第6章集成运放及应用

1、第六章 放大电路中的反馈,2020/7/1,第一章 (3),2,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框图及一般表达式 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 6.7放大电路中其它形式的反馈,6.1 反馈的基本概念及判断方法,6.1.1反馈的基本概念,在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端，这方向称为正向传输。反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输

2、。所以放大电路无反馈也称开环，放大电路 有反馈也称闭环。反馈的示意图见图6. 1.1。,图6.1.1反馈概念方框图,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,取+ 加强输入信号 正反馈,取 - 削弱输入信号 负反馈,开环,闭环,一.正反馈和负反馈,二.直流反馈和交流反馈,交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。,若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用

3、。,增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。,注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。,图6.1.2,6.1.2反馈的判断,一.有无反馈的判断:,若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路,即反馈通路,并由此影响了放大电路的净输入,则表明电路引入了反馈.,二.反馈极性的判断:,瞬时极性法,在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，可用“+”、“-”或“” “”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。,图6.1.3,6.2负反馈放大电路的四种基本组态,一、电压反馈和电流反馈,电压反馈：反

4、馈信号取自输出电压信号。 电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。,电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。 电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。,根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,电压反馈采样的两种形式：,采样电阻很大,电流反馈采样的两种形式：,采样电阻很小,图6.2.1,图6.2.2,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。,并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。,串联反馈使电路的输入电阻增大；并联反馈使电路的输入电阻减小。,二

5、、串联反馈和并联反馈,ib=i-if,并联反馈,ube=ui-uf,串联反馈,正反馈和负反馈的判断法之二：,正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相 输入端。,图6.2.3,以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言，这样才有可比性。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压

6、并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,稳定静态工作点,负反馈的分类小结,一.电压串连负反馈,对图6.2.4所示电路，以分立元件为例分析。根据瞬时极性法判断，经Rf加在发射极E1上的反馈电压为+，与输入电压极性相同,且加在输入回路的两点，串联负反馈。反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈。后级对前级的这一反馈是交流反馈，同时Re1上 还有第一级本身的负反馈，将在下面分析。,判断方法：,图 6.2.4 串联电压负反馈,反馈系数：,A,o,f,o,f,V,V,X,X,F,vv,=,=,对于图：,e1,f,e1,R,R,R,F,vv,+,=,1,f,1,R,R,R,F,vv,+,=,（2）闭环放大

7、倍数 对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以,图6.2.5,二.电流串连负反馈,电流串联负反馈电路如图6.2.6所示。,以集成运放电路为例分析增益,这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为:,图6.2.6,三.电压并联负反馈,图6.2.7 电压并联负反馈,电压并联负反馈的电路如图6.2.7所示。因反馈信号与输入信号在一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈在输入端采用电流相加减,所以为并联负反馈.,Avif称为互阻增益，Fiv称为互导反馈系数,二者相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为,-,而电压增益为:,四.电流并联负反馈,电流并联负反

8、馈的电路如图6.2.8所示。,图6.2.8并联电流负反馈,(a),(b),1,2,R,ii,f,2,2,o,f,=,R,R,R,I,I,F,ii,+,-,=,o,f,2,2,f,I,R,R,R,I,*,+,=,-,电流放大倍数：,电流反馈系数是,显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为：,图6.2.9,例1：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,uo,uf,ube=ui-uf,uc1,ub2,uc2,uo,此电路是电压串联负反馈，对直流不起作用。, 分析中用到了三极管的集电极与基极相位相反这一性质。, 这里分析的是交流信号，不要与直流信号混淆。,分

9、析中用到的电压、电流要在电路中标出。并且注意符号的使用规则。,如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。, 当为交流反馈时，瞬时极性法所判断的也是相位的关系。电路中两个信号的相位不是同相就是反相，因此若两个信号都上升，它们一定同相；若另一个信号下降而另一个上升，它们一定反相。,例2：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,ib=i+if,此电路是电压并联负反馈，对直流也起作用。,问题：三极管的静态工作点如何提供？能否在反馈回路加隔直电容？,不能！Rf为三极管提供静态电流！,Rf 的作用： 1. 提供静态工作点。 2. 直流负反馈，稳定静态工作点。 3. 交流负反馈，稳定放大倍数。,例3：判断R

10、f是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,例4：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。,电流并联负反馈。对直流也起作用，可以稳定静态工作点。,例5：判断如图电路中RE1、RE2的负反馈作用。,1. 对交流信号：,RE1：电流串联负反馈。,2. 对直流信号：,RE1、RE2对直流均起作用，通过反馈稳定静态工作点。,反馈过程：,例6：判断如图电路中RE3的负反馈作用。,电流串联负反馈，对直流不起作用。,6.3 负反馈放大电路的方块图及一般表达式,图6.3.1 例题电路图,求图6.3.1在静态时运放的共模输入电压; 若要实现串联电压反馈, Rf 应接向何处? 要实现串联电压负反馈,运放的输入端极性如

11、何确定？ 求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数。,例7：如图电路,解：静态时运放的共模输入电压，即静态时T1和T2的集电极电位。,Ic1 = Ic2 = Ic3 /2,解 :可以把差动放大电路看成运放A的输入级。 输入信号加在T1的基极，要实现串联反馈，反 馈信号必然要加在T2。所以要实现串联电压反,解既然是串联反馈, 反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性，,见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。,馈, Rf应接向T2。,解:求引入电压串联负反馈后的闭环电压增 益，可把差放和运放合

12、为一个整体看待。,为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为,6.4 深度负反馈放大电路放大倍数的分析,2020/7/1,第一章 (3),36,例8,求：(1)判断反馈阻态；,闭环电压增益,在深度负反馈条件下，利用虚短和虚断可知,解：,(1)电压串联负反馈,则反馈系数为,(2)深度负反馈下大环的闭环电压增益 。,(2),end,6.5 负反馈对放大电路性能的影响,一、稳定放大倍数,三、改变输入电阻和输出电阻,四、展宽频带,二、改善波形失真,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使电路的稳定性提高。,(2),(1),一、

13、对放大倍数的影响,二、改善波形的失真,产生失真的原因:,图6.5.1 引入负反馈使非线性失真减小,三、对输入、输出电阻的影响,1. 串联负反馈使电路的输入电阻增加：,2. 并联负反馈使电路的输入电阻减小：,例如:射极输出器,理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。,理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。,图6.5 .3串联负反馈电路的方框图,图6.5.4 并联负反馈电路的方框图,3. 电压负反馈使电路的输出电阻减小：,理解：电压负反馈目的是阻止uo的变化，稳定输出电压。,放大电路空载时可等效右图框中为电压源：,输出电阻越小，输出电压越稳定，

14、反之亦然。,4. 电流负反馈使电路的输出电阻增加：,图6.5.6 电流负反馈电路的方框图,理解：电流负反馈目的是阻止io的变化，稳定输出电流。,放大电路空载时可等效为右图框中电流源：,输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。,四、对通频带的影响,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,6.6 负反馈放大电路的稳定性,负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是负反馈引入不当，会引起放大电路自激。为了使放大电路正常工作，必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法。,6.6.1 负反馈放大电路的自激条件,根据反馈的基本方程，可知当 时，相当放大倍数无穷大，也就是不需要输入,放大电路就有输出，放大电

15、路产生了自激。,A,A,A,F,f,=,1,+,将,|,|,= 0,改写为,1,-,=,F,A,F,A,+,1,相位条件,幅度条件,1,|,|,=,F,A,AF= A+ F=(2n+1) （n=0,1,2,3）,AF是放大电路和反馈电路的总附加相移，如果在中频条件下，放大电路有180的相移。在其它频段电路中如果出现了附加相移AF，且AF达到180，使总的相移为360，负反馈变为正反馈。如果幅度条件满足要求，放大电路产生自激。 在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所以F=0 ，AF = A+F= A。,图6.6.1 同相比例运算电路及矢量图,图6.6. 1是一个同相比例放大电路，其输入、反馈、净

16、输入和输出信号的相位关系如上图所示。因运放输出与输入相移为0，若附加相移达到180 ，则可形成正反馈。,6.6.2 用波特图判断负反馈大电路的自激,6.6.2.1波特图的绘制,有效地判断放大电路是否能自激的方法，是用波特图。不过前面波特图的Y 轴坐标是20lgA，单位是分贝，X 轴是对数坐标，单位是赫兹。有一个三极点直接耦合开环放大电路的频率特性方程式如下,根据给定的频率特性方程，放大电路在高频段有三个极点频率fp1、fp2和fp3。6.65代表中频电压放大倍数（6.60dB），于是可画出幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线。总的相频特性曲线是用每个极点频率的相频特性曲线合成而得到的。,相频特性

17、曲线的Y坐标是附加相移A。当A=180时，即图中的S点对应的频率称为临界频率fc。当f= fc时反馈信号与输入信号同相，负反馈变成了正反馈，只要信号幅度满足要求，即可自激。,其波特图如图6.6.2所示，频率的单位为Hz。,图6.6.2,6.6.2.2环路增益波特图的引入,由于负反馈的自激条件是 ，所以将以 20 为Y坐标的波特图改变为以20 为Y坐标的波特图，用于分析放大电路的自激更为方便。由于,1,-,=,F,A,F,A,lg,对于幅度条件,1,=,F,A,相当在以20 为Y坐标的波特图上减去 即可到以环路增益20 为Y坐标的 波特图了。如图6.6.04所示。,A,lg,在图6.6.04中，

18、当F3=0.01时，MN线为20lg =0 dB。20lg =0 dB这条线与幅频特性的交点称为切割频率f0。 此时 =1， A=180，幅度和相位条件都满足自激条件，所以20lg =0dB这条线是临界自激线。,在临界自激线上，从S点向左达到对应R点的频率时，此时 A=135， 距A=180有m=45的裕量，这个m称为相位裕度。一般在工程上为了保险起见，相位裕度m45。,仅仅留有相位裕度是不够的，也就是说，当A=180时，还应使 f0 ,Gm0dB (c)临界状态: fc=f0, Gm=0dB,fcf0 ,Gm 0 dB。从A=180出发，得到的Gm1，满足幅度条件。,稳定状态：,自激状态：,fc=f0 ,Gm= 0 dB。从A=180出发，得到的Gm= 0 dB，即AF=1。,临界状态：,例6.6.1：有一负反馈放大电路的频率特性表达式如下:,),