模拟电子技术基础第7章.ppt

1、第7章 反馈放大电路 7.1 反馈的概念 7.1.1反馈的基本概念 在某系统中,输出回路的某一(电)量,通过某种方式,对输入 回路进行反作用,这样的连接方式称为反馈。 将电路的输出量的一部分或全部,通过一定的电路(反馈网络),再返送到输入电路,并对输入造成影响,这就是反馈。 把系统的输出量的一部分或全部，经过反馈机构反过来送回到它的输入端，与原来的输入量共同控制该系统，这种联接方式称为反馈（feedback）。 在许多实际的物理系统中，都存在着某种类型的反馈。虽然反馈理论首先是在电子领域中产生的，但事实上，反馈概念和理论已获得了日益广泛的应用，超越了工程领域，如生物反馈等。在电子电路中，反馈现

2、象是普遍存在的，以外在的或隐含的方式出现。,反馈的形式及其判别 电路中的反馈形式很多，主要有以下几种： 1 正反馈和负反馈 由于反馈放大器的输出信号被送回到输入端，得到反馈信号，它与原输入信号共同控制放大器，因此必然使放大器的输出信号受到影响，其放大倍数也将改变。根据反馈影响（即反馈性质）的不同，它可分为正反馈和负反馈两类。如果反馈信号加强输入信号，即在输入信号不变时输出信号比没有反馈时变大，导致放大倍数增大，这种反馈称为正反馈；反之，如果反馈信号削弱输入信号，即在输入信号不变时输出信号比没有反馈时变小，导致放大倍数减小，这种反馈称为负反馈。,判别反馈的性质可采用瞬时极性法：先假定输入信号的瞬

3、对地有一正向的变化，即瞬时电位升高（用“”表示），瞬时极性用“（）”表示；然后按照信号先放大后反馈的传输途径，根据放大器在中频区有关电压的相位关系，依此得到各级放大器的输入信号与输出信号的瞬间电位是升高还是降低，即极性是（）还是（），最后推出反馈信号的瞬时极性，从而判断反馈信号是加强还是削弱输入信号，加强的（即净输入信号增大）为正反馈，削弱的（即输入信号减小）为负反馈。,（判断举例）,本级反馈或局部反馈 级间反馈 本级负反馈只改善本级放大器的性能， 而级间负反馈可改善多级放大器的性能。 本章主要讨论级间反馈。,有两点值得注意： 第一，分析信号瞬时极性变化是在中频区进行的，所以应不考虑耦合元件产

4、生的附加效应，即大电容视为短路，小电容视为开路等； 第二，引入反馈（正反馈或负反馈）并没有改变放大器的本身的极性，故反相输入端仍与本级的输出反相，同相亦然。,2直流反馈和交流反馈 如上所述，如果反馈回来的信号是直流量，则为直流反馈；如果反馈回来的信号是交流量，则为交流反馈。直流负反馈多用于稳定静态工作点，交流负反馈则用于改善放大器的性能。此外，如果反馈回来的信号既有交流分量、又有直流分量，则同时存在交直流反馈。 直流反馈和交流反馈可以通过观察反馈信号是直流量还是交流量来判断，也可以画出反馈放大器的直流通路和交流通路来判断。,3电压反馈和电流反馈 根据基本放大器和反馈网络在输出端连接方式的不同，

5、反馈放大器分为电压反馈和电流反馈。,如果在反馈放大器的输出端，如果基本放大器（一部分或全部）和反馈网络并联，则反馈信号xf与输出电压uo成正比，或者说反馈信号取自输出电压（称为电压采样），这种方式称为电压反馈，如图（a）所示。 如果在反馈放大器的输出端，基本上放大器和反馈网络串联，则反馈信号xf与输出电流io成正比，或者说反馈信号取自输出电流（称为电流采样），这种方式称为电流反馈，如图（b）所示。,判断电压反馈的电流反馈可采用短路法。 例如，图（左图）中，若把RL短路，这时ioic仍在Re上形成反馈电压，故为电流反馈。图（右图）中基把RL短路，这时Rf接在反相输入端与在之间，不构成反馈通路，反

6、馈就不存在了，故为电压反馈。,4串联反馈和并联反馈 根据基本放大器和反馈网络在输入端连接方式的不同，反馈放大器分为串联反馈和并联反馈。,（a）串联反馈 （b）并联反馈,如果在输入端，如果基本放大器和反馈网络串联，即反馈电压uf与输入电压ui共同作用在基本放大器的输入端，在负反馈时使净输入电压ui uiuf变小（称为电压比较），这种方式称为串联反馈，如图（a）所示； 如果在输入端，基本放大器和反馈网络并联，即反馈电流if与输入电流ii共同作用于基本放大器的输入端，在负反馈时使净输入电流iiiiif变小（称为电流比较），这种方式称为并联反馈，如图（b）所示。 串联反馈和并联反馈很容易直接从电路中判

7、断别出来。事实上，串联负反馈适于用电压比较的方式来反映反馈对输入信号的影响，即输入信号反馈信号是以电压相减的形式出现：uIufui ； 而并联负反馈则适用于用电流比较的形式来反映反馈对输入信号的影响，即输入信号与反馈信号是以电流相减的形式出现： iiifii 。,（判断举例） 图（a）为并联负反馈放大器。图（b）为串联负反馈放大器。 仔细观察图 （a）、（b），可以得到下述结论：如果输入信号和反馈信号分别加到放大器两个不同的输入端（三极管的基极和发射极可以看成放大器的两个输入端），则为串联反馈；如果输入信号与反馈信号都加到放大器的同一输入端，则为并联反馈。,（a）并联反馈 （b）串联反馈,由于

8、串联负反馈的uiuiuf ，故当输入电压ui一定时，若反馈越强，uf也越大，则净输入电压ui就越小。显然，若信号源为一恒流源，由图（a）可知，此时ui与uf无关，反馈不起作用；而当信号源为一恒压源时（图中Rs0），uius ，反馈的影响最大。换言之，信号源的内阻越小，串联负反馈的作用就越强，即串联负反馈宜采用电压源作为激励信号源。 由于并联负反馈的iiiiif ，故当输入电流ii一定时，若反馈越强if也越大，则净输入电流ii就越小，显然，若信号源为一恒压源，由图（b）可知，此时ii与if无关，反馈不起作用；而当信号源为一恒流源时，（图中Rs）， iiis ，反馈的影响最大。换言之，信号源的内阻

9、越大，并联负反馈就越强，即并联负反馈宜采用电流源作为激励信号源。,7.1.2反馈的一般表达式,负反馈放大器的方框图,基本放大器为正向传输，即净输入信号只通过基本放大器到达输出端而得到输出信号，反馈网络为反向传输，即输出信号只通过反馈网络到达输入端而得到反馈信号。上述两点称为单向化条件。在实际电路中，由于基本放大器的寄生反馈和反馈网络的直通作用很小可忽略，所以单向化条件可近似成立。,基本关系： 净输入信号 开环放大倍数 反馈系数 闭环放大倍数 对于不同的组态的负反馈， 和 有四种表示形式，故 与 一样，也有四种表示形式。（见表4.2.1）,负反馈放大器的方框图,有时还要用到闭环源放大倍数（闭环增

10、益），它定义为 也有四种表示形式，对于电压并联负反馈， ；对于电压串联负反馈， ；对于电流并联负反馈， ；对于电流串联负反馈， 。由于串联负反馈希望信号源内阻 Rs小，理想情况下Rs=0，故这时 即 ， ）。而对于并联负反馈，要求Rs大，故经常用到 （ 和 ）。式是负反馈放大器的重要关系式。 该式表明，引入负反馈后放大器的闭环放大倍数为不引入反馈时开环放大倍数的1（1 ）倍。 （1 ）是衡量反馈程度的一个很重要的量，称为反馈深度D。 不同组态反馈的意义及表达式见表4.2.1,7.2 负反馈放大电路的组态,根据基本放大器和反馈网络在输出、输入端连接方式的不同，负反馈放大器可以分为电压并联负反馈、

11、电压串联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈四种组态，下面分别加以介绍,1电压串联负反馈 电压串联负反馈放大器如图所示。 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：串联连接，即输入端为电压比较； 输出端：并联连接，即输出端为电压采样。,输出量：输出电压uo； 输入量：输入电压ui ； 反馈量：反馈电压uf ； 净输入量：净输入电压ui 。 因此，定义基本放大器的放大倍数,为电压放大倍数（电压增益，无量纲）。 而反馈系数 （无量纲）。,在ui一定时，若由于RL减小使输出电压uo（指幅值，下同）下降，则有下述自动调整过程： 其结果使输出电压趋于稳定，即电压串联负反馈放大器具有稳定输出电压的特点。

12、 显然，电压串联负反馈电路的信号源应为电压源。,2电压并联负反馈 电压并联负反馈放大器如图所示。其中A为基本放大器的放大倍数，F为反馈网络的反馈系数。 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：并联连接，即输入端为电流比较； 输出端：并联连接，即输出端为电压采样。,输出量：输出电压uo； 输入量：输入电流ii； 反馈量：反馈电流if ； 净输入量：净输入电流ii 。 因此，定义基本放大器的放大倍数,为互阻放大倍数（互阻增益），它具有电阻量纲。 而反馈系数 ， 它具有电导量纲,在ii一定时，若由于RL减小使输出电压uo（指幅值，下同）下降，则有下述自动调整过程： 其结果使输出电压趋于稳定， 即电

13、压并联负反馈放大器具 有稳定输出电压的特点。 显然，电压并联负反馈电路的信号源应为电流源。,3电流并联负反馈 电流并联负反馈放大器如图所示。 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：并联连接，即输入端为电流比较； 输出端：串联连接，即输出端为电流采样。,输出量：输出电流io ； 输入量：输入电流ii； 反馈量：反馈电流if ； 净输入量：净输入电流ii 。 因此，定义基本放大器的放大倍数,为电流放大倍数（电流增益，无量纲）。 而反馈系数 （无量纲）。,在ii一定时，若由于RL增大使输出电流io（指幅值，下同）下降，则有下述自动调整过程： 其结果使输出电流趋于 稳定，即电流并联负反 馈放大器具

14、有稳定输出 电流的特点。 显然，电流并联负反馈电路的信号源应为电流源。,4电流串联负反馈 电压串联负反馈放大器如图所示。 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：串联连接，即输入端为电压比较； 输出端：串联连接，即输出端为电流采样。,输出量：输出电流io； 输入量：输入电压ui ； 反馈量：反馈电压uf ； 净输入量：净输入电压ui 。 因此，定义基本放大器的放大倍数,为互导放大倍数（互导电压增益，电导量纲）。 而反馈系数 （电阻量纲）。,在ui一定时，若由于RL增大使输出电流io（指幅值）下降，则有下述自动调整过程： 其结果使输出电流趋于稳 定，即电流串联负反馈放 大器具有稳定输出电流的

15、特点。 显然，电流串联负反馈电路的信号源应为电压源。,综上所述， 凡是电压负反馈都能稳定输出电压， 凡是电流负反馈都能稳定输出电流， 即负反馈具有稳定被采样的输出量的作用。,例 试分析如图所示放大电路对交流信号引入反馈的性质和组态。,由式 可以得到： （1）若1 1，则 ，即放大器引入反馈后放大倍数下降，说明电路引入的是负反馈。 （2）若1 1，则,满足1 1条件的负反馈，称为深度负反馈。 在深度负反馈条件下，闭环放大倍数只取决于反馈系数，而与基本放大器几乎无关。,（3）若1 1，则 ，即放大器引入反馈后放大倍数增大，说明电路引入的是正反馈。 （4）若1 =0，则 ，此时因 ，则 ，即 ，表明

16、放大器虽然没有输入信号，也有信号输出，通常把这种现象称为自激振荡，发生自激振荡时，放大器变成振荡器，失去了放大作用，应当加以避免。,7.3 负反馈对放大器性能的影响,负反馈虽然使放大器的放大倍数下降，却从多方面改善了放大器的性能，如提高放大倍数的稳定性，减小非线性失真，扩展频带，改变输入、输出电阻等，下面分别加以讨论。,7.3.1 提高放大倍数的稳定性,电源电压的变化、负载的变化、环境温度的改变和元器件的老化或更换所引起电路元器件参数的变化，都会导致放大器放大倍数的改变。当放大器引入负反馈后，如果保持输入信号不变，则输出信号基本得到稳定，因此闭环放大倍数也很稳定。前面提到，在深度负反馈条件下，

17、用性能比较稳定的无源线性元件组成反馈网络，闭环放大倍就比较稳定。下面分析一般情况下负反馈使放大倍数稳定的程度，它可用引入负反馈前后放大倍数的相对变化量之间的关系来表示。,为了使分析简化，设信号的频率为中频，则开环放大倍数（即引入反馈前的放大倍数）是实数，用A表示；反馈网络是电阻网络，则反馈系数也是实数，用F表示。这时，闭环放大倍数（即引入反馈后的放大倍数）也是实数，用Af表示。 设由于某种原因，使开环放大倍数由A 变为（A+ A），其变化量为 A ，相对变化量为 A/A 。它将引起闭环放大倍数由 Af 变为（Af Af），变化量为 Af ，相对变化量为 Af /Af 。在F不变时，有, 当 A

18、A时，上式可近似表示为,上式表明，引入负反馈后，放大倍数的相对变化量Af /Af 为未加反馈时放大倍数相对变化量Af /A的1/(1AF)倍。也就是说，负反馈使放大倍数降低为无反馈时的1/(1AF)倍，放大倍数的稳定性却提高了（1AF）倍。 值得注意的是，负反馈只能减小由基本放大器引起的放大倍数变化量，而对反馈网络的反馈系数变化引起的放大倍数变化量就无能为力了。此外，对于不同组态的负反馈放大器，能够稳定的放大倍数也是不同的。,7.3.2 减小非线性失真,由于电路中存在非线性器件，所以或多或少地总存在一定的非线性失真，即输入信号为正弦波时，输出信号已不是正弦波了。引入负反馈能减小非线性失真，下面

19、以下图所示的电压串联负反馈放大器为例来说明。,（图形说明）,值得注意的是，负反馈只能减小反馈环内所产生的失真，而对于输入信号本身存在的失真，负反馈是无能为力的。可以证明，引入负反馈后，输出信号的非线性失真系数将降为无反馈时的1/(1AF)倍。,7.3.3 扩展频带,前已述及，阻容耦合放大器在高频区的放大倍数随频率升高而减小，在低频区的放大倍数随频率降低而减小，因而限制了放大器的通频带。引入负反馈后，由于负反馈能稳定放大倍数，因此对于信号频率不同引起的放大倍数变化，它也有稳定作用。即原来使放大倍数下降3dB（0.7倍）的频率，加负反馈后下降不到3dB（0.7倍）了，也就是频带展宽了。,设基本放大

20、器的上、下限截止频率分别为 fH 和fL ，带宽为fbw ；引入负反馈后放大器的上、下限截止频率分别为fHf 和fLf ，带宽为fbwf 。理论上可以证明： fHf = (1AF) fH 可见，引入负反馈后，使放大器的上限截止频率增大为原来的1+AF倍。同理，也可以证明 即负反馈使放大器的下限截止频率减小为原来的1(1AF)倍。,一般有：fHfL ，fHf fLf ，故 fbwfH ， fbwf fHf ， 于是可以得到 fbwf (1AF) fbw 即负反馈使放大器的通频带展宽为原来的（1AF）倍。但是，它付出了中频放大倍数下降为原来的1(1AF）倍的代价。显然，引入负反馈前后的放大倍数与带

21、宽之积为一常数，即 AffbwfAfbw,放大器的增益带宽积为一常数，可以推知，放大倍数下降越多，频带也越宽。 应当指出，由于不同组态负反馈的闭环放大倍数意义不同，因此带宽fbwf 的意义不同，如电压串联负反馈展宽了电压放大倍数的通频带，电压并联负反馈展宽了互阻放大倍数的通频带等。但是，放大器的通频带习惯上是指电压放大倍数的通频带，只有当负载和源内阻不含任何电抗成分时，负反馈才能使其通频带展宽为原来的（1AF）倍，否则对于电压并联、电流串联和电流并联负反馈放大器，其通频带不能展宽为原来的（1AF）倍。,7.3.4 改变输入电阻和输出电阻,1对输入电阻的影响 负反馈对输入电阻的影响取决于放大器输

22、入端的连续方式，即是串联反馈还是并联反馈，而与输出端的连接方式无关。 （1）串联负反馈使输入电阻增大 串联负反馈中，由于在放大器的输入端反馈网络和基本放大器是串联的，输入电阻的增加是不难理解的。如图为串联负反馈放大器的一般形式，其中Ri 为基本放大器的输入电阻，由图可知Riuiii。,由图可知Riuiii ，故反馈放大器的输入电阻 ， 增大为原来的（1AF）倍， 对于电压串联负反馈放大器，有 对于电流串联负反馈放大器，有 值得注意的是，对于反馈环外的偏置电阻，负反馈对它们不起作用。 改变：（分立元件电路），先变后并。,（2）并联负反馈使输入电阻减小 在并联负反馈中，由于在放大器的输入端反馈网络

23、和基本放大器是并联的，因而势必造成输入电阻的减小。图为并联负反馈放大器的一般形式，Ri为基本放大器的输入电阻，由图可知Riuiii 。,由图可知Ri uiii ，故反馈放大器的输入电阻 减小为原来的1(1AF)倍。 对于电压并联负反馈放大器，有 对于电流并联负反馈放大器，有 改变：先并后变,2对输出电阻的影响 负反馈对输出电阻的影响取决于放大器输出端的连接方式，即是电压反馈还是电流反馈，而与输入端的连接方式无关。 （1）电压负反馈使输出电阻减小 前已述及，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即当负载变化时，输出电压的变化很小，这意味着电压负反馈放大器的输出电阻减小了。若基本放大器的输出电阻为Ro

24、 ，可以证明，电压串联负反馈放大器的输出电阻 式中，Auso为基本放大器在输出端开路（RL）情况下的源电压的放大倍数，称为开环源电压放大倍数，下标o表示输出端开路。,对于电压并联负反馈放大器，其输出电阻 式中，Arso为基本放大器输出端开路时的源互阻放大倍数。 因此，电压负反馈与基本放大器相比，输出电阻减小为原来的1(1AsoF)倍。 定性分析：U0反馈 稳定U0恒压源R0f小,（2）电流负反馈使输出电阻增大 由于电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即当负载变化时，输出电流的变化很小，这意味着电流负反馈放大器的输出电阻增大了。若基本放大器的输出电阻为Ro ，可以证明，电流串联负反馈放大器的输出电

25、阻 式中，Agss为基本放大器在输出端短路（RL 0）情况下的源互导放大倍数，称为短路源互导放大倍数，下标第二个s表示输出端短路。,对于电流并联负反馈放大器，其输出电阻 式中，Aiss为基本放大器的短路源电流放大倍数。 因此，电流负反馈放大器与基本放大器相比，输出电阻增大为原来的 （1AssF）倍。 应该指出，对于反馈环外的集电极电阻，负反馈对它不起作用。 定性分析：I0反馈稳定I0反馈放大器相当于恒流源R0f大,7.4 深度负反馈放大电路的分析计算,深度反馈 1+AF1 AfA/AF=1/F. X0/Xi= X0/Xf XiXf 净输入 Xi0 串联型反馈 UiUf,Ui0(Ui=0) 并联

26、型反馈 IiIf,Ii0(Ii=0),利用上述特点，结合具体的电路，就能迅速求出深度负反馈放大器的性能指标，尤其是闭环电压放大倍数。 1电压串联负反馈放大器 典型的电压串联负反馈放大器如图所示。 XiXf UiUf Uf=U0R1/(R1+Rf) Auf=U0/Ui=1+Rf/R1 电路为电压串联负反馈电路. Rif (Rif=R2+Rif) R0f0 反馈系数,2电压并联负反馈放大器,典型的电压并联负反馈放大器如图所示。 IiIf Ii=(U0-0)/R1 反相输入端的电压0 If=(0-U0)/Rf=-U0/Rf Auf=U0/Ui=-Rf/R1 闭环输入电阻 Rif0 电路输入电阻 Ri

27、f=R1+Rif=R1 电路输出电阻 R0f0,3电流串联负反馈放大器 电流串联负反馈放大器如图所示。 深度反馈 ： Ui=Uf=(U0/RL)*R Auf=U0/Ui=RL/R 闭环输入电阻 Rif 输出电阻 R0f,4电流并联负反馈放大器 电流并联负反馈放大器如图所示。 IiIf Ii=(Ui-0)/R1 If=-R/(R+Rf)*I0 Auf=U0/Ui=IoRL/Ui =-Ui(Rf+R)RL/(R1*R)*1/Ui =-(Rf+R)/R*RL/R1 Rif0；R0f,7.5 负反馈放大电路的自激振荡和消除方法 自激振荡是指放大电路的输入端不加信号时，在输出端也会出现一定幅度和一定频率电压信号的现象。 一、负反馈放大电路的自激振荡 1.产生自激振荡的条件 当1+AF=0时 闭环放大倍数 Af,这表示没有输入信号，输出端也会有信号输出。,自激振荡的条件 1+AF=0 或 AF=-1 即 |AF|=1 自激的幅度平衡条件 AF=A+F=arg（AF）=（2n+1）(n为整数) 自激的相位平衡条件 AF为环路的附加相移 A为基本放大电路的相移， F为反馈网络的相移 一般情况，反馈网络为纯电阻，相移为0，这时 总的附加相移AF等于开环放大电路的附加相移A