模电第六章放大电路中的反馈概要PPT课件

第六章放大电路中的反馈,6.1反馈的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负反馈放大电路的方块图及一般表达式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反馈的基本概念及判断方法,一、什么是反馈,6.1.1反馈的基本概念,将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部通过一定的方式回送到放大电路的输入回路，并对输入量（电压或电流）产生影响，这个过程称为反馈（Feedback）。,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。,分压式射极偏置电路,二、正反馈与负反馈,根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入信号增大的反馈称为正反馈（PositiveFeedback）；使放大电路净输入信号减小的反馈称为负反馈（NegativeFeedback）。,根据输出量的变化也可以区分反馈的极性：反馈的结果使输出量的变化增大时为正反馈，使输出量的变化减小时为负反馈。,根据反馈信号的交、直流性质，可分为直流反馈和交流反馈。如果反馈信号中只有直流分量，则称为直流反馈；如果反馈信号中仅有交流分量，则称为交流反馈。在很多情况下，反馈信号中同时存在直流信号和交流信号，则交、直流反馈并存。总之，放大电路中的反馈形式多种多样，正反馈会使放大电路不稳定，而负反馈可以改善放大电路的许多性能。直流负反馈主要用于稳定放大电路的静态工作点，而交流负反馈可改善放大电路的各项动态指标。,三、直流反馈和交流反馈,一、有无反馈的判断,6.1.2反馈的判断,二、反馈极性的判断（瞬时极性法）,图6.1.3反馈极性的判断,通常采用瞬时极性法判别放大电路中引入的是正反馈还是负反馈。先假定输入信号某一瞬时的对地极性，然后根据中频段各级电路输入、输出电压相位关系（其中对于分立元件，共射电路反相、共集和共基电路同相；对于集成运放，uo与up同相，uo与un反相），逐级推出其它相关各点的瞬时极性，最后判断反馈到输入端的信号是增强了还是减弱了净输入信号。为了便于说明问题，在电路中用符号和分别表示瞬时极性的正和负，以表示该点电位上升或下降。,图6.1.4分立元件放大电路反馈极性的判断,三、直流反馈与交流反馈的判断,图6.1.6直流反馈与交流反馈的判断（一）,无交流反馈引入直流负反馈,图6.1.6直流反馈与交流反馈的判断（二）,无直流反馈引入交流负反馈,图6.1.7例6.1.1电路图,返回,6.2交流负反馈放大电路的四种组态,6.2.1负反馈放大电路分析要点,一、交流负反馈放大电路的特点：,（1）输出量和输入量之间具有稳定的比例关系。交流负反馈使放大电路的放大能力下降。,（2）反馈量实质上是对输出量的取样，其数值与输出量成正比。,（3）负反馈的基本作用是将引会的反馈量与输入量相减，从而调整电路的净输入量和输出量。,二、分析要点：,（1）从输出端看，反馈量取自于输出电压，还是输出电流。（电压/电流反馈）,（2）从输入端看，反馈量与输入量以电压方式相叠加，还是以电流方式相叠加。（串联/并联反馈）,6.2.2四种负反馈组态,图6.2.2电压串联负反馈电路,一、电压串联负反馈,放大倍数：,图6.2.3电流串联负反馈电路,二、电流串联负反馈,结论：（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）串联负反馈的输入电流很小，适用于输入信号为恒压源或近似恒压源的情况。,放大倍数：,图6.2.4电压并联负反馈电路,三、电压并联负反馈,放大倍数：,四、电流并联负反馈,返回,图6.2.5电流并联负反馈电路,放大倍数：,归纳：（1）放大电路中应引入电压/电流负反馈取决于负载欲得到稳定的电压，还是稳定的电流。（2）放大电路中应引入串联/并联负反馈取决于输入信号源是恒压源（近似恒压源）还是恒流源（近似恒流源）。,图6.2.6电压反馈与电流反馈的判断（一）,6.2.3反馈组态的判断,一、电压反馈与电流反馈的判断：负载短路法,根据反馈信号在放大电路输出端不同的采样方式，可分为电压反馈和电流反馈。若反馈信号取自输出电压，或者说与输出电压成正比，则称为电压反馈；若反馈信号取自输出电流，或者说与输出电流成正比，则称为电流反馈。判断是电压反馈还是电流反馈，可采用负载短路法。假设将放大电路的负载RL短路，此时输出电压为零，若反馈信号也为零，则说明反馈信号与输出电压成正比，因而属于电压反馈；反之，如果反馈信号依然存在，则表示反馈信号不与输出电压成正比，属于电流反馈。,图6.2.7电压反馈与电流反馈的判断（二）,返回,二、串联反馈和并联反馈,图6.2.8例图6.2.1电路图,图6.2.9例图6.2.2电路图,返回,【例1】在图1所示电路中是否引入了反馈？若引入了反馈，试判断其反馈极性和反馈类型。解该电路是两级放大电路，电阻R2和R4引入的是局部反馈，即对于第一级集成运放A1由R2引入了电压并联负反馈，对于第二级A2由R4引入的也是电压并联负反馈。另外，一条导线将输出回路和输入回路连接了起来，因此整个电路也引入了反馈，故将此称为级间反馈。,图1例1电路图,通常主要讨论的是级间反馈。根据瞬时极性法，假设输入信号ui的瞬时极性为，经过集成运放A1和A2后，输出电压uo的瞬时极性为，反馈电压uf的瞬时极性也为，由此可判断出反馈电压增大，则净输入电压ui=ui-uf减小，所以说该反馈是负反馈；将输入端反馈节点a接地，输入信号仍可从反相端输入，故是串联反馈；在输出端将RL短接，由于输出电流的作用，反馈电压uf依然存在，所以是电流反馈，由此可得该电路所引入的反馈是电流串联负反馈。,【例2】试判断图2所示电路的极性和组态，假设电路中的电容足够大。,图2例2电路图,解图2是两个由分立元件组成的反馈放大电路。连接输入输出回路的反馈元件是Rf。在图2（a）中，假设加在V1管基极的输入信号在某一瞬时极性为，由于第一级是共射电路，输出电压与输入电压反相，因此V1管集电极瞬时电位为，经第二级后V2管集电极瞬时电位为，则反馈电压的瞬时极性也为，表示反馈电压增大,则净输入电压减小，可见引入的反馈是负反馈。在放大电路的输入端，将反馈节点对地短接，则,输入信号还能加到放大电路中去，说明是串联反馈。在放大电路的输出端，将负载短路后，反馈电压，因此是电压反馈。由以上分析可得所引反馈是电压串联负反馈。,在图2（b）中，假设加在V1管基极的输入信号在某一瞬时极性为，则V1管集电极瞬时电位为，由于第二级发射极电位与基极电位相位相同，因此V2管发射极瞬时电位为，亦即电位下降，通过Rf反馈通路的反馈电流增大，导致了净输入电流减小，可见引入的反馈是负反馈。在放大电路的输入端，将反馈节点对地短接，输入信号作用消失，可见是并联反馈。在放大电路的输出端，将负载短路后，V2管射极电流经反馈电阻Rf进到放大电路的输入端，使得反馈信号依然存在，故是电流反馈。由以上分析可得所引入的反馈是电流并联负反馈。,6.3负反馈放大电路的方块图及一般表达式,6.3.1负反馈放大电路的方块图表示,净输入信号,反馈系数,开环增益（基本放大电路放大倍数）,闭环增益（负反馈放大电路放大倍数）,环路增益,6.3.2四种反馈组态电路的方框图,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,放大电路引入反馈后的放大倍数Af，与反馈深度有关。（1）当(1+AF)1时，Af1时为深度负反馈，Af1/F，放大倍数仅决定于反馈网络，与基本放大电路无关。（2）当(1+AF)A，即引入反馈后，放大倍数比原来增大了，说明放大电路引入的是正反馈；（3）当(1+AF)=0，即AF=-1时，Af，说明放大电路在没有输入信号时，也有输出信号，放大电路产生了自激振荡，这种情况应避免发生。,1+AF称为反馈深度(AmountofFeedback),返回,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：忽略净输入（电流、电压）量。,放大电路的闭环放大倍数为：,深度负反馈反馈深度,则负反馈放大电路的闭环放大倍数,由定义可知：,即有：,6.4.2反馈网络的分析和放大倍数的分析,求解深度负反馈放大电路放大倍数的步骤：,（1）正确判断反馈组态；,（2）求解反馈系数F；,（3）利用F求解Af，Auf。,注意：（1）A、F、Af、Auf符号相同（2）当电路引入串联负反馈时，Ui=Uf；（3）当电路引入并联负反馈时，Ii=If、Us=IfRs；（4）当电路引入电流负反馈时，Uo=IoRL（总负载）；,图6.4.2并联负反馈电路的信号源,电压并联负反馈放大倍数：,信号源电压：,电压放大倍数：,图6.2.8例6.4.1电路图,图6.2.9例图6.4.2电路图,图6.4.3例6.4.3电路图,图6.4.4例6.4.4电路图,放大电路的放大倍数取决于放大器件的性能参数以及电路元件的参数，当环境温度发生变化，器件老化，电源电压波动以及负载变化时，都会引起放大倍数发生变化，为了提高放大倍数的稳定性，常常在放大电路中引入负反馈。为了从数量上表示放大倍数的稳定程度，常用有、无反馈两种情况下放大倍数的相对变化量的比值来衡定。放大电路的闭环放大倍数为：,6.5负反馈对放大电路性能的改善,6.5.1稳定放大倍数,将闭环放大倍数Af对A取导数得,式（5-21）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，也就是说Af的稳定性是A的(1+AF)倍。,一、负反馈对输入电阻的影响输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而负反馈对输入电阻的影响取决于基本放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即取决于所引入的反馈是串联负反馈还是并联负反馈。1）串联负反馈使输入电阻增大,6.5.2改变输入电阻和输出电阻,而闭环放大电路的输入电阻为:,上式中反馈电压是净输入电压经基本放大电路放大后，再经反馈网络后得到的，所以,根据输入电阻的定义，基本放大电路的输入电阻为:,图6.5.2Rb在反馈环之外时串联负反馈电路的方框图,2）并联负反馈使输入电阻减小,而闭环放大电路的输入电阻为,上式中是净输入电流经基本放大电路和反馈网络后得到的，即有：,根据输入电阻的定义，基本放大电路的输入电阻为：,输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因而负反馈对输出电阻的影响取决于反馈网络在输出端的取样方式，即取决于所引入的反馈是电压负反馈还是电流负反馈。,二、负反馈对输出电阻的影响,1）电压负反馈稳定输出电压，并使输出电阻减小,放大电路的输出电阻：,反馈信号,净输入信号,引入电压负反馈后闭环放大电路的输出电阻为：,当（1AF）趋于无穷大时，Rof趋于0，电路输出近似为恒压源。,2）电流负反馈稳定输出电流，并使输出电阻增大,放大电路的输出电阻：,反馈信号,净输入信号,引入电流负反馈后闭环放大电路的输出电阻为：,当（1AF）趋于无穷大时，Rof趋于无穷大，电路输出等效为恒流源。,图5-13利用负反馈展宽通频带,6.5.3展宽频带,(5-22),为了简化问题，设反馈网络为纯电阻网络，基本放大电路的中频放大倍数为，上限频率为fH，下限频率为fL，因此无反馈时放大电路在高频段的放大倍数为,引入反馈后，设反馈系数为，则高频段的放大倍数为,(5-23),比较式（5-22）和（5-23）可知，引入负反馈后的中频放大倍数和上限频率分别为,(5-24),(5-25),可见引入负反馈后，放大电路的中频放大倍数减小了倍，而上限频率却提高了倍。,将分子分母同除以，可得,同理可以推导出引入负反馈后的下限频率为,fBW=fH-fLfH,放大电路引入反馈后的通频带为,fBWf=fHf-fLffHf,(5-26),可见，引入负反馈后下限频率下降了倍。通过以上分析可以得知放大电路引入负反馈后，通频带展宽了。通常情况下对于阻容耦合的放大电路，FfL，而对于直接耦合的放大电路，fL=0，所以通频带可以近似地用上限频率来表示，即认为放大电路未引入反馈时的通频带为,放大电路的放大倍数与通频带的乘积是它的一项重要指标，通常称为增益带宽积。,(5-28),(5-27),而由式（5-25）可知，则,由于引入负反馈后，放大电路的通频带展宽了倍，但放大倍数却减小了倍，因此放大电路引入负反馈后放大倍数与通频带的乘积和放大电路未引入反馈情况下（即开环状态下）放大倍数与通频带的乘积相等，即,图5-12利用负反馈减小非线性失真(a)无反馈；(b)引入反馈,6.5.4减小非线性失真,返回,图6.5.6消除ib失真的方法(a)ube为正弦波但ib失真(b)ube为非正弦波使ib近似为正弦波,图6.5.7引入负反馈使非线性失真减小,返回,6.5.5放大电路引入负反馈的一般原则,（1）为了稳定静态工作点，应引入直流负反馈；为了改善电路动态性能应引入交流负反馈。（2）根据信号源的性质决定引入串、并联负反馈。当信号源为恒压源或内阻很小的电压源时，为增大放大电路的输入电阻，以减小信号源的输出电流和内阻上的压降，应引入串联负反馈（Rif增加）。当信号源为恒流源或内阻较大的电压源时，为减小放大电路的输入电阻，使电路获得更大的输入电流，应引入并联负反馈（Rif减小）。（3）根据负载对放大电路输出量（信号源）的要求，决定引入电压、电流负反馈。当负载需要稳定的电压信号时，应引入电压负反馈；当负载需要稳定的电流信号时，应引入电流负反馈；（4）在需要进行信号变换时应选择合适的反馈组态。如电压并联负反馈可将电流信号变换为电压信号，电流串联负反馈可将电压信号变换为电流信号。,图6.5.8例6.5.1电路图,返回,6.6负反馈放大电路的稳定性,放大电路中引入负反馈，可以使电路的许多性能得到改善，并且反馈深度越深，改善效果越好。但是对于多级放大电路而言，反馈深度过深，即使放大电路的输入信号为零，输出端也会出现具有一定频率和幅值的输出信号，这种现象称为放大电路的自激振荡，它使放大电路不能正常工作，失去了电路的稳定性。,6.6.1负反馈放大电路产生自激振荡的原因和条件1.自激振荡产生的原因由前面的分析可知，负反馈放大电路的闭环放大倍数为,在中频段，由于，A和F的相角A+F=2n（n=0，1，2，），与同相，因此净输入量是两者的差值，即,所以负反馈作用能正常地体现出来。,在低频段和高频段，将产生附加相移。在低频段，由于耦合电容和旁路电容的作用，将产生超前相移；在高频段，由于半导体器件存在极间电容，将产生滞后相移。假设在某一频率f0下，的附加相移达到180，即A+F=(2n+1)（n=0，1，2，），则和必然会由中频时的同相变为反相，即,上式说明净输入信号大于输入信号，输出量增大，所以反馈的结果使放大倍数增大。,如果在输入信号为零时，由于某种含有频率f0的扰动信号（如电源合闸通电），使产生了180的附加相移，因此产生了输出信号经过反馈网络和比较电路后，得到净输入信号，送到基本放大电路后再放大，得到一个增强了的将不断增大。其过程如图5-23所示。,图5-23负反馈放大电路的自激振荡,最终，由于半导体器件的非线性电路达到动态平衡，即反馈信号维持着输出信号，而输出信号又维持着反馈信号，称电路产生了自激振荡。可见，负反馈放大电路产生自激振荡的根本原因之一是的附加相移。,2.产生自激振荡的条件由图5-23可知，在电路产生自激振荡时，由于与相互维持，因此，即，或,(5-46),将上式写成模和相角形式，称为自激振荡的平衡条件：,（5-47）,（5-48）,式（5-47）和（5-48）分别称为自激振荡的幅值条件和相位条件。放大电路只有同时满足上述两个条件，才会产生自激振荡。电路在起振过程中，有一个从小到大的过程，故起振条件为,阻容耦合的单管放大电路引入负反馈，在低频段和高频段所产生的附加相移分别为0+90和0-90，由于不存在满足相位条件的频率，因此不会产生自激振荡。在两级放大电路中引入负反馈，可以产生0180的附加相移，虽然理论上存在满足相位条件的频率f0，当f0趋于无穷大或为零时，附加相移达到180，但是此时=0，不满足幅值条件，因此也不会产生自激振荡。,在三级放大电路中引入负反馈，当频率从零变化到无穷大时，附加相移的变化范围为0270，因此存在附加相移等于180的频率f0，若反馈网络为纯电阻网络，当f=f0时，0，则可能满足幅值条件，所以电路可能产生自激振荡。由此可见，三级和三级以上的放大电路引入负反馈易产生自激振荡，并且反馈深度越深，满足幅值条件的可能性越大，越容易产生自激振荡。因此，在深度负反馈条件下，必须采取措施破坏自激条件，才能使放大电路稳定地工作。,6.6.2负反馈放大电路稳定性的判定,1.自激振荡的判断方法：利用频率特性判断自激振荡,图6.2.4两个负反馈放大电路环路增益的频率特性(a)fofc的情况（电路稳定,不产生）,fo满足相位条件:A+F=(2n+1),fc满足幅值条件:|AF|=1,(5-50),2.负反馈放大电路的稳定裕度为了保证负反馈放大电路能够稳定工作，不但要求f0fc，而且要求放大电路具有一定的稳定裕度。通常将f=f0（即A+F=-180）时所对应的20lg|值定义为幅度裕度Gm，如图5-24（b）幅频特性所示，即,对于稳定的放大电路Gm0，而且m越大，电路越稳定。一般认为m45，电路就具有足够的相位稳定裕度。,6.6.3负反馈放大电路自激振荡的消除方法通过以上分析可知，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:(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。,(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。(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