第5章_放大电路中的反馈

5 1反馈的基本概念5 2负反馈对放大电路性能的影响5 3负反馈放大电路的分析计算5 4负反馈放大电路的自激振荡 第5章放大电路中的反馈 第5章放大电路中的反馈 5 1反馈的基本概念 5 1 1反馈概念的建立 反馈是为改善放大电路的性能而引入的一项技术措施 反馈的示意图如图5 1 X X id f 放大电路 正向传输 反向传输 X O 反馈网络 图5 1反馈方框图 第5章放大电路中的反馈 返回章 反馈 取 加强输入信号正反馈用于振荡器 取 削弱输入信号负反馈用于放大器 开环 闭环 第5章放大电路中的反馈 反馈是指将放大电路输出量 电压或电流 的一部分或全部 通过一定的方式 返回到放大电路的输入端 对输入端产生作用 引入反馈后 整个系统构成了一个闭环系统 在图5 1中 分别表示放大器的输入 输出和反馈信号 表示与两个信号的比较 是比较后的净输入信号 引入反馈后 放大器的输入端同时受输入信号和反馈信号的作用 引入反馈后 电路中增加了反馈网络 为了区别 把未接反馈网络的放大器叫基本放大器 而把包括反馈网络在内的整个系统称为反馈放大器 第5章放大电路中的反馈 5 1 2反馈的分类与判断1 反馈的分类1 正反馈与负反馈根据反馈极性的不同 可将反馈分为正反馈和负反馈 如果反馈信号使净输入信号增强 则称为正反馈 反之 若反馈信号使净输入信号减小 则称为负反馈 放大电路中一般都采用负反馈 2 直流反馈与交流反馈反馈信号中只有直流成分 即反馈只能反映直流量的变化 则称直流反馈 反馈信号中只有交流成分 即反馈只能反映交流量的变化 则称交流反馈 有时反馈信号中既有直流成分 又有交流成分 这种反馈则称为交直流反馈 第5章放大电路中的反馈 3 电压反馈与电流反馈如果反馈信号取自输出电压 即反馈信号与输出电压成正比 称为电压反馈 如果反馈信号取自输出电流 即反馈信号与输出电流成正比 称为电流反馈 4 串联反馈与并联反馈如果反馈信号在放大电路的输入回路以电压的形式出现 那么从放大电路的净输入端向外看 反馈信号必然与外加输入信号是串联关系 称串联反馈 如果反馈信号在放大电路的输入回路以电流形式出现 那么从放大电路的净输入端向外看 反馈信号必然与外加输入信号是并联关系 称并联反馈 第5章放大电路中的反馈 反馈信号在输入回路的不同叠加方式如图5 3所示 注意 反馈信号在输入回路是以电压形式还是电流形式出现 仅仅由其在放大电路输入端的叠加方式是串联还是并联来决定 而与输出回路的取样方式无关 图5 3反馈信号在输入回路的叠加方式 第5章放大电路中的反馈 2 反馈类型的判断1 正 负反馈的判断正反馈和负反馈的判断法 瞬时极性法在放大电路的输入端 假设输入信号对地为 按信号正向传输方向依次判断各点的瞬时极性 一直达到反馈信号在输出端的点 反馈支路两端信号的极性不变 由此得到反馈信号在输入回路点的极性 第5章放大电路中的反馈 反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时 输入信号和反馈信号的极性相同的为正反馈 极性相反的是负反馈 反馈信号和输入信号加于放大电路输入回路两点时 不同点 极性相同的为负反馈 极性相反的是正反馈 例5 1 图5 4 a 中 假设在输入端瞬时极性为正 则输出电压的瞬时极性为负 而反馈电压由输出端经电阻引回到运放的同相端 则反馈电压的瞬时极性也为负 从净输入端看 引入反馈后使净输入增大 因此该电路为正反馈 反馈信号和输入信号加于放大电路输入回路两点 且瞬时极性相反 故为正反馈 第5章放大电路中的反馈 例5 2 图5 4 b 中 假设在输入端瞬时极性为正 则输出电压的瞬时极性为负 而反馈信号经电阻反馈后引到运放的反相端 从净输入端看 引入反馈后使净输入减小 因此该电路为负反馈 反馈信号和输入信号加于放大电路输入回路一点 且瞬时极性相反 故为负反馈 第5章放大电路中的反馈 2 直流反馈与交流反馈的判断若出现在交流通路中 则为交流反馈 若出现在直流通路中 则为直流反馈 若在交流通路和直流通路中同时出现 则为交直流反馈 图5 5直流反馈与交流反馈 第5章放大电路中的反馈 图5 5 a 中 电阻RF是反馈元件 电容Ce短路交流信号 故两级之间只存在直流反馈 图5 5 b 中 RF与CF串联支路是反馈元件 电容CF具有隔直流通交流的作用 故两级之间只存在交流反馈 一般来讲 反馈支路中电阻与电容串联存在交流反馈 反馈支路与电容并联存在直流反馈 3 电压反馈与电流反馈的判断电压反馈与电流反馈的判断法 方法1 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 方法2 找到反馈信号在输出端的点A 若反馈信号取自输出电压 A点与输出电压点是同一点 则为电压反馈 反之 A点与输出电压点不是同一点 为电流反馈 第5章放大电路中的反馈 例5 3 共射组态的基本放大电路如图5 6所示 电阻Re上的电压 就是反馈电压 A点输出电压点 集电极C 不是同一点 因此是电流反馈 图5 6共射组态的基本放大电路 第5章放大电路中的反馈 4 串联反馈与并联反馈的判断串联反馈与并联反馈的判断法 反馈信号与输入信号加在输入回路的同一点并联反馈 反馈信号与输入信号加在回路的不同的两点串联反馈 如图5 7所示 a 并联反馈 b 串联反馈图5 7并联和串联反馈的判断 第5章放大电路中的反馈 反馈类型判别总结 1 找到反馈支路的两个端点即在输入及输出回路的交点A和B2 使用瞬时极性法 输入对地为正 判断各点极性 反馈支路两个端点A和B的电压极性相同 5 1 3交流负反馈的四种组态交流负反馈有四种组态 即 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 1 电压串联负反馈例5 4 如图5 8所示判断电路的反馈组态 第5章放大电路中的反馈 a 分立元件放大电路 b 集成运放放大电路图5 8电压串联负反馈 2 电压并联负反馈例5 5 如图5 9所示判断电路的反馈组态 根据瞬时极性法 易判断为负反馈 且为电压负反馈 又因反馈信号与输入信号在一点相加 为并联反馈 故为交流电压并联负反馈 图5 9电压并联负反馈 第5章放大电路中的反馈 3 电流串联负反馈例5 6 如图5 10所示判断电路的反馈组态 a b 图5 10电流串联负反馈 第5章放大电路中的反馈 4 电流并联负反馈例5 7 如图5 11所示判断电路的反馈组态 a b 图5 10电流并联负反馈 第5章放大电路中的反馈 例5 8 UCC RC C2 C1 Rf uS uo ib if ii RS 电压并联负反馈 放大 迭加 5 1 4反馈的一般表达式 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 反馈信号 净输入信号 F称为反馈系数 整理上式可得放大电路引入反馈的一般表达式 第5章放大电路中的反馈 放大 迭加 有关符号的名称和含义说明 回路增益 表示在反馈放大电路中 信号沿着放大电路和反馈网络组成的环路传递一周以后所得到的放大倍数 反馈深度 反映了反馈对放大电路影响的程度 可分为下列三种情况 1 当 1时 电压增益下降 相当负反馈 2 当 1时 电压增益上升 相当正反馈 3 当 0时 相当于输入为零时仍有输出 称为 自激状态 第5章放大电路中的反馈 当 1时称为深度负反馈 与 1相当 深度负反馈的闭环放大倍数为 在深度负反馈条件下 闭环放大倍数基本上等于反馈系数的倒数 也就是说 深度负反馈放大电路的放大倍数几乎与基本放大电路的放大倍数无关 而主要决定于反馈网络的反馈系数 注意 Xi Xf和Xo可以是电压信号 也可以是电流信号 它们取不同信号时 可影响A Af F的量纲 第5章放大电路中的反馈 1 当它们都是电压信号时 A Af F无量纲 A和Af是电压放大倍数 2 当它们都是电流信号时 A Af F无量纲 A和Af是电流放大倍数 3 当它们既有电压信号也有电流信号时 A Af F有量纲 A和Af也有专门的放大倍数称谓 具体参见表5 1所示 第5章放大电路中的反馈 5 2负反馈对放大电路性能的影响 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 5 2 1提高放大倍数的稳定性引入负反馈以后 放大电路的闭环放大倍数为 放大电路工作在中频范围 且反馈网络为纯电阻性 则和均为实数 上式可表示为 第5章放大电路中的反馈 返回章 推导可得下式 上式表明 负反馈放大电路闭环放大倍数的相对变化量 等于开环放大倍数相对变化量的 也就是说 虽然负反馈的引入使放大倍数下降了倍 但放大倍数的稳定性提高了倍 第5章放大电路中的反馈 5 2 2减小非线性失真 加反馈前 加反馈后 失真 改善 注意 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 负反馈对非线性失真的改善是有限度的 非线性失真太大 加入负反馈也不会消除 负反馈加入不当还会带来自激 负反馈对放大电路的噪声 干扰和温度漂移也有抑制作用 负反馈改善非线性失真的示波器波形如图5 13所示 第5章放大电路中的反馈 a 输出无失真 b 输出幅度增加产生失真 c 负反馈失真消失 图5 13负反馈对非线性失真的改善 第5章放大电路中的反馈 5 2 3展宽频带由于放大电路中存在电抗性元件及三极管本身的结电容 造成了放大倍数随频率而变化 即中频段放大倍数较大 高频段和低频段放大倍数随频率的升高和降低而减小 导致放大电路的通频带较窄 定义 放大电路能够比较均匀的放大信号的频段为通频带BW 设中频段放大倍数均匀处的增益为A0 当增益下降到A0的70 处对应的频率为截止频率 低频段的截止频率用fL表示 高频段的截止频率用fH表示 通频带如图5 14所示 第5章放大电路中的反馈 引入负反馈使电路的增益下降 通频带宽度增加 5 2 4改变输入电阻和输出电阻负反馈对输入电阻的影响与反馈在输入端的加入方式 串联还是并联反馈 有关 串联负反馈使输入电阻增加 第5章放大电路中的反馈 结论 引入串联负反馈 放大电路的输入电阻将增大 成为无反馈时的倍 并联负反馈使输入电阻减小 第5章放大电路中的反馈 结论 引入并联负反馈 放大电路的输入电阻将减小 为无反馈时的1 电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈可以稳定输出电压 使放大电路接近电压源 输出电压稳定 也就是放大电路带负载能力强 相当输出电阻减小 电压负反馈使输出电压稳定与输出电阻减大是一致的因果关系 理论推导 电压负反馈使输出电阻减少 1 AF 倍 电流负反馈使输出电阻增加电流负反馈可以稳定输出电流 使放大电路接近电流源 放大电路的输出电阻 内阻 增加 电流负反馈使输出电流稳定与输出电阻增大是一致的因果关系 理论推导 电流负反馈使输出电阻增加 1 AF 倍 第5章放大电路中的反馈 负反馈对放大电路的影响 1 使放大倍数减小 2 提高放大倍数的稳定性 3 展宽频带 4 减小非线性失真 5 改变输入电阻和输出电阻 串联负反馈使输入电阻增加 并联负反馈使输入电阻减小 电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增加 5 3负反馈放大电路的分析计算 5 3 1利用闭环放大倍数的表达式估算在深度负反馈条件下 闭环电压放大倍数表示为 方法1 深度负反馈放大电路的闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数 因此 只需求出 即可得到 第5章放大电路中的反馈 返回章 注意 是广义的放大倍数 其含义和量纲与反馈的组态有关 并非专指电压放大倍数 5 3 2利用关系式进行估算 由定义得 满足深度负反馈条件时 第5章放大电路中的反馈 方法2 任何组态的负反馈放大电路 只要满足深度负反馈的条件 都可以利用的特点 直接估算闭环电压放大倍数注意 对于不同组态的负反馈 式中和代表不同的电量 串联负反馈 并联负反馈 5 3 3深度负反馈放大电路计算举例例5 7 如图5 17所示 满足深度负反馈条件 试估算各电路的闭环电压放大倍数 a b 图5 17例5 7电路 第5章放大电路中的反馈 负反馈的引入改善放大电路的性能 但反馈深度过深 可能造成放大电路的自激振荡 5 4 1产生自激振荡的原因1 自激振荡的幅度条件和相位条件负反馈放大电路产生自激振荡的条件 即 幅度条件 相位条件 第5章放大电路中的反馈 5 4负反馈放大电路的自激振荡 返回章 其中 为环路附加相移 为基本放大电路的相移 为反馈网络的相移 当反馈网络为纯电阻时 则 自激振荡的实质 负反馈放大电路产生自激时 在原有负反馈电路有180o相移基础上 环路又产生了 180o的附加相移 使负反馈变成了正反馈 而环路增益又满足 1 2 自激振荡产生的原因 第5章放大电路中的反馈 三级放大电路的附加相移可以达到0 270o 级数愈多附加相移也愈大 当其附加相移达到 180o 同时反馈信号的幅值等于或大于净输入信号的幅值时 即 1 负反馈放大电路就会产生自激振荡 5 4 2自激振荡的判断方法判断负反馈放大电路是否振荡 可综合考察的幅频特性和相频特性 分析是否同时满足自激振荡的幅度条件和相位条件 第5章放大电路中的反馈 例5 8 负反馈放大电路的波特图如图5 19所示 判断负反馈放大电路是否自激振荡 a b 图5 19反馈放大电路的波特图 图 a 中 由相频特性可见 当时 的相位移 而在此频率处 1 说明电路同时满足自激振荡的相位条件和幅度条件 故负反馈放大电路将产生自激振荡 图 b 中 由相频特性可见 当时