负反馈电路的设计与测试

1、负反馈电路的设计与测试电气工程系 王文川任务一 反馈电路 任务描述四种反馈电路的设计 学习目标1、串联电压负反馈2、并联电压负反馈3、串联电流负反馈4、并联电流负反馈重点：四种反馈电路的设计难点：四种反馈电路的判断目 录第一章 性能指标第二章 设计原理框图2.1框图及基本公式2.2引入串并联负反馈对电阻值的影响221串联负反馈使输入电阻增大222并联负反馈使输入电阻减小 223电压负反馈使输出电阻减小224电流负反馈使输出电阻增加225通频带3.负反馈放大电路设计的一般原则3.1反馈方式的选择3.2放大管的选择3.3级数的选择4.电路分析反馈放大电路的组成第三章 计方案及选定第四章 单元电路设

2、计多级放大电路设计41第一级42 第二级43 第三级第五章 整体电路设计及工作原理第六章 多级放大电路的检测6.1.分析多级负反馈放大电路6.2.核算技术指标第七章 元器件清单附图负反馈放大电路第一章 性能指标用分离元器件设计一个交流放大电路，用于只是仪表中放大弱信号，具体指标如下：（1） 工作频率：f=30HZ30KHZ。（2） 信号源：Ui10mV（有效值），内阻Rs=50。（3） 输出要求：U01V（有效值），输出电阻小于10，输出电流I01mA(有效值)。（4） 输入要求:输入电阻大于20K。（5） 工作稳定性:当电路元器件改变时，若Au/Au=10%,则Auf<1%。第二章 设

3、计原理框图21框图及基本公式图中X表示电压或电流信号；箭头表示信号传输的方向；符号¤表示输入求和，+、表示输入信号 与反馈信号是相减关系（负反馈），即放大电路的净输入信号为 （1）基本放大电路的增益（开环增益）为 （2）反馈系数为 （3）负反馈放大电路的增益（闭环增益）为 （4）将式（1）（2）（3）代入式（4），可得负反馈放大电路增益的一般表达式为 （5）另外，图中 是信号源， 是信号源的输出信号，两者的关系是 （6）所以，负反馈放大电路的源增益为 （7）式（5）表明，引入负反馈后，放大电路的闭环增益 为无反馈时的开环增益 的（1+ ）分之一。（1+ ）越大，闭环增益下降得越多，所

4、以（1+ ）是衡量反馈程度的重要指标。负反馈放大电路所有性能的改善程度都与（1+ ）有关。通常把 称为反馈深度，将 称为环路增益。一般情况下， 和 都频率的函数，即它们的幅值和相位角都是频率的函数。在中频段， 、 、 均为实数，因此式（5）可以写成 （8）在高频段或低频段，式（5）中各量均为相量，此时下面分几种情况对 的表达式进行讨论： 当 时， ，即引入反馈后，增益下降了，这种反馈是负反馈。在 ，即 时， ，这是深度负反馈状态，此时闭环增益几乎只取决于反馈系数，而与开环增益的具体数值无关。一般认为 10就是深度负反馈。 当 时， ，这说明已从原来的负反馈变成了正反馈。正反馈会使放大电路的性能

5、不稳定，所以很少在放大电路中单独引入。 当 时， ，这就是说，放大电路在没有输入信号时，也会有输出信号，产生了自激振荡。使放大电路不能正常工作。在负反馈放大电路中，自激振荡现象是要设法消除的。必须指出，对于不同的反馈类型， 、 、 及 所代表的电量不同，因而，四种负反馈放大电路的 、 、 相应地具有不同的含义和量纲。现归纳如下表所示，其中 、 分别表示电压增益和电流增益（无量纲）； 、 分别表示互阻增益（量纲为欧姆）和互导增益（量纳为西门子），相应的反馈系数 、 、 、 的量纲也各不相同，但环路增益 总是无量纲的22.引入串并联负反馈对电阻值的影响2.21 串联负反馈使输入电阻增大引入串联负反

6、馈后，输入电阻Rif是开环输入电阻Ri的（1+ ）倍。应当指出，在某些负反馈放大电路中，有些电阻并不在反馈环内，如共射电路中的基极电阻Rb，反馈对它并不产生影响。这类电路的方框图如图 (b)所示，可以看出而整个电路的输入电阻因此，更确切地说，引入串联负反馈，使引入反馈的支路的等效电阻增大到基本放大电路输入电阻的（1+ ）倍。但不管哪种情况，引入串联负反馈都将输入电阻增大。2.2 2.并联负反馈使输入电阻减小 引入并联负反馈后，闭环输入电阻是开环输入电阻的1/(1+ )倍。2.2 3 电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈取样于输出电压，又能维持输出电压稳定，即是说，输入信号一定时，电压负反馈的输出

7、趋于一恒压源，其输出电阻很小。可以证明，有电压负反馈时的闭环输出电阻为无反馈时开环输出电阻的1/(1+ )。反馈愈深，Rof愈小。2.2 4 电流负反馈使输出电阻增加电流反馈取样于输出电流，能维持输出电流稳定，就是说，输入信号一定时，电流负反馈的输出趋于一恒流源，其输出电阻很大。可以证明，有电流负反馈时的闭环输出电阻为无反馈时开环输出电阻的1/(1+ )倍。反馈愈深，Rof愈大。2.2 5 通频带通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。通常情况下，放大电路只适用于放大

8、某一个特定频率范围内的信号。如图所示为某放大电路的幅频特性曲线。幅频特性曲线：放大倍数的数值与信号频率的关系曲线，称幅频特性曲线。Am为中频放大倍数。下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的|Am|频率称为下限截止频率fL。上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的|Am|频率称为上限截止频率fH。通频带fbw：fL与fH之间形成的频带称中频段，或通频带fbw。fbwfHfL最大不失真输出电压最大不失真输出电压定义为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压

9、。最大输出功率与效率最大输出功率Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率Pom。此时，输出电压达到最大不失真电压。效率n：直流电源能量的利用率。Pom最大输出功率，PV电源消耗功率。n=Pom/Pv n越大，放大电路的效率越高，电源的利用率就越高。3.1 负反馈放大电路设计的一般原则 反馈方式的选择采用什么反馈方式,主要根据负载的要求及信号情况来考虑在负载变化的情况下要求放大电路定压输出时，就需要电压负反馈：在负载变化的情况下，要求放大电路恒流输出时，就要采用电流负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式，主要根据对放大电路输出电阻而定。当要求放大电路具有高的输入

10、电阻是，宜采用串联反馈：当要求放大电路具有底的输入电阻是，宜采用并联反馈。如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用射极输出器。反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。对音频放大电路，主要是用负反馈减小非线性失真，设计是一般取1+AF=10左右。对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数有较高的稳定度，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，因此根据不同的要求可取1=AF为几十至几百。对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的要求是展宽频带，这时采用多极放大加深反馈容易产生自激，且在幅频特性的高，底频段易产生凸起的现象。因此首先要保证每一极有足够宽的频带，如在两极

11、之间采用底输入电阻的接法去解决。32放大管的选择如果放大电路的极数多，而输入信号很弱是（微伏级），必须考虑输入几件放大管的噪音所产生的响，为此前置放大级应选用底噪声的管子。当要求放大电路的频带很宽是，应选用截止频率较高的管子。从集电级损耗的角度出发，由于前几级放大的输入较小，可选用p小的管子，其静态工作点要选得底一些（I小），这样可减小噪声；但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故p大的管子。33级数的选择 放大电路级数可根据无反馈时的放大倍数而定，而此放大倍数又要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深度而定，因此设计时首先要根据技术指标确定出它的闭环放大倍数A及反馈深度1+AF，然后确定所

12、需的A。确定了A的数值，放大电路的级数大致可用下列原则来确定：几十至几百倍左右采用一级或两级，几百至千倍采用两级或三级，几千倍以上采用三级或四级（射极输出极不计，因其A约等于零一般情况下很少采用四级以上，因为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但反馈只加在两级之间也是可以的。一般情况下很少采用四级以上，因为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但反馈只加在两级之间也是可以4.电路分析反馈放大电路的组成含有反馈网络的放大电路称反馈放大电路，其组成如下图所示。图中，A称为基本放大电路，F表示反馈网络，反馈网络一般由线性元件组成。由图可见，反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络构成一个闭环系

13、统，因此又把它称为闭环放大电路，而把基本放大电路称为开环放大电路。xi、xf、xid和xo分别表示输入信号、反馈信号、净输入信号和输出信号，它们可以是电压，也可以是电流。图中箭头表示信号的传输方向，由输入端到输出端称为正向传输，由输出端到输入端则称为反向传输。因为在实际放大电路中，输出信号xo经由基本放大电路的内部反馈产生的反向传输作用很微弱，可略去，所以可认为基本放大电路只能将净输入信号xid正向传输到输出端。同样，在实际反馈放大电路中，输入信号xi通过反馈网络产生的正向传输作用也很微弱，也可略去，这样也可认为反馈网络中只能将输出信号xo反向传输到输入端。（1） 输入级。输入级采用什么电路主

14、要决定于信号源的特点。如果信号源不允许取较大的电流。则输入级应具高的输入电阻，那么以采用射级输出器为宜。如要求有特别高的输入电阻（r4M），可采用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路，如信号源要求放大电路具有底的输入电阻，则可采用电压并联反馈放大电路。如果无特殊要求，可选择共射放大电路。输入级的放大管的静态工作点一般取I1mA，U=（12）V。（2）中间级。中间级主要是积累电压级电流放大倍数，多采用共射放大电路，而且采用大的管子。其静态工作点一般为I=（13）mA, U=（15）V。（3）输出级。输出级采用什么样的电路主要决定于负载的要求。如负载电阻较大（几千欧左右），而且主要是输

15、出电压，则可采用共射电路；反之，如负载为底阻，且在较大范围内变化时，则采用射级输出器。如果负载需要进行阻抗匹配，可用变压器输出。 因输出级的输出电流都较大，其静态工作点的选择要比中间级高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。设计过程 第三章 设计方案及选定方案一采用三个NPN型三级管放大(1)该设计采用电压串联负反馈(2)第一级采用局部电流负反馈，所需反馈深度为：1+AF=从放大性能稳定度确定反馈深度，估算A值根据指标的要求，计算电路闭环放大倍数：(3)在R 和R不加旁路电容以便引入局部负 反馈以稳定每一级的放大倍数（4）放大管的选择：因设计中前两级放大对管子无特别要求，统一采用了3DG

16、100根据以上分析确定电路图（5）输出到输入级的反馈是从的射级反馈到的射级组成电压串联负反馈的形式方案二该设计采用集成运算放大器(1) 本方案采用差分放大电路原理与集成运算放大结合在一起形成电压串联负反馈放大电路(2) 反馈元件，起到反馈作用，将集成运算放大器的输出电压反馈到的基级.(3) 估算A值根据指标的要求，计算电路闭环放大倍数：(4) 根据设计要求确定电路电路元件的各种参数方案比较在以上两个方案中比较选择一个最终确定方案 方案二于方案一比较:方案二采用了集成运算放大器,与差分放大电路,经过数据分析达到指标要求,但与方案一相比,方案一在实验室更易实现(集成运算放大器不仅价格贵,在实验中易

17、损坏通过以上比较最终确定采用方案一第四章 单元电路设计多级放大电路设计41第一级确定第1级的电路参数.电路如图所示。为了提高输入电阻而又不致使放大电路倍数太底，应取IE1=0.5mA，并选，则利用同样的原则，可得，为了获得高输入电阻，而且希望Au1也不太小，并与第2级的阻值一致以减少元件的种类，取RF1=51,代入Au1=30,可求得 ,再利用，求出RC1=15K。 为了计算RE1，UEI=1V，再利用IE1（RF1+RE1）=1得出选RE1为2k。 为了计算RB1，可先求 由此可得，所以选51K。 为了确定去耦电阻R1，需要求出再利用，可求得R1=3.1K，取R1为3.3K。 为了减少元器件

18、的种类，C1 选用10uF,CE1及CE2选用100uF，均为电解电容。由下限频率wL可以检敛42 第二级（2）双管放大单元电路的计算：1 确定第二级的电路参数。为了稳定放大倍数，在电路中引入RF2=51,由此可求出这级的电压放大倍数为选IE2=1mA,且，则又由于预先规定了Au2=40,RF2=51,代入Au2d 公式则得由此可以解得。在利用代入RL2=6.6K则由此可求。选，则由可得。由此可以得出RE2=2.15k,取RE2=2.2k。 第二级的输入电阻可以计算如下43 第三级第三级 计算.由于输出电压Uo=1V(有效值),输出电流Io=1mA(有效值),故负载电阻(1) 确定RE3及Vc

19、c。在射级输出器中，一般根据RE=(12)RL来选择 RE，取系数为2，则RE3=2RL=2,RL=RE3RL=667.在图6.44中，取Icmin=1mA,Ucmin=1V,可以求出式中，ULP是输出负载电压峰值。为了留有余量，取IE3=3.5mA,VCC=12V;由此可以求出UE3=IE3RE3=3.52=7V.（2）确定RB31及RB32。为了计算RB31及RB32，首先要求出 UB3及IB3,由图6.44可知，UB3=UE3+UBE3=7+0.7=7.7V。选用b3=50的管子，则选用IRB=(510) IB3=0.350.7mA,为了提高本级输入电阻，取0.35mA ，则得 式中忽略

20、了rbe3的影响。（3）确定C2及C3。由于有三级电容偶合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式假设每级下限频率相同，则各级的下限频率应为为了留有余地，忽略第二级的输出电阻（因为标出），则因此，可选用10电解电容器。同理，忽略射级输出器的输出电阻，则因此，可选用100uF 电解电容器。第五章 整体电路设计及工作原理（1）确定反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要是输出电阻，输出电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。由于要求输出电阻较低，故输入及应采用射级输出电器，但它的输出定阻大致为几十欧至几百欧，因此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要求。设射级输出器的输出电阻为本100，则

21、所需反馈深度为1+AF=10另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要求，才能最后确定反馈深度的大小。由于放大电路的输入电阻指标为20K,此数值不是很高，故可采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈时，基本放大电路由于放大电路的输入电阻指标为20K，此数的输入电阻为r=2.5k（第一级可采用局部电流负反馈），则所需反馈深度为1+AF=8最后从放大性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为1+AF= 综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为本10，故取1+AF=10。（2）估算A值。根据指标的要求，放大电路的闭环放大倍数应为A由此可以求出 A（1+AF）A=10×100=100

22、0因输出级采用射级输出器，其电压放大倍数近视为一，故需用两极共射放大才能达到一千倍。考虑到仪表对放大电路稳定性能要求较高，故采用典型的两极耦合双管放大单元，如图（a）所示。其中R 和R不加旁路电容是为了引入局部负反馈以稳定没一级的放大倍数。R和R是去耦电路，用以削弱由于电源存在内族而在V出现的电压波动，使它尽可能少传到V。（3）放大管的选择。由于VT需要输出电流的最大值，为料不失真，要求，因此它的涩级电流3mA，故选用小功率管3DG100即可，其参考如下； 因前两极放大对管子无特别要求，为了统一起见，均采用3DG100。根据以上考虑，初步电路如图方案二图所示。输出级到输入级的负反馈是从VT的射

23、级反馈到VT的射级，组成电压串联负反馈的形式。 第六章 多级放大电路的检测一.分析多级负反馈放大电路 由CF747双运放构成的两级负反馈放大电路如图所示，要求进行如下分析：（1）查阅有关手册，熟悉CF747主要特性；（2）判别A1、A2各构成什么类型的交流负反馈，并指出反馈元件，求出各级电压增益的大小；（3）判别级间构成什么类型的交流反馈。并指出反馈元件，根据电路元件参数估算闭环增益。2. 电路安装 按图接线，经反复检查，确认没有错误后，接通直流电源电压±10V3开环测试将A点与P点断开并与B点相接，使放大电路处于开环状态。将信号发生器输出信号调至1KHZ、30mV左右，然后接入放大电路的输入端，用示波器观察输入电压uo波形，应为不失真的正弦波。用交流毫伏表分别测出Ui、Un、Uo1、Uo2、Uo、Uf，并记于表中。断开RL，测出Uot，也记于表中根据测试结果，分别求出：AU1=Uo1/Ui，Au2=Uo2/Uo1，Au=Uo/Ui，Fu=Uf/Uo以及，。4.闭环测试将A点与B点断开并与P点相连，