电工电子技术-7

７.１反馈的基本概念及判断７.１.１负反馈与正反馈及判断方法根据反馈极性可将反馈分为负反馈和正反馈.由反馈放大电路的方框图可以得知,反馈信号送回到输入回路与原输入信号共同作用后,对净输入信号的影响有两种结果:一种是使净输入信号比没有引入反馈时减小了,输出趋于稳定,称这种反馈为负反馈;另一种是使净输入信号比没有引入反馈时增加了,使系统偏差不断增大,甚至使输出产生振荡,称这种反馈为正反馈.在放大电路中一般引入负反馈.瞬时极性法是判断电路中正负反馈的基本方法:在放大电路的输入端,假设一个输入信号对地的极性,可用“＋”“－”表示.按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性,直至判断出反馈信号的瞬时极性.如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小,则为负反馈;反之为正反馈.集成运放的符号及特性见８-２节的内容.下一页返回７.１反馈的基本概念及判断７.１.２交流反馈与直流反馈及判断方法根据反馈电路的组成可将反馈分为交流反馈和直流反馈.交流反馈影响放大电路的交流性能,如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和带宽等.直流通路中存在的反馈称为直流反馈.直流反馈影响放大电路的直流性能,如静态工作点.交流通路中存在的反馈称为交流反馈.若两个通路中都存在的反馈称为交、直流反馈.本章主要是研究交流负反馈.上一页返回７.２交流负反馈的四种组态按反馈网络与基本放大电路在输出端口和输入端口的连接方式不同,交流负反馈有四种组态,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.不同负反馈类型的电路具有不同的性能,因此正确判断负反馈类型是定量分析负反馈电路的关键.根据反馈信号在放大电路输出端采样方式的不同,可以分为电压反馈和电流反馈.如果反馈信号取自输出电压,即反馈信号与输出电压成正比则称为电压反馈;如果反馈信号取自输出电流,即反馈信号与输出电流成正比则称为电流反馈.为了判断放大电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈,一般可假设将输出端对“地”交流短路(即令输出电压等于零),观察此时是否仍有反馈信号.如果反馈信号不复存在,则为电压反馈,否则就是电流反馈.下一页返回７.２交流负反馈的四种组态根据反馈信号与输入信号在放大电路输入回路中求和形式的不同,可以分为串联反馈和并联反馈.如果反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和(即反馈信号与输入信号串联),称之为串联反馈;如果二者以电流形式求和(即反馈信号与输入信号并联),则称之为并联反馈.下面结合具体电路分析上述四种负反馈组态的特点.１.电压串联负反馈在图７-４(a)所示的放大电路中,从集成运放的输出端到反相输入端之间通过电阻R２引入了一个反馈.在输入回路中,输入信号与反馈信号以电压的形式求和,即uI＝uD＋uF(７-１)反馈电压uF

减弱了净输入电压uD,因此为串联负反馈.上一页下一页返回７.２交流负反馈的四种组态相关相位如图所示,由图可知,反馈电压:表明反馈电压与输出电压成正比.以上分析说明,图７-４(a)电路中引入的反馈是电压串联负反馈.为了便于分析引入反馈后的一般规律,常常利用方框来表示各种组态的负反馈.电压串联负反馈组态的方框图如图７-４(b)所示.图中有两个方框,上面的方框表示基本放大网络,下面的方框表示反馈电路.由方框图可见,在输出侧反馈电路与放大电路的输出端并联,采样输出电压的一部分.在输入侧反馈电路与放大电路的输入端串联,输入电压与反馈电压相减后得到净输入电压.上一页下一页返回７.２交流负反馈的四种组态２.电压并联负反馈在图７-５(a)所示的放大电路中,从集成运放的输出端到反相输入端之间通过电阻R引入了一个反馈.根据理想集成运放工作在线性区的特点得:uN≈uP＝０.相关相位及电流的极性如图所示.在输入回路中,输入信号与反馈信号以电流的形式求和,即iI＝iD＋iF(７-３)反馈电流iF

减弱了净输入电流iD,因此为并联负反馈.由图可知,反馈量上一页下一页返回７.２交流负反馈的四种组态表明反馈电流与输出电压成正比.以上分析说明,图７-５(a)电路中引入的反馈是电压并联负反馈.电压并联负反馈利用方框来表示如图７-５(b)所示.由方框图可见,在输出侧反馈电路与放大电路的输出端并联,采样输出电压.在输入侧反馈电路与放大电路的输入端也并联,输入电流与反馈电流相减后得到净输入电流.３.电流串联负反馈在图７-６(a)所示的放大电路中,在输入回路中,输入信号与反馈信号以电压的形式求和,即uI＝uD＋uF(７-５)反馈电压uF

减弱了净输入电压uD,因此为串联负反馈.上一页下一页返回７.２交流负反馈的四种组态由图可知,反馈电压表明反馈电压与输出电流成正比.以上分析说明,图７-６(a)电路中引入的反馈是电流串联负反馈.电流串联负反馈组态的方框图如图７-６(b)所示.由方框图可见,在输出侧反馈电路与放大电路的输出端串联,采样输出电流.在输入侧反馈电路与放大电路的输入端串联,输入电压与反馈电压相减后得到净输入电压.４.电流并联负反馈在图７-７(a)所示的放大电路中,相关相位及电流的极性如图所示,根据理想集成运放工作在线性区的特点得:uN≈uP＝０.由图可知,在输入回路中,输入信号与反馈信号以电流的形式求和,即iI＝iD＋iF上一页下一页返回７.２交流负反馈的四种组态由图可知,反馈量表明反馈电流与输出电流成正比.以上分析说明,图７-７(a)电路中引入的反馈是电流并联负反馈.电流并联负反馈利用方框来表示如图７-７(b)所示.由方框图可见,在输出侧反馈电路与放大电路的输出端串联,采样输出电流的一部分.在输入侧反馈电路与放大电路的输入端并联,输入电流与反馈电流相减后得到净输入电流.上一页返回７.３负反馈对放大电路性能的影响１.提高放大倍数的稳定性放大电路引入负反馈以后得到最直接、最显著的效果就是提高放大倍数的稳定性.在输入信号一定的情况下,当电路参数变化、电源电压波动或负载发生变化时,由于引入了负反馈,使得净输入量减小,最终使放大电路输出信号的波动将大大减小,也就是说放大倍数的稳定性提高了.２.减小非线性失真和抑制干扰由于放大器件的非线性,当输入信号为正弦波时,输出信号的波形可能不再是一个真正的正弦波,而将产生或多或少的非线性失真.当信号幅度越大时,非线性失真现象越明显.引入负反馈可以减小非线性失真.如果正弦波输入信号XI

经过放大后输出产生的失真波形为正半周大,负半周小.经过反馈后,反馈信号XF

也是正半周大,负半周小.但它和输入信号XI

相减后得到的净输入信号XD＝XI－XF

的波形却变成正半周小,负半周大,经放大后使输出信号的失真得到一定程度的补偿,从而改善了输出波形,如图７-１０所示.下一页返回７.３负反馈对放大电路性能的影响根据同样的道理,采用负反馈也可以抑制由载流子热运动所产生的噪声,因为可以将噪声认为是放大电路内部产生的谐波电压.从本质上说,放大电路对不同频率的输入信号的放大倍数是不同的.尤其是集成运放在高频段放大能力下降较快,通频带较窄.通过前面的分析已经看到,通过引入负反馈,使放大电路输出信号的相对下降量比无反馈时少,也就是说,放大电路的频带展宽了.３.对放大电路的输入电阻和输出电阻的影响反馈信号与输入信号的求和方式不同,将对放大电路的输入电阻产生不同的影响:与开环时相比,在串联负反馈放大电路中,由于反馈信号与输入信号在输入回路中进行串联比较(图７-４、图７-６),结果使基本放大电路的净输入电压信号减小,输入电流减小,故闭环输入电阻RiF比开环输入电阻Ri

大.上一页下一页返回７.３负反馈对放大电路性能的影响而并联反馈的反馈网络与基本放大电路并联(图７-５、图７-７)使输入电流较之开环时增大,这意味着闭环输入电阻RiF小于开环输入电阻Ri.因此引入串联负反馈将使输入电阻增大而引入并联负反馈将使输入电阻减小.反馈信号在输出端采样方式不同,将对放大电路的输出电阻产生不同的影响:电压负反馈取样于输出电压,具有稳定输出电压的作用,即输入信号一定时,电压负反馈放大电路的输出趋于一恒压源,其输出电阻很小.电流负反馈取样于输出电流,能维持输出电流稳定,就是说,输入信号一定时,电流负反馈放大电路的输出趋于一恒流源,其输出电阻很大.因此电压负反馈使输出电阻减小;电流负反馈使输出电阻增大.综上所述,负反馈对输入电阻和输出电阻的影响与反馈类型直接相关,影响程度与反馈深度有关上一页返回７.４引入负反馈的一般原则由以上分析可以知道,负反馈的类型不同,对放大电路所产生的影响也不同.工程中往往要求根据实际需要在放大电路中引入适当的负反馈,以提高电路或电子系统的性能.引入负反馈的一般原则为:(１)为了稳定放大电路的静态工作点,应引入直流负反馈;为了改善放大电路的动态性能,应引入交流负反馈.(２)信号源内阻较小或要求提高放大电路的输入电阻时,应引入串联负反馈;信号源内阻较大或要求降低输入电阻时,应引入并联负反馈.(３)根据负载对放大电路输出电量或输出电阻的要求决定是引入电压还是电流负反馈.若负载要求提供稳定的信号电压或输出电阻要小,则应引入电压负反馈;若负载要求提供稳定的信号电流或输出电阻要大,则应引入电流负反馈.下一页返回７.４引入负反馈的一般原则(４)在需要进行信号变换时,应根据四种类型的负反馈放大电路的功能选择合适的组态.例如,要求实现电流电压信号的转换时,应在放大电路中引入电压并联负反馈等.这里介绍的只是一般原则.要注意的是,性能的改善程度均与反馈