电压串联负反馈.ppt

,第6章负反馈放大电路,6.2.4电流并联负反馈,目录,6.1反馈的基本概念,6.1.1反馈及反馈方框图,6.1.2负反馈放大器的两个基本关系式,6.1.3反馈及反馈方式,6.2负反馈放大器的组态,6.2.1电压串联负反馈,6.2.2电压并联负反馈,6.2.3电流串联负反馈,第6章负反馈放大电路,6.5.3消除自激振荡的常用方法,6.3负反馈对放大器性能的影响,6.3.1提高放大倍数的稳定性,6.3.2展宽通频带,6.3.3减小非线性失真,6.3.4改变输入电阻和输出电阻,6.4深度负反馈放大电路的估算,*6.5负反馈放大电路的大小信号频率特征与稳定性,6.5.1关于应用负反馈扩展通频带的大小信号问题,6.5.2自激振荡问题,第6章负反馈放大电路,本章要点:,1.反馈的概念与反馈的判断,2.负反馈放大器的组态,3.负反馈放大器放大倍数的计算,4.负反馈对放大器性能的影响,5.负反馈放大器引起正反馈问题的分析,本章难点:,1.负反馈放大器的稳定性问题,2.负反馈放大器的组态分析与计算,第6章负反馈放大电路,负反馈放大器是一种闭环放大器，也是一个完整的信息反馈系统。负反馈放大器要完成信息(电压或电流)的采集、输送、比较和调节(或控制)等几项任务。闭环放大器的工作状态一般是稳定的。没有加负反馈的放大器是一种开环放大器，电路工作状态不稳定。第3章在讨论放大器静态工作点问题时，因温度影响Q点的漂移就是因为电路是一个没有加入负反馈的开环系统，从而造成系统的不稳定。本章主要讨论负反馈放大器。,第6章负反馈放大电路,1.反馈,3.反馈的正负,6.1.1反馈及反馈方框图,6.1反馈的基本概念,2.反馈网络,负反馈：输入信号不变，反馈信号与输入信号叠加后,使净输入信号减小，从而使输出减小。,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。,反馈极性判断方法：瞬时极性法,联接输出回路和输入回路的的网络，它可以是无源的网络，也可以是有源的网络。,正反馈：输入信号不变，反馈信号与输入信号叠加后,使净输入信号增加，从而使输出增大。,第6章负反馈放大器,第6章负反馈放大电路,反馈网络,图6-1负反馈原理和框图,6.1反馈的基本概念,反馈网络,反馈网络,第6章负反馈放大电路,先假设输入信号的极性，再根据基本放大电路和反馈网络判断反馈信号的极性，看反馈信号是使净输入信号增大还是减小。若增大为正反馈，反之为负反馈。由图6-1(a)标出的瞬时电位极性可知，分走了该放大器的部分输入电流，使得该放大器的净输入电流，它比没有加反馈时显然是减弱了，因而该放大器是负反馈。,4.反馈方框图,6.1反馈的基本概念,瞬时极性法:,第6章负反馈放大电路,负反馈方框图：,A称为开环放大倍数,AF称为闭环放大倍数,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,负反馈放大器,F称为反馈系数,6.1反馈的基本概念,.,.,第6章负反馈放大电路,6.1.2负反馈放大器的两个基本关系式,闭环放大倍数：,6.1反馈的基本概念,(6-5),.,.,.,.,.,.,.,第6章负反馈放大电路,关于反馈深度的讨论,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,负反馈,6.1反馈的基本概念,（6-6）,.,第6章负反馈放大电路,6.1.3反馈及反馈方式,1.直流反馈和交流反馈,图6-2反馈示意图,6.1反馈的基本概念,第6章负反馈放大电路,在放大电路中，一般都存在直流分量和交流分量。由放大器的直流通路和交流通路很容易区分这两种信号成分。,直流反馈：反馈信号只含有直流成分。交流反馈：反馈信号只含有交流成分。交直流反馈：反馈信号中既有直流成分又有交流成分。图6-2(a)、(b)表示了直流、交流和交直流反馈三种况。,6.1反馈的基本概念,第6章负反馈放大电路,2.电压反馈和电流反馈,按反馈网络的输入端在放大电路输出端取样对象来分类，反馈有电压反馈和电流反馈之分。,判断是电压反馈还是电流反馈，可以根据反馈从输出端取样的对象来判断。假设输出端负载电阻RL短路，这时如果反馈量消失，则为电压反馈。如果反馈量依然存在，不为零，则为电流反馈。电压反馈一般是直接接在输出端负载RL的上端取样的。电流反馈一般是接在负载的下端取样的。,3.本级反馈和级间反馈,反馈在本级放大器输出取样的，称为本级反馈。反馈是从后级放大器输出取样的，称为级间反馈。级间反馈一般不超过三级，否则会引起自激。,6.1反馈的基本概念,第6章负反馈放大电路,4.串联反馈和并联反馈,按基本放大器输入端与反馈网络的输出端的连接方式来区分，反馈可分为串联反馈和并联反馈。它们仅与输入网络中的比较环节有关，与放大器的输出端取样方式无关。若反馈信号传递到放大器输入网络是以电压形式出现的为串联反馈。若反馈信号对输入回路是以电流形式出现的为并联反馈。反馈网络的输出端与放大器的输入端(源端)上端接在同一节点的为并联反馈，反馈网络的输出端加在输入回路下端(地端上方)的为串联反馈。,6.1反馈的基本概念,第6章负反馈放大电路,6.2负反馈放大器的组态,按反馈信号的两种取样方式和两种不同的输入比较方式，可以构成四类负反馈组态，即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。下面对它们分别进行讨论。,第6章负反馈放大电路,输入电压方程：Ube=UiUF反馈电压是以串联的方式加在输入回路上，因此是串联反馈。若将输出电压短路，此时Uf为零，因此为电压反馈。用瞬时极性法判断反馈极性：假设输入端输入信号的极性,为正，由于图示电路为射极跟随器，则输出信号的极性也为正，很容易看出，对交流信号而言，反馈电压就是输出电压(Uo=Uf)，因此使净输入信号Ube减小，图示电路为负反馈。所以该电路为电压串联负反馈。,应该指出的是：在Re上同样含有直流信号，因此也存在直流负反馈。,图6-3电压串联负反馈电路,6.2负反馈放大器的组态,6.2.1电压串联负反馈,图6-3电路的闭环增益(放大倍数),-,根据式(6-6)也可得出,外加输入信号近似等于反馈信号,可见图6-3所示电路它是一个深度负反馈放大器。,6.2负反馈放大器的组态,(6-7),6.2.2电压并联负反馈,由图6-1(a)可看出Rf联接在输入输出端之间，因此为反馈网络电阻，很容易分析知在Rf上面既有直流信号，也有交流信号，因此交直流反馈都有。从输出端来看，如果将输出电压短路，则在反馈电阻上将不含有输出电压的成份，因此该反馈不可能是电压反馈，而只能是电流反馈。从输入端来看，Rf直接接在输入端上，因此为并联反馈，在接入点节点上可得电流方程：ib=iid=ii-if。,6.2负反馈放大器的组态,用瞬时极性法可知，ii和if极性相同，因此使净输入信号ib减小，故为负反馈。因此图6-1(a)电路为电压并联负反馈。,电压负反馈稳定电压原理：,电压负反馈能稳定输出电压，利用输出电压本身通过反馈网络(图6-1(a)中的RL)来对放大电路起自动调节作用。如果负载电阻RL增加导致Uo也增加，则电路的自动调节过程如下：,6.2负反馈放大器的组态,6.2.3电流串联负反馈,电路如图6-4所示，反馈电压Uf取自输出端负载RL的下端，且Uf是因输出电流io流过产生的。Uf=ioRL，反馈电压与输出电流成正比，故是电流反馈。即使RL短路，产生反馈电压的io仍然存在，更进一步说明它是电流反馈。反馈电阻RL接到输入回路的下端，它以串联的形式接入输入回路，满足Uid=Ui-Uf关系，Uf的存在使得净输入Uid减弱。因此，图6-4电路是一个电流串联负反馈放大电路,图6-4电流串联负反馈电路,6.2负反馈放大器的组态,6.2.4电流并联负反馈,电路如图6-5所示，反馈网络输入端的电阻Rf的反馈量取样不是取自输出端，而是取自T2的发射极，与输出电路电流成正比，属电流反馈。因反馈信号与输入信号在输入端为同一节点引入，以电流形式相加减，为并联反馈。,图6-5电流并联负反馈电路,6.2负反馈放大器的组态,依图中所标出的瞬时电位极性可以看出，Rf反馈到T1的基极，在同一节点上的极性与输入端是相反的，表明反馈信号使净输入信号减少，故为负反馈。Rf反馈电路没有直接作用的电容，Rf存在交直流负反馈。由以上分析可知，图6-5是一个电流并联交直流级间负反馈放大电路。,6.2负反馈放大器的组态,6.3负反馈对放大器性能的影响,提高增益的稳定性,减少非线性失真,扩展频带,改变输入电阻和输出电阻,在放大器中引入负反馈,降低了放大倍数,6.3.1提高放大倍数的稳定性,闭环时,则,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了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。,6.3负反馈对放大器性能的影响,(6-6),设有一台开环放大器，由于各种原因其电压增益由原来的A=600下降到A=300，比原来降低了50%。引入负反馈后，F=0.0475，则当A=600时，闭环电压增益为,而当开环电压增益降到A=300时，闭环电压增益,闭环电压增益下降了,6.3负反馈对放大器性能的影响,如要保持600倍的电压增益，则可用两级放大器进行级联放大，这时总的电压增益分别为20.342=413.7及19.672=386.9，二者相差仅为6.5%，引入负反馈后，放大器增益的稳定性得到很大的提高，但它是以牺牲电路的增益为代价的。,6.3负反馈对放大器性能的影响,u,6.3.2展宽通频带,放大电路加入负反馈后，增益下降，但中频区的通频带BWf却加宽了。,无反馈时放大器的通频带：BW=fHfLfH有反馈时放大器的通频带：BWf=fHffLffHf,可以证明：BWf=(1+AuoF)BW放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。即：AuffHf=AuofH=BWG,6.3负反馈对放大器性能的影响,以集成运放741在开环和闭环两种情况时的频率响应为例，来加深对引入负反馈后放大器通频带展宽了的理解,图6-7741的幅频特性,6.3负反馈对放大器性能的影响,(1)当f=1MHz时，开环电压增益降为0dB，即Auo=1。这表明741的单位增益带宽积BWG=1MHz。只要集成运算741在5Hzf1MHz的范围内，增益与带宽的乘积保持不变。(2)运放加上负反馈后，增益与带宽的乘积仍维持不变，BWG是一个常数即：,引入负反馈后,带宽则扩展为：,6.3负反馈对放大器性能的影响,(6-8),(6-9),(6-10),设给741加负反馈，使闭环电压增益为Auf=100，则闭环时-3dB带宽为：,若将负反馈再加深，使Auf=10，则,负反馈越强，增益越低，而带宽则越宽。,但要注意，集成运放的开环带宽BW及单位增益带宽BWG仅反映在小信号工作时的频率特性。至于运放工作在大信号的条件下，则主要考虑转换速率SR。这将在本章6.5节中加以讨论。,6.3负反馈对放大器性能的影响,6.3.3减小非线性失真,在图示电路中，在A741的同相输入端输入一频率为1kHz，峰峰值为1V的正弦波信号。,6.3负反馈对放大器性能的影响,图6-8电路和波形,(1)开环状态(开关处于断状态)：此时输出波形如图6-8(b)所示。输出波形发生失真。这是由于电路的工作点进入了截止区和饱和区，即工作点进入了非线区引起的。(2)闭环状态(开关处于闭合的状态)：此时输出波形如图6-8(c)所示，可以看到失真波形明显得到改善。这是由于电路加上负反馈后，电路增益减小，电路工作在线性区，输出波形仍为正弦波，即负反馈能减小非线性失真。负反馈减少的是晶体管的内部噪声，减小的程度由反馈深度决定，反馈越深非线失真得到改善的程度越好，但反馈太深需提高输入信号的幅度，这样信噪比也提高了(信噪比=信号功率/噪声功率)。需要指出的是，放大器由于外部的干扰，以及与信号同时混入的噪声，会使其输出波形出现失真的情况，此时用负反馈的办法是无济于事的。,6.3负反馈对放大器性能的影响,6.3.4改变输入电阻和输出电阻,(1)串联负反馈使输入电阻增加,无反馈时：,有反馈时：,1.负反馈对输入电阻的影响,6.3负反馈对放大器性能的影响,图6-9串联负反馈对Ri的影响,而,（6-11）,(2)并联负反馈使输入电阻减小,6.3负反馈对放大器性能的影响,图6-10并联负反馈对Ri的影响,(6-12),2.负反馈对于放大电路输出电阻的影响,电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）恒压源输出电阻小。,(1)电压负反馈使输出电阻减小,净输入信号：,6.3负反馈对放大器性能的影响,图6-11电压负反馈放大电路的示意图,(6-13),(2)电流负反馈使输出电阻提高,电流负反馈稳定输出电流（当负载变化时）恒流源输出电阻大。,净输入信号：,若考虑Io在反馈网络输入端的压降，则,6.3负反馈对放大器性能的影响,图6-12电流负反馈对输出电阻的影响,(6-14),为改善性能引入负反馈的一般原则,要稳定直流量,引直流负反馈,要稳定交流量,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,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引并联负反馈,6.3负反馈对放大器性能的影响,6.4深度负反馈放大电路的估算,深度负反馈放大电路的特点：,根据,将,代入上式,得,即：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“虚短”、“虚断”的概念,深度负反馈条件下：Xd=XiXf0,U+=U-（运放电路）,Ue=Ub（三极管电路）,(1)“虚短”Ud0,(2)“虚断”Id0,ii+=ii-=0（运放电路）,ib=0（三极管电路）,“虚短”与“虚断”,6.4深度负反馈放大电路的估算,反馈深度的确定原则：,(1)对指标放大电路，主要采用负反馈减小非线性失真，设计时一般取1+AF=10左右。(2)对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定度，采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，根据不同的要求可取1+AF为几十至几百。(3)对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的主要是展宽频带。这时采用多级放大加深反馈容易产生自激，且在幅频特性高、低频段易产生凸起的现象。因此首先要保证每一级有足够宽的频带，如在两级之间采用低输入电阻的接法(例如共射共基的形式)来解决，也应选用截止频率fT较高、PCM小的管子，静态Q点也要选得低一些(IE小)以减小噪声.,6.4深度负反馈放大电路的估算,估算的依据,深度负反馈：,即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈系数有关,由,得,方法一：,方法二：,“虚短”Uid0,“虚断”Id0,6.4深度负反馈放大电路的估算,【例6-1】分析如图6-13(a)所示的电路，试分析此电路的反馈组态，并求此电路的Auf=?,解：图6-13(a)所示的电路为电压串联负反馈电路,利用虚短和虚断的概念得知,则,闭环电压增益,6.4深度负反馈放大电路的估算,图6-13(a)例-图,【例6-2】放大电路如图6-14所示，试分析此电路反馈组态，并求它的电压放大倍数Auf、输入电阻Rif及输出电阻Rof。,解：电流串联负反馈用方法二,利用虚短和虚断的概念得知,则,6.4深度负反馈放大电路的估算,图-14例6-2图,【例6-3】电路如图6-15所示，试分析此电路的反馈组态，求此电路的电压放大倍数Auf=?,解反馈组态的识别,利用虚短和虚断的概念得知,用方法二求Auf,则,电压并联负反馈,6.4深度负反馈放大电路的估算,图-15例-3图,【例6-4】电路如图6-16所示，试分析此电路的反馈组态，求此电路的电压放大倍数Auf=?,解反馈组态的识别,电流并联负反馈,用方法二求Auf,利用虚短和虚断的概念得知,则,6.4深度负反馈放大电路的估算,图6-1例6-4图,*6.5负反馈放大电路的大小信号频率特征与稳定性,6.5.1关于应用负反馈扩展通频带的大小信号问题,小信号,大信号,放大电路的通频带受限于反馈深度,放大电路的通频带的扩展将受限于转换效率SR和反馈深度,用A741组成的负反馈放大电路来说明转换效率SR对通频带的影响。,A741的电路参数：,开环差模电压增益：,单位增益带宽：,开环带宽：,转换速率：,最大输出电压：,Avo=105(100dB),BWG=1MHZ,BW=10HZ,SR=0.5V/S,Uopp=13V,用A741组成负反馈放大电路，闭环增益为Auf=40，则可得小信号的上限频率为：,(带宽扩展),运放工作在大信号条件下，输出电压的最大变化率应小于转换速率，即,否则，输出电压uo将跟不上输入信号电压的变化，而产生波形失真。,*6.5负反馈放大电路的大小信号频率特征与稳定性,假定A741输入、输出均为正弦波，即,余弦函数其最大值发生在t=0处时，于是,在大信号条件下，输出电压的幅度Uopp=13V,此时，A741的上限频率,它比小信号条件下的上限频率(-3dB带宽)小得多,*6.5负反馈放大电路的大小信号频率特征与稳定性,6.5.2自激振荡问题,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。,*6.5负反馈放大电路的大小信号频率特征与稳定性,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