模电第八章反馈

1、第八章 反 馈第八章第八章 反反 馈馈 本章重点介绍以下内容：本章重点介绍以下内容：8.1 反馈的基本概念和基本方程8.2 反馈放大器的分类8.3 负反馈对放大器性能的影响8.4 反馈放大器的分析和近似计算8.5 反馈放大器稳定性讨论8.6 正反馈的应用正弦波振荡器第八章 反 馈8.1 反馈的基本概念及基本方程反馈的基本概念及基本方程 反馈放大器的基本框图反馈放大器的基本框图第八章 反 馈ioXXA反馈系数环路增益闭环增益开环增益ofXXFiofXXAifofioXXXXXXAFT 1oiiiffooiXAXXXXAXFXXXAFAFAXXAiof1反馈放大器的基本方程1、负反馈使放大器的增益

2、下降了(1+AF)倍。负反馈减少了净输入信号。fAAAFD12、反馈深度：表征反馈强弱的物理量第八章 反 馈11 fifoiiioiXXXXXDAFXXXXD 负反馈使净输入信号减小为输入信号的1/D倍，同样输入Xi，反馈放大器的输出信号也下降D倍。若D1，则：iiifXXXX深度负反馈：1or 1AFD3、AF 1FAFAXXAiof114、正反馈 1iiffAXXXAAF第八章 反 馈8.2 反馈放大器的分类反馈放大器的分类一、一、 电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈+-AuRLRfuo反馈回路+-AuRLRfuo反馈回路R1+-第八章 反 馈 电压反馈：电压反馈：uo = 0 (输出端

3、短路)，则反馈信号消失电流反馈：电流反馈：io = 0 (输出端开路)，则反馈信号消失二、串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈根据反馈网络和输入端的连接方式不同分串并联。fiiUUU fiiII I 反馈信号与输入信号的关系：第八章 反 馈-+-+-R1RffUiUAu+iU+-+-UiR2R1RffIiIiIAu串联反馈并联反馈第八章 反 馈并联电流负反馈 根据取样信号和反馈信号与输入信号的关系，有四种负反馈：串联电压负反馈串联电流负反馈并联电压负反馈第八章 反 馈8.3 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响 一、 负反馈使放大倍数稳定度提高负反馈使放大倍数稳定度提高稳定增益的原

4、理：负反馈有自动调节作用。 增益不稳定的因素：工作环境变化(如温度、湿度)、器件更换或老化、电源电压不稳等等。负反馈改善性能的原因：净输入信号随输出信号而变化。AXoXf (=FXo)负反馈Xi (= Xi - Xf )Xo第八章 反 馈AFAAf1放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性。 ffAA闭环相对稳定度2111(1)1111 1ffffAdAdAdAdAAAFAFAF AAF AAAAAF A1 (1)1fAAAFAFF放大倍数的相对变化量减少为原相对变化的1/(1+AF)。AA开环相对稳定度第八章 反 馈例例8.3.1 设计一个负反馈放大器，要求闭环放大倍数Af=100，当开环放

5、大倍数A变化10%时，Af 的相对变化量在0.5%以内，试确定开环放大倍数A及反馈系数F值。1 1/10%120/0.5% 1fffffAAAAF AA ADAFAAAAAF 解：解：200020100)1 (AFAAf191920 119 0.95%2000AFFA 第八章 反 馈二、 负反馈使放大器通频带展宽，线性失真减小负反馈使放大器通频带展宽，线性失真减小设开环增益的高频响应具有一阶极点：()()1()1 11(1)fIIfIIHHfA jfAjfA jf FAAFAffjjFAffHIffjAjfA1)(上限频率 :Hf倍数基本放大器的中频放大 :IA闭环中频放大倍数闭环上限频率第八

6、章 反 馈HIHfIffAfA负反馈的频带展宽是一增益下降为代价的，并没有提高放大器的增益频带积。增益频带积：中频增益和上限频率的乘积。ILLfFAff1同样下限频率为：第八章 反 馈负反馈只改善反馈环的不利因素对频率特性的影响。例8.3.2 已知集成运放的开环放大倍数Au=100dB，开环上限频率fH=7Hz。若按图示连接电路，问引入何种反馈？当反馈电阻Rf分别等于R1的9倍、99倍和999倍时，相应的反馈系数Fu、闭环放大倍数Auf、闭环上限频率fHf和增益频带积各为多少？第八章 反 馈解：+-Ui+-R1RfAuUo5510010 7Hz107Hz0.7MHzuHuHAdBfAf引入串联

7、电压负反馈后：11999 0.001 1000 0.7kHzfuufHfRRFAf1111 (1)ffufHfuHofRURAFfFAfRURR 1199 0.01 100 7kHzfuufHfRRFAf119 0.1 10 70kHzfuufHfRRFAf第八章 反 馈三、 负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽第八章 反 馈onhhhXXXXTHD122322 设反馈后输出谐波分量为Xnhf，则：全谐波失真率为： 11nhfnhnhfnhnhffXXAFXXTHDXTHDAFAF 负反馈使非线性失真减少了(1+AF)倍。失真减小，意味着线性动态范围

8、的拓宽。 条件：只限于反馈环内放大器产生的非线性失真，且在输入信号有增大的余地，非线性失真不十分严重。第八章 反 馈四、 负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰 负反馈使输出噪声下降(1+AF)倍。如果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大，输出信号分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高(1+AF)倍。 五、 电压反馈和电流反馈对输出电阻的影响电压反馈和电流反馈对输出电阻的影响电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。 输出电阻的定义：0iXofoofIUR第八章 反 馈电压负反馈对输出电阻的影响ii0 1 1iooofoiffooo

9、ooofoooooofXofoUA XIRXXXXFUUA FUUIRRA FURRIA F 电压负反馈使输出电阻减少为原来的1/(1+A0F)。输出电阻减小，负载RL变化时，Uo 的稳定度提高了。第八章 反 馈电流负反馈对输出电阻的影响0(1)(1)ofoofioiifofoofofooofooofoXofUIAXRXXXFIUIAFIRUIRAFURRAFI 电流负反馈使放大器的输出电阻增大为Ro的(1+AF)倍。表明负载变化时，输出电流稳定。在深度负反馈条件下： 电流负反馈：Rof 电压负反馈：Rof 0第八章 反 馈六、串联负反馈和并联负反馈对放大器输入电阻的影响串联负反馈和并联负反馈

10、对放大器输入电阻的影响i.i.ifI/UR 串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。串联负反馈对输入电阻的影响：iioifiiUAFUUFUUUU 1AFUUii)1 ( AFRUIiii)1 (AFRIURiiiifi.ii./RUI开环输入电阻:iR第八章 反 馈并联负反馈对输入电阻的影响在深度负反馈的条件下，有： 串联负反馈：Rif 并联负反馈： Rif 0并联负反馈是输入电阻减小了(1+AF)倍。ifiIIIiofIAFXFIFARIFAUIURiiiiiif1)1 ()1 (iiIFAI第八章 反 馈 负反馈的特点：(1) 负反馈使放大器的放大倍数下降，但增益稳定度提高，

11、频带展宽，非线性失真减小，内部噪声干扰得到抑制，且性能改善的程度均与反馈深度(1+AF)有关。 (2) 被改善的对象就是被取样的对象。 (3) 负反馈只改善负反馈环节以内的放大器性能。 (4) 串联负反馈：输入电阻增大 (1+AF)倍，并联负反馈：输入电阻减小为1/(1+AF)。(5) 电流负反馈：输出电阻增大 (1+AF)倍， 电压负反馈：输出电阻为1/(1+AF) 。第八章 反 馈思考题思考题： “反馈放大电路的反馈极性在线路接成后就固定不变”，这种说法是否正确？ 不正确。反馈放大电路的接线是在假定信号处于中频段时接成的负反馈。在信号处于低频段或高频段时，各级放大电路中由于电路存在电抗器件

12、，出现附加相移，若级数较多时，附加相移大于或等于180度，就会使原来的负反馈转化为正反馈。第八章 反 馈一、四种组态反馈放大器增益和反馈系数的近似计算四种组态反馈放大器增益和反馈系数的近似计算8.4 反馈放大器的分析和近似计算反馈放大器的分析和近似计算 1、并联电压负反馈1oRRUUAfiuf闭环增益：)( 1理想运放RRif输入电阻：)( 0o理想运放fR输出电阻：第八章 反 馈单级并联电压负反馈电路深度负反馈下：反馈网络2RUIof反馈电流 iiifIIII净输入电流fiiIII1122 iiiiooifUUUUUUIIRRRR 12RRUUAiouf输出电压和电压放大倍数的稳定度提高，输

13、输出电压和电压放大倍数的稳定度提高，输出电阻减小，频带展宽非线性失真减少，输出电阻减小，频带展宽非线性失真减少，输入电阻减小。入电阻减小。第八章 反 馈多级并联电压负反馈电路iifiiIIIII深负反馈下：反馈网络放大网络净输入信号：fiIIo18 iifUUIIRR 18RRUUAiouf第八章 反 馈2、串联电压负反馈、串联电压负反馈闭环增益：121RRUUAiouf)( 理想运放ifR闭环输入电阻：)( 0o理想运放fR闭环输出电阻：为保证负反馈，反馈引入到运放的反相端，构成电压串联负反馈第八章 反 馈单级串联电压负反馈反馈信号：ofUU1ioufUUA净输入信号：oifiiUUUUU反

14、馈系数：1ofUUF深度负反馈：ofiUUU共集放大器增益：1)1 ()1 (LbeLiouRrRUUA第八章 反 馈二级串联电压负反馈V1管输入等效电路：oofUFURRRU 433ifiiUUUUofiURRRUU4333411RRFUUAiouf第八章 反 馈3、串联电流负反馈负载RL不接地，为悬浮输出0oU反馈信号为：01RUU电流反馈。LR1Riuoufuiu净输入信号为：fiiUUU闭环增益为：1RRUUALiouf闭环输入电阻为：)( 理想运放ifR闭环输出电阻为：)( 0理想运放ofR第八章 反 馈单级串联电流负反馈(|)feeeceiifieEifeEcEocCLUUI RI

15、 RUUUUI RUUI RI RUIRR (|)|oCLufiEofofCCURRAURRRRR 等效法求增益为：ELCRrEbeLCufRRRRrRRAEbe)|()1 ()|()1(第八章 反 馈三级串联电流负反馈733378iififeifUUUURUIRRRRUU36378637 (|)|oeLooLufifUIRRUURRRRRAUURR 第八章 反 馈4、并联电流负反馈、并联电流负反馈iIfIiIiuouuA负载 RL 悬浮，若Uo=0，则反馈电流为：06RfII净输入信号：fiiIII为并联负反馈。56151 oLufiifofURRRAURRRRR 6651|RRRRuIRu

16、ILofii第八章 反 馈二级并联电流负反馈净输入信号：ifiiIIII 负反馈。, 0 iiiifIIUII55225656115624455641451 (|)(|)| iiifeciocLfLoLufifofiRRUUUIIIIRRRRRRRRUIRRIRRRURRRRARRRRURR 第八章 反 馈二、复反馈放大器及反馈放大器例题分析复反馈放大器及反馈放大器例题分析1、复反馈放大器复反馈放大器复反馈：就是反馈网络引入电抗元件(电容或电感等)，使得反馈系数 F 成为频率的函数。直流反馈稳定Q点高频时容抗减少，反馈减弱，使增益大于中频。CE1：几十几百pF，中低频开路，高频短路CE2：容量

17、很大， CE2、 RE2构成直流反馈 复反馈补偿是展宽高复反馈补偿是展宽高频响应的重要方法频响应的重要方法第八章 反 馈例例2 电路如图。2、反馈放大器例题分析、反馈放大器例题分析+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io- -UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-(1)为进一步提高输出电压稳定度，试正确引入反馈； (2)计算开环放大倍数Au； (3)计算引入反馈后的闭环放大倍数 Auf = ?；(4)若一定要求引入并联电压负反馈，电路应如何改接?第八章 反 馈+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io- -UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S解：解：(1)

18、、稳定电压，必引入电压负反馈。S开关接入b点，引入V2栅极，构成串联反馈+-ufS开关接入c点，引入V1栅极，构成并联反馈If瞬时极性法判断反馈+-+Sb点 V2栅极，构成串联电压负反馈Sc点 V1栅极，构成并联电压正反馈第八章 反 馈(2)、开环增益。若将S接a点，则没有引入反馈，如图2111uuooioiouAAUUUUUUA+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io- -UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-单端输出）()(213211RRgUUAmiou342RRAu第八章 反 馈 (3)、引入串联电压负反馈后的闭环增益Auf为 111RRAfuf+UDDR1R2R2R

19、1R3R4R5Rf1Rf2Io- -UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S+-uf+-+第八章 反 馈 (4)、若一定要求引入并联电压负反馈，最简单的办法是将第一级输出由V1管漏极改为V2管的漏极。 +UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io- -UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S+-uf+-+第八章 反 馈8.5 反馈放大器稳定性讨论反馈放大器稳定性讨论 负反馈放大器的基本方程： )()(1)()(jFjAjAjAf一般认为A与F为常数，则有：一、负反馈放大器稳定工作的条件一、负反馈放大器稳定工作的条件AFAAjAff1)(基本放大器的放大倍数A(jw) 在高频

20、区和低频区与频率有很大的关系。 在高频区，出现一个附加的相 。附加相移是引起放大器不稳定的主要因素。)(jw第八章 反 馈当A(jW)的相位发生改变时，输入信号和反馈信号的相位随着发生变化，若二者相位相同时，负反馈演变为正反馈。当附加相移位增大到-180，且反馈足够强时，使得环路增益为：此时放大器没有输入信号也有输出信号，产生自激振荡。1()1()(21) ()()1()fA(jw)F(jw)A(jw)FAjFjnAjAjAjF 振荡的相位条件振荡的振幅条件第八章 反 馈环路增益|AF|/dB0附加相移f(频率）幅度裕度0f相位裕度135180AB用环路增益来判断稳定性 大于45大于10dB第

21、八章 反 馈二、利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定性性)1)(1)(1 ()(321jjjAjAI F为常数，则由A(j)直接判断放大器的稳定性。某运算放大器的开环特性A(j)为一个三极点放大器，即)1001)(101)(11 (10000kHzfjkHzfjkHzfj第八章 反 馈用开环特性波特图来判断放大器的稳定性 闭环增益为：FjAjAjAf)(1)()(中低频时：1|)(| 11)(12FjARRFjAf高频时：1|)(1 | )()(FjAjAjAf反馈越强，稳定性越不易保证。第八章 反 馈三、常用的消振方法常用的消振方法相位补偿法相位补偿法

22、)( 21211ioRRfC1、电容滞后补偿、电容滞后补偿原理：在时常数最大一级放大器里并接补偿电容C，以高频增益下降更多来换取稳定工作之目的。补偿电容值的计算公式： 第八章 反 馈电容滞后补偿的开环频率特性波特图 )45(obo45o135o225)135(o)225(o)dB20(1 . 011FAf)(1f)(1f)(2f11ff 电容滞后补偿开环带宽 ， 闭环带宽 f 2。1f单纯电容滞后补偿是以牺牲带宽换取稳定的。单纯电容滞后补偿是以牺牲带宽换取稳定的。第八章 反 馈2、零极点对消、零极点对消RC 滞后补偿滞后补偿 RC滞后补偿可在A(jw)中引入一个零点。该零点与相应的一个极点相消

23、，使得放大器补偿后的频带损失最小。 212121211/1 1/1()1(/)11 () 1(/)2 ()2RCRCURj Cj RCAURRj CjRR Cj ffAffffj ffRR CRC简化等效电路 输出等效电路RC串联补偿网络电路212|ioiRRRCC第八章 反 馈)1)(1)(1 ()(321ffjffjffjAjfAI设原始开环增益为：)1)(1)(1 ()1 ()(3212ffjffjffjffjAjfAIRC补偿后的开环增益为：2ff 选择R、C满足：)1)(1 ()(31ffjffjAjfAI零点与极点相消后加RC补偿的开环增益：第八章 反 馈0.010.1110100

24、1000A/dB8060402002040(45)20dB/10 倍频程13540dB/10 倍频程225加RC补偿的开环特性0.00120dB/10倍频程60dB/10 倍频程( f1 )( f3 )(RC补偿后的开环带宽)(补偿后的闭环带宽)f / kHz45AfF10.11(20dB)(135)零极点相消RC滞后补偿的开环频率响应波特图 第八章 反 馈3、密勒效应补偿、密勒效应补偿CAC )1 (2若C=30pF，|A2|=1000,则C=30000pF。利用密勒效应进行补偿，可大大减小补偿电容的容量。 密勒效应在集成电路中广为应用，密勒效应补偿电容使小电容发挥大电容的效应。第八章 反

25、馈 如F=F(j) ，则在F(j) 引入一“导前相移”，与A(j)的“滞后相移”相抵消，使总相移小于-180，达到消振的目的。4、导前补偿、导前补偿11111122111111111()1 / 1 /11,22fffoofj R CRRFRRj R CRRj Cj ffFFffj ffRFffRRRCR C且 引入相位导前，从而使环路增益总相位导前一个角度，破环自激振荡的条件，稳定放大器工作。第八章 反 馈8.6 正反馈的应用正反馈的应用正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器：正反馈的电路中加入“选频网络”，使某一频率的信号满足振荡条件，则产生一频率的正弦波。一、产生正弦波的振荡条件一、产生正弦

26、波的振荡条件A放大电路反馈网络+12FoUiUS1 引入输入 ，产生正弦波iUioUAU2 断开输入 ，引入反馈，维持振荡iU fofiUFUUU 维持等幅振荡的平衡条件：ifUUiofUFAUFU1FA1/ |FAFA第八章 反 馈产生自激振荡的两个平衡条件1、相位条件 ：, 2 , 1 , 0 2nnFA由相位平衡条件可以确定振荡器的振荡频率。2、振幅平衡条件 ：3、起振条件 ：1|FA 1|FA1|FA 1|FA增幅振荡产生等幅振荡振荡减小，直至停振a、是否引入正反馈1|FAb、选频网络是否使某一频率满足第八章 反 馈根据选频网络不同，正弦振荡器分为：RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器。

27、二、二、RC正弦振荡器正弦振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器12/(1)1/()/(1)1 3ooURj RCFURj CRj RCj文氏电桥振荡器有RC串并联电路和放大器组成。RRCCU1U21、RC并联选频网络如图：第八章 反 馈2231oojF传输函数的幅相特性：3arctanooF 0 01/3Fmax1, 1/3, 0oFFCR 0 f90 90 0该网络对叫频率为 wo=1/RC信号有选择作用。第八章 反 馈2、文氏电桥振荡器CRf 21osc1) 振荡频率 f oscRRCCR1R2A+- -uoCCuoA+- -R2R1RRuoRCCRKK=1+R 1/ R 2o12,| 1/

28、3 | 1| | 3 1/3ffFAFAKKRR 2) 起振条件文氏电桥振荡器的振荡频率为20Hz200kHz。第八章 反 馈三、三、LC正弦振荡器正弦振荡器(几十兆赫兹的正弦信号)LC振荡电路：变压器耦合、电感反馈式、电容反馈式等。1) LC并联谐振回路特性oUI.CLRZ|Z(jw)| 0 Q 0 f90 900LC1oCRRLQ001CQCRLZ000021)(jQZjZ谐振频率品质因素谐振阻抗谐振的等效阻抗最大，相移为零。Q越高，选频作用越好。第八章 反 馈2) 、 电容反馈式正弦振荡器C1oUC2LC4C5+R1R2R36.8k10k4.7k0.15 F10nF10nF50 H50

29、F0.047 FC3+10 F(10kHz)LM+12V电源滤波网络选频网络共基组态电容反馈式:反馈电压通过电容分压在C2上取得电容三点式振荡器:晶体管的三个极直接与电容三点相连C1C2LBEC交流等效电路第八章 反 馈1)、相位平衡条件C1C2LBEC(ZCE)(ZBE)+- -+- -(ZCB)QICL2BEC(ZCE)(ZBE)(ZCB)QIL1电容三点式电感三点式正反馈条件：ZCE与ZBE同性， ZBE异性，即“射同基反”：连在发射极的电抗元件是同性的。2)、振荡频率)/(2121210oscCCCLCff电容三点式CLLff)(21210osc电感三点式第八章 反 馈四、晶体振荡器四

30、、晶体振荡器石英晶体振荡器：频率稳定度高，广泛应用在稳定度为10-6的设备中，一般用于时钟基准。1) 、石英晶体的符号、等效电路以及电抗元件C0：石英晶体的静态电容和分布电容，一般为几几十pF。容性容性感性ffsfpXC0LCRL：10-3 102H；C： 10-2 10-1pF；R： f p 或 f f s 时，呈容性，X 0；f s f 0。第八章 反 馈2)、石英晶体振荡电路晶振电路并联型晶振电路：工作于晶体并联谐振频率附近 等效为电感。串联型晶振电路：工作于晶体串联谐振频率附近 等效为短路。第八章 反 馈RB1RB2RE1CEC1C2RC1RC2RB3RB4RE2RE3CE2C3C4+

31、12VUo晶体振荡级放大级输出级00osc)(21CCCCCCLfa)、并联型晶振电路RB1|RB2RC1C1C2C0LCR振荡级交流电路谐振频率第八章 反 馈b)、串联型晶体振荡器调节电阻R，可获得良好的正弦波输出。9.3kCBCE4.3k4.3k1.5k10k4.3kRR过小，反馈量大，输出波形失真，得到梯形波形。 R过大，反馈量过小，电路不满足振幅条件而停振。当振荡频率等于串联谐振频率时，晶体阻抗近似短路，正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡。第八章 反 馈 欢 迎 提任 何 问 题第八章 反 馈求解反馈放大器的方法拆环法： 目的找出基本放大器的交流通路，并求反馈系数。 1、画基本放大

32、器的输入端：需对输出端的处理：电压反馈，输出端负载短路，电流反馈，输出端负载开路。 2、画基本放大器的输出端：需对输入端的处理：并联反馈，输入端信号源短路，串联反馈，输入端信号源开路。 3、中间部分：中间部分一般和反馈环无关，原样画出即可。 4、反馈系数：在放大器输出端求解较方便。反馈量的方向和反馈放大器中的方向相同。 5、求基本放大器的增益、输入电阻输出电阻等指标。第八章 反 馈例例1 如图E1，R1=40k , R2=100, R3=650 , R4=9k , R5=5k, R6=100, RL=1k , 三极管参数：rbb=100 ， rbe1=5k, rbe2=2.5k, rbe3=0

33、.5k,三极管的均为100，输出电阻rce很大，可看成开路。 1、反馈的类型； 2、求反馈系数； 3、基本放大器的交流通路和小信号等效电路，并求基本放大器的对应增益、输入电阻、输出电阻。 4、求反馈放大器的对应增益、输出电阻、输入电阻。 5、求放大器的电压增益。第八章 反 馈图E1 例1的电路图第八章 反 馈解：1）反馈组态为串联电流负反馈。 2）反馈通路如右图： 反馈系数为： 3）基本放大电路的交流通路如图76.1163226.RRRRRIUFofceobebbirRRRRrrR , 14|)() 1(2631第八章 反 馈 基本放大电路的交流通路图R1不在反馈回路内，所以在计算输入电阻时应注意。第八章 反 馈19S )(|)1(）（()1(. )() 1(63211632225511446321111.3.RRRrr|RRRrrRRrrRRRR|RrrIIUIAbebbbebbbebbbebb