第六章 反馈放大电路

1、第六章第六章 反馈放大电路反馈放大电路反馈反馈 在电子系统中把输出回路输出回路的电量（电电压压或电流电流）馈送到输入回路输入回路的过程。 反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。所以放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环闭环。输入信号反馈信号净输入信号6.1反馈的基本概念与分类6.2负反馈放大电路的方框图及增益表达式6.3负反馈放大电路性能的改善6.4负反馈放大电路的分析方法6.5负反馈放大电路的稳定性问题第六章第六章 反馈放大电路反馈放大电路一一. 从一个例子说起从一个例子说起稳定工作点电

2、路稳定工作点电路输入量：输入量：Vi、VBE、iB反馈反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。定的方式送回到输入回路的过程。6.1 反馈的基本概念反馈的基本概念输出量：输出量：VO、VCE、iC正向传输正向传输信号从输入端到输出端的传输信号从输入端到输出端的传输TUBEICICUEIB二二. 几个几个基本概念基本概念1. 正向传输与反向传输正向传输与反向传输vIvO+- -RL电路中只有正向传输，没有反电路中只有正向传输，没有反向传输，称为向传输，称为开环状态。开环状态。正向传输正向传输信号从输入端到信号从输入端

3、到输出端的传输输出端的传输信号的正向传输信号的正向传输反向传输反向传输信号从输信号从输出端到输入端的传输出端到输入端的传输vIvO+- -RLR2R1反馈传输反馈传输(通路通路)（反馈网络）（反馈网络）信号的正向传输信号的正向传输既有正向传输，又有反馈既有正向传输，又有反馈 称为称为闭环状态闭环状态。直流反馈直流反馈若电路将直流量反馈到输入回路，则若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。称直流反馈。2.直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈直流反馈直流反馈电路中引入直流反馈的目的，一般是电路中引入直流反馈的目的，一般是为了稳定静态工作点为了稳定静态工作点Q。 解：根据反馈到输入端的信号是交流

4、，还是直流，或同解：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。时存在，来进行判别。例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。流反馈。vIvO- -+C2C1R1R2交流反馈交流反馈交、直流反馈交、直流反馈例：基本放大器，无反馈，净输例：基本放大器，无反馈，净输入量入量Vbe=Vi，电压放大倍数为：，电压放大倍数为：3.负反馈与正反馈负反馈与正反馈负反馈负反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。放大倍数减小。引入反馈后，净输入量引入反馈后，净输入量Vbe =V

5、i- Vf ，电压放大倍数为：电压放大倍数为：可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。正反馈正反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。放大倍数增加。beLurRA =- RLrbe +（1+ ）ReAu本级反馈本级反馈反馈只存在于某一级放大器中反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中反馈存在于两级以上的放大器中例例vO- -+R4R5R3- -+vIR1R2反馈通路反馈通路本级反馈通路本级反馈通路级间反馈通路级间反馈通路4.本级反馈与级间反馈本级反馈

6、与级间反馈基本放大电路基本放大电路AdX oX 反馈网络反馈网络FfX 放大放大：doXXA迭加：迭加：fidXXX 1.方框图：方框图：A称为开环称为开环放大倍数放大倍数iX + 反馈反馈：ofXXF AF称为闭环放大倍数称为闭环放大倍数AF=Xo / Xi输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号差值信号差值信号负反馈放大器负反馈放大器F称为反馈系数称为反馈系数设设Xf与与Xi同相同相三三. 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图6.2 负反馈放大器的四种类型负反馈放大器的四种类型负反馈类型有四种组态负反馈类型有四种组态: : 电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并

7、联负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 电流并联负反馈电流并联负反馈正反馈负反馈净输入信号| Xi | | Xi |输出幅度增加 。净输入信号| Xi | 1时称为深度负反馈，相当与 1+ 1。于是闭环放大倍数FAFFAAA11fFAFAFAVVab环路增益说明 在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参数基本无关。一般反馈网络是无源元件构成的，其稳定性优于有源器件，因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。 在此还要注意的是 、 和 可以是 电压信号，也可以是电流信号。iXfXoX 1.当它们都是电压信号时， 、 、 无量纲， 和 是电压放大倍数。 AfAFAfA 2.

8、当它们都是电流信号时， 、 、 无量纲， 和 是电流放大倍数。 AfAFAfA 3.当它们既有电压信号也有电流信号时， 、 、 有量纲， 和 也有专门的放大倍数 称谓。fAAAfAF解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器，见图中棕色线框。 因A1和A2 都是反相输入的，因此可确定输入信号 图09.04 例题09.03电路图和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以 651RRAvv例09.03 ：求图09.04电路的电压放大倍数。 反馈系数：ioiofVVXXAvvvvvvvvFAA1ofofVVXXFvv对于图09.02(a) ：对于图09.02(b)：

9、e1fe1RRRFvv1f1RRRFvv （2 2）闭环放大倍数 对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以 反馈系数：ioiofVVXXAvvvvvvvvFAA1ofofVVXXFvv对于图09.02(a) ：对于图09.02(b)：e1fe1RRRFvv1f1RRRFvv （2 2）闭环放大倍数 对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以9.3.2 电压并联负反馈 电压并联负反馈的电路如图09.06所示。因反馈信号与输入信号在一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈在输入端采用电流相加减。即图09.06 电压并联负反馈

10、 具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲iofIVAviivviviFAA1fofo1/RVRVFiv1f11f1ioiof1RRFRRARIVVVAivvivv而电压增益为:ifi IIIio/IVAviiof/IVAviof/VIFiv 称为互阻增益， 称为互导反馈系数, 相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为fviAivFivviFAivviFA1f 9.3.3电流串联负反馈 电流串联负反馈电路如图09.07所示。图(a)是基本放大电路将Ce去掉而构成，图(b)是由集成运放(见下页)构成。 对图(a)，反馈电压从Re1上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因

11、输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。图09.07(a) 电流串联负反馈对图09.07(b)的电路求其互导增益fivAviF1RIRIFvioo图09.07(b) 于是 1/R ，这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为:fivARRRARVIVVAivvvLLfLioiofof/=IIFiif22of2offf=0)(RRRIIFRIIRIii)1 (12ffRRFAiiiiof22fIRRRI电流放大倍数： 电流反馈系数是 ，以图09.08(b) 为例 显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为：1L2f1Lf1iLoiof)1 (=RRRR

12、RRARIRIVVAiivv 例题09.4:回答下列问题。 图09.09 例题09.4电路图求图 09.09 在静态时运放的共模输入电压;若要实现串联电压反馈, Rf 应接向何处?要实现串联电压负反馈,运放的输入端极性如何确定？求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数。 解：静态时运放的共模输入电压，即静态时 T1和T2的集电极 电位。 图09.09 例题09.4电路图 Ic1 = Ic2 = Ic3 /2V7 . 97 . 09V9156V666241515BE3B3E3EER2B3221EECCR2VVVVVVRRRVVVV5mA5 . 0mA13 . 5157 . 9c1C1CCC2C1

13、C2C1e3EEE3C3RIVVVIIRVVI 解 :可以把差动放大电路看成运放A的输入级。 输入信号加在T1的基极，要实现串联反馈，反 馈信号必然要加在B2。所以要实现串联电压反解既然是串联反馈, 反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性，见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。馈, Rf应接向B2。 图09.09 例题09.4电路图 解:求引入电压串联负反馈后的闭环电压增 益，可把差放和运放合为一个整体看待。 图09.09 例题09.4电路图为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输

14、入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为2bf1RRAvv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对通频带对通频带的影响的影响对输出对输出电阻的电阻的影响影响对输入对输入电阻的电阻的影响影响对增益对增益的影响的影响对非线性对非线性失真的影响失真的影响对噪声、对噪声、干扰和温漂干扰和温漂的影响的影响负反馈是改善负反馈是改善放大电路性能的重要技术放大电路性能的重要技术措施，广泛应用于放大电路措施，广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。和反馈控制系统之中。负反馈对增益的影响负反馈对增益的影响时，当反馈很深，即11FAFFAAXXAioF11 有反馈时增

15、益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。 引入深度负反馈后，放大电路的增益由反馈网络决定，与基本放大电路无关。负反馈对非线性失真的影响负反馈对非线性失真的影响 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，而对反馈环外产生的非线性失真不起作用。ViVo开环传输特性闭环传输特性动画9-3动画9-4负反馈对噪声的影响 负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用。负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用。nsVVNS2VnsAVVNS倍。信噪比提高2VAVVVVVSFAAAAVV212101VVVVnFAAAV2111负反馈对通频带的影响 加了负反馈之后，放大器的加了负反

16、馈之后，放大器的通频带变宽，通频带变宽，但放但放大器的大器的增益减小。即即增益与通频带之积为常数。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与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。1.1.串联负反馈使输入电阻增加串联负反馈使输入电阻增加iiiiiiifiiiif)1 ( )1 ( RFAIVFAIFAVVIVVIVRvvvvvv式中Ri =rid 。2.2.并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小oiifiiiif iVFIVIIVIVRivvvidvv1iiiiiiiFArFAIIV负反馈对输出电阻的影响 电压负反馈可以使输出电阻

17、减小，这与电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。以串联电压负反馈为例，有(1) 电压负反馈使输出电阻减小图09.12电压负反馈对输出电阻的影响 图09.12为求输出电阻的等效电路，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效电压Vo，并将输入端接地。于是有式中 是负载开路时的电压放大倍数。oooooooofoooiooo)1 (RFAVRVFAVRXAVRXAVIvvvvFARIVRvooooof1ovA 此处用XS=0 是因为考虑到电压并联负反馈时，信号源内阻不能为零，否则反馈信号将被信号源旁路。 XS=0 ，说明信号源内阻还存在。负载开路

18、(2) 电流负反馈使输出电阻增加 电流负反馈可以使输出电阻增加。 式中Ais是负载短路时的开环增益，即将负载短路，把电压源转换为电流源，再将负载开路的增益。 这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳定性就好。 电流并联负反馈为例，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的电压Vo，并令输入信号源为零，即VS =0。可得osfsisIFAXAXAiiiosoosoo)1 (IFAIIFARViiosooof)1 (RFAIVRi四种类型的负反馈放大电路电流并联负反馈电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈AfKfA电路类型)(iorIVA

19、ioiIIA )(SVIAiogiovVVA )(SVIkoffg)(iorfIVA)(offrIVk)(SVIAiogfoffvVVkoffiIIkiovfVVAioifIIA 负反馈类型的判别1. 输出端：看反馈信号是取自输出电压还是输出电流。如果取自输出电压电压反馈；如果取自输出电流电流反馈。2. 输入端：看整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系，如果是并联关系并联反馈；如果是串联关系串联反馈。3. 采用瞬时极性法:判断反馈信号是增强了基本放大器的输入信号还是削弱了基本放大器的输入信号，判断是正反馈还是负反馈。负反馈类型的判别负反馈类型的判别反

20、馈类型的判别输出端：反馈信号是取自输出电压电压反馈。电压反馈类型的判别输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是串联串联反馈电压 串联反馈类型的判别用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈电压 串联 负反馈iViVfV反馈类型的判别首先，输出端：反馈信号是取自输出电流电流反馈。电流反馈类型的判别输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是串联串联反馈电流串联反馈类型的判别电流串联用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈iViVfV负反馈反馈类型的判别输出端：反馈信号是取自输出电流电流反馈。电流反馈类型的判别电

21、流输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是并联并联反馈并联反馈类型的判别电流并联用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈iIfIiI负反馈反馈类型的判别输出端：反馈信号是取自输出电压电压反馈。电压反馈类型的判别电压输入端：整个反馈放大器的输入端、基本放大器的输入端、反馈网络的输出端，这三个端口之间的关系是并联并联反馈并联反馈类型的判别电压并联iIfIiI用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈正反馈反馈类型的判别电压串联负反馈iViVfV深度负反馈条件下的近似计算时，深度负反馈，即11FAFFAAXXAioF11ofVRRRV211211RRRVVFof

22、V1212111RRRRRFAVV1.增益表达式：121RRVVAioVioVRRV)1 (12同相比例电路2.虚短概念的运用在深度负反馈条件下，ofiVRRRVV211ioXXF121RRVVAioVioVRRV)1 (12ifXXFFAAXXAioF110ifidXXX虚短例：7.4.5电压并联负反馈电流串联正反馈电流串联负反馈例：7.4.5SoRFIVAfoIVfffIRIfR0ifRoofRR参考例7.4.3例：7.4.6基本放大电路有源反馈网络fV电压串联负反馈oV oVooVRRRV344oV ooVRRRV655 ooVRRRV565 ofVRRRV878ofVRRRRRRRRR

23、V878565434ioVFVVAfoVV865487543)()()(RRRRRRRRR负反馈放大电路的稳定问题负反馈放大电路的稳定问题负反馈对放大电路性能的改善取决于反馈深度FA1或环路增益FA的大小，FA值越大，电路的性能越好。 但是如果反馈过深，有时放大电路就不能稳定工作，而产生震荡现象，称电路自激。负反馈放大电路的自激及稳定工作的条件时，当01FA相当与放大倍数无穷大，电路无输入，放大电路也有输出，这时放大电路产生自激。 = 0 可写为1FAFA1相位条件幅度条件1|FA A+ F=(2n+1) ， n=0,1,2,3产生自激的条件相位条件幅度条件1|FAA+ F=(2n+1) ，

24、n=0,1,2,3负反馈放大电路要稳定工作就要破坏上述两个条件。要求在满足1|FAA+ F=(2n+1) ，的情况下 10.1 负反馈放大电路的自激条件10.2 用波特图判断负反馈放大电路的自激 负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是负反馈引入不当，会引起放大电路自激。为了使放大电路正常工作，必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法。10.1 10.1 负反馈放大电路的自激条件负反馈放大电路的自激条件 根据反馈的基本方程，可知当FA1= 0 时，相当放大倍数无穷大，也就是不需要输入,放大电路就有输出，放大电路产生了自激。 AAAFf=1相位条件相位条件幅度条件幅度条件1|FAAF=

25、 A+ F=(2n+1) n=0,1,2,3将 = 0 改写为1FAFA1 AF是放大电路和反馈电路的总附加相移，如果在中频条件下，放大电路有180的相移。在其它频段电路中如果出现了附加相移AF，且AF达到180，使总的相移为360，负反馈变为正反馈。如果幅度条件满足要求，放大电路产生自激。 在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所以F=0 ，AF = A+F= A。 图10.01是一个同相比例放大电路，其输入、反馈、净输入和输出信号的相位关系如图10.02所示。因运放输出与输入相移为0，若附加相移达到180 ，则可形成正反馈。 图图10.02 10.02 同相比例运算电路同相比例运算电路 矢量

26、图矢量图图图10.01 10.01 同相比例运算电路同相比例运算电路10.2 10.2 用波特图判断负反馈用波特图判断负反馈 放大电路的自激放大电路的自激10.2.1 10.2.1 波特图的绘制波特图的绘制10.2.2 10.2.2 放大电路自激的判断放大电路自激的判断10.2.3 10.2.3 环路增益波特图的引入环路增益波特图的引入10.2.4 10.2.4 判断自激的条件判断自激的条件10.2.110.2.1波特图的绘制波特图的绘制 有效地判断放大电路是否能自激的方法，是用波特图。不过前面波特图的Y 轴坐标是20lgA，单位是分贝，X 轴是对数坐标，单位是赫兹。有一个三极点直接耦合开环放

27、大电路的频率特性方程式如下)10j1)(10j1)(10j1 (107645idofffVVAv其波特图如图10.03所示，频率的单位为Hz。 图图10.03 10.03 以以20lg|Av |为为Y坐标的坐标的波特图波特图（动画动画10-110-1） 根据给定的频率特性方程，放大电路在高频段有三个极点频率fp1、fp2和fp3。105代表中频电压放大倍数（100dB），于是可画出幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线。总的相频特性曲线是用每个极点频率的相频特性曲线合成而得到的。 相频特性曲线的Y坐标是附加相移A。当A=180时，即图中的S点对应的频率称为临界频率fc。当f= fc时反馈信号与输入

28、信号同相，负反馈变成了正反馈，只要信号幅度满足要求，即可自激。10.2.210.2.2放大电路自激的判断放大电路自激的判断 加入负反馈后，放大倍数降低，频带展宽，设反馈系数F1=10-4，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=90，不满足相位条件，不自激。 进一步加大负反馈量，设反馈系数F2=10-3，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=135，不满足相位条件，不自激。 此时A虽不是180，但反馈信号的矢量方向已经基本与输入信号相同，已进入正反馈的范畴，因此当信号频率接近106Hz时，即P点时，放大倍数就有所提高。 再进一步加大反馈量，设反馈系数F3=10-2，闭环波特图与开环波特图交P点，对应的附加相移A=180。当放大电路的工作频率提高到对应P点处的频率时，满足自激的相位条件。 此时放大电路有 40 dB 的 增 益，AF=10010-2=1，正好满足放大电路自激的幅度条件，放大电路产生自激。10.2.310.2.3环路增益波特图的引入环路增益波特图的引入 由于负反馈的自激条件是 ，所以将以 2