负反馈放大电路的多方法分析与对比.doc

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1、毕 业 论 文 论文题目：负反馈放大电路的多方法分析与对比 论文作者： 指导教师： 专业班级：学 号：提交论文日期： 年 月 日 论文答辩日期： 年 月 日 中 国 XX 2009年10月 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1引言11.2国内外研究现状11.3本课题研究的主要内容及意义12 负反馈的基础知识 12.1负反馈的基本概念12.1.1定义12.1.2基本框图12.1.3基本方程式12.2反馈的分类22.3负反馈对放大电路的性能影响32.3.1降低了放大倍数32.3.2提高放大倍数的稳定度32.3.3扩展了通频带42.3.4使非线性失真减小52.3.5改变了输入电阻和输出

2、电阻53 负反馈放大电路的分析方法63.1微变等效分析法63.2方框图分析法63.3估算分析法63.4仿真分析法73.5实验分析法74实例进行分析与对比75结语116参考文献127致 谢13负反馈放大电路的多方法分析与对比 摘要：负反馈是一种以电路来改善电路的重要方法之一，它能非常有效地改善放大器的性能，负反馈理论和负反馈技术在电子电路中得到了极其广泛的应用。所以对负反馈放大电路研究方法的探讨就显得特别重要且具有一定的实际意义。本论文主要研究负反馈放大电路的常见的几种分析方法，对微变等效分析法、方框图分析法、估算分析法、仿真分析法及实验分析法五种不同的分析方法进行了比较研究，就一个具体的放大电

3、路，用五种分析方法进行了分析与计算，并对结果进行了对比分析。关键词： 负反馈放大器； 等效电路； 仿真分析； 方法对比Negative feedback amplification electric circuit multi-method analysis and contrasThe electronic information science and technical 2007 level of Li YuweiAbstract：The negative feedback is one important kind of methods to improve electric circ

4、uit by the electric circuit. it could improve the amplifiers function extremely and effectively. The negative feedback Theory and negative feedback technology is widespread applied in the electronic circuit. So it shows more reality meanings that methods of searching in negative feedback amplificati

5、on electric circuit. The essay mainly illustrates analytic methods of negative feedback amplification electric circuit, which include micro changed the equivalent analytic method, the block diagram analytic method, the estimate analytic method, the simulation analytic method and the experimental ana

6、lytic method. Then this essay compares and analyzes the five methods which have been used a concrete enlargement electric circuit. Key word: the negative feedback amplifier; equivalent circuit; simulation analysis; methods contrast.1 绪论1.1 引言反馈理论及反馈技术在自动控制、信号处理、电子电路及电子设备中有着十分重要的作用。放大电路引入负反馈可以非常有效地改善

7、其放大性能，是一种用电路来改善电路的重要方法之一。引入负反馈后，可以提高放大电路的稳定性，改善非线性失真和频带，改变输入、输出电阻等，因此，几乎所有实用的放大电路都含有负反馈。正因为如此，对负反馈放大电路的研究方法就是一个非常重要的课题。目前，分析负反馈放大电路的方法比较多，难度各不相同，各有优缺点，适用的范围也各有差异，本文就是对常用的几种反馈放大电路的分析方法进行研究。1.2 国内外研究现状1934年，第一篇关于负反馈技术能改善放大器性能的论文发表，随着负反馈技术的广泛应用，国内外对其分析方法的研究也逐渐趋于多样性。对负反馈放大电路进行理论分析的主要方法有：方框图分析法、深度负反馈条件下的

8、估算法、微变等效法等。随着计算机技术的不断发展，各种对电子电路进行仿真分析的软件也层出不穷，利用这些仿真软件分析电子电路有许多优越性，另外，还有不少专家致力于负反馈放大电路的实验研究。总之，对于负反馈放大电路的研究，国内外都将有进一步的探讨，针对负反馈放大电路组态的多样性，力求找到更为简便的方法去分析负反馈放大电路。1.3 本课题研究的主要内容及意义本论文主要是围绕负反馈放大电路做了一些研究工作，对多种分析负反馈放大电路的方法进行了对比研究，结合一个实际的负反馈放大电路，用五种不同的方法进行了分析，并对结果进行了对比。在文献调研过程中，我发现很多文献对负反馈电路的分析方法的介绍都不够完整，一般

9、都介绍一、两种不同的方法，不够深入细致，从而看不出不同分析方法的适用范围及优缺点，而且都显得比较粗糙，很难理解。本论文运用估算分析、微变等效分析、方框图分析、仿真分析、实验分析，理论分析和实验分析相结合，对负反馈放大电路的若干分析方法进行了比较研究，使各种分析方法更加具体，清晰。2 负反馈的基础知识2.1 负反馈的基本概念2.1.1 定义所谓反馈，就是将放大器的输出量(电流或电压)的部分或全部，通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并和输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的性能得到有效改善。2.1.2 基本框图由图1知：反馈放大器包含两部分，即基本放大电路和反馈网络。基本放大器

10、的传输方向为输入到输出，反馈网络的传输方向为输出到输入（图中的箭头方向为信号的传输方向）。当输入信号与反馈信号叠加后的信号才是真正加到基本放大器输入端的“净输入信号”。我们将输入信号与反馈信号反相相加（即相减），使净输入信号小于输入信号的情况定义为“负反馈”。AF+ _+图1 负反馈放大电路基本框图2.1.3 基本方程式基本放大电路的放大倍数称为开环放大倍数，记作；反馈放大器的放大倍数，称为闭环放大倍数；反馈网络进行信号返送，其传输系数称为反馈系数，记作，所以可定义为开环放大倍数 （2-1）闭环放大倍数 （2-2）反馈系数 （2-3）环路增益（回归比） （2-4）注：、等信号可以取电压量或电流

11、量，所以传输系数、不一定是电压比或电流比，也可能是互导或互阻。由图1可知， （2-5）所以可得 （2-6）即：闭环增益与开环增益以及反馈系数之间的关系为 （2-7）2.2 反馈的分类反馈的种类可以从不同的角度来区分。按反馈信号的成分来看，有直流反馈和交流反馈。如果从输出回路反送到输入回路的电量是直流量，则称为直流反馈；如果从输出回路反送到输入回路的电量是交流量，则称为交流反馈。按反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同，分为电压反馈和电流反馈两种类型。如果反馈信号直接取自于输出电压，且与输出电压成正比，如：输出电压为0时，反馈信号立即为0。就将这种反馈称之为电压反馈；如果反馈支路不引自于输出端

12、，反馈网络串联在输出回路中，反馈信号与输出电流成正比，则称之为电流反馈。按反馈网络和基本放大器输入端的连接方式不同，可分为串联反馈和并联反馈。如果反馈网络串联在基本放大器的输入回路中，输入信号与反馈支路不接在同一节点上，称为串联反馈；如果反馈网络并联在基本放大器的输入端，输入信号支路与反馈信号支路接到基本放大电路的同一节点上，则称之为并联反馈。所以，对负反馈而言，根据反馈网络与基本放大器输出、输入端连接方式不同，反馈电路一般可归纳为四种组态，即：串联电压负反馈、串联电流负反馈、并联电压负反馈、并联电流负反馈9。如图2所示。+ +_+_+_(a) 电压串联负反馈 (b) 电流串联负反馈+_(c)

13、 电压并联负反馈 (d) 电流并联负反馈图2 四种负反馈组态的框图2.3 负反馈对放大电路的性能影响2.3.1 降低了放大倍数由式（2-9）：，负反馈时，。已知为反馈深度，所以归纳后可得结论如表1所示。表1 负反馈对放大倍数的影响 效果 负反馈深度负反馈 无反馈正反馈 自激振荡明显地，从表1可以知道，负反馈降低了放大倍数。2.3.2 提高放大倍数的稳定度负反馈稳定放大器增益的原理是因为负反馈有自动调节作用。工作环境变化（如温度、湿度）、器件更换或老化、电源电压不稳等诸因素会导致基本放大器放大倍数的不稳定。引入负反馈后，反馈网络将输出信号的变化信息返回到基本放大器的输入回路，从而使净输入信号也随

14、着输出信号而变化。不过负反馈使二者变化的趋势相反，其结果便输出信息自动保持稳定，即有当输入信号不变时，若取样负反馈图3 提高放大倍数示意图由图3可见：保持稳定，闭环增益也将保持稳定。通常地，我们用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性。引入负反馈使放大倍数的相对变化减小为原相对变化的。说明反馈越深，稳定性越好。当深反馈时，则 （2-8）可见，即使开环放大倍数不稳定，但只要是稳定的，那么也将稳定。2.3.3 扩展了通频带在阻容耦合放大器中，信号频率在低频区和高频区时，其放大倍数均要下降，由于负反馈放大电路具有稳定放大倍数作用，因此，放大倍数在高、低频区的下降速度减慢，这样相当于展宽了通频带。不

15、带负反馈时，通频带为，由于，可近似为；带负反馈后，通频带为。可作简单分析。由放大电路的频率特性可知，高频时的放大倍数与中频放大倍数的关系为 （2-9）根据式（2-9），带反馈后的高频放大倍数与中频放大倍数的关系为 （2-10）其中是带负反馈后的中频放大倍数，如果令则有 （2-11）故 （2-12）由式（2-12）可知：负反馈使放大电路的频带展宽了约倍12。2.3.4 使非线性失真减小引入负反馈后，可以减小放大电路的非线性失真，具体过程我们可以由图4作简要说明。在图4中，若输入信号为单一频率的正弦波，由于放大器内部器件（如晶体管）的非线性，使输出信号产生了非线性失真，就是说，输出信号中产生了输入

16、信号中所没有的谐波分量。如图4（a）所示，输出信号为“上大下小”的非正弦波；但引入负反馈后，反馈信号正比于输出信号，也应该是“上大下小”，和相减后，使净输入信号变成了“上小下大”，这种失真（预失真）与原器件的非线性特性的作用正好相反，所以结果就会使输出信号的非线性失真减小。如图4（b）所示。2.3.5 改变了输入电阻和输出电阻由表2归纳可看出负反馈对于输入、输出电阻的影响。A+-00+-（a）00FA（b）+图4 负反馈放大电路非线性失真的改善输入电阻是从放大电路输入端看出去的等效电阻，取决于电路输入端的连接方式，也就是说它取决于放大电路引入的是串联负反馈还是并联负反馈。输出电阻是从放大电路输

17、出端看进去的等效电阻，取决于电路的输出连接方式，即取决于放大电路引入的是电压反馈还是电流反馈。表23 负反馈对电阻的影响类型串联负反馈并联负反馈电压负反馈电流负反馈影响效果 提高输入电阻降低输入电阻降低输出电阻，使输出电压稳定提高输出电阻，使输出电流稳定备注为时的开环放大倍数为时的开环放大倍数3 负反馈放大电路的分析方法3.1 微变等效分析法在放大电路的输入信号很小时，其工作点将在特性曲线上一个很小的区域内运动，这时可以设想在这个小范围内把三极管的特性曲线近似地看成直线，从而把三极管这个非线性元件用一个线性模型来替代。运用微变等效电路法分析负反馈放大电路时：首先要分析反馈放大电路的静态特性，求

18、出其静态工作点；其次要画出其相应的交流通路，再将三极管用其微变等效模型代替，得到相应的微变等效电路；最后以微变等效电路为基础，运用电路原理，分析、求解放大电路的动态性能指标。3.2 方框图分析法该方法在分析计算负反馈放大电路时比较常见，主要是将负反馈放大器划分为基本放大电路和反馈网络两部分，在分析电路时：首先画出基本放大电路，由此计算出其开环动态性能指标；其次要找出反馈网络并求得反馈系数；最后利用闭环量和开环量之间的关系式，求出放大电路闭环性能指标。画出基本放大器的电路时，既要除去反馈，又要考虑反馈网络对基本放大器的负载作用。基本放大电路的输入回路：如果是电压反馈，则将输出端短路，此时电压反馈

19、被排除；如果是电流反馈，则令输出端开路，此时电流反馈被排除。基本放大电路的输出回路：如果是并联反馈，需将输入端短路，此时便没有反馈电流加到输入端；如果是串联反馈，令将输入端开路，便没有反馈电压加到输入端。只有这样，才能使反馈网络呈现在输入回路中，其负载效应即被考虑进去。画反馈网络，求反馈系数。由于反馈是取自基本放大器的输出量，故可以将基本放大器作为反馈网络的信号源。如果是电压反馈，将基本放大器用恒压源代替；如果是电流反馈，将基本放大器用恒流源代替，这样便可以画出反馈网络的框图，根据具体的反馈类型求出反馈系数。但在实际分析的过程中，不一定画出反馈网络的框图，常根据反馈放大电路直接求出反馈系数。3

20、.3 估算分析法在负反馈放大电路的一般表达式中，若1，则：。其中为反馈深度，根据和的定义 （3-1） （3-2） （3-3）由式（3-1）、（3-2）和（3-3）可知。可见，深度负反馈的实质是在近似分析中忽略净输入量。但不同组态，可忽略的净输入量不同。当电路引入深度串联负反馈时，认为净输入电压可忽略不计；当电路引入深度并联负反馈时，认为净输入电流可忽略不计。电压串联负反馈电路的放大倍数就是电压放大倍数 （3-4）电流串联负反馈电路的放大倍数 （3-5）3.4 仿真分析法PSPICE软件主要用于对分立器件电路及集成电路硬件实现之前进行仿真研究，分析不同输入状态下电路的时域响应、频域响应、频谱等性

21、能，并可以设置各种模拟测试条件，对电路进行全面分析，本论文主要采用了此软件对所选放大电路进行仿真调试出波形和曲线，并观察结果。3.5 实验分析法实验分析主要是采用一些常用仪器，如：示波器、信号源、多用表、毫伏表，直流稳压电源等器件对放大电路进行实际操作，从示波器中观察出放大电路的放大倍数。此方法比其它方法显得更实际和直观。4 实例进行分析与对比如图5所示，已知有参数,，。要求：用微变等效法、方框图法、估算法、仿真法、实验五种分析方法计算此负反馈放大电路的闭环放大倍数及输入、输出电阻。图7中箭头表示电流的传输方向，由图中的标示可知 （4-1） （4-2）整体分析：由图5可知，此电路显示的是一个电

22、压串联负反馈，其中和组成反馈网络。4.1 微变等效分析法首先，我们可以根据图5画出原放大电路的交流通路，如图6所示，然后可由图6画出交流通路的微变等效电路，如图7所示。 （4-3）图5 电压串联负反馈图6 放大电路的交流通路式（4-3）等价于 （4-4） （4-5）由式（4-4）、式（4-5）联立解得 （4-6）由式（4-2）、式（4-6）联立化简后可得关系式 （4-7）把式（4-7）代入式（4-6）中可得关系式 （4-8）再将式（4-8）代入（4-5）中得关系式 （4-9）从式（4-7）、（4-8）和式（4-9）我们可以看出、和都与、存在一定的关系，而图7电路所示中，可知为上的分流，且电流方

23、向相反，有 （4-10）所以由式（4-7）、（4-8）、（4-9）、（4-10）联立可得 （4-11） （4-12） （4-13）图7 放大电路的等效电路4.2 方框图分析法首先需计算出开环性能指标，和，所以我们先可以在考虑到反馈网络对放大器输入、输出回路影响的前提下将原电路拆环。即：将（输出短路），将等效到输入回路；将即（输入端开路），将和等效到输出回路，就可得到拆环后的开环放大器的交流通路，如图8所示。图8 基本放大电路的交流通路由图8可知/=（10+0.51）/3.9/3=1.46 （4-14）=186 （4-15）=2.9+101 （4-16）电压反馈系数 （4-17）再利用串联电压负

24、反馈公式可得 （4-18） （4-19） （4-20）由于基极偏置电阻在反馈环外，所以不受串联负反馈的影响，而是从左侧看进去的反馈输入电阻。因此，放大器的输入电阻为 （4-21）4.3 估算分析法在深度负反馈下：1+AF1所以：= （4-22）在理想情况下，可近似地将输入、输出电阻按如下定义深度串联负反馈：深度并联负反馈：深度电压负反馈：深度电流负反馈：小结：由式（4-20）可知，运用估算法计算出的放大倍数与微变等效法和方框图法算出的结果有一定的误差，经过许多实验证明，电路的级数越多，所算出的结果误差越小，当电路只一级时，很少采用估算法这种方法去分析电路。4.4 仿真分析1、画好电路图；2、设

25、置参数和分析功能；3、进行仿真，在Probe中观察出波形及曲线。在仿真过程中，参数的设置直接影响到仿真效果，特别是信号源的属性较多，其中正弦信号源的幅值、频率、和失调电压（正弦信号的直流基准电压）必须设为确定值，在进行交流分析时还需设定交流幅值，否则在仿真波形时会产生失真。在这里，我们主要设置了瞬态分析和交流分析。 5 结语本论文对一个具体的电压串联负反馈放大电路，给出了五种不同的分析方法，在分析过程中，方框图法、估算法这两种理论上的分析要显得较常见，经过计算分析对比，可得出以下结论。在实用范围上主要表现为下面几个方面：A. 微变等效电路分析法原则上可用于分析任何负反馈放大电路，但对于较复杂电

26、路要解联立方程组，运算量较大，比较麻烦，而且可能会造成一种运算误差，实际上较适用于分析简单的负反馈放大电路；B. 方框图分析法最为常见也具有自己特有的优势，此种分析方法可用于不满足深度负反馈条件的复杂负反馈放大电路；C. 估算分析法虽然简单，但适用的范围比较狭窄，它只适用于深度负反馈条件下的多级放大电路，一般一级放大电路不适合于用此方法分析，级数越小就越会引起误差；D. 仿真和实验，能直观地看出负反馈对于放大电路的影响，在教学中可以常用这两种方法给学生们更为直观的讲解。五种方法之间也存在一定的联系，主要表现在以下几个方面：A. 微变等效方法和方框图法的关键在于要准确地画出电路的微变等效电路和交

27、流通路，否则会引起结果错误；B. 估算分析法的计算过程只与反馈网络有关，所以在分析的时候重点可放在反馈网络这一部分；C. 实验和仿真两种方法都需借用一定的软件和实验仪器才能完成，在实际操作过程中都需要注意对元件的选择和对其参数的设定，否则也不能得到正确的结果。在论文研究与写作过程中，遇到很多麻烦，特别是在经过理论计算以后，在实验中却很难得到正确的结果，在此之中还有很多不完善之处，有待改进和修正。E.图9 仿真放大电路参考文献1 何耀明.负反馈放大电路的反馈深度最佳值J.青岛大学学报.19972 郑景华.负反馈放大电路反馈系数的讨论J.天中学刊.19973 祖大鹏，吕菁华.负反馈放大电路分析新法

28、J.高师理科学刊.20044 卢芳革.负反馈分析方法的讨论J.沿海企业与科技报.20045 郭宗光.负反馈放大电路的分析计算J.大庆高等专科学校学报.20046 张少明.负反馈放大电路的仿真分析J.广东交通职业技术学院学报.20057 张小进.EWB软件仿真在模拟电路教学中的应用J.北京工商大学学报.20028 傅丰林.模拟电子线路基础M.天津:科学技术出版社，20039 王卫东.模拟电子电路基础M.西安:西安电子科技大学出版社，200310 李如春，金燕，龙胜春.模拟电路解题50法及题解300例M.北京:科学出版社，200411 漆德宁.模拟电子技术M.北京:中国科学技术大学出版社，2001

29、12 张企民.模拟电子技术M.西安:西北工业大学出版社，200213 徐晓光.负反馈放大电路的教学方法新探J.郑州工业高专学报.200114 Robert Northrop. An Equivalent Algorithm for Calculating Negative Feedback Amplifying CircuitJ.Au致 谢本文的研究工作是在我的指导老师的精心指导下完成的，感谢XXX老师在百忙之中抽出时间给予我耐心的指导，在其细心指导下，我对模拟电子电路有了更深刻的理解，提高了自己的动手能力，而XXX在教学上的严谨细致、一丝不苟的作风更是我学习中的榜样。在此我要向XX致以最衷心的感谢和深深的敬意。另外，我还要感谢所有的老师，为我在电子电路方面的专业知识打下了良好的基础，同时，我也要向所有关心我的家人、朋友和同学表示由衷的谢意！感谢你们在我论文完成过程中给过的帮助和鼓励。XXXX