模电课件—6负反馈放大电路解析.ppt

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6.1反馈概述6.3负反馈放大电路的通用描述6.5负反馈对放大电路性能的影响6.6负反馈放大器的稳定性6放大电路中的反馈6.2负反馈放大电路的四种组态6.4深度负反馈条件下的近似计算 反馈：在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过反馈网络，用一定的方式送回到输入回路，以影响输入量（输入电压或电流）的过程。反馈体现了输出信号对输入信号的反作用。6.1.1反馈的概念反馈放大电路的组成：基本放大电路、反馈网络、输入求和网络。6.1反馈概述基本放大电路的输入信号（净输入信号）输出信号反馈信号反馈放大电路的输入信号反馈系数F=xF/xo hfeibicuceIbubehreucehiehoe内部反馈：存在于器件内部的反馈。其作用很小，可以忽略。 稳定工作点电路：Rb1TRe+VccRLu+-o-+uiCb2RcCb1Rb2++VB一定IBTUBEUEICIC 判断反馈的方法：看电路的输入回路和输出回路之间是否存在反馈网络，即反馈通路电路中只有正向传输，没有反向传输，称为开环状态。正向传输——信号从输入端到输出端的传输.反向传输——信号从输出端到输入端的传输既有正向传输，又有反馈的称为闭环状态。+uoui+uouiRfR1信号的正向传输信号的正向传输反馈传输(通路)（反馈网络） 电路有无反馈的判断：若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路（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；否则电路中没有反馈。 例：基本放大器，无反馈，净输入量vbe=vi，电压放大倍数为：6.1.3负反馈与正反馈负反馈——输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。引入反馈后，净输入量vbe=vi-vf，电压放大倍数为：可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。正反馈——输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。UberA=-bLR¢.ebeL)(1RβrRβ++-¢=AU.+CTb1CCRbV+voRL-vi+-b2CRcRb1TRe+VccRLu+-o-+uiCb2RcCb1Rb2+++uf- 反馈极性判断（瞬时极性法）：方法：规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路各相关点电流流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；+T-++++++--+ 负反馈的判断：反馈极性相同，回到不同节点。反馈极性相反，回到相同节点。 级间反馈通路净输入量减小级间负反馈 例:VV+VCC+be+--uRffuoRLCb1Rb1u+-T1+ui-Rc1Rc2T2Re1Re2Cb1本级反馈——反馈只存在于某一级放大器中级间反馈——反馈存在于两级以上的放大器中本级反馈与级间反馈级间反馈本级反馈本级反馈 Rb1TRe+VccRLu+-o-+uiCb2RcCb1Rb2++直流反馈——若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。6.1.4直流反馈与交流反馈该电路引入直流反馈的目的，是为了稳定静态工作点Q。交流反馈——若电路将交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。（如去掉电容Ce）交流反馈，影响电路的交流工作性能。直流反馈Ic交流反馈ic 判断图示电路引入的是交流反馈还是直流反馈分别画出该电路的直流通路和交流通路 解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。例：判断图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。注意电容的“隔直通交”作用！uoui+ARfR1C2C1+R2A交、直流反馈交流反馈 R2引入极间直流反馈R2引入极间交流反馈 6.1.5电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定电压反馈：反馈信号xf和输出电压成比例，即xf=Fvo电流反馈：反馈信号xf与输出电流成比例，即xf=Fio并联结构串联结构 电压反馈和电流反馈判断方法输出短路法：假设负载短路（RL=0），使输出电压uo=0，看反馈信号是否还存在，若反馈信号不存在了，则说明反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈；若存在，则说明反馈信号不是与输出电压成比例，而是和输出电流成比例，是电流反馈。 RLuoRLuo电压反馈采样的两种形式：采样电阻 电流反馈采样的两种形式：RLioiERLioiERf采样电阻 7.1.6串联反馈与并联反馈由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定串联串联：反馈网络与基本放大电路串联连接。输入以电压形式求和（KVL）进行比较-ui+uid+uf=0即uid=ui-uf并联：反馈网络与基本放大电路串联连接。输入以电流形式求和（KCL）进行比较ii-iid-if=0即iid=ii-if并联 对于三极管电路：若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，则为并联反馈。若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。 对于运放电路：若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈。若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈。输入量反馈量+A+A输入量反馈量-+A输入量反馈量+A输入量反馈量反馈信号与输入信号在同一节点--------并联反馈反馈信号与输入信号在不同一节点--------串联反馈结论： 判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈并联反馈级间反馈通路xf(if) 判断电路中的级间交流反馈是串联反馈还是并联反馈串联反馈级间反馈通路xf(vf) 二、四种类型的负反馈组态负反馈交流反馈直流反馈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作用：稳定静态工作点 判断反馈的类型 6.2.2电压串联负反馈放大电路输入以电压形式求和（KVL）：uid=ui-uf稳定输出电压特点：电压控制的电压源RL↓→uo↓→uf↓→uid(=ui－uf)↑uo↑ 分立电路电压串联负反馈VV+VCC+T2+-vfRfvoRLCb1Rb1vbe+-T1+vi-Rc1Rc2Cb2Re2Re1- 6.2.3电流串联负反馈放大电路输入以电压形式求和（KVL）：uid=ui-uf稳定输出电流电压控制的电流源特点：bRLiouf(=ioRf)ui一定时uidio 电流串联负反馈电路Rb1TRe+VccRLuv+-o-+uiCb2RcCb1Rb2++＋uF_uBE+_iC 6.2.4电压并联负反馈放大电路输入以电流形式求和（KCL）：iid=ii-if稳定输出电压电流控制的电压源特点： TRcis+CCiB+Vvo-RLRf分立电路电压并联负反馈所以是电压并联负反馈。在输入端有：iB=is–iF所以是并联负反馈。静态：稳定静态工作点的过程：TICICUCEIB根据瞬时极性法判断后，净输入电流iB=is–iF减小，是负反馈.反馈电流：iF 6.2.5电流并联负反馈放大电路输入以电流形式求和（KCL）：iid=ii-if稳定输出电流电流控制的电流源特点： 分立电路组成的电流并联负反馈电流并联负反馈RC1RC2RfRT1T2ic2is+VCCiBioiFuo并联反馈电流反馈 电压负反馈：稳定输出电压，具有恒压特性串联反馈：输入端电压求和（KVL）电流负反馈：稳定输出电流，具有恒流特性并联反馈：输入端电流求和（KCL）特点小结： 例题:试判断下列电路中的反馈组态。(a)(b) 例题:试判断下列电路中的反馈组态。(c) 反馈组态判断举例（交流）电压并联负反馈 解:电压串联负反馈。例题:试判断下列电路中的反馈组态。(d) 解:电压并联负反馈。例题:试判断下列电路中的反馈组态。(e) （1）串联反馈5.信号源对反馈效果的影响uId=ui-uf所以vs应为恒压源，即信号源内阻RS越小越好。要想反馈效果明显，就要求vf变化能有效引起vId的变化。vo-vf-RL+vIdR1+Rf-vs+-+viRs-+A （2）并联反馈iId=iI-if所以is应为恒流源，即信号源内阻RS越大越好。要想反馈效果明显，就要求if变化能有效引起iId的变化。v-RsoRLRf+isiIiIDif+-A 练习：判断下列放大电路的反馈类型 1.闭环增益的一般表达式开环增益反馈系数闭环增益因为所以已知闭环增益的一般表达式即6.3负反馈放大电路增益的一般表达式 小结：电路引入不同组态的交流负反馈就可以实现不同的控制关系，故各种组态的负反馈放大电路的放大倍数具有不同的物理意义：电压串联负反馈：电流串联负反馈：电压并联负反馈：电流并联负反馈： 负反馈放大电路中各种信号量的含义6.3负反馈放大电路增益的一般表达式 2.反馈深度讨论一般负反馈称为反馈深度深度负反馈正反馈自激振荡一般情况下，A和F都是频率的函数，当考虑信号频率的影响时，Af、A和F分别用、和表示。即6.3负反馈放大电路增益的一般表达式 深度负反馈：即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈系数有关。得:一、深度负反馈条件下的近似计算F>>1A+1..6.4深度负反馈条件下的近似计算1.深度负反馈的特点 1.深度负反馈的特点（或xfxi）净输入量近似等于零由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚”的概念输入量近似等于反馈量（xid0） 1.深度负反馈的特点串联负反馈，输入端电压求和深度负反馈条件下xid=xi-xf0并联负反馈，输入端电流求和虚短虚断uid=ui-uf0iid=ii-if0uid=iidri0虚断虚短 u+=u-（运放电路）ub=ue（三极管电路）(1)“虚短”——vid≈0(2)“虚断”——id≈0ii+=ii-=0（运放电路）ib=0（三极管电路）“虚短”与“虚断”-vi-R++vfR-vid1f++-v+fvi+-TRf+v-idReviRfiifiii+i-i+T-i+vfRiiibif 2.举例电压串联负反馈反馈系数实际上该电路就是第2章介绍的同相比例放大电路，该结果与第2章所得结构相同设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环电压增益表达式。解：根据虚短、虚断闭环增益（就是闭环电压增益） 2.举例(例7.5.1)电压串联负反馈设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环电压增益表达式。解：根据虚短、虚断闭环电压增益 2.举例(例6.5.4)电流并联负反馈根据虚短、虚断设电路满足深度负反馈条件，试写出该电路的闭环增益和闭环源电压增益表达式。解：闭环增益所以闭环电压增益又因为iR 解:（3）闭环增益例7.5.5…（3）求大环反馈的闭环增益以及对信号源的闭环电压增益；…电压并联负反馈根据虚短、虚断0V2.举例 例分立电路电压串联负反馈解：求反馈系数：求闭环电压放大倍数：VV+VCC+T2+-vfRfvoRLCb1Rb1vbe+-T1+vi-Rc1Rc2Cb2Re2Re1- 例运放组成的电压串联负反馈fRuI+--R+u1+RouFuID (2)在深度负反馈条件下，利用虚短和虚断可知例（1）判断反馈组态（2）深度负反馈下大环的闭环电压增益。则反馈系数为：闭环电压增益：解：(1)电压串联负反馈 综合举例1：求电压放大倍数。+VCC+_-+1R5R6RR2ui4uoR3R7R3CC1C2C4 综合举例2：求电压放大倍数、+-Re1Rc3Rc1C1uiT3CC+VT1RifRofT2Rc2Re2Rf1Rf2uo+-C2C3 6.5负反馈放大电路的稳定性提高增益的稳定性减少非线性失真扩展频带改变输入电阻和输出电阻在放大器中引入负反馈降低了放大倍数使放大器的性能得以改善： 6.5.1稳定闭环增益闭环时对A求导得只考虑幅值有即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF.负反馈不能使输出量保持不变，只能使输出量趋于不变另一方面,在深度负反馈条件下闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。负反馈的组态不同，稳定的增益不同（Auf、Arf、Agf、Aif） 6.5.2对输入电阻和输出电阻的影响串联负反馈1.对输入电阻的影响开环输入电阻Ri=uid/ii因为uf=F·xoxo=Auid闭环输入电阻Rif=ui/ii所以ui=uid+uf=(1+AF)uid闭环输入电阻Rif=ui/ii引入串联负反馈后，输入电阻增加。 并联负反馈1.对输入电阻的影响闭环输入电阻引入并联负反馈后，输入电阻减小了。 2.对输出电阻的影响（取决于输出端取样方式：电压、电流反馈）电压负反馈减小输出电阻电流负反馈增大输出电阻 负反馈对输出电阻的影响电压负反馈→稳定输出电压（当负载变化时）→恒压源→输出电阻小。(1)电压负反馈使输出电阻减小电流负反馈→稳定输出电流（当负载变化时）→恒流源→输出电阻大。(2)电流负反馈使输出电阻提高 基本放大电路的高频响应比开环时增加了为基本放大电路通带增益根据闭环增益表达式有（设反馈网络为纯阻网络）——通带闭环增益其中同理可得——闭环上限频率比开环时减小了——闭环下限频率引入负反馈后，放大电路的通频带展宽了6.5.3展宽频带 fbwf=(1+AF)fbw放大电路的增益-带宽积为常数 集成电路放大器的波特图 Auiufuiuouid加反馈前加反馈后AF+–失真改善vovo6.5.4减小非线性失真 闭环时增益减小，线性度变好。只能减少环内放大电路产生的失真，如果输入波形本身就是失真的，即使引入负反馈，也无济于事。1——开环特性2——闭环特性放大电路的传输特性 为改善性能引入负反馈的一般原则要稳定直流量—引直流负反馈要稳定交流量—引交流负反馈要稳定输出电压—引电压负反馈要稳定输出电流—引电流负反馈要增大输入电阻—引串联负反馈要减小输入电阻—引并联负反馈 举例：在下面的放大器中按要求引入适当的反馈。（1）希望加入信号后，ic3的数值基本不受R6改变的影响。VVVV512T2TR3RC134+VCCRRT1RR76R-u+iuo+-C2Rf1 VVVV512T2TR3RC134+VCCRRT1RR76R-u+iuo+-C2Rf2（2）希望接入负载后，输出电压VO基本稳定。 VVVV512T2TR3RC134+VCCRRT1RR76R-u+iuo+-C2（3）希望稳定静态工作点。解：以上两种反馈都同时具有交、直流反馈，所以能够稳定静态工作点。如果要求只引入直流负反馈，去除交流反馈。怎样接？Rf1C 6.6.2负反馈放大电路稳定工作的条件1.自激振荡现象在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一定频率的信号输出。2.产生原因在高频区或低频区产生的附加相移达到180，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。 自激振荡条件自激振荡反馈深度即又得自激振荡条件幅值条件相位条件（附加相移）注：输入端求和的相位（-1）不包含在内闭环增益 4.稳定工作条件破坏自激振荡条件或当反馈网络为纯电阻网络时，f=0。其中Gm——幅值裕度，一般要求Gm-10dBm——相位裕度，一般要求m45（保证可靠稳定，留有余地）写成等式，且幅值用分贝数表示时 用波特图表示或Gm-10dB或m454.稳定工作条件 5.负反馈放大电路稳定性分析环路增益的幅频响应写为一般与频率无关，则的幅频响应是一条水平线利用波特图分析关键作出的幅频响应和相频响应波特图水平线的交点为即该点满足 (2)作水平线判断稳定性方法(1)作出的幅频响应和相频响应波特图在水平线的交点作垂线交相频响应曲线的一点(3)判断是否满足相位裕度m45若该点满足相位裕度，稳定；否则不稳定。在相频响应的点处作垂线交于P点若P点在水平线之下，稳定；否则不稳定。或5.负反馈放大电路稳定性分析 基本放大电基本放大反馈深度越深，越容易自激。越大，水平线下移，越容易自激越大，表明反馈深度越深P点交在的-20dB/十倍频程处，放大电路是稳定的。