5.6负反馈放大电路的自激.ppt

1、HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6 负反馈放大电路的自激,5.6.1 产生自激振荡的原因,5.6.2 产生自激振荡的条件,5.6.3 负反馈放大电路稳定性的 判断方法,5.6.4 自激振荡的消除,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,负反馈放大电路之所以能够产生自激振荡的原因，是因为在放大电路中存在RC环节。于是在放大电路的高频段或低频段会产生附加相移，如果附加相移的量足够大，使负反馈变成正反馈。 例如在中频条件下，放大电路有180的相移，在其他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，负反馈就变为

2、正反馈。如果幅度条件满足要求，放大电路产生自激。因反馈网络一般由阻容元件构成，所以， F=0。,5.6.1 产生自激振荡的原因,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,从反馈的基本方程式：,此式相当负反馈。当输入信号处于放大电路的低频段或高频段时，放大电路产生的附加相移达到180左右时，负反馈将转变为正反馈，放大电路有可能自激。附加相移,对于串联电压负反馈，在中频段反馈电压 与输入电压 同相，因此净输入,净输入为,(n为0,1,2),HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,设输入为0，在某种扰动、干扰的作用下，其中含有f0 的成分，使附加相移

3、 ，反馈性质转变为正反馈，由此产生了输出信号，有如下过程：,最后由于半导体器件的非线性特性，限制了输出的进一步增长，达到一个平衡状态。此时，输出的自激信号频率 f0 处于低频段或高频段，放大电路将不能对正常信号进行放大。,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,根据反馈放大电路的方框图和由反馈的基本方程式，将输入端接0，则有 的分母为0。,当 时，相当放大倍数为无穷大，也就是输入为，放大电路就有输出，放大电路产生了自激。将 改写为,图06.05.01 放大电路自激方框图,5.6.2 产生自激振荡的条件,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,

4、又可写为幅度平衡条件和相位平衡条件,式(06.09)中 是环路增益的模；式(06.10)中AF是环路的附加相移。,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,以上讨论已经指出了判断负反馈放大电路稳定性的途径。实际上负反馈越深，在放大电路的高频段或低频段越容易满足附加相移的自激条件。不过在工程上采用所谓波特图的方法来判断放大电路是否稳定，即是否产生自激。,在放大电路的低频段和高频段是由RC高通环节和RC低通环节产生附加相移AF的。单级放大电路在低频段和高频段一般只有一个RC环节产生附加相移，最多90 ；对于两级放大电路有两个RC环节产生附加相移，最多180，但附加相移达到1

5、80时，幅度为0，已经不能满足自激的幅度条件，也不能产生自激； 对于三级放大电路会有三个RC高通环节和RC低通环节，在附加相移等于180时，只需要每一节RC环节平均AF=60 ，此时放大电路具有产生自激的可能。以下以直接耦合具有三个极点的放大电路为例加以讨论。,5.6.3 负反馈放大电路稳定性的判断方法,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6.3.1 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

6、特性方程，放大电路在高频段有三个极点频率fp1、fp2和fp3。105代表中频电压放大倍数是100dB，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。,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,图06.05.03 放大电路波特图的绘制,1. 先确定三个极点频率；,2. 做幅频特性曲线波特图；,3. 做三个极点频率的相频特性曲线的波特图，然后合成总的相频特性曲线波特图；,4. 由A=- 180做水平线交相频特性于S点，该点对应的频率称为临界频率fc。,5. 由S点向上做垂直线，交幅频特性于D点，再由D点做水平线M

7、N交Y轴于40dB，相当电压增益100倍。反馈系数为0.01，此时负反馈变成了正反馈，只要幅度条件满足要求即可自激振荡。,临界频率,20db/十倍频,40db/十倍频,60db/十倍频,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6.3.2 放大电路自激的判断,加入负反馈后，放大倍数降低，频带展宽，设反馈系数F1=10-4，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=90，不满足相位条件，不自激。,图06.05.04 放大电路自激的判断,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,进一步加大负反馈量，设反馈系数F2=10-3，闭环波特图与开

8、环的波特图交P点，对应的附加相移A=135，不满足相位条件，不自激。,此时A虽不是-180，但反馈信号的矢量方向已经基本与输入信号相同，已进入正反馈的范畴，因此当信号频率接近106Hz时，即P点时，放大倍数就有所提高。,图06.05.04 放大电路自激的判断,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,继续加大反馈量，设反馈系数F3=10-2，闭环波特图与开环波特图交D点，对应的附加相移A=180。当放大电路的工作频率提高到对应D点处的频率时，满足自激的相位条件。,此时放大电路有 40 dB 的 增 益 AF =10010-2=1 正好满足放大电路自激的幅度条件，放大电路

9、产生自激。,图06.05.04 放大电路自激的判断,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6.3.3 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,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06.05.05所示。,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,在图06.05.05中，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。,图06

10、.05.05 环路增益波特图,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。临界自激线以下为不稳定区域。,切割频率,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,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。,图06.05.05 环路增益波特图,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,仅仅留有相位裕度是不够的，也就是说，当A=180时，还应使 1，即反馈量要比 F=0.01再小一些，例如F

11、=0.001，相当于图中的MN这条线。此时距线MN有Gm=-20 dB的裕量，Gm称为幅度裕度。工程上为保险起见，幅度裕度|Gm | 10 dB。,图06.05.05 环路增益波特图,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6.3.4 判断自激的条件,根据以上讨论，可将环路增益波特图分为三种情况，如图06.05.06所示。,图06.05.06 判断自激的实用方法,(b)自激: fc0dB,(a)稳定:fcf0 ,Gm0dB,(c)临界状态: fc=f0, Gm=0dB,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,fcf0 ,Gm 0 dB。从

12、A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，不满足幅度条件。,判断自激的条件归纳如下：,fc 0 dB。从A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，满足幅度条件。,fc=f0 ,Gm= 0 dB。从A=180出发，得到的Gm= 0 dB，即AF=1。,稳定状态：,自激状态：,临界状态：,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,通过对负反馈放大电路自激的讨论，要想消除自激必须改变临界频率和切割频率之间的大小关系。即将自激状态的 fc0dB和临界状态的 fc=f0 、Gm=0dB，修改为稳定状态的fcf0 、Gm0dB ，这就需要修改极点频率。 一般改变最低

13、的那个极点频率效果比较明显，根据串联或并联电容和电阻的方式，有简单滞后补偿、RC滞后补偿、米勒效应补偿和超前补偿等类型。,5.6.4.1 简单滞后补偿,有一个负反馈放大电路的环路增益的幅频特性如图06.05.07所示。在电路中找出对应极点频率fp1的那段电路，外加一个补偿电容C，根据极点频率的位置，这应该是一个低通环节。,5.6.4 自激振荡的消除,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,图06.05.07 简单滞后补偿的幅频特性,加入补偿电容后的电路示意图如图 06.05.08(a)所示。,图06.05.08 (a) 简单滞后补偿电路,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,例如将 fp1 降低 23 个十倍频程，得到fp1。,图06.05.08 放大电路中的简单滞后补偿,(a) 简单滞后补偿电路 (b) 高频等效电路,做出补偿后的波特图，按照反馈放大电路的自激条件进行判断，看幅度裕度和相位裕度能否达到稳定的条件。,加入补偿电容后的波特图见下图 。,HIT基础电子技术电子教案-负反馈放大电路的自激 2006.06,5.6.4.