《电工电子技术简明教程》 课件 15 负反馈放大器反馈类型的判断

1、了解反馈的概念。2、了解负反馈对电路性能的影响。3、掌握负反馈的四种组态及其特点。4、会判断负反馈的四种组态，会分析带有负反馈电路的工作特点返回主目录任务22负反馈放大器反馈类型的判断知识要点一、反馈的基本知识1.反馈在电子系统中，把放大电路的输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部，通过某些元件和网路（称为反馈网络），反送到输入回路中，从而构成一个闭环系统，使放大电路的输入量不仅受到输入信号的控制，而且受到放大电路输出量的影响，这种连接方式就叫反馈。引入了反馈的放大电路叫做反馈放大电路，也叫闭环放大电路，而未引入反馈的放大电路，则称为开环放大电路。2.反馈放大电路的框图所有的反馈放大电路都可以看成是由基本放大电路和反馈网络两大部分组成，如图15.1所示。图15.1反馈放大电路的方框图3.反馈放大电路的一般关系式定义：放大器的开环放大倍数为：

反馈系数为F：

放大电路的闭环放大倍数为：

净输入信号为：

根据上述关系式可得：这是一个十分重要的关系式，也叫闭环增益方程，是分析反馈放大器的基本关系式。如果放大电路工作在中频范围，而且反馈网络又是纯电阻性时，开环放大倍数A和反馈系数F皆为实数，则开环放大倍数A可用A表示，反馈系数F可用F表示，闭环增益方程可写为：=

=

=

=-

=

=

二、反馈放大电路的基本类型及分析方法1.反馈信号的极性与判断方法放大器中的反馈，按照反馈信号极性的不同，可分为正反馈和负反馈。按照反馈信号是交流还是直流，可以分成直流反馈和交流反馈。（1）正反馈和负反馈在放大器中，如果引入反馈信号后，放大电路的净输入信号减小，导致放大器的放大倍数降低，这种反馈为负反馈；若反馈信号使放大电路的净输入信号增大，导致放大器的放大倍数增大，这种反馈为正反馈。区别正、负反馈的方法是用瞬时极性法。方法是先假定放大器输入端的输入信号在某一瞬时的极性为正，说明该点瞬时电位的变化是升高，在图中用“+”号表示。再根据各级放大器对输入信号和输出电压的相位关系，依次推断出由瞬时输入信号所引起的电路中有关各点的电位的瞬时极性，分别用“+”或“-”表示。例如当“+”信号从三极管的基极输入时，信号从集电极上输出时为“-”，从发射极上输出时则为“+”；信号经过电阻和电容时不改变极性；信号在经过集成运放时，从同相端输入，则输出与输入同相，从反相端输入时，则输出与输入反相。最后在放大器的输入回路上比较反馈信号和原输入信号的极性。若反馈信号和原输入信号同相，则为正反馈；若反馈信号和原输入信号的相位相反，则为负反馈。这里要强调指出：在运用瞬时极性法时，反馈信号和原输入信号极性的比较，一定要在放大器输入回路的同一点上进行。这是因为在确定电路中各个点的信号极性时，一般都是以该点对地的极性来确定信号的正负，而信号经过电路和反馈网络回到放大器的输入端时，不一定会回到原设为“+”的输入点，有可能会回到放大器输入端的另一点。单凭反馈回来的信号极性的正负来确定反馈是正反馈还是负反馈，容易引起错误判断。例如：图15.2是由集成运放组成的反馈放大电路。对于图15.2（a）所示电路，设输入信号ui的瞬时极性为正，因为uo与ui同相，则输出信号uo的瞬时极性为正，uo经电阻R3、R4分压后得到的反馈电压uf的极性也为正，由于反馈信号与输入信号在输入的同一端上且二者极性相同，可以看出，反馈信号将使净输入信号增大，所以为正反馈。图15.2反馈极性的判断对于图15.2（b）所示电路，设输入信号ui的瞬时极性为正，因为是从同相端输入，则uo和uf的瞬时极性都为正，但由于反馈信号回到了输入的另一端，与原输入信号不在同一输入端，所以单凭反馈信号的极性是正就判断是正反馈显然是错误的。此时可这样分析：设输入信号在集成运放的同相端瞬时极性为正，则其在输入的另一端（反相端）必为负。当正的反馈信号回到集成运放的反相端时，应和该点的原输入信号比较，显然它俩的极性相反，所以是负反馈。通过以上分析，可以得出如下结论：当输入信号ui与反馈信号uf在输入端的不同点时，若反馈信号uf的瞬时极性和输入信号ui的瞬时极性相同，为负反馈；若两者极性相反，为正反馈。当输入信号ui与反馈信号uf在输入的同一点时，若反馈信号uf的瞬时极性和输入信号ui的瞬时极性相同，为正反馈；若两者极性相反，为负反馈。这个方法可以叫做瞬时极性同点比较法。对由单级集成运放组成的反馈放大电路，其正负反馈的判别较容易：反馈信号回到反相输入端时为负反馈，反馈信号回到同相输入端时为正反馈。如图15.3所示，是由两个集成运放组成的多级放大电路。由瞬时极性法可以判断出两个集成运放本级的反馈是负反馈，整个电路的级间反馈也是负反馈。所以，对于级间反馈来说，不能以反馈信号回到哪个输入端作为判据，要用瞬时极性法逐级确定信号极性，最后要进行同点比较定出是正反馈还是负反馈。图15.3多级反馈电路反馈极性的判断（2）直流反馈和交流反馈在反馈放大器中，若反馈回来的信号是直流量，称为直流反馈：若反馈回来的信号是交流量，称为交流反馈；若反馈信号中既有交流分量，又有直流分量，则为交、直流反馈。直流反馈和交流反馈的区分，可以通过画出整个反馈电路的交、直流通路来判定。反馈回路存在于直流通路中即为直流反馈，反馈回路存在于交流通路中，即为交流反馈。反馈通路既存在于直流通路中，又包含在交流通路里，为交、直流反馈。例如在图15.5（a）所示的电路中，由于电容C对直流相当于开路，R2、R3串接在反相输入端和输出端之间，所以存在直流反馈。对于交流而言，电容C相当于短路，交流通路如图15.5（b）所示，可以看出，交流通路中不存在反馈，所以这个电路不存在交流反馈。在图15.5（c）电路中，有两个级间反馈通路：Rf1和C2、Rf2。由图中可看出，Rf1在直流通路和交流通路中都存在，输出信号的交流成分和直流成分都可以通过Rf1反馈到输入端，所以Rf1构成了交、直流级间反馈。而由于C2的“隔直”作用，输出信号的直流成分被隔断，无法送回到电路的输入端，只有交流信号可以送回到输入端，所以C2、Rf2只构成了交流反馈。直流负反馈在放大器中的作用只有一个，就是稳定放大器的静态工作点。前面分析过的分压偏置式放大器就是直流负反馈的典型应用。交流负反馈的作用是改善放大器的动态特性，有许多内容要在下面详细讨论。射极跟随器是交、直流负反馈共同存在的典型电路，它的工作点相当稳定，并且在动态特性上与共发射极放大器相比有很大的改善。图15.5判断电路的直流反馈与交流反馈2.负反馈放大器的四种组态交流负反馈在放大器中有着特殊而广泛的应用，下面要讨论的负反馈都指的是交流负反馈。交流负反馈可以按照对放大器性能的要求组成各种类型。从放大器的输出端，按照反馈网络在输出端的采样不同，可分成电压反馈和电流反馈。如果反馈取样是输出电压，称为电压反馈；如果反馈取样是输出电流，称为电流反馈。从放大器的输入端，按照反馈信号与输入信号在输入端的连接方式的不同，可分成串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端串联连接，称为串联反馈；如果反馈信号与输入信号在输入端并联连接，则称为并联反馈。（1）电压反馈和电流反馈的区分区分电压反馈和电流反馈可采用假想负载短路法。假设把输出负载短路，即uo=0，若反馈信号因此而消失，则为电压反馈；如果反馈信号依然存在，则为电流反馈。在图15.6（a）所示的电路中，假想将负载RL短路，短路后的等效电路如图15.6（b）所示。可以看出，当负载短路后，uo=0，没有了反馈回路，反馈信号也消失了，故为电压反馈；对于图15.6(c)所示电路，当负载短路后，尽管输出电压uo=0，但反馈回路依然存在，输出信号还能反馈到输入端，如图15.6（d）所示，故图15.6（c）所示电路为电流反馈。图15.6区分电路是电压反馈还是电流反馈（2）串联反馈和并联反馈的区分区分串联反馈和并联反馈的方法是：如果反馈信号和输入信号在输入端的同一节点引入，为并联反馈；如果反馈信号和输入信号不在输入端的同一节点引入，则为串联反馈。在图15.12(a)所示的电路中，输入信号和反馈信号在同一个节点上，故为并联反馈。对于图15.12(c)所示电路，输入信号和反馈信号不在同一个节点上，故为串联反馈3.四种组态负反馈放大器的特点从反馈信号在电路输出端的两种取样方式和在输入端两种不同的连接方式，可以构成负反馈的四种组态，即：电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。（1）电压串联负反馈在图15.8所示电路中，由R1、Rf构成输入、输出之间的反馈通路。在该电路的直流通路和交流通路中，均有该反馈存在，所以是交、直流反馈。对该集成运放而言，反馈加在集成运放的反相输入端，所以是交流负反馈。从输出端来看，若将负载RL短路，则uo=0，uf=0，反馈不存在，可见是属于电压反馈。从输入回路来看，输入信号和反馈信号不在同一个节点，所以是属于串联反馈。故图15.8所示的放大电路称为电压串联负反馈电路。电压负反馈有稳定输出电压uo的作用。设输入信号不变，即ui恒定，由于某种原因（如RL增大），使输出电压uo增大，经R1、Rf对uo分压，使反馈电压uf增大，结果使净输入电压：=ui-uf减小，将引起uo向相反的方向变化，最后趋于稳定。可见，引入电压负反馈后，通过反馈的自动调节，可以使输出电压趋于稳定。电压串联负反馈放大器的特点是：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻增大。它是良好的电压—电压放大器。图15.8电压串联负反馈电路图（2）电流串联负反馈在图15.9所示电路中，由Rf构成输入、输出间的反馈回路。反馈回路能同时通过交流和直流信号，所以该反馈为交、直流反馈。对该集成运放而言，反馈加在集成运放的反相输入端，所以是交流负反馈。从输出端来看，若将负载RL短路，则当uo=0时，反馈信号依然存在，说明该反馈属于电流反馈。从输入端来看，由于输入信号与反馈信号是从集成运放的两个不同的输入端引入，属于串联反馈。因此，图15.9所示电路为电流串联负反馈放大电路。电流负反馈具有稳定输出电流io的作用。设由于某种原因（如RL增大），使输出电流io减小，则反馈到输入端的电压uf减小，则净输入信号：=ui-uf增大，从而使io增大，最后趋于稳定。可见，引入电流负反馈后，通过反馈的自动调节，使输出电流趋于稳定。电流串联负反馈放大器的特点是：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻增大。它是良好的电压—电流放大器。图15.9电流串联负反馈电路图（3）电流并联负反馈在图15.10所示电路中，由Rf构成输入、输出间的反馈通路。反馈通路能同时通过交流和直流信号，所以该反馈为交、直流反馈。用瞬时极性法可判断出是交流负反馈。当将RL短路后，uo=0，但反馈信号依然存在，说明该反馈属于电流反馈；又由于输入信号与反馈信号均从集成运放的反相输入端引入，属于并联反馈。所以该电路为电流并联负反馈放大电路。电流并联负反馈放大器的特点是：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻减小。它是良好的电流—电流放大器。（4）电压并联负反馈电压并联负反馈电路如图15.11所示，由Rf构成输入、输出间的反馈通路，为交、直流反馈。用瞬时极性法可判断出是交流负反馈。从输出端看，假设将负载RL短路，则uo=0，输入、输出间不存在反馈通路，反馈信号消失，故为电压反馈；从输入端看，输入信号和反馈信号都在集成运放的反相输入端，属于并联反馈。所以图15.11电路是电压并联负反馈放大电路。图15.10电流并联负反馈电路图电压并联负反馈放大器的特点是：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻减小。它是良好的电流—电压放大器。应当引起注意的是，不论采用什么组态的负反馈，反馈效果都受信号源内阻RS的制约。当采用串联负反馈时，为能充分发挥负反馈的作用，应采用RS小的信号源，以使输入电压保持稳定；当采用并联负反馈时，RS愈大，则输入电流越稳定，并联负反馈的效果愈显著，所以此时应采用RS大的信号源。三、负反馈对放大电路性能的影响从反馈放大器的闭环增益方程可以看出，当反馈深度D取不同值时，放大器的闭环增益和开环增益的关系是不同的。三、负反馈对放大电路性能的影响从反馈放大器的闭环增益方程可以看出，当反馈深度D取不同值时，放大器的闭环增益和开环增益的关系是不同的。1.闭环增益的三种结果对闭环增益方程可分成三种情况加以讨论：图15.11电压并联负反馈电路图2.负反馈对放大器性能的影响放大器引入负反馈后，放大倍数有所下降，但却可以改善放大器的动态性能，如提高放大器的稳定性、减小非线性失真、抑制干扰、降低电路内部噪声和扩展通频带等。这些指标的改善对于提高放大器的性能是非常有益的，至于放大倍数的降低则可以通过增加放大器的级数来加以解决。（1）交流负反馈可以提高放大器增益的稳定性设放大电路工作在中频范围，反馈网络为纯电阻，所以A、F都可用实数表示，则闭环增益方程为：Af=为了表示增益的稳定性，通常用增益的相对变化量作为衡量指标。对式闭环增益方程求微分，可得：dAf==对上式两边同时除以Af，得=

上式表明，引入负反馈后，闭环放大器增益的相对变化量是开环放大器增益相对变化量的（1+AF）分之一。可见反馈越深，放大器的增益就越稳定，当然放大器的增益也就越低。例如某放大器的反馈深度：即在开环增益相对变化量为10%时，有了负反馈，电路的闭环增益相对变化量只有千分之一！放大倍数的稳定性提高了100倍。结合到电路的具体反馈组态，可以得出结论：电压负反馈使电路的输出电压保持稳定；电流负反馈使电路的输出电流保持稳定。（2）交流负反馈可以减小对信号放大的非线性失真D=1+AF=101，=±10%=（±10%）≈±0.1%，由于三极管本身是非线性器件，所以放大器对信号进行放大时产生了非线性失真是不可避免的，问题是如何尽量减小非线性失真。给三极管设置合适的工作点是减小非线性失真的首选方法。然而当输入信号的幅度较大时，尽管三极管的工作点合适，也会导致三极管工作在特性曲线的非线性部分，从而使输出波形失真，这是用合理设置工作点也解决不了的问题。而用交流负反馈就可以在很大程度上解决这个问题。假设正弦信号xi经过开环放大电路后，变成了正半周幅度大、负半周幅度小的输出波形，如图15.12（a）所示。这时在电路中引入负反馈，如图15.12（b）所示，并假定反馈网络是不会引起失真的纯电阻网络，则在输入端将得到正半周幅度大、负半周幅度小的反馈信号xf。两者叠加后，由此得到的净输入信号xid则是正半周幅度小、负半周幅度大的波形，即引入了失真（称预失真），再经过基本放大电路放大后，就会使输出波形趋于正负对称的正弦波，从而减小了非线性失真。需要注意的是，对输入信号本身固有的失真，负反馈是无能为力的。图15.12非线性失真的改善（3）交流负反馈可以抑制电路内部产生的干扰和噪声对于三极管内部由于载流子的热运动而引起的干扰和噪声，负反馈也可以对其进行抑制，其原理与改善信号的非线性失真相同。（4）交流负反馈可以扩展放大器的通频带从上面的分析中已经可以看出，负反馈的作用就是对电路输出的任何变化都有反向的纠正作用，所以放大电路在高频区及低频区放大倍数的下降，必然会引起反馈量的减小，从而使净输入量增加，放大倍数随频率的变化减小，幅频特性变得平坦，使上限截止频率升高，下限截止频率下降，从而放大器的通频带被展宽了，如图15.13所示。可见借助于负反馈的自动调节作用，放大器的幅频特性得以改善，其改善程度与反馈深度有关，（1+AF）愈大，负反馈越强，通频带就越宽。计算表明，负反馈使放大电路的通频带展宽了