模电第四章负反馈放大电路

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第四章负反馈放大电路无反馈放大电路在实际应用中往往不能满足人们的特定需求，为此在电子线路中引入反馈尤其是负反馈来构成所谓的反馈放大电路，大大改善了放大电路的性能。§1反馈的基本概念与增益的一般表达式§2负反馈放大电路的四种组态§3负反馈对放大电路性能的影响§4负反馈放大电路的近似计算§5负反馈放大电路的稳定条件和措施 §1反馈的基本概念与增益的一般表达式VCC+_RcRbuO+C2C1+uI+_Re反馈举例直流负反馈稳定静态工作点。 一、反馈的概念1、定义指放大电路的输出量（输出电压或输出电流）或输出量的一部分，通过一定的方式反送到放大电路的输入回路中去。一般地，欲想稳定放电电路中的某个电量，就设法将此电量反馈到输入回路中。反馈网络⊕基本放大电路输出量输入量净输入量反馈量 2、判断反馈是否存在（1）存在将输出回路与输入回路相连接的通路，即反馈通路。（2）反馈通路对放大电路的净输入量有影响。无无有一、反馈的概念 二、反馈放大电路的分类与判别1、按反馈信号的极性分类正反馈：负反馈：反馈信号增强了外加输入信号的作用，使放大电路净输入量增大，放大倍数提高。反馈信号削弱了外加输入信号的作用，使放大电路净输入量减小，放大倍数降低。瞬时极性法判断的方法：输入信号极性输出信号极性反馈信号极性净输入信号增大，正反馈净输入信号减小，负反馈 ⊕-⊕⊕uD=u+-u_⊕-⊕⊕-iIiFiDuDuD负反馈负反馈正反馈uF1、按反馈信号的极性分类二、反馈放大电路的分类与判别 负反馈1、按反馈信号的极性分类二、反馈放大电路的分类与判别 2、按交、直流性质分类直流反馈：交流反馈：反馈到输入端的信号仅包含直流成分。反馈到输入端的信号仅包含交流成分。主要用来稳定Q点，对动态特性没有影响。主要用来改善动态性能。有直流负反馈无交流负反馈直流通路交流通路二、反馈放大电路的分类与判别 3、按输入端的连接方式分类串联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和，即二者串接于输入回路中。并联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式求和，即二者并接于输入回路中。判断方法：从电路结构上看，反馈信号与输入信号不接在放大电路的同一个输入端（或同一点），为串联负反馈；反馈信号与输入信号接在放大电路的同一个输入端（或同一点），为并联负反馈。二、反馈放大电路的分类与判别 串联反馈3、按输入端的连接方式分类二、反馈放大电路的分类与判别 3、按输入端的连接方式分类并联反馈二、反馈放大电路的分类与判别 3、按输入端的连接方式分类并联反馈串联反馈二、反馈放大电路的分类与判别 4、按输出端的取样方式分类（1）电压反馈：反馈信号取自输出电压，即反馈信号正比于输出电压。（2）电流反馈：反馈信号取自输出电流，即反馈信号正比于输出电流。电压负反馈的特点是稳定输出电压，降低输出电阻。电流负反馈的特点是稳定输出电流，提高输出电阻。二、反馈放大电路的分类与判别 4、按输出端的取样方式分类判断方法——短路法假设将输出端交流短路，即，如果反馈信号消失，则为电压反馈；否则为电流反馈。+VCC+_Rc1RfuOCfC1+uI+_Re1Re2Rc2Rb+_uf+－－++二、反馈放大电路的分类与判别 4、按输出端的取样方式分类判断方法——短路法假设将输出端交流短路，即，如果反馈信号消失，则为电压反馈；否则为电流反馈。+VCC+_Rc1uOC1+uI+_Re1Rc2RbRfCf+_uf+－－++Re2RfCfuf与输出信号无关，即反馈信号消失。电压串联负反馈二、反馈放大电路的分类与判别 三、反馈放大电路增益的一般表达式++－净输入：开环增益：反馈系数：闭环增益： 三、反馈放大电路增益的一般表达式++－净输入：开环增益：反馈系数：1、环路增益表示在反馈放大电路中信号沿放大网络和反馈网络组成的环路传递一周后得到的放大倍数。（回路增益） 2、反馈深度表示引入反馈后放大电路的放大倍数与无反馈时相比变化的倍数。（1）当时说明引入反馈后增益降低，为负反馈。当时说明引入反馈后增益增大，为正反馈。 2、反馈深度表示引入反馈后放大电路的放大倍数与无反馈时相比变化的倍数。（2）在负反馈前提下，若——深度负反馈此时闭环增益仅仅取决于，与基本无关。反馈网络常采用无源网络，受温度影响极小，因此的值比较稳定，从而使的稳定性也大大增强。当反馈网络确定后，越大反馈越深，与越接近。所以常选用开环电压增益很高的集成运放，以便接成深度负反馈。 2、反馈深度表示引入反馈后放大电路的放大倍数与无反馈时相比变化的倍数。（3）若表示引入反馈后放大电路的放大倍数与无反馈时相比变化的倍数。说明当时，。——自激振荡①自激振荡时，输出信号不受输入信号的控制，放大电路失去放大作用，不能正常工作。②引入满足自激振荡条件的正反馈，从而产生各种波形的信号。通常所说的负反馈放大电路是指中频段的反馈极性，可处理为实数；当频率进入低频段或高频段，负反馈电路可能产生正反馈，甚至产生自激振荡。 §2负反馈放大电路的四种组态输出端反馈量取自输出电压输出电流：电压反馈：电流反馈（与uo有关）（与io有关）输入端反馈量与输入量以电压方式相叠加：串联反馈（ui、uf）以电流方式相叠加：并联反馈（ii、if）电压串联、电压并联、电流串联、电流并联 一、电压串联负反馈开环电压增益：反馈系数：净输入电压：闭环电压增益： 一、电压串联负反馈反馈电压uf取自输出电压uo反馈网络：R1、R2例1 一、电压串联负反馈例2 二、电压并联负反馈净输入电流：开环互阻增益：反馈系数：闭环增益： 二、电压并联负反馈反馈电流if取自输出电压uo例 三、电流串联负反馈净输入电压：开环互导增益：反馈系数：闭环增益： 三、电流串联负反馈例反馈电压uf取自输出电流io 四、电流并联负反馈净输入电流：开环电流增益：反馈系数：闭环电流增益： 四、电流并联负反馈例2反馈电流if取自输出电流io 四种负反馈组态的电压放大倍数、反馈系数之比较输出信号反馈信号放大网络的放大倍数反馈系数电压串联式电压并联式电流串联式电流并联式电压放大倍数转移电阻转移电导电流放大倍数 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为什么在并联负反馈电路中不加恒压源信号？为什么在串联负反馈电路中不加恒流源信号？ 例题：判断电路中反馈的极性和组态。电路中的电容足够大。电压串联负反馈C1Rb+VCCC2+Re+++C1RC1+VCCC2+Re2++_+RsVT2VT1RC2RF+－++－+电流并联负反馈 例题：判断电路中反馈的极性和组态。电路中的电容足够大。C1RC+VCCC2+Re++_+RsRF+－电压并联负反馈C1Rb+VCC+Re1+RC1C2Re2++VT1RC2RFVT2VT3RC3Re3+－+++电流串联负反馈+ 分立元件放大电路中的净输入量和输出电流在判断分立元件反馈放大电路的反馈极性时，净输入电压常指输入级晶体管的b-e（e-b）间或场效应管g-s（s-g）间的电位差，净输入电流常指输入级晶体管的基极电流（射极电流）或场效应管的栅极（源极）电流。在分立元件电流负反馈放大电路中，反馈量常取自于输出级晶体管的集电极电流或发射极电流，而不是负载上的电流；此时称输出级晶体管的集电极电流或发射极电流为输出电流，反馈的结果将稳定该电流。 §3负反馈对放大电路性能的影响放大倍数有所下降但其他性能得到改善。提高放大倍数的稳定性；减小非线性失真和抑制干扰；展宽频带；改变输入电阻和输出电阻。 一、提高放大倍数的稳定性引入负反馈后，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，放大电路输出信号的波动减小，即放大倍数的稳定性提高。放大倍数稳定性提高的程度与反馈深度有关。中频段有引入负反馈后，放大倍数的稳定性提高了(1+AF)倍。负反馈深度越大，放大倍数倍数越稳定。 +－①估算反馈系数　和反馈深度。电压串联负反馈②估算放大电路的闭环电压放大倍数；+－例1A+－+－+－ +－例1A+－+－+－③如果开环差模电压放大倍数A的相对变化量为±10%，此时闭环电压放大倍数Af的相对变化量等于多少？结论：当开环差模电压放大倍数变化10%时，电压放大倍数的相对变化量只有0.0001%，而稳定性提高了一万倍。 二、减小非线性失真和抑制干扰大小略大略小略小略大++－失真的反馈信号使净输入信号产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真。 二、减小非线性失真和抑制干扰大小略大略小略小略大++－如果将非线性失真看作在输出波形中除了基波成分外又增加某些谐波成分，则引入负反馈后，在保持基波成分不变的情况下降低了谐波成分，从而减小了非线性失真。可以证明在非线性失真不太严重时，输出波形中非线性失真近似减少为原来的。 二、减小非线性失真和抑制干扰大小略大略小略小略大++－负反馈只能抑制放大电路自身的非线性失真和噪声，如果干扰与输入信号同时混入，则负反馈不起作用。同理，负反馈也可以抑制由载流子热运动产生的噪声，因为可以将噪声看成是放大电路产生的谐波电压，因此也可以大致被抑制为原来的。 三、展宽频带设反馈系数为定值，当输入信号幅度不变时，随着其频率的升高或降低输出信号的幅度会减小，则取自输出信号的反馈信号也会同比例减小，于是净输入信号增大，是输出信号的相对下降量比无反馈时要小。增益带宽积为定值，加入负反馈后，放大倍数降低，显然通频带会变宽。在要求有较宽通频带的场合，采用负反馈是展宽通频带的一个有效措施。无反馈时放大电路高频段增益为引入负反馈，设反馈系数为 中频闭环增益上限频率变为原来的变为原来的倍下限频率变为原来的对一般的放大电路而言，满足，即。变为原来的倍。 解：+－例2①估算反馈深度；②估算负反馈放大电路的通频带。A+－+－+－ 四、改变输入电阻和输出电阻1、负反馈对ri的影响（1）串联负反馈RL当无反馈时引入串联负反馈结论：引入串联负反馈后，输入电阻增大为无反馈时的倍。 RLRS四、改变输入电阻和输出电阻1、负反馈对ri的影响（2）并联负反馈当无反馈时引入并联负反馈结论：引入并联负反馈后，输入电阻减小为无反馈时的倍。 RL2、负反馈对rO的影响四、改变输入电阻和输出电阻（1）电压负反馈rO↓AO为RL开路时放大网络的放大倍数。结论：引入电压负反馈后，输出电阻减小为无反馈时的倍。 2、负反馈对rO的影响四、改变输入电阻和输出电阻（2）电流负反馈rO↑RL结论：引入电流负反馈后，输出电阻增大为无反馈时的倍。 结论1、反馈信号与外加输入信号的求和方式只对放大电路的输入电阻有影响：串联负反馈使输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。2、反馈信号在输出端的采样方式只对放大电路的输出电阻有影响：电压负反馈使输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。3、负反馈对输入电阻和输出电阻的影响程度，与反馈深度有关。 放大电路中引入负反馈的一般原则1、稳定Q点：直流负反馈；改善动态性能：交流负反馈；2、增大输入电阻：串联负反馈；减小输入电阻：并联负反馈；3、稳定的输出电压：电压负反馈；稳定的输出电流：电流负反馈；，减小输出电阻，增大输出电阻 §4负反馈放大电路的近似计算负反馈放大电路的形式多种多样，而且反馈网络的存在为电路的动态分析带来一定难度，常用的负反馈放大电路动态分析方法有三种：微变等效电路法：仅适用于结构比较简单的电路。方框图分析法：将电路分为基本放大电路和反先馈网络两部分，计算基本放大电路的动态参数，然后用反馈深度（1+AF）求闭环电路的动态参数。..深度负反馈计算法：绝大多数较复杂的负反馈放大电路，如分立元件多级放大电路或集成运放，其开环增益都很大，很容易满足的条件。 一、估算的依据由定义得：在深度负反馈近似计算中可以忽略净输入量，而且反馈深度越大，与越接近。串联负反馈：并联负反馈： 二、估算的方法1、先找出反馈网络并求反馈系数F；2、求广义的闭环放大倍数Af=1/F；3、最后计算闭环电压放大倍数Auf；深度串联负反馈：深度并联负反馈：深度电压负反馈：深度电流负反馈：rof→∞rif→∞rof→0rif→0 例1电压串联负反馈Rc1+VCC+Re1RFRe2Rc2－VEE+－ 例1电压串联负反馈A+－+－ 例2电流并联负反馈RSC1Rc1+VCCC2++++Re1RFRe2Rc2Ce+ 例2电流并联负反馈A+－+－+－ 例3电压并联负反馈－VEE+VCCRe3RC2R2R1+uO－uIRFIRC3 例3电压并联负反馈A+－ 例4电流串联负反馈+－Rb1RCC1C2Rb2Re1RL++uiuo++––Re2Ce++VCC 例4电流串联负反馈A+－+－+－ §5负反馈放大电路的稳定条件和措施负反馈能够改善放大电路的性能，而且反馈深度越大效果越好，但当反馈深度达到一定程度时，将可能使放大电路产生自激振荡。产生自激振荡的原因及条件稳定判据及稳定裕度负反馈放大电路的稳定性分析 一、产生自激振荡的原因及条件1、自激振荡产生的原因在中频段，，相角负反馈在低频段，每个电容引起0O~+90O的附加相移；在高频段，每个电容引起0O~-90O的附加相移。 当在低频段或高频段的附加相移达到180O的奇数倍时，即正反馈⊕如能达到动态平衡，即反馈信号与输入信号相互依存（），则产生自激振荡。一、产生自激振荡的原因及条件1、自激振荡产生的原因 一、产生自激振荡的原因及条件2、自激振荡的平衡条件即幅值条件相位条件起振条件注：电路自激振荡是由其本身决定的，与输入信号无关。 二、稳定判据及稳定裕度利用负反馈放大电路回路增益　　的波特图，分析是否同时满足自激振荡的幅度和相位条件。方法一：当f=f0时，AF=－180º，此时如果即，则放大电路稳定，否则产生自激振荡。方法二：当环路增益即时，如果AF＜－180º，则放大电路稳定，否则产生自激振荡。1、稳定判据 二、稳定判据及稳定裕度1、稳定判据f/HZf/HZfc60402000-90°-180°AFf0不稳定 二、稳定判据及稳定裕度1、稳定判据f/HZf/HZf0604020OO-90°-180°AFfc稳定 二、稳定判据及稳定裕度2、稳定裕度①幅度裕度GmGmf/HZf/HZfc604020OO-90°-180°AFf0对于稳定的负反馈放大电路，Gm为负值。Gm值愈负，负反馈放大电路愈稳定。一般要求Gm≤-10dB 二、稳定判据及稳定裕度2、稳定裕度对于稳定的负反馈放大电路，m为正值。m值愈大，负反馈放大电路愈稳定。一般要求m≥45mf/Hzf/Hzfo60402000-90°-180°AFfcGm②相位裕度m 三、负反馈放大电路的稳定性分析以直接耦合放大电路为例，反馈网络为纯阻性。1、定性分析单管：附加相移0O~-90O不满足两级：附加相移0O~-180O不满足三级：附加相移0O~-270O可能（f0→∞）结论：放大电路级数越多，旁路电容、耦合电容越多，引入负反馈后，越容易产生自激振荡。实用电路中，以三级放大电路最为常见。 幅度条件：2、分析负反馈放大电路的稳定性即当时，若，则电路稳定。反馈网络是电阻性的，所以三、负反馈放大电路的稳定性分析