负反馈放大电路.ppt

Chapter4负反馈放大电路,2,主要内容,反馈的基本概念与分类负反馈对放大电路的影响深度负反馈放大电路的增益计算负反馈放大电路的稳定性分析,3,4.1反馈的基本概念与分类,反馈的基本概念反馈的分类与判断,4,4.1.1反馈的基本概念,1、反馈的定义将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过反馈网络回送到输入端，并参与对放大的控制过程，称为反馈。,放大电路引入反馈后，组成反馈放大电路。,5,输出信号,反馈环：信号流向,反馈系数,输入信号,反馈信号,比较环节,净输入信号。经反馈量影响基本放大电路输入,其中：,反馈放大电路的闭环增益：,6,2、反馈的分类,正反馈与负反馈直流反馈与交流反馈电压反馈与电流反馈串联反馈与并联反馈本级反馈与级间反馈,7,反馈环节的判断,输出与输入之间跨接的电路输出回路与输入回路的共有电路,8,在输入端，输入信号与反馈信号以电压形式相比较为串联反馈。,（1）串联反馈与并联反馈,a）串联反馈,b）并联反馈,在输入端，输入信号与反馈信号以电流形式相比较为并联反馈。,9,串联反馈与并联反馈,由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定,串联,串联：输入以电压形式求和:-vi+vid+vf=0即vid=vi-vf,并联：输入以电流形式求和：ii-iid-if=0即iid=ii-if,并联,10,串联反馈和并联反馈的判断方法,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。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端一个加在反相输入端，则为串联反馈。,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；一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,11,判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈,串联反馈与并联反馈,并联反馈,级间反馈通路,xf(if),12,判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈,串联反馈与并联反馈,串联反馈,级间反馈通路,xf(vf),13,（2）正反馈与负反馈,a）正反馈引入反馈后，使净输入信号加强的反馈为正反馈。即,正反馈会使放大电路工作不稳定，容易产生自激振荡，即在无信号输入时，也会产生无关的信号输出。,b）负反馈引入反馈后，使净输入信号削弱的反馈为负反馈。即,负反馈可在多方面改善放大电路的性能，但会使电路的增益下降。,14,正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。,负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。,从输出端看,从输入端看,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,净输入量可以是电压，也可以是电流。,15,正、负反馈的判别方法瞬时极性法,（1）首先假设输入信号Xi为“”，然后按照基本放大器的性质，根据信号传输的方向逐级向后推断，确定输出信号Xo的极性；（2）根据输出信号Xo的极性和反馈网络的性质确定反馈信号Xf的极性；（3）根据反馈信号与输入信号的连接方式，计算净输入信号Xd：并联反馈连接方式（电流比较）：Xd=Xi+Xf串联反馈连接方式（电压比较）：Xd=XiXf（4）根据定义作出结论。,16,负反馈,正反馈,增大,反馈电压增强了输入信号的作用,反馈电压削弱了输入信号的作用,减小,17,（3）电压反馈与电流反馈,a）电压反馈,b）电流反馈,在输出端，反馈信号的取样对象为输出电压时，称为电压反馈。,在输出端，反馈信号的取样对象为输出电流时，称为电流反馈。,18,电压反馈与电流反馈,电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定：,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,19,电压反馈与电流反馈,电压负反馈,RL,电压负反馈稳定输出电压,xf=Fvo，xid=xixf,20,电压反馈与电流反馈,电流负反馈,RL,电流负反馈稳定输出电流,xf=Fio，xid=xixf,21,电压反馈与电流反馈,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,简易判别：若反馈信号取自负载上端则为电压反馈，不取自负载上端则为电流反馈。,22,电压反馈与电流反馈,电压反馈,反馈通路,23,（4）直流反馈与交流反馈,a）直流反馈：反馈信号中只包含直流成分。,影响电路直流性能，主要用于稳定静态工作点。,b）交流反馈：反馈信号中只包含交流成分。,影响电路动态性能，主要用于改善放大电路的动态性能，如提高A的稳定性、增加ri，降低ro，增大BW，改善输出波形、抑制干扰等。,判断方法：电容观察法。反馈通路如果存在隔直电容，就是交流反馈；反馈通路存在旁路电容，则是直流反馈；如果不存在电容，就是交、直流反馈。,在直接耦合放大电路中，既可传输交流信号，也可传输直流信号，此时引入的反馈为交、直流反馈。,24,3、反馈放大电路增益的一般表达式,由方框图可得：,（1）闭环增益的一般表达式,25,（2）闭环增益一般表达式的分析,a）反馈深度,放大电路的影响。,下降，这种反馈为负反馈。,增加，这种反馈为正反馈。,输入信号时也有输出，此时电路处于自激振荡状态。,26,b）环路增益,c）深度负反馈时增益的近似表达式,净输入量经基本放大电路和反馈网络循环一周所具有的增益称环路增益。,也是描述反馈放大电路性能的重要指标。,27,4.1.2负反馈放大电路的四种组态,在输出回路中，按Xf的来源不同，有电压反馈和电流反馈；在输入回路中，按Xf的接入方式不同，又分串联反馈和并联反馈。它们的不同组合，使负反馈放大电路有以下四种组态：,电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈,28,1、电压串联负反馈,3）用瞬时极性法判断正负反馈。,负反馈,1）由输出端判断电压或电流反馈。,故为电压反馈,2）由输入端判断串联或并联反馈。,电压比较，故为串联反馈,又：该电路为直接耦合，即为交直流反馈。,电压串联交直流负反馈,29,3）用瞬时极性法判断正负反馈。,负反馈,1）由输出端判断电压或电流反馈。,电压反馈,2）由输入端判断串联或并联反馈。,串联反馈,4）由反馈信号判断直流或或交流反馈。,交流反馈,电压串联交流负反馈,30,2、电流串联负反馈,3）判断反馈极性。,负反馈,1）判断电压或电流反馈。,电流反馈,2）判断串联或并联反馈。,串联反馈,4）判断直流或或交流反馈。,交直流反馈,电流串联交直流负反馈,31,3）判断反馈极性,负反馈,1）判断电压或电流反馈,电流反馈,2）判断串联或并联反馈,串联反馈,4）判断直流或或交流反馈,交直流反馈,电流串联交直流负反馈,32,3、电压并联负反馈,3）判断反馈极性。,负反馈,1）判断电压或电流反馈。,电压反馈,2）判断串联或并联反馈。,并联反馈,4）判断直流或或交流反馈。,交直流反馈,电压并联交直流负反馈,电流比较,电压反馈能稳定输出电压。,uo,if,ii,uo,33,3）判断反馈极性。,负反馈,1）判断电压或电流反馈。,电压反馈,2）判断串联或并联反馈。,并联反馈,4）判断直流或或交流反馈。,交直流反馈,电压并联交直流负反馈,34,4、电流并联负反馈,3）判断反馈极性。,负反馈,1）判断电压或电流反馈。,电流反馈,2）判断串联或并联反馈。,并联反馈,4）判断直流或交流反馈。,交直流反馈,电流并联交直流负反馈,电流反馈能稳定输出电流。,io,if,ii,io,uR3,35,3）判断反馈极性。,负反馈,1）判断电压或电流反馈。,电流反馈,2）判断串联或并联反馈。,并联反馈,4）判断直流或或交流反馈。,交直流反馈,电流并联交直流负反馈,36,负反馈放大电路中各种信号量的含义,37,电压负反馈：稳定输出电压，具有恒压特性,串联反馈：输入端电压求和（KVL）,电流负反馈：稳定输出电流，具有恒流特性,并联反馈：输入端电流求和（KCL）,负反馈类型小结：,38,串联负反馈,信号源对反馈效果的影响,Uid=Ui-Uf,则Us最好为恒压源，即信号源内阻RS越小越好。,要想反馈效果明显，就要求Uf变化能有效引起Uid的变化。,39,信号源对反馈效果的影响,并联负反馈,Iid=Ii-If,则Is最好为恒流源，即信号源内阻RS越大越好。,要想反馈效果明显，就要求If变化能有效引起Iid的变化。,40,4.2负反馈对放大电路的影响,负反馈对增益的影响负反馈对非线性失真的影响负反馈对通频带的影响负反馈对输入电阻的影响负反馈对输出电阻的影响负反馈对噪声、干扰和温漂的影响,41,4.2.1负反馈对增益的影响,环境温度、电源电压的变化、电路元器件参数和特性的变化都会使放大电路的增益发生变化。,1、深度负反馈情况,负反馈放大电路的增益与开环放大电路的性能无关。反馈网络一般由性能稳定的无源线性元件组成。,2、一般情况,负反馈对放大电路增益稳定性改善的程度，通常用增益的相对变化率来衡量。,42,在不考虑相位关系情况下,有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高到(1+AF)倍。,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。,负反馈的组态不同，稳定的增益不同（Auf、Arf、Agf、Aif）,43,例某负反馈放大器，其A=104,反馈系数F0.01。由于外部条件变化使A变化了10%，求Af的相对变化量。,解：,44,4.2.2负反馈对非线性失真的影响,失真的反馈信号，使净输入产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真。,负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。,非线性失真使输出波形中的谐波分量增加，引入负反馈后，在保持输出信号基波成分不变的情况下（需增大输入信号），降低了谐波成分，从而减小了非线性失真。在非线性失真不太严重时，输出波形中的非线性失真系数近似减小为原来的1/（1+AF）。,45,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,46,4.2.3负反馈对通频带的影响,无反馈时,中频增益,引入负反馈后,闭环中频增益,设,纯阻性,47,比开环时增加了,同理可得,闭环上限频率,比开环时减小了,闭环下限频率,引入负反馈后，放大电路的通频带展宽了,48,49,增益一带宽积,放大电路的增益-带宽积为常数,闭环增益-带宽积,开环增益-带宽积,50,无反馈时,引入负反馈后,引入负反馈后通频带展宽为（1+AmF）倍，但中频增益下降为无反馈时的1/（1+AmF）。故增益带宽积基本不变。,可见，负反馈的反馈深度愈深，通频带展得就愈宽，中频增益下降愈多。,比较与总结：,51,串联负反馈,开环输入电阻Ri=vid/ii,因为vf=Fxo;xo=Avid,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。,4.2.4负反馈对输入电阻的影响,与串联或并联反馈方式有关，而与电压或电流反馈无关。,52,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。,53,电压负反馈,4.2.5负反馈对输出电阻的影响,与反馈网络和放大电路输出端的取样方式有关，而与输入端的连接方式无关。,54,闭环输出电阻,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。,55,电流负反馈,闭环输出电阻,引入电流负反馈后，输出电阻增大了。,56,串联负反馈,并联负反馈,电压负反馈,电流负反馈,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,对输入电阻和输出电阻的影响小结,4.2.6负反馈对噪声、干扰和温漂的影响,原理同负反馈对放大电路非线性失真的改善。负反馈只对反馈环内的噪声、干扰和温漂有抑制作用。,57,例,设Aud=105，R1=2k，R2=18k,1）试估算反馈系数F、反馈深度（1+AudF）；2）估算闭环增益Auf；,3）若集成运放的开环增益Aud的相对变化量为10%，求闭环增益Auf的相对变化量；,解：1）反馈系数为：,反馈深度为：,1+AudFu=1+1050.1104,4）若运放的fH=7Hz，fL=0，求闭环时的通频带。,58,2）估算闭环增益Auf,3）若开环增益Aud的相对变化量为10%，则闭环增益Auf的相对变化量为：,说明引入反馈深度为104的负反馈后，增益稳定性提高了。,4）若运放的fH=7Hz，fL=0，闭环时的通频带为：,BWf=fHf=（1+AudFu）fH=1047=70kHZ,Aud=1051+AudFu104,59,4、反馈信号与输入信号的求和方式不同，对放大电路的输入电阻产生的影响不同。串联负反馈使输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。,1、负反馈使电路增益下降，但提高了增益的稳定性。,2、负反馈在牺牲增益的前提下，展宽了通频带，但闭环的增益带宽积AmfBWf与开环的增益带宽积AmBW近似相等。,3、负反馈能改善环内的非线性失真，但对信号的失真无能为力。,小结：,60,5、反馈信号在输出端采样方式不同，对放大电路的输出电阻产生的影响不同。电压负反馈使输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。,6、电压负反馈可稳定输出电压；电流负反馈可稳定输出电流。,7、负反馈对放大电路的影响均与反馈深度（1+AF）有关。负反馈越深，改善的效果越显著，但放大倍数下降越多。,61,练习与思考,如果需要实现下列要求，在放大电路中应引入哪种类型的负反馈？,1、要求输出电压UO基本稳定，并能提高输入电阻；,2、要求稳定输出电流IO，并能减小输入电阻。,62,由于,则,又因为,代入上式,得,（也常写为xfxi）,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,（xid0）,4.3深度负反馈放大电路的增益计算,1.深度负反馈的特点,对于负反馈放大电路，存在几种常用的分析方法，如等效电路分析法、方框图法、深度负反馈估算法等等。,63,串联负反馈，输入端电压求和,深度负反馈条件下xid=xi-xf0,虚短,虚断,虚短,虚断,并联负反馈，输入端电流求和,vid=iidri0,64,增益计算原则：,计算F时应采用分离原则，分离开输入对其的影响：,串联反馈：将反馈网络的反馈点开路。,并联反馈：将反馈网络的反馈点对地短路。,特殊：若反馈网络的反馈点与输出取样点重合，则不进行上述处理。,65,1.电压串联负反馈的计算,串联反馈时：,66,计算反馈电压时只考虑输出对它的影响,67,2.电流并联负反馈的计算,虚短（虚地）,并联反馈时：,68,并联负反馈的输入电阻小,69,3.电压并联负反馈的计算,虚短（虚地）,并联反馈时：,70,4.电流串联负反馈的计算,串联负反馈时：,71,例2,试分别按下列要求将信号源us、电阻Rf正确接入该电路。,72,1）引入电压串联负反馈,73,例3,1）当ui=0时，UC1=UC2=？（设UBE=0.7V）,2）要引入电压串联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？,3）引入电压串联负反馈后，求闭环电压增益Auf。,4）要引入电压并联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？Auf=？,74,1）当ui=0时，UC1=UC2=？（设UBE=0.7V）,解：,75,2）要引入电压串联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？,+,76,3）引入电压串联负反馈后，求闭环电压增益Auf。,串联反馈时：,77,4）要引入电压并联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？Auf=？,+,78,并联反馈时：,79,在中频范围内，放大电路的输入信号与反馈信号一般是同相的，净输入信号的幅值小于输入信号的幅值，放大电路的输出信号就减小，正常地体现出负反馈作用。,4.4负反馈放大电路的稳定性分析,80,1.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。,4.4.1产生自激振荡的原因及条件,81,3.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）,闭环增益,82,起振及稳幅振荡的过程,设：Uo是振荡电路输出电压的幅度，B是要求达到的输出电压幅度。起振时Uo0，达到稳定振荡时Uo=B。,83,起振过程中Uo1，,稳定振