第5章 负反馈放大器

1、负反馈放大器负反馈放大器第第5章章 负反馈放大器负反馈放大器5.1 负反馈的基本概念负反馈的基本概念5.2 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响5.3 深度负反馈放大电路的分析深度负反馈放大电路的分析负反馈放大器负反馈放大器5.1 反馈的基本概念反馈的基本概念 1.什么是反馈什么是反馈 将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部,通过某些元件或网络（称为反馈网络）,反向送回到输入端,来影响原输入量（电压或电流）的过程称为反馈。 有反馈的放大电路称为反馈放大电路,其组成框图如图5.1（a）所示。 负反馈放大器负反馈放大器基本放大电路A反馈网络Fxi净输入量xid正向传输反向传输xf

2、反馈量输出量xo(a)负反馈放大器负反馈放大器uiAuidufRlRfFRLuo(b) 图51反馈放大电路组成（a）反馈放大电路组成框图;（b）反馈放大电路负反馈放大器负反馈放大器 图5.1（b）是一个具体的反馈放大电路。图中除了基本放大电路外,还有一条由Rf和R1组成的电路接在输入端和输出端之间,由于它将输出量反送到放大器输入端,因此称为反馈元件,或称反馈网络。ui、uf、uid和uo分别表示电路的输入电压、反馈电压、净输入电压和输出电压。负反馈放大器负反馈放大器 2反馈极性（正、负反馈）反馈极性（正、负反馈） 在反馈放大电路中,反馈量使放大器净输入量得到增强的反馈称为正反馈,使净输入量减弱

3、的反馈称为负反馈。通常采用“瞬时极性法”来区别是正反馈还是负反馈,具体方法如下: (1）假设输入信号某一瞬时的极性。 (2）根据输入与输出信号的相位关系,确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。 (3）再根据反馈信号与输入信号的连接情况,分析净输入量的变化,如果反馈信号使净输入量增强,即为正反馈,反之为负反馈。负反馈放大器负反馈放大器(b)uid+ui+ufR2R1+RLR3+uo(a)uid+uiufR2uoR1负反馈放大器负反馈放大器uiR1Rf3R2Rf2Rf1uo+(c)A1A2R4图52用瞬时极性法判断反馈极性的几个例子 负反馈放大器负反馈放大器 3交流反馈与直流反馈交流反馈与直流反馈 在

4、放大电路中存在有直流分量和交流分量,若反馈信号是交流量，则称为交流反馈,它影响电路的交流性能;若反馈信号是直流量,则称为直流反馈,它影响电路的直流性能,如静态工作点。若反馈信号中既有交流量又有直流量,则反馈对电路的交流性能和直流性能都有影响。负反馈放大器负反馈放大器uiC1C2R1R2 uo(a)R1R2 uo(b)负反馈放大器负反馈放大器uiR1R2 uo(c) 图53具有不同反馈的电路（a）原电路;（b）直流通路;（c）交流通路 负反馈放大器负反馈放大器 4反馈电路的类型反馈电路的类型 1）反馈在输出端的取样方式）反馈在输出端的取样方式 从输出端看,若反馈信号取自输出电压,则为电压反馈；若

5、取自输出电流,则为电流反馈。 (1）电压反馈。 在判断电压反馈时,根据电压反馈的定义反馈信号与输出电压成比例,可以假设将负载RL两端短路（uo=0,但io0）,判断反馈量是否为零,如果是零,就是电压反馈。图5.4所示电压反馈电路正是如此,RL短路 uo=0 uf=0。负反馈放大器负反馈放大器 电压反馈的重要特性是能稳定输出电压。无论反馈信号是以何种方式引回到输入端,实际上都是利用输出电压本身通过反馈网络来对放大电路起自动调整作用的,这是电压反馈的实质。 在图5.4电路中,若负载电阻增加引起uo的增加,则电路的自动调节过程如下: uo uf uid uo 负反馈放大器负反馈放大器uiAuiduf

6、RlRfFRLuo 图54电压反馈负反馈放大器负反馈放大器uiAuidufRFRLuoio 图5.5 电流反馈 负反馈放大器负反馈放大器 在判断电流反馈时,根据电流反馈的定义反馈信号与输出电流成比例,可以假设将负载RL两端开路（io=0,但uo0）,判断反馈量是零,就是电流反馈。图5.5所示电路正是如此,RL开路 io=0 if =0 uf=0。 电流反馈的重要特点是能稳定输出电流。无论反馈信号是以何种方式引回到输入端,实际都是利用输出电流io本身通过反馈网络来对放大器起自动调整作用的,这就是电流反馈的实质。 负反馈放大器负反馈放大器 图5.5电路稳流的自动调节过程如下: io uf uid

7、io 由上述分析可知,判断电压反馈、电流反馈的简便方法是用负载短路法和负载开路法。由于输出信号只有电压和电流两种,输出端的取样不是取自输出电压便是输出电流,因此可利用其中一种方法就能判定。常用的方法是负载短路法,具体表述为:假设将负载L短路,即uo=0,此时若反馈量为零,就是电压反馈,否则为电流反馈。 负反馈放大器负反馈放大器 2）反馈在输入端的连接方式）反馈在输入端的连接方式 电路如图5.6（a）所示,反馈网络的出口与信号源串联,因此称为串联反馈。在图5.6（b）中,反馈网络的出口与信号源并联,因此称为并联反馈。 uiAuidufF uoRlRfusrs(a)负反馈放大器负反馈放大器AF u

8、oRlRfusrsisiidif(b) 图5.6串联接法和并联接法（a）串联负反馈;（b）并联负反馈负反馈放大器负反馈放大器 由上述分析可以看出,若反馈信号与信号源接在不同的端子上,即为串联反馈。若接在同一个端子上,则为并联反馈。 根据输出端的取样方式和输入端的连接方式,可以组成四种不同类型的负反馈电路: (1) 电压串联负反馈; (2) 电压并联负反馈; (3) 电流串联负反馈; (4)电流并联负反馈。 负反馈放大器负反馈放大器 5负反馈放大器的基本关系式负反馈放大器的基本关系式 由图5.7所示负反馈放大器的方框图可得各信号量之间的基本关系式:AFAxxxxxAxxFxxAxxxfidoio

9、fofidofiid1（5.1） (5.2) (5.3) (5.4) 负反馈放大器负反馈放大器AFxixfxidxo 式（5.4）表明闭环增益Af是开环增益A的 ,小于A。其中,（1+AF）称为反馈深度,它的大小反映了反馈的强弱;乘积AF常称为环路增益。 AF11 图5.7负反馈放大器的方框图负反馈放大器负反馈放大器 5.2 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响 1减小非线性失真 我们可以通过一个具体的电路演示来说明此问题。 1）演示电路演示电路如图5.8所示。 输出波形(a)输出波形(b)负反馈放大器负反馈放大器uiRl10 kSRf10 kuoA 741 图5.8 演示电路负反

10、馈放大器负反馈放大器 2）演示内容）演示内容 （1）由信号发生器输入一频率为1kHz,峰-峰值为1V的正弦波。 （2）将开关S断开,用示波器观察输出波形,可看到输出波形明显地失真,如图中输出波形（a）。 （3）将开关S闭合,观察输出波形,可看到失真波形明显地改善,如图中的波形（b）。 3）演示现象分析）演示现象分析 在开环放大器中,由于开环增益很大,使放大器工作在非线性区,输出波形为双向失真波形。开关闭合后,电路负反馈放大器负反馈放大器 加上了负反馈,电路增益减小,放大器工作在线性区,输出波形为标准的正弦波。即负反馈能减小非线性失真。 2提高增益的稳定性提高增益的稳定性 22)1 ()1 (1

11、AFdAdAAFAdAdAAFAAfff 根据闭环增益方程 求Af对A的导数，得 即微分 负反馈放大器负反馈放大器AdAAFAdAff11闭环增益的相对变化量为 （5.5） AAf0.707Aum0.707AumfAumAumf无反馈有反馈ffHffHfLfLf 3扩展通频带扩展通频带 图5.9开环与闭环的幅频特性 负反馈放大器负反馈放大器 应当指出,由于负反馈的引入,在减小非线性失真的同时,降低了输出幅度。此外输入信号本身固有的失真,是不能用引入负反馈来改善的。 4负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响 负反馈对输入电阻的影响,取决于反馈网络在输入端的连接方式。 1）串联负反馈）串联负

12、反馈 图5.10（a）是串联负反馈电路的方框图。由图可知,开环放大器的输入电阻为负反馈放大器负反馈放大器iidiiur 引入负反馈后,闭环输入电阻rif为 )1 (AFriAFuuiuuiuriiididifidiiif（5.7） 上式表明,引入串联负反馈后,输入电阻是无反馈时输 入电阻的(1+AF)倍。 负反馈放大器负反馈放大器Ariuidufuiiixo(a)Ariuiiixoiidif(b)rifrif 图5.10负反馈对输入电阻的影响（a）串联负反馈框图;（b）并联负反馈框图 负反馈放大器负反馈放大器 2）并联负反馈）并联负反馈 图5.10(b)是并联负反馈电路的方框图。由图可知,开环

13、放大器的输入电阻为ri=ui/iid。引入负反馈后,闭环输入电阻rif为AFrAFiiuiiuiuriididifidiiiif11（5.8） 5负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响 负反馈对输出电阻的影响,取决于反馈网络在输出端的取样量。 1）电压负反馈）电压负反馈 负反馈放大器负反馈放大器 图5.11（a）是电压负反馈的方框图。对于负载RL来说,从输出端看进去,等效的输出电阻相当于原开环放大电路输出电阻与反馈网络的电阻并联,其结果必然使输出电阻减小。经分析,两者的关系为AFrroof1（5.9） 即引入电压负反馈后的输出电阻是开环输出电阻的1/（1+AF）。 2）电流负反馈）电流负

14、反馈 图5.11（b）是电流负反馈的方框图。对于负载负反馈放大器负反馈放大器 RL来说,从输出端看进去,等效的输出电阻相当于原开环放大电路输出电阻与反馈网络的电阻串联,其结果必然使输出电阻增大。经分析,两者的关系为oofrAFr)1 ( （5.10） 即引入电流负反馈后的输出电阻是开环输出电阻的（1+AF）倍。 负反馈放大器负反馈放大器Aroxid(a)RLxixfrof负反馈放大器负反馈放大器(b)AroxidRLxixfrof 图5.11负反馈对输出电阻的影响（a）电压负反馈方框图;（b）电流负反馈方框图负反馈放大器负反馈放大器 5.3 深度负反馈放大电路的分析深度负反馈放大电路的分析 1

15、深度负反馈的特点深度负反馈的特点 在负反馈放大电路中,当反馈深度1+AF1时的反馈,称为深度负反馈。一般在1+AF10时,就可以认为是深度负反馈。此时,由于1+AFAF,因此有FAFAAFAAf11（5.11） 由上式得出 (1）深度负反馈的闭环增益Af只由反馈系数F来决定,而与开环增益几乎无关。负反馈放大器负反馈放大器 (2)外加输入信号近似等于反馈信号,由式（5.11）可知fifoioxxxxxx (5.12) 即 上式表明,在深度负反馈条件下,由于xixf,则有xid0,即净输入量近似为零。 2深度负反馈放大电路的参数估算深度负反馈放大电路的参数估算 1)电压串联负反馈电路电压串联负反馈

16、电路 offuRRRu11负反馈放大器负反馈放大器 图5.12 电压串联负反馈电路uiuidufRlRfRLuo负反馈放大器负反馈放大器即 fofRRRuuF11在深度负反馈条件下,已知F值则可估算出Auf值111111111RRRRRuuuuARRRRRFAfffoioufffuf也可利用在深度负反馈条件下xfxi的结论,在这里ufui,同样可得（5.13） 负反馈放大器负反馈放大器 2) 电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路 iiiifofiRiuRiuii再根据uid0,可知u-0,则有因此 1RRRiRiuuAfiiffiouf(5.14) 负反馈放大器负反馈放大器 图5.13 电压并联负反馈电路 RfuiiiiidifRLuo负反馈放大器负反馈放大器 3)电流串联负反馈电路电流串联负反馈电路 图5.14是电流串联负反馈电路,从图中可得fLofofRRuRiu 因