反馈放大电路(采用).ppt

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1、第六章 反馈放大电路,反馈,在电子系统中把输出回路的电量（电压或电流）馈送到输入回路的过程。,反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。所以放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。,输入信号,反馈信号,净输入信号,6.1反馈的基本概念与分类6.2负反馈放大电路的方框图及增益表达式6.3负反馈放大电路性能的改善6.4负反馈放大电路的分析方法6.5负反馈放大电路的稳定性问题,第六章 反馈放大电路,一.从一个例子说起稳定工作点电路,输入量：Vi、VBE、iB,反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流

2、），以一定的方式送回到输入回路的过程。,6.1 反馈的基本概念,输出量：VO、VCE、iC,正向传输信号从输入端到输出端的传输,二.几个基本概念,1.正向传输与反向传输,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,信号的正向传输,反向传输信号从输出端到输入端的传输,反馈传输(通路)（反馈网络）,信号的正向传输,既有正向传输，又有反馈 称为闭环状态。,直流反馈若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。,2.直流反馈与交流反馈,直流反馈,电路中引入直流反馈的目的，一般是为了稳定静态工作点Q。,解：根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行

3、判别。,例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,例：基本放大器，无反馈，净输入量Vbe=Vi，电压放大倍数为：,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。,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,例,级间反馈通路,4.本级反馈与级间反馈,放大：,迭加：,1.方框图：,A称为开环放大倍数,AF称为闭环放大倍数,输出信号,输入信号

4、,反馈信号,差值信号,负反馈放大器,F称为反馈系数,三.负反馈放大电路的方框图,6.2 负反馈放大器的四种类型,负反馈类型有四种组态: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,正反馈,负反馈,净输入信号|Xi|Xi|输出幅度增加。,净输入信号|Xi|Xi输出幅度下降。,在某些振荡电路中，有意引入正反馈构成自激振荡。,正确引入负反馈可以改善放大电路的性能。,+,+,+,-,-,-,正反馈和负反馈的判断,在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，用“+”、“-”表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小

5、，则为负反馈；反之为正反馈。,反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈。,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。,以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言，这样才有可比性。,瞬时极性法,对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相 输入端。,动画9-2,交流反馈和直流反馈,反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。,负反馈类型,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,负反馈类型,负反馈

6、类型,电压串联负反馈,瞬时极性法,当vi一定时：,若 RL,vo,vf,vid,vo,电压串联负反馈,电压负反馈,串联负反馈,输出回路,输入回路,A,F,vi,vid,vf,vo,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同为负反馈。,电压负反馈稳定输出电压,反馈信号与电压成比例，是电压反馈。,反馈电压Vf与输入电压Vid是串联关系，故为串联负反馈。,例1：,试分析该电路存在的反馈，并判断其反馈组态。,经Rf加在发射极E1上的反馈电压Vf与输入电压Vi是串联关系，故为串联负反馈。,+vf-,解：根据瞬时极性法判断,该电路为负反馈。,输出回路,反馈信号与电压成比例，是电压反馈。,输入回路,

7、反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同为负反馈。,电压串联负反馈,例2：,试分析该电路存在的反馈，并判断其反馈组态。,解:根据瞬时极性法,电路是负反馈。,反馈信号vf和输入信号vi加在运放A1的两个输入端，故为串联反馈。,反馈信号与输出电压成比例，故为电压反馈。,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同为负反馈。,交直流串联电压负反馈,电压并联负反馈,vo,反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时，瞬时极性相反为负反馈。,电压负反馈,输出端的取样是电压,并联负反馈,输入端Ii和If以并联的方式进行比较,电流并联负反馈,反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时，瞬时极性相反为负

8、反馈。,当ii一定时：,若 RL,io,if,iid,io,电流负反馈稳定输出电流,电流负反馈,输出端的取样是电流,并联负反馈,输入端Ii和If以并联的方式进行比较,例3：,试分析该电路存在的反馈，并判断其反馈组态。,电流并联负反馈,解：根据瞬时极性法判断,输入信号与反馈信号是并联的形式，所以是并联负反馈。,反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时，瞬时极性相反是负反馈。,反馈信号取自与输出电流，所以是电流负反馈。,例4：,反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时，瞬时极性相反是负反馈。,试分析该电路存在的反馈，并判断其反馈组态。,电流并联负反馈,输入信号与反馈信号是并联的形式，所以是并联负反馈。

9、,反馈信号取自与输出电流，所以是电流负反馈。,解：根据瞬时极性法判断,电流串联负反馈,vi,vid,vf,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同为负反馈。,输出端的取样是电流，所以是电流负反馈。,输入端Vid和Vf以串联的方式进行比较，所以是串联负反馈。,例5：,电流串联负反馈,试分析该电路存在的反馈，并判断其反馈组态。,反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同为负反馈。,解：根据瞬时极性法判断,例6：,试判断电路的反馈组态。,解:根据瞬时极性法,经Rf 加在E1上是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在T1两个输入电极，故为串联反馈。交流电压串联负反馈。,经电阻R1加在基极

10、B1上的是直流电流并联负反馈。,例6：,试判断电路的反馈组态。,解:根据瞬时极性法,经Rf 加在E1上是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在T1两个输入电极，故为串联反馈。交流电压串联负反馈。,经电阻R1加在基极B1上的是直流电流并联负反馈。,小结,电压反馈和电流反馈,将输出电压短路，若反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比 例的反馈称为电压反馈；,电压反馈与电流反馈的判断：,电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比 例的反馈称为电流反馈。,串联反馈和并联反馈,反馈信号与输入信号加在输入回路的同一个电极上，则为并联反馈；反之，加在放大

11、电路输入回路的两个电极，则为串联反馈。,对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，为并联反馈；一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端一个加在反相输入端则为串联反馈。,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,小结,小结,动画9-1,动画ch603,负反馈放大电路的基本方程,负反馈放大电路的基本方程,闭环放大倍数,反馈深度,环路增益,闭环放大倍数的一般表达式,反馈网络的反馈系数,放大电路的闭环放大倍数,式中：,由于,称为环路

12、增益。,放大电路的开环放大倍数,反馈深度,称为反馈深度,相当与引入负反馈。,相当与引入正反馈。,相当于输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”。,环路增益,环路增益 是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益，当 1时称为深度负反馈，相当与 1+1。于是闭环放大倍数,说明,在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参数基本无关。一般反馈网络是无源元件构成的，其稳定性优于有源器件，因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。,在此还要注意的是、和 可以是 电压信号，也可以是电流信号。,1.当它们都是电压信号时，、无量纲，和 是电压放大倍数。,2.当它们都是电流信号时，、无量纲，和 是

13、电流放大倍数。,3.当它们既有电压信号也有电流信号时，、有量纲，和 也有专门的放大倍数 称谓。,解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器，见图中棕色线框。因A1和A2 都是反相输入的，因此可确定输入信号,图09.04 例题09.03电路图,和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以,例09.03：求图09.04电路的电压放大倍数。,反馈系数：,对于图09.02(a)：,对于图09.02(b)：,（2）闭环放大倍数 对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以,反馈系数：,对于图09.02(a)：,对于图09.02(b)：,（2）闭环放大倍数 对

14、于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以,9.3.2 电压并联负反馈,电压并联负反馈的电路如图09.06所示。因反馈信号与输入信号在一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈在输入端采用电流相加减。即,图09.06 电压并联负反馈,具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲,而电压增益为:,称为互阻增益，称为互导反馈系数,相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为,电流串联负反馈,电流串联负反馈电路如图09.07所示。图(a)是基本放大电路将Ce去掉而构成，图(b)是由集成运放(见下页)构成。,对图(a)，反馈电压从Re1上取出，根据瞬时极

15、性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。,图09.07(a)电流串联负反馈,对图09.07(b)的电路求其互导增益,图09.07(b),于是 1/R，这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为:,电流放大倍数：,电流反馈系数是，以图09.08(b)为例,显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为：,例题09.4:回答下列问题。,图09.09 例题09.4电路图,求图 09.09 在静态时运放的共模输入电压;若要实现串联电压反馈,Rf 应接向何处?要实现串联电压负反馈,运放的输入端极性如何确定？求引入电压串联

16、负反馈后的闭环电压放大倍数。,解：静态时运放的共模输入电压，即静态时 T1和T2的集电极 电位。,图09.09 例题09.4电路图,Ic1=Ic2=Ic3/2,解:可以把差动放大电路看成运放A的输入级。输入信号加在T1的基极，要实现串联反馈，反 馈信号必然要加在B2。所以要实现串联电压反,解既然是串联反馈,反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性，,见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。,馈,Rf应接向B2。,图09.09 例题09.4电路图,解:求引入电压串联负反馈后的闭环电压增 益，可

17、把差放和运放合为一个整体看待。,图09.09 例题09.4电路图,为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为,负反馈对放大电路性能的影响,负反馈对放大电路性能的影响,对通频带的影响,对输出电阻的影响,对输入电阻的影响,对增益的影响,对非线性失真的影响,对噪声、干扰和温漂的影响,负反馈是改善放大电路性能的重要技术措施，广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。,负反馈对增益的影响,有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。,引入深度负反馈后，放大电路的增益由反馈网络决定，与基本放大电路无关。,负反馈对非线性失真

18、的影响,负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真，而对反馈环外产生的非线性失真不起作用。,开环传输特性,闭环传输特性,动画9-3,动画9-4,负反馈对噪声的影响,负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用。,负反馈对通频带的影响,加了负反馈之后，放大器的通频带变宽，但放大器的增益减小。即增益与通频带之积为常数。,负反馈对输入电阻的影响,负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。,1.串联负反馈使输入电阻增加,式中Ri=rid。,2.并联负反馈使输入电阻减小,负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈可以使输出电阻减小，这与

19、电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。以串联电压负反馈为例，有,(1)电压负反馈使输出电阻减小,负载开路,(2)电流负反馈使输出电阻增加,电流负反馈可以使输出电阻增加。,式中Ais是负载短路时的开环增益，即将负载短路，把电压源转换为电流源，再将负载开路的增益。,这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳定性就好。,电流并联负反馈为例，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的电压Vo，并令输入信号源为零，即VS=0。可得,四种类型的负反馈放大电路,负反馈类型的判别,输出端：看反馈信

20、号是取自输出电压还是输出电流。如果取自输出电压电压反馈；如果取自输出电流电流反馈。输入端：看整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系，如果是并联关系并联反馈；如果是串联关系串联反馈。采用瞬时极性法:判断反馈信号是增强了基本放大器的输入信号还是削弱了基本放大器的输入信号，判断是正反馈还是负反馈。,负反馈类型的判别,反馈类型的判别,输出端：反馈信号是取自输出电压电压反馈。,电压,反馈类型的判别,输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是串联串联反馈,电压,串联,反馈类型的判别,用瞬时极性法判断是正反馈还是负

21、反馈,电压,串联,负反馈,反馈类型的判别,首先，输出端：反馈信号是取自输出电流电流反馈。,电流,反馈类型的判别,输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是串联串联反馈,电流,串联,反馈类型的判别,电流,串联,用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈,负反馈,反馈类型的判别,输出端：反馈信号是取自输出电流电流反馈。,电流,反馈类型的判别,电流,输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是并联并联反馈,并联,反馈类型的判别,电流,并联,用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈,负反馈,反馈类型的判别,输出端：反馈

22、信号是取自输出电压电压反馈。,电压,反馈类型的判别,电压,输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是并联并联反馈,并联,反馈类型的判别,电压,并联,用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈,正反馈,反馈类型的判别,电压,串联,负反馈,深度负反馈条件下的近似计算,1.增益表达式：,同相比例电路,2.虚短概念的运用,虚短,例：,电压并联负反馈,电流串联正反馈,电流串联负反馈,例：,参考例,例：,有源反馈网络,电压串联负反馈,负反馈放大电路的稳定问题,负反馈对放大电路性能的改善取决于反馈深度,或环路增益,的大小，,值越大，电路的性能越好。,但是如果反馈过深

23、，有时放大电路就不能稳定工作，而产生震荡现象，称电路自激。,负反馈放大电路的自激及稳定工作的条件,相当与放大倍数无穷大，电路无输入，,放大电路也有输出，这时放大电路产生自激。,产生自激的条件,负反馈放大电路要稳定工作就要破坏上述两个条件。,10.1 负反馈放大电路的自激条件10.2 用波特图判断负反馈放大电路的自激,10 负反馈放大电路的自激,负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是负反馈引入不当，会引起放大电路自激。为了使放大电路正常工作，必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法。,10.1 负反馈放大电路的自激条件,AF是放大电路和反馈电路的总附加相移，如果在中频条件下，放大电路

24、有180的相移。在其它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，负反馈变为正反馈。如果幅度条件满足要求，放大电路产生自激。在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所以F=0，AF=A+F=A。,图10.01是一个同相比例放大电路，其输入、反馈、净输入和输出信号的相位关系如图10.02所示。因运放输出与输入相移为0，若附加相移达到180，则可形成正反馈。,图10.02 同相比例运算电路 矢量图,图10.01 同相比例运算电路,10.2 用波特图判断负反馈 放大电路的自激,10.2.1 波特图的绘制10.2.2 放大电路自激的判断10.2.3 环路增益波特图的引入10.2

25、.4 判断自激的条件,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,其波特图如图10.03所示，频率的单位为Hz。,图10.03 以20lg|Av|为Y坐标的波特图（动画10-1）,根据给定的频率特性方程，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（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。,相频特性曲线的Y坐标是附加相移A。当A

26、=180时，即图中的S点对应的频率称为临界频率fc。当f=fc时反馈信号与输入信号同相，负反馈变成了正反馈，只要信号幅度满足要求，即可自激。,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。,进一步加大负反馈量，设反馈系数F2=10-3，闭环波特图与开环的波特图交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。,再进一步加大反

27、馈量，设反馈系数F3=10-2，闭环波特图与开环波特图交P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P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，放大电路产生自激。,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10.04所示。,在图10.04中，当F3=0.01时，MN线为20lg=0 dB。20lg

28、=0 dB这条线与幅频特性的交点称为切割频率f0。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。,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10.04 环路增益波特图,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=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。,判断自激的条件,

29、根据以上讨论，可将环路增益波特图分为三种情况，如图10.05所示。,(a)稳定:fcf0,Gm0dB(c)临界状态:fc=f0,Gm=0dB,图10.05 判断自激的实用方法,fcf0,Gm 0 dB。从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：,(动画10-2),例10.1：有一负反馈放大电路的频率特性表达式 如下,1.试判断放大电路是否可能自激,2.如果自激使用电容补偿消除之。,解：先作出幅频特性曲线和相频特性曲线，如图10.06所示。,图10.06 利用电容补偿消除自激振荡（动画10-3）,加电容补偿，改变极点频率fp1的位置至102 Hz处，从新的相频特性曲线可知，在f 0处有45的相位裕量。因此负反馈放大电路稳定，可消除原来的自激。此时反馈系数F=0.1。,由A=180可确定临界自激线，所以反馈量使闭环增益在60dB以下时均可产生自激。,