模电运算放大电路

1、1 Fundamental of Electronic Technology CTGU 2 7.1 反馈的基本概念与分类反馈的基本概念与分类 7.2 负反馈放大电路的四种组态负反馈放大电路的四种组态 7.4 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 7.5 深度负反馈条件下的近似计算深度负反馈条件下的近似计算 7.8 负反馈放大电路的稳定性负反馈放大电路的稳定性 7.3 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 7.6 负反馈放大电路设计负反馈放大电路设计 7.7 负反馈放大电路的频率响应负反馈放大电路的频率响应 3 q 掌握负反馈放大器的类型及组态分析；掌握负

2、反馈放大器的类型及组态分析； q 掌握负反馈对放大器性能的影响；掌握负反馈对放大器性能的影响； q 掌握深度负反馈放大器的近似估算法；掌握深度负反馈放大器的近似估算法； 4 7.1 反馈的基本概念与分类反馈的基本概念与分类 反馈反馈 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 类型类型 四种组态的判断方法四种组态的判断方法 7.1.1 基本概念基本概念 7.1.2 四种类型的反馈组态四种类型的反馈组态 各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点 信号源对反馈效果的影响信号源对反馈效果的影响 5 7.1.1 基本概念基本概念 1. 反馈反馈 将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送将电子系统输出回路的电量（电

3、压或电流），送 回到输入回路的过程。回到输入回路的过程。 hfeib ic vce Ib vbehrevce hie hoe 内部反馈内部反馈 外部反馈外部反馈 6 7.1.1 基本概念基本概念 1. 反馈反馈 vI vO + - - RL vI vO + - - RL R2 R1 反馈通路反馈通路信号反向传输的渠道信号反向传输的渠道 开环开环 无反馈通路无反馈通路 闭环闭环 有反馈通路有反馈通路 反馈通路反馈通路 （反馈网络）（反馈网络） 信号的正向传输信号的正向传输 7 2. 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 （1）交流反馈与直流反馈）交流反馈与直流反馈 根据反馈到输入端的信号是交流，还是

4、直流，或同时根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时 存在，来进行判别。存在，来进行判别。 取决于反馈通路。取决于反馈通路。 例例 vI vO - - + C2 C1 R1 R2 (+)(+) (+) (+) 交、直流负反馈交、直流负反馈 (+) 交流正反馈交流正反馈 8 2. 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 （2）正反馈与负反馈）正反馈与负反馈 正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。 负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。 另一角度另一角度 正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了

5、。正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。 负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。 判别方法：判别方法：瞬时极性法瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用（正斜率或负斜率，用“+”、“- -”号表示）。号表示）。 9 例例 vI vO - - + RL R2 R1 (+)(+) (-) (-) (-) 净输入量净输入量 vI vO - - + RL R2 R1 (+)(+) (-) (-) 净输入量净输入量 负反馈

6、负反馈 正反馈正反馈 vO - - + R4 R5 R3 - - + vI R1 R2 反馈通路反馈通路 反馈通路反馈通路 级间反馈通路级间反馈通路 (+)(+) (+) (+) (-) (-) 净输入量净输入量 级间负反馈级间负反馈 反馈通路反馈通路本级反馈通路本级反馈通路 10 输入端：反馈信号在输入端的联接分为输入端：反馈信号在输入端的联接分为串联串联和和并联并联两种方式。两种方式。 判断方法判断方法 i X 并联：反馈量并联：反馈量和和 f X 输入量输入量 接于同一输入端。接于同一输入端。 接于不同的输入端。接于不同的输入端。 i X 串联：反馈量串联：反馈量和和 f X 输入量输入

7、量 f X i X f X i X f X i X f X i X 2. 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 （3）串联反馈与并联反馈）串联反馈与并联反馈 11 输出端：反馈信号在输出端分为取输出端：反馈信号在输出端分为取电压电压和取和取电流电流两种方式。两种方式。 判断方法判断方法 电流：将电流：将负载负载短路，反馈量仍然存在。短路，反馈量仍然存在。 电压：将电压：将负载负载短路，反馈量为零。短路，反馈量为零。 2. 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 （4）电压反馈与电流反馈）电压反馈与电流反馈 12 例例 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 13 例例 7. 2 负反

8、馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 14 例例 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 15 例例 电流并联负反馈电流并联负反馈 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 16 例例 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 17 例例 电压并联负反馈电压并联负反馈 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 18 例例 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 19 例例 电流串联负反馈电流串联负反馈 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 20 A. 电压串联电压串联 R

9、L vO vF vID vO 电压负反馈：稳定输出电压电压负反馈：稳定输出电压 串联反馈：输入端电压求和（串联反馈：输入端电压求和（KVL） 各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点 -vI+ vID + vF =0输入端有输入端有 vID = vI -vF即即 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 21 各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点 B. 电流并联电流并联 RL iO iF iID iO 电流负反馈：稳定输出电流电流负反馈：稳定输出电流 并联反馈：输入端电流求和（并联反馈：输入端电流求和（KCL） 其他两种组态有类似的结论其他两种组态有类似的结论 iI - iID

10、- iF =0输入端有输入端有 iID = iI -iF即即 7. 2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态 22 7.3 负反馈放大电路增益的负反馈放大电路增益的 一般表达式一般表达式 7.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 环路增益环路增益 反馈深度的讨论反馈深度的讨论 表达式推导表达式推导 构成构成 信号的单向化传输信号的单向化传输 23 7.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图 1. 构成构成 信号源信号源 输出信号输出信号 反馈放大电路反馈放大电路 的输入信号的输入

11、信号 反馈信号反馈信号 基本放大电路的输入基本放大电路的输入 信号（净输入信号）信号（净输入信号） Xo 基本放大基本放大 A电路电路 Xid 反馈网络反馈网络 F Xf +XiXs变换网络变换网络 K 24 2. 信号的单向化传输信号的单向化传输 Xo 基本放大基本放大 A电路电路 Xid 反馈网络反馈网络 F Xf +XiXs变换网络变换网络 K 信号的正向传输信号的正向传输 信号的反向传输信号的反向传输 7.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图 单向化单向化 25 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 1. 表达式推导表达式推导 开环增

12、益（考开环增益（考 虑反馈网络的虑反馈网络的 负载效应）负载效应） Xs Xf F Xo AK +Xi Xid id o X X A o f X X F 反馈系数反馈系数 i o F X X A 闭环增益闭环增益 因为因为 id X i X f X 所以所以 i o F X X A fid o XX X FXAX X oo o / 已知已知 FA A A 1 F 即即 闭环增益的闭环增益的 一般表达式一般表达式 又因为又因为 si XKX 所以所以 s o FS X X A KX X / i o F AK 对信号源的增益对信号源的增益 26 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大

13、电路增益的一般表达式 1. 表达式推导表达式推导 Xs Xf F Xo AK +Xi Xid X 信号信号 在四种反馈组态中的具体形式在四种反馈组态中的具体形式 电压串联电压串联电压并联电压并联电流串联电流串联电流并联电流并联 id X i X f X o X id V i V f V o V id I i I f I o I o V id V i V f V o I id I i I f I 27 2. 反馈深度的讨论反馈深度的讨论 一般负反馈一般负反馈 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 称为反馈深度称为反馈深度FA 1 FA A A 1 F 时，时，

14、 11 )1( FA ， F AA 时，时， 11 )2( FA 深度负反馈深度负反馈 正反馈正反馈时，时， 11 )3( FA ， F AA 自激振荡自激振荡时，时， 01 )4( FA ， F A 28 3. 环路增益环路增益 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 FA V V a b 环路电压增益环路电压增益= 0 i X ffiid XXXX end 29 7.4 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 提高增益的稳定性提高增益的稳定性 减少非线性失真减少非线性失真 扩展频带扩展频带 对输入电阻和输出电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响

15、 为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 分析负反馈放大电路的一般步骤分析负反馈放大电路的一般步骤 30 7.4.1 提高增益的稳定性提高增益的稳定性 闭环时闭环时 FA A A 1 F 则则 2 F )1( 1 AFdA dA 只考虑幅值有只考虑幅值有 AF A A 1 F A dA AFA dA 1 1 F F 即闭环增益相对变化量比开环减小了即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍倍 另一方面另一方面 在深度负反馈条件下在深度负反馈条件下 F A 1 F 即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的 线性元件组成时，

16、闭环增益将有很高的稳定性。线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。 31 7.4.2 减少非线性失真减少非线性失真 闭环时增益减小，线性度变好。闭环时增益减小，线性度变好。 32 A 开环幅频响应开环幅频响应 7.4.4 扩展频带扩展频带 )1( HHF AF 上限频率扩展上限频率扩展1+AF倍倍 AF 1 L LF 下限频率降低下限频率降低1+AF倍倍 闭环幅频响应闭环幅频响应 H HF F A 33 7.4.5 对输入电阻和输出电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响 串联负反馈串联负反馈 增大输入电阻增大输入电阻 并联负反馈并联负反馈 减小输入电阻减小输入电阻 电压负反馈电压负反馈 减小输

17、出电阻，稳定输出电压减小输出电阻，稳定输出电压 电流负反馈电流负反馈 增大输出电阻，稳定输出电流增大输出电阻，稳定输出电流 表表7.4.1（自看）（自看） 34 为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量要稳定直流量引直流负反馈引直流负反馈 要稳定交流量要稳定交流量引交流负反馈引交流负反馈 要稳定输出电压要稳定输出电压 引电压负反馈引电压负反馈 要稳定输出电流要稳定输出电流 引电流负反馈引电流负反馈 要增大输入电阻要增大输入电阻 引串联负反馈引串联负反馈 要减小输入电阻要减小输入电阻 引并联负反馈引并联负反馈 35 分析负反馈放大电路的一般步骤分析负反馈放大电路

18、的一般步骤 (1) 找出信号放大通路和反馈通路找出信号放大通路和反馈通路 (2) 用瞬时极性法判断正、负反馈用瞬时极性法判断正、负反馈 (3) 判断交、直流反馈判断交、直流反馈 (4) 判断反馈阻态判断反馈阻态 (5) 标出输入量、输出量及反馈量标出输入量、输出量及反馈量 (6) 估算深度负反馈条件下电路的估算深度负反馈条件下电路的 VFF AAF 、 36 7.5 深度负反馈条件下的近似计算深度负反馈条件下的近似计算 深度负反馈的特点深度负反馈的特点 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 举例举例 37 1. 深度负反馈的特点深度负反馈的特点 即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网

19、络有关即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关 11 FA 由于由于 FA A A 1 F 则则 FFA A 1 又因为又因为 i o F X X A o f X X F if XX 代入上式代入上式 得得输入量近似等于反馈量输入量近似等于反馈量 0 fiid XXX 净输入量近似等于零净输入量近似等于零 由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚两虚”的概念的概念 38 串联负反馈，输入端电压求和。串联负反馈，输入端电压求和。 0 fiid VVV 0 i id id r V I 深度负反馈条件下深度负反馈条件下 虚短虚短 虚断虚断 0 fiid

20、 III 0 iidid rIV 虚短虚短 虚断虚断 并联负反馈，输入端电流求和。并联负反馈，输入端电流求和。 0 fiid XXX f I i I id I id V + - id I id V + - f I i I f V i V id I id V + - f V i V id I id V + - 1. 深度负反馈的特点深度负反馈的特点 39 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 （1）电压串联负反馈）电压串联负反馈 利用利用虚短虚短和和虚虚 断断的概念得知的概念得知 0 i I Vs + Rs Vi + Vid + Vf + R1 R2 + Ii Vo + RL ri

21、 AVOVid ro + o f V V V F 21 1 RR R 则反馈系数为则反馈系数为 i o VF V V A V 1 F 1 2 1 R R 闭环电压增益闭环电压增益 40 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 （1）电压串联负反馈）电压串联负反馈 *闭环输入电阻闭环输入电阻 i i if I V R i fid I VV i Void I FVV i Void if I FVV R 当负载开路，且忽略反当负载开路，且忽略反 馈网络的负载效应时馈网络的负载效应时 Vs + Rs Vi + Vid + Vf + R1 R2 + Ii Vo + RL ri AVOVid

22、ro + i VidVOid I FVAV i VidVid I FVAV i id VV )1( I V FA VOV AA iVV )1(rFA 比无反馈时增加了比无反馈时增加了倍倍 1 VVF A Rif 41 *闭环输出电阻闭环输出电阻 VV o of 1FA r R Vs + Rs Vi + Vid + Vf + R1 R2 + Ii Vo + RL ri AVOVid ro + 比无反馈时减小了比无反馈时减小了 倍倍 1 VVF A Rof 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 （1）电压串联负反馈）电压串联负反馈 42 （2）电流并联负反馈）电流并联负反馈 利用利用

23、虚短虚短和和虚断虚断可知可知 RIIRI)( offf o f I I I F f RR R 反馈系数为反馈系数为 i o IF I I A I 1 F R Rf 1 闭环增益闭环增益 Rs id I Rf + R RL f I i I s I o I o V + - N P Rs s V + - 闭环电压增益闭环电压增益 s o VF V V A si Lo RI RI s L IF R R A s Lf )1( R R R R 0 PN VV 则则 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 43 （3）电压并联负反馈）电压并联负反馈 o f G V I F f 1 R 则反馈系数

24、为则反馈系数为 i o RF I V A G 1 F f R 闭环增益闭环增益 闭环电压增益闭环电压增益 s o VF V V A s i i o V I I V s RF 1 R A s f R R RS Rf RL + id I f I i I s I o V P N + - RS s V + - 0 PN VV 利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 44 （4）电流串联负反馈）电流串联负反馈 o f R I V F f R 则反馈系数为则反馈系数为 i o GF V I A R 1 F f 1 R 闭环增益闭环增益 闭环电压增益闭环电压

25、增益 i o VF V V A o o i o I V V I LGF RA f L R R 0 PN II 利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知 Rs Rf iO RL + + o V N P + - s V i V id V f V + + + 2. 各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算 45 例例 电路如图所示，近似计算它的电电路如图所示，近似计算它的电 压增益。压增益。 o f R I V F e R i o GF V I A R 1 F e 1 R 闭环增益闭环增益 闭环电压增益闭环电压增益 i o VF V V A o o i o I V V I )( cGF RA e c

26、 R R Rc Re Rb1 Rb2 C1 C2 VCC vs Rs + - + - vo 解：解：忽略基极直流偏置电路后的交流忽略基极直流偏置电路后的交流 通路如下图所示。通路如下图所示。 电路为电路为电流串联负反馈电流串联负反馈 则反馈系数为则反馈系数为 e f I V 在深度负反馈条件下，利用在深度负反馈条件下，利用虚短虚短 和和虚断虚断可知可知0 BE V ebe c )1(Rr R 46 例例 求：求：(1)大环组态；大环组态； (2)二、三级局部组态；二、三级局部组态； 闭环增益闭环增益 闭环电压增益闭环电压增益 0 BE V 在深度负反馈条件下，利用在深度负反馈条件下，利用虚短虚

27、短和和虚断虚断可知可知 解：解：(1)电压并联负反馈电压并联负反馈 则反馈系数为则反馈系数为 (3)深度负反馈下大环的闭深度负反馈下大环的闭 环电压增益环电压增益 。 (2) T2 电流串联负反馈电流串联负反馈 T3 电流串联负反馈电流串联负反馈 T2和和T3级间电流串联正反馈级间电流串联正反馈 (3)0 b1 I o f G V I F f 1 R i o RF I V A G 1 F f R s o VF V V A s i i o V I I V s RF 1 R A s f R R 47 例例 求：求：(1)判断反馈组态；判断反馈组态； 在深度负反馈条件下，在深度负反馈条件下， 利用利

28、用虚短虚短和和虚断虚断可知可知 解：解：(1)电压串联负反馈电压串联负反馈 (2)深度负反馈下大环深度负反馈下大环 的闭环电压增益的闭环电压增益 。 (2) 闭环电压增益闭环电压增益 fi VV 则反馈系数为则反馈系数为 o3 87 8 f V RR R V o3 65 5 p V RR R V o 43 4 p V RR R V o f V V V F 87 8 5 65 43 4 RR R R RR RR R i o VF V V A V 1 F 8654 87543 )( )()( RRRR RRRRR end 48 7.8 负反馈放大电路的稳定性负反馈放大电路的稳定性 7.8.1 自激

29、及稳定工作条件自激及稳定工作条件 *7.8.2 频率补偿技术频率补偿技术 49 7.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件 1. 自激振荡现象自激振荡现象 Xo 基本放大基本放大 A电路电路 Xid Xf +Xi 反馈网络反馈网络 F 在不加任何输在不加任何输 入信号的情况下，入信号的情况下， 放大电路仍会产生放大电路仍会产生 一定频率的信号输一定频率的信号输 出。出。 2. 产生原因产生原因 在高频区或低频区产生的在高频区或低频区产生的附加相移附加相移达到达到180 ，使中，使中 频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一

30、定的幅值条件时，便产生自激振荡。定的幅值条件时，便产生自激振荡。 FA 和和 50 7.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件 3. 自激振荡条件自激振荡条件 自激振荡自激振荡 反馈深度反馈深度 时，时， 01 FA 即即1 FA 为为环环路路增增益益）（ FA Vf 反馈网络反馈网络 F 基本放大电路基本放大电路 A Vo 1 Vid 又又)()()()( fa FAFA 得自激振荡条件得自激振荡条件 1)()( kk FA 180)12()()( kfka n 幅值条件幅值条件 相位条件相位条件（附加相移）（附加相移） FA A A 1 F 闭环增益闭环增益 51 7.8.1 自激及

31、稳定工作条件自激及稳定工作条件 4. 稳定工作条件稳定工作条件 破坏自激振荡条件破坏自激振荡条件 1 FA 180 fa 1 FA 180 fa 或或 1 m GFA 180 fa 1 FA 180 mfa 或写为或写为 其中其中 Gm幅值裕度幅值裕度，一般要求，一般要求Gm -10dB m相位裕度相位裕度，一般要求，一般要求 m 45 保证可靠稳定，保证可靠稳定， 留有余地。留有余地。 52 7.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件 5. 负反馈放大电路稳定性分析负反馈放大电路稳定性分析 F AFA 1 lg20lg20lg20 环路增益的幅频响应写为环路增益的幅频响应写为 一般一般与频率无关，与频率无关，F 则则 F 1 lg2