模拟电子线路PPT教案课件-第6章 反馈.ppt

1,模拟电子线路,南京邮电大学,2,第六章 反 馈,3,第6章 反馈,6.1 反馈的基本概念及类型,6.1.1 反馈的概念,6.1.2反馈放大器的基本框图,6.1.3反馈放大器的基本方程,4,6.1.4 负反馈放大电路的组态和四种基本类型,一、电压反馈和电流反馈及其判断方法,二、串联反馈和并联反馈及其判断方法,三、四种基本反馈类型,四、反馈类型汇总,五、反馈放大器特征增益和特征反馈系数的定义,5,6.2 负反馈对放大电路性能的影响,6.2.1 稳定放大倍数,6.2.2 展宽通频带,6.2.3 减小非线性失真,6.2.4 减少反馈环内的干扰和噪声,6.2.5 改变输入电阻和输出电阻,一、对输入电阻的影响,二、对输出电阻的影响,6,6.3 深度负反馈放大电路的近似计算,6.3.1深负反馈放大电路近似计算的一般方法,6.3.2 深负反馈放大电路的近似计算,6.4 负反馈放大电路的稳定性,6.4.1 负反馈放大电路的自激振荡,6.4.2 负反馈放大电路稳定性的判断,6.4.3 负反馈放大电路自激振荡的消除方法,7,第6章 反馈,（1）掌握反馈的基本概念和反馈类型的判断方法。 （2）掌握深度负反馈条件下放大电路的近似估算法。 （3）了解负反馈对放大电路性能的影响。 （4）了解负反馈放大电路产生自激振荡的原因、稳定判据和消除自激振荡的方法。,8,6.1 反馈的基本概念及类型,6.1.1 反馈的概念,反馈：将放大器的输出量（电流或电压）通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程。,9,图6.1.1负反馈稳定静态工作点电路,10,取样,比较,净输入信号,反馈信号,输出信号,输入信号,图62反馈放大器基本框图,6.1.2反馈放大器的基本框图,注：对一个实际电路，当基本放大器的反向传输效应（与反馈网络的反向传输效应对比）和反馈网络的正向传输效应（与基本放大器的正向传输效应对比）均可忽略时，才可采用该模型。,11,基本放大器的传输增益(开环增益或开环放大倍数),反馈放大器的传输增益（闭环增益）,反馈网络的传输系数(反馈系数),环路增益(回归比),反馈深度,d = 1+af,6.1.3反馈放大器的基本方程,12,反馈放大器的基本方程,13,结 论,（1）负反馈使放大器的增益下降了（1+af）倍；,（2）反馈深度d = 1+af，表征反馈强弱；,d1或af 1 深反馈条件,（3）深反馈条件下，,14,一、电压反馈和电流反馈及其判断方法,节点型连接形式,图6.1.4 (a) 电压反馈框图,6.1.4 负反馈放大电路的组态和四种基本类型,15,一、电压反馈和电流反馈及其判断方法,节点型连接形式,u,cc,r,c2,u,o,r,e2,r,c1,r,e1,r,f,u,i,r,b1,r,b2,v,2,v,1,图6.1.4 (a)电压反馈框图,a*,f*,电压反馈,16,回路型连接形式,图6.1.4 (b)电流反馈框图,一、电压反馈和电流反馈及其判断方法,电流反馈,17,回路型连接形式,图6.1.4 (b)电流反馈框图,一、电压反馈和电流反馈及其判断方法,a*,f*,18,二、串联反馈和并联反馈及其判断方法,(a)串联反馈,若为负反馈,回路型连接形式,图6.1.7串联反馈和并联反馈框图,19,图6.1.7串联反馈和并联反馈框图,(b)并联反馈,节点型连接形式,若为负反馈,二、串联反馈和并联反馈及其判断方法,20,对于具体的电路，输入组态的判断方法,串联反馈是输入信号与反馈信号加在放大管的不同输入极上（或运算放大电路的不同输入端）；,并联反馈则是两者并接在同一个输入极。,21,图6.1.9 四种典型的负反馈组态电路,(a) 电压串联负反馈,(b) 电流串联负反馈,(c) 电压并联负反馈,(d) 电流并联负反馈,三、四种基本反馈类型,22,表 6.1.1 负反馈放大电路参数的意义,23,反馈组态的判断.avi,瞬时极性法.avi,四、负反馈放大电路举例,本级,级间,直流,交流,正,反,压串,压并,流串,流并,反馈类型汇总,24,(b),（a）,图 6.1.10 电压串联负反馈 （a）晶体管反馈电路（b）集成运放反馈电路,1. 电压串联负反馈,25,电路中re/ rl是反馈网络，判断哪些元件属于反馈网络，原则是能够根据反馈网络求出反馈系数f。根据该电路的反馈网络我们知道反馈系数,在深度负反馈的条件下,图6.1.10（a）是共集放大电路（射极跟随器），现在从反馈的概念来分析该电路。根据交流通路，re/ r是输出回路和输入回路的共有元件，可以通过它将输出信号返送到输入回路，因此存在反馈。,26,图6.1.10(b)电路是由运算放大器组成的负反馈电路，不难看出它与图(a)电路具有相同的反馈类型。只是反馈网络由r1和r2组成，反馈系数为,在深负反馈条件下，图（b）电路的闭环增益为,该电路是运算放大器的一个基本应用电路,称为同相比例放大器。,27,2. 电压并联负反馈,（a） （b） 图 6.1.11 电压并联负反馈电路 （a）晶体管反馈电路（b）集成运放反馈电路,28,图6.1.11（a）电路中可以看出，电阻r2从输出回路(集电极)连接到输入回路(基极)，使输出信号返送到输入回路，实现反馈。,反馈网络由r2组成，但考虑到在输入回路串联的电阻r1是必不可少，否则反馈不起作用，因此反馈网络加上了r1电阻。根据反馈网络得到反馈系数,因此深度负反馈下,图6.1.11（b）的分析与图（a）完全相同。,29,3. 电流串联负反馈,（a） （b） 图 6.1.12 电流串联负反馈电路 （a）晶体管反馈电路（b）集成运放反馈电路,30,图6.1.12（a）电路中，re实现了电路的负反馈。,反馈网络由re组成，反馈系数为,因此深负反馈下,同理得出图（b）电路也是电压串联负反馈。反馈系数为,31,4. 电流并联负反馈,32,图6.1.13电路中，假设输入电压ui对地瞬时极性为正时，则输入电流ii和净输入电流ii的电流方向是流入运放的。由于输入信号接反相输入端，因此输出端uo为负，b点也为负，则反馈电流if是从r1左端流向右端，使净输入电流ii（=iiif）减小，因此是负反馈。反馈组态为并联电流反馈。 反馈网络由rs、r1和r2组成，根据反馈网络得到反馈系数,因此，深负反馈的aif为,33,五、反馈放大器特征增益和特征反馈系数的定义,ui ui uf,ii ii if,uo,io,34,1. 电压串联负反馈,35,2. 电流串联负反馈,36,3. 电压并联负反馈,37,4. 电流并联负反馈,38,作 业,6.1,6.2,39,6.2 负反馈对放大电路性能的影响,6.2.1 稳定放大倍数,a不稳定,af稳定,40,开环放大倍数相对变化量为,闭环放大倍数相对变化量为,若近似以增量代替微分，则：,通常用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性。,41,例1设计一个负反馈放大器，要求闭环放大倍数af=100，当开环放大倍数a变化10%时，af的相对变化量在0.5%以内，试确定开环放大倍数a及反馈系数f值。,所以,因为,解：,因为,所以,由于,所以,42,6.2.2 展宽通频带,有源低通滤波器,令,则,同理,43,无反馈放大器的频率响应,增益,a,i,a,i,-3 db,f,l,f,h,无反馈放大器的带宽,f,(频率),负反馈改善放大器频率响应的示意图,44,输入动态范围展宽,6.2.3 减小非线性失真,45,非线性失真系数,非线性失真减小，输入动态范围展宽只在 非线性失真不是十分严重的情况下才是正确的。 （此时，输入信号和反馈回来的谐波信号不发生相互作用，即不产生新的频率分量。）,负反馈对非线性失真的影响.avi,负反馈对非线性失真的影响(示波器图).avi,46,6.2.4 减少反馈环内的干扰和噪声,利用负反馈抑制放大器内部噪声及干扰的机理与减小非线性失真是一样的。负反馈输出噪声下降(1+af)倍。如果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大，输出信号分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高(1+af)倍。,47,图 6.2.2 负反馈抑制干扰和噪声,（a）无反馈，信号与噪声的输出波形,（b）有反馈，信号与噪声的输出波形,（c）提高输入信号幅度后的输出波形,48,(1)负反馈使放大器的放大倍数下降，但增益稳定度提高，频带展宽，非线性失真减小，内部噪声干扰得到抑制，且所有性能改善的程度均与反馈深度( 1+af )有关。,(2)被改善的对象就是被取样的对象。例如，反馈取样的是输出电流，则有关输出电流的性能得到改善；反之，取样对象是输出电压，则有关输出电压的性能得到改善。,负反馈的特点,(3)负反馈只能改善包含在负反馈环节以内因素引起的放大器性能下降，对反馈环以外的，与输入信号一起进来的失真、干扰、噪声及其它不稳定因素是无能为力的。,49,6 .2.5 改变输入电阻和输出电阻,负反馈对于输入、输出阻抗的影响仅限于负反馈环内。 正反馈 对于输入、输出阻抗的影响与负反馈相反。,50,串联负反馈使输入电阻变大,一、对输入电阻的影响,51,并联负反馈使输入电阻变小,52,电压负反馈放大器输出电阻的计算,二、对输出电阻的影响,53,电压负反馈使输出电阻变小,54,电流负反馈放大器输出电阻的计算,55,电流负反馈使输出电阻变大,56,二、引入负反馈的一般原则,引入负反馈可以改善放大电路多方面的性能，而且反馈组态不同，所产生的影响也各不相同。因此，在设计放大电路时，应根据需要和目的，引入合适的反馈，一般原则可以总结如下：,1.根据信号源的性质决定引入串联、并联负反馈。 信号源为电压源时，为了使电路获得较大的输入电压，应引入串联负反馈，这样可以增大放大电路的输入电阻，从信号获得更多的电压。 当信号源为电流源时，为减小放大电路的输入电阻，使电路获得更大的输入电流，应引入并联负反馈。,57,2. 根据反馈对放大电路输出量的要求，即负载对其信号源的要求，决定引入电压负反馈或电流负反馈。 当负载需要稳定的电压信号时，应引入电压负反馈； 当负载需要稳定的电流信号时，应引入电流负反馈。,3. 根据表6.1.1所示的四种组态反馈电路的功能，在需要进行信号变换时，选择合适的组态。例如，若将电流信号转换成电压信号，应在放大电路中引入电压并联负反馈；若将电压信号转换成电流信号，应在放大电路中引入电流串联负载等等。,58,作 业,6.9,6.11,59,1.深度负反馈条件下，近似计算法的原理,串联反馈,并联反馈,6.3 深度负反馈放大电路的近似计算,6.3.1深度负反馈条件下，近似计算法的原理与步骤,即反馈信号近似等于输入信号。,60,求xf的方法：,注：反馈网络的输出x1由两部分构成 反馈网络的反向传输效应产生的分量xf 反馈网络在放大器输入端的负载效应产生的分量x1- xf,串联断路；并联短路；,2.深度负反馈条件下，近似计算法的步骤,（1）判断反馈类型；,（2）求xi、 xf的表达式 ；,（3）依据xi xf求auf的表达式 ；,61,一. 电压串联负反馈电路,6.3.2 深负反馈放大电路的近似计算,两级共射-共射放大电路，电阻r4将第二级的输出信号反馈到第一级的发射极，这种反馈属于级间反馈。,62,一. 电压串联负反馈电路,6.3.2 深负反馈放大电路的近似计算,深度负反馈条件下,63,图6.3.1 电压串联负反馈电路,64,等效到第一级射极的反馈电压 (a)输入回路等效 ；(b)戴维南等效电路,本级反馈,负载效应,65,二. 电压并联负反馈电路,图6.3.2 电压并联负反馈电路,66,深度负反馈条件下,67,三. 电流串联负反馈电路,68,图6.3.3串联电流负反馈电路,69,四. 电流并联负反馈电路,70,图6.3.4 电流并联负反馈电路,71,作 业,6.13,6.15,72,6.4 负反馈放大电路的稳定性,6.4.1 负反馈放大电路的自激振荡,若f为常数，则,73,-产生自激振荡,74,-振荡的振幅条件,-振荡的相位条件,0,.,.,.,.,t,t,.,.,t,.,75,幅度裕度gm,相位裕度m,180,a,b,图6.4.2 负反馈电路环路增益的频率特性,增益交界频率 f0 20lg |af| = 0db,相位交界频率 f,自激,稳定,判断方法,6.4.2 负反馈放大电路稳定性的判断,1.利用环路增益判断负反馈放大电路的稳定性,76,-45,-135,-225,稳定,不稳定,（闭环）,(不稳定),2.利用开环增益的渐近波特图判断负反馈放大电路的稳定性,若闭环增益线交于 开环增益线,稳定,若闭环增益线交于 及以下开环增益线,自激,77,6.4.3 负反馈放大电路自激振荡的消除方法,通过对负反馈放大电路稳定性的分析可知，,越大，即负反馈越深，电路越容易产生自激振荡。为提高放大器在深度负反馈条件下的工作稳定性，必须采取措施破坏电路的自激振荡条件。一般采用的方法是相位补偿法，即在放大电路中接入电容元件或电阻、电容元件，以改变基本放大电路的开环频率特性或反馈网络的频率特性。,1.滞后补偿,由于这种补偿使放大电路的相位滞后，故称为滞后补偿。根据工作原理的不同，通常又分为电容补偿、零极点相消rc滞后补偿和密勒效应补偿三种。,78,（1）电容补偿,电容补偿是将一个电容并接在放大电路中时间常数最大的节点上，使它的时间常数更大，使开环增益幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低，通常使增益随频率始终按照-20db/10倍频的斜率下降，到达第二拐点频率时刚好降至0db。,79,设某放大电路第二级电路输入端等效电容所在回路的时间常数最大，所以在第二级输入端加补偿电容c，如图6.4.6所示。图6.4.6中，ro1为第一级的输出电阻，ri2和ci2为第二级的输入电阻和输入电容。,根据截止频率的分析方法， 未加c之前，该节点所对应的频率为,加c补偿之后，频率变为,80,（2）零极点相消rc滞后补偿,图 6.4.7 rc滞后补偿 (a) rc滞后补偿电路 (b)高频等效电路 (c) 简化的高频等效电路,81,电容补偿的方法虽然可以消除自激振荡，但是需要以频带变窄为代价。而rc滞后补偿则不一样，它可以在开环放大倍数 的表达式的分子中引入一个零点，该零点与分母中的一个极点相抵消，从而使补偿后的放大器的频带损失减小。,82,图6.4.7(a)放大电路的第一级的时间常数最大，在其输出端并接rc串联补偿网络。图(a)的高频等效电路如图(b)所示，其中，ro1为第一级的输出电阻，ri2和ci2为第二级的输入电阻和输入电容。通常应选择r ci2，则可忽略ci2，因而简化电路如图(c)所示，其中,因此,83,若补偿前放大电路的开环增益表达式为,若选择合适的r、c值，使,即零点和极点相消，则补偿后放大电路的开环增益表达式为,84,（3）密勒效应补偿,图 6.4.9 密勒效应补偿 (a) 加补偿电容 (b)等效变换,在电子制造中，大容量的电容不易集成，而在电容补偿和rc滞后补偿中都需要使用容量较大的电容。为了解决电容的集成问题，密勒效应补偿应运而生。,85,根据密勒定理，若将电容c跨接在某放大电路的输入端和输出端，如图6.4.9(a)所示，则折合到输入端的等效电容,是c的|auk|倍（准确的说应该是1+|auk|倍，其中auk是该级放大电路的电压增益），见图(b)。设|auk|=1000，c=30pf，则,电容c应跨接在 rc时间常数最大的那级放大电路的输入端与输出端之间。,需要指出的是，密勒效应补偿从本质上来说，补偿效果和电容补偿效果相同，只是缩小了外接电容的电容量。如果在密勒效应补偿回路中再串接一个小电阻，则可以使高频特性有所改善。,86,2.超前补偿,滞后补偿方法通过降低开环增益,的第一个极点频率f1，即以降低上限频率fh为代价来获得所需的相位裕度。若在获得所需的相位裕度的同时，还要不降低f1，可以采用超前补偿的方法。这种补偿技术的出发点是在,或 中引入一个具有超前相移的零点，抵消,中原来的滞后相移，使环路增益,的相位比补偿前超前一个角度。由于这种补偿使放大电路的相位超前，故称为超前补偿。,87,图 6.4.10 超前相位补偿电路 (a) 加补偿电容 (b)等效电路,88,图6.4.10(a)所示为集成运放中超前相位补偿的原理图，电阻r1上并联的电容c为