消失 第5章放大器中的负反馈 深度负反馈条件 5 4深度负反馈 当电路满足深度负反馈条件时 将T 1或F 1称为深度负反馈条件 串联反馈电路输入电阻 并联反馈电路输入电阻 电压反馈电路输出电阻 电流反馈电路输出电阻 第5章放大器中的负反馈 深度负反馈条件下Avf的估算 根据反馈类型确定kf含义 并计算kf 分析步骤 若并联反馈 将输入端交流短路 若串联反馈 将输入端交流开路 则反馈系数 确定Afs xo xs 含义 并计算Afs 1 kf 将Afs转换成Avfs vo vs kf xf xo 计算此时xo产生的xf 第5章放大器中的负反馈 例1图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电压串联负反馈放大器 解 将输入端交流开路 即将T1管射极断开 则 因此 第5章放大器中的负反馈 例2图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电流并联负反馈放大器 解 将输入端交流短路 即将T1管基极交流接地 则 因此 第5章放大器中的负反馈 例3图示电路 试在深度负反馈条件下估算Avfs 该电路为电压并联负反馈 1 解 将反相输入端交流接地 则 因此 该电路为电压串联负反馈 2 解 将反相输入端交流开路 则 因此 第5章放大器中的负反馈 5 5负反馈放大器的稳定性 实际上 放大器在中频区施加负反馈时 有可能因Akf在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈 引起电路自激 5 5 1判别稳定性的准则 反馈放大器频率特性 若在某一频率上T j 1 放大器自激 自激时 即使xi 0 但由于xi xf 因此反馈电路在无输入时 仍有信号输出 第5章放大器中的负反馈 不自激条件 注意 只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件 放大器就不会产生自激 稳定裕量 要保证负反馈放大器稳定工作 还需使它远离自激状态 远离程度可用稳定裕量表示 g 增益交界角频率 相位交界角频率 第5章放大器中的负反馈 相位裕量图解分析法 假设放大器施加的是电阻性反馈 kf为实数 由 在A 或T 波特图上找 g 在A 波特图上 作1 kf dB 的水平线 交点即 g 在T 波特图上 与水平轴 T 0dB 的交点 即 g 根据 g在相频曲线上找 T g 判断相位裕量 注 1 kf dB 的水平线称增益线 第5章放大器中的负反馈 例1已知A j 波特图 判断电路是否自激 g 1 在A 波特图上作1 kf dB 的水平线 分析 2 找出交点 即 g 3 在 T 波特图上 找出 T g 4 由于 45 因此电路稳定工作 不自激 第5章放大器中的负反馈 例2已知T j 波特图 判断电路是否自激 1 由T 波特图与横轴的交点 找出 g 分析 2 由 g在 T 波特图上 找出 T g 3 由于 0 因此电路自激 第5章放大器中的负反馈 利用幅频特性渐近波特图判别稳定性 一无零三极系统波特图如下 分析 g落在何处系统稳定 放大器必稳定工作 或 g落在 P1与 P2之间 只要 g落在斜率为 20dB 10倍频 的下降段内 则 45 p2 10 p1 p3 10 p2 第5章放大器中的负反馈 p2 10 p1 将 p3靠近 p2 由于 T p2 则 g落在 p1与 p2之间时 放大器依然稳定工作 第5章放大器中的负反馈 结论 在多极点的低通系统中 若 p3 10 p2 则只要 g落在斜率为 20dB 10倍频 的下降段内 或 g落在 p1与 p2之间 放大器必稳定工作 将 p2靠近 p1 由于 T p2 上述结论不成立 第5章放大器中的负反馈 5 5 2集成运放的相位补偿技术 解决方法 采用相位补偿技术 在中频区 反馈系数kf越大 反馈越深 电路性能越好 在高频区 kf越大 相位裕量越小 放大器工作越不稳定 在中频增益AI基本不变的前提下 设法拉长 p1与 p2之间的间距 或加长斜率为 20dB 10倍频 线段的长度 使得kf增大时 仍能获得所需的相位裕量 相位补偿基本思想 第5章放大器中的负反馈 滞后补偿技术 简单电容补偿 降低 p1 补偿方法 将补偿电容C 并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上 使 p1降低到 d p1降低到 d 反馈增益线下移 稳定工作允许的kf增大 第5章放大器中的负反馈 d与kf之间的关系 整理得 kfv d 反馈电路稳定性 但 H kfv 1时 此时 kfv无论取何值 电路均可稳定工作 第5章放大器中的负反馈 例1一集成运放AvdI 105 fp1 200Hz fp2 2MHz fp3 20MHz 产生fp1节点上等效电路R1 200k 接成同相放大器 采用简单电容补偿 试求 解 1 求未补偿前 同相放大器提供的最小增益 根据题意 可画出运放的幅频渐近波特图 未补偿前 为保证稳定工作 Avfmin 104 即 第5章放大器中的负反馈 解 2 若要求Avf 10 求所需的补偿电容C 由Avf 10 得kfv 0 1 则 由 得 由 得 3 若要求Avf 1 求所需的补偿电容CS 解 由Avf 1 得kfv 1 则 第5章放大器中的负反馈 密勒电容补偿 降低 p1 增大 p2 补偿方法 将补偿电容C 跨接在三极管B极与C极之间 利用密勒倍增效应 使 p1降低 P2增大 拉长 p1与 P2之间的间距 这种补偿方法又称极点分离术 分析略 简单电容补偿缺点 补偿电容C 数值较大 F量级 集成较困难 密勒电