第4章负反馈放大器

1、电子线路基础4.1 负反馈的基本概念负反馈的基本概念4.2 负反馈对放大器性能影响负反馈对放大器性能影响4.3 负反馈放大器的分析方法负反馈放大器的分析方法4.4 反馈放大器的稳定性反馈放大器的稳定性 第第 4 章章 负反馈放大器负反馈放大器返回主目录返回主目录电子线路基础4.1.1 什么是负反馈什么是负反馈4.1.2 负反馈放大器的基本类型与判断负反馈放大器的基本类型与判断4.1.3 反馈类型判别举例反馈类型判别举例 4.1 负反馈的基本概念负反馈的基本概念电子线路基础第第 4章章 负反馈放大器负反馈放大器4.1 负反馈的基本概念负反馈的基本概念 4.1.1 什么是负反馈什么是负反馈 图4

2、- 1示出了反馈放大器的方框图。 图中取出放大器的输出信号Xo的一部分或全部(称为取样)，通过反馈网络形成反馈信号Xf，和原来的输入信号Xi进行比较(矢量求和)，共同决定了基本放大器的输入信号X，即X中包含有输出信号Xo的成分。把输出信号回送到放大器输入端称为反馈。 由图可知： X=Xi-Xf。 电子线路基础图 4 1 反馈放大器的方框图 基本放大器X比较反馈网络反馈放大器取样XfXiXo电子线路基础 若反馈的结果使加到基本放大器输入端的信号减弱，即|X|Xi|-|Xf|，其结果使得输出信号也减弱，这种反馈称为负反馈，多用于改善放大器的性能；反之，若反馈的结果使得基本放大器输入端的信号增强，即

3、|X|Xi|+|Xf|，其结果使得输出信号增强，这种反馈称为正反馈，多用于振荡电路中。 如果Xi和Xf之间的相角既不是0也不是180，则统称为“复反馈”。实际上，常常把反馈只分为正反馈和负反馈两类。凡是|X|Xi|，就称为正反馈；反之，凡是|X|Xi|，就称为负反馈。 电子线路基础 4.1.2 负反馈放大器的基本类型与判断负反馈放大器的基本类型与判断 1. 电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈 根据输出端取样方式不同， 负反馈放大器可以分为电压反馈和电流反馈。 图4 - 2(a)和(b)示出了这两种反馈形式。图(a)中， 反馈网络输入端和基本放大器输出端以及负载电阻三者是并联关系，反馈信号Xf

4、与输出电压Uo成正比，称为电压反馈， 也称为并联取样。 图(b)中，反馈网络输入端、基本放大器的输出端以及负载电阻三者之间是串联关系，反馈信号Xf与输出电流Io成正比， 称为电流反馈，也称串联取样。 电子线路基础图 4 - 2输出回路取样方式(a) 电压反馈； (b) 电流反馈 基本放大器反馈网络RLUo(a)基本放大器反馈网络RL(b)Io电子线路基础 当负载电阻一定时， 输出电流与输出电压成正比，这时反馈信号既和输出电流成正比，也和输出电压成正比。然而， 在一般情况下，负载并不是始终保持不变的(如负载是一阻抗 它将随频率的变化而变化)，这时输出电流和输出电压就不成正比例关系，因此电压反馈与

5、电流反馈是不一样的。 由图4 - 2可知，判别是电压反馈还是电流反馈， 可以根据反馈网络输入端、基本放大器的输出端及负载连接方式判断； 也可以将负载RL短路(作为一种方法介绍，实际不宜短路)， 若反馈消失，则为电压反馈，如果将负载RL(应理解为交流等效负载电阻)开路，反馈消失，则为电流反馈。这里需要注意的是，短路比较容易掌握，开路不易掌握。若用短路已能判断， 就不要再将负载RL开路了。 电子线路基础 2. 串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈 根据输入端比较方式的不同可以分为串联反馈与并联反馈， 如图4 - 3所示。图(a)中，反馈网络输出端和信号源以及基本放大器的输入端三者构成串联关系，称为

6、串联反馈，也称串联比较。 此时输入回路的 3 个信号均为电压信号。对于串联反馈， 要求输入信号源应接近恒压源。若输入信号源为恒流源，则U为一确定值，与Uf无关，即反馈无效。 图(b)中，反馈网络输出端和信号源以及基本放大器的输入端三者构成并联关系，称为并联反馈，也称并联比较。此时输入回路的 3 个信号均为电流信号。对于并联反馈，要求输入信号源应接近恒流源，若输入信号源为恒压源，则Is为一确定值， 与If无关，即反馈无效。 电子线路基础 由图4 - 3可知， 判别是串联反馈还是并联反馈， 可以直接根据信号源、基本放大器与反馈网络的连接方式确定； 也可将反馈放大器的输入端短路，这时如果反馈信号作用

7、不到基本放大器的输入端，则为并联反馈，若反馈信号仍能作用到基本放大器的输入端，则为串联反馈。 综上所述， 负反馈放大器可以分为表4 - 1列出的4种类型(也称基本组态)， 它们的组成方框图如图4 - 4所示。 电子线路基础 图 4 - 3比较方式 (a) 串联比较； (b) 并联比较 基本放大器反馈网络Us(a)IiURsUiUf基本放大器反馈网络(b)If1IiIsRs电子线路基础电子线路基础电子线路基础 4.1.3反馈类型判别举例反馈类型判别举例 判别反馈类型的一般步骤是：通常首先判别是电压反馈还是电流反馈，然后判别是串联比较还是并联比较(反馈信号是电压还是电流)， 最后判别是正反馈还是负

8、反馈。 前面已经介绍了如何判别电压、电流反馈以及串联、并联反馈的方法。对于正、负反馈极性的判别一般采用瞬时极性法， 即首先假设输入信号的瞬时极性，分析反馈信号的实际极性， 然后比较两者之间的相位关系即可分清是正反馈还是负反馈。 图4 - 5举例示出了4种类型的负反馈放大器， 下面仅以图4 - 5 ( c)为例进行判别，对于图4 - 5(a)、 ()和(d)所示电路，请读者自行分析。 电子线路基础 图 4 5 4种类型负反馈放大器举例(a) 电压串联负反馈； (b) 电流并联负反馈； (c) 电压并联负反馈； (d) 电流串联负反馈 UiRfRRLUo(a)IiRfRRLUoUiIo(b)UiR

9、RLUoIo(d)IiRfRLUoUiIo(c)电子线路基础 为了便于理解，将图4 - 5(c)改画为图4 - 6。将输出端短路， 反馈消失，所以是电压反馈。由图可见，输入为并联比较， 反馈信号为电流。 假设输入电流的实际极性为流入，于是Ui的实际极性为上“+”下“-”， 而此时输出电压的实际极性为上“-”下“+”，显然流入基本放大器的电流I一定小于Ii，故为负反馈。这样就判断出了图4 - 6电路为电压并联负反馈电路。 电子线路基础图 4 6 图4 - 5(c)反馈类型的分析IiRfRLUoUiIfI电子线路基础4.2.1 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性4.2.2 展宽了通频带展宽了

10、通频带4.2.3 减小了非线性失真减小了非线性失真 4.2.4 抑制了内部噪声和干扰抑制了内部噪声和干扰4.2.5 对输入电阻的影响对输入电阻的影响4.2.6 对输出电阻的影响对输出电阻的影响 4.2 负反馈对放大器性能影响负反馈对放大器性能影响电子线路基础4.2 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响 4.2.1 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 对于图4 - 1，基本放大电路放大倍数(称为开环增益)A为 A= (4 - 1) 反馈网络的反馈系数B为 B= 由于X=Xi-Xf，则 Xo=A X=A(Xi-Xf)=A(Xi-BXo) 即 XXOofXX电子线路基础)()(oi

11、fiOBXXAXXAAXX 这是描述反馈放大器闭环增益与开环增益的基本关系式， 对于任何一种反馈均适用，这也是分析反馈问题的出发点。 由式(4 - 3)可见， 闭环增益与(1+AB)有关。定义 F=1+AB (4 - 4) 若|F|1，则|Af|10时的反馈， 称为深反馈。在满足深反馈的条件下，有电子线路基础ABAXXAiOf1 在深反馈时， 由式(4 - 5)可见， 闭环增益Af与基本放大器参数A无关，消除了原放大器参数变化时对Af的影响，提高了闭环增益Af的稳定性。 由式(4 - 3)可得AAdFABAAdAAdff111 它说明了反馈放大器和基本放大器放大倍数相对变化量之间的关系。由于负

12、反馈时有|F|1，则闭环增益的相对变化量小于开环增益的相对变化量。因而，引入负反馈提高了放大倍数的稳定性。 电子线路基础 应当指出，对于不同类型的负反馈， 由于取样信号、比较信号的不同，A、B、Af所表示的含义是不同的，如表4 - 2所示。也就是说不同类型的负反馈，其稳定量是不同的。 对于电压串联负反馈，由于稳定量是闭环电压增益，而信号源接近恒压源，故输出电压是稳定的。稳定过程是，假设由于某种原因使Au增大，这就引起输出电压Uo的增大，通过反馈网络，反馈电压Uf也增大了，使得控制电压U减小， 于是输出电压Uo减小，结果使Uo增大不多。为了便于理解， 上述过程可以表示为 电子线路基础电子线路基础

13、 AuUoUfU(Ui一定) Uo 对于电流串联负反馈，由于稳定量是闭环互导增益，而信号源接近恒压源，故输出电流是稳定的。稳定过程是，假设由于某种原因使Ag增大，这就引起输出电流Io增大，通过反馈网络，反馈电压Uf也增大了，使得控制电压U减小，导致Io下降，结果使Io增大不多。上述过程可表示为 AgIoUfU(Ui一定) Io电子线路基础 对于电压并联负反馈，由于稳定量是闭环互阻增益，而信号源接近恒流源，故输出电压是稳定的。稳定过程是，假设由于某种原因使Ar增大，这就引起输出电压Uo增大，通过反馈网络，反馈电流If也增大了，使得控制电流I减小，于是Uo下降，结果Uo增大不多。上述过程可表示为

14、ArWBUoIfI(Ii一定) Uo 对于电流串联负反馈，由于稳定量是闭环互导增益，而信号源接近恒压源，故输出电流是稳定的。 电子线路基础 稳定过程是，假设由于某种原因使Ai增大，这就引起输出电流Io的增大，通过反馈网络，反馈电流If也增大了，使得控制电流I减小，于是输出电流Io减小，结果使Io增大不多。 上述过程可表示为 AiIoIfI(Ii一定) Io 由此可见，引入电压负反馈，可以使输出电压稳定；引入电流负反馈，可以使输出电流稳定。引入何种类型负反馈， 要视具体情况而定。 电子线路基础 例4 1 在图4 - 7(a)所示的多级放大器中，试说明为了实现以下几个方面的要求，应该分别引入什么样

15、的负反馈，并标出反馈途径。 (1) 接输出负载RL后，电压放大倍数比较稳定。 (2)加信号后，IC3的数值不受RC3改变的影响。 解(1) 由于输入电压Us稳定，只要输出电压Uo稳定，放大倍数也就稳定了。要稳定输出电压Uo，必须引入电压反馈。 至于是并联反馈还是串联反馈，取决于具体的电路形式。电子线路基础 对该电路而言，在电压反馈的前提下，只能接成并联形式，才能保证是负反馈。所以，在接上输出负载RL后，为了使电压放大倍数比较稳定，需要在b1、 c3之间接入一电阻Rf以引入电压并联负反馈，使输出电压Uo比较稳定。 而Ui是一定的，故使电压放大倍数比较稳定。顺便指出， 为避免引入的反馈影响直流工作

16、点，应加一由电阻和一大电容的串联网络，如图4 - 7(b)所示。 (2) 要稳定IC3，即保持输出电流不变，应引入电流负反馈。对于该电路，要保证是负反馈，只能引入电流串联负反馈， 即在e1、e3之间接入一电阻Rf，如图4 -7(c)所示。 电子线路基础电子线路基础 4.2.2 展宽了通频带展宽了通频带 图4 - 8清晰地表明了负反馈展宽频带的作用。 设基本放大器原来的频率特性|Au|f, 其带宽为fbw。负反馈放大器相当于插入了等效衰减网络, 其频率特性(1/Fu)f的样子是倒过来的|Au|f。两种频率特性曲线综合的结果, 使放大倍数下降, 但同时使频带展宽, 即fbwffbw。 下面推导带宽

17、与F的关系。以高频特性为例, 设基本放大器为一单级共射放大器, 其高频特性为电子线路基础图4-8 同等效衰减网络说明频带展宽UUiUoOfFu1OfAuOffbwfbwfflfhflffhfAuf电子线路基础humuhffjAA1huumumuhumhumuuhuhuhfffjBAABffjAffjABAAA11111hfumfuumhuumumffjABAffjBAA1)1 (11则电子线路基础uumumumfBAAA1 fhf=(1+umBu)fh 若基本放大器的低频特性为ffjAAumhf11则同理可得uumfBAfA111于是 fbw=fhf-flffhf=(1+AumBu)fh电子线

18、路基础 4.2.3 减小非线性失真减小非线性失真 当放大器工作在大信号时, 不可避免地存在非线性失真。 图4 - 9(a)中，设基本放大器的输入信号为正弦信号时, 输出电压波形的正半周大些, 而负半周小些（为方便起见, 设基本放大器输出电压与输入电压同相, Au为正值）。如果我们设法使加到基本放大器输入端的信号波形的正半周小而负半周大, 这在一定程度上弥补了基本放大器正负半周放大能力不对称的缺陷, 使输出波形变好。负反馈减小非线性失真的原理就在于此。 电子线路基础图 4 9 负反馈减小非线性失真原理（a） 无反馈; （b） 有负反馈 基本放大器uiuo(a)(b)基本放大器us反馈网络ufuo

19、ui电子线路基础 由图(b)可知, 由于输出电压uo波形上大下小, uf波形自然也是上大下小, 而u=ui-uf，相减的结果使得u波形变成上小下大, 通常称基本放大器输入信号u的失真为预失真。 而这种预失真的信号经过放大后, 可以得到接近于不失真的信号。这里需要指出的是，必须在保持相同输出电压的情况下, 这种比较才有意义。为此必须在负反馈放大器前增加一级或数级放大器来提高输入信号ui, 这正是为减小非线性失真所付出的代价。 从上面分析负反馈改善非线性失真的原理来看, 要想使输出电压绝对不失真是不可能的。电子线路基础 反馈放大器的非线性失真之所以减小, 是因为基本放大器输入端得到了预失真的信号,

20、 而这正是因为输出电压有非线性失真的缘故。 负反馈改善非线性失真可如图4 - 10所示。 图4 - 10(a)是没有引入负反馈时的情形， 图4 - 10(b)是引入了负反馈时的情况， 由此可见引入负反馈可以显著地改善非线性失真。 电子线路基础 图 4 - 10负反馈减小非线性失真举例（a） 无负反馈电路及输出电压uo波形; （b）有负反馈电路及输出电压uo波形 电子线路基础 4.2.4 抑制内部噪声和干扰抑制内部噪声和干扰 放大器除放大有用信号外, 在放大过程中还会产生噪声, 如晶体管噪声、电阻热噪声等。噪声对有用信号的干扰， 通常用信噪比来衡量。 引入负反馈后，输出噪声电压和输出电压同时减小

21、，信噪比并没有得到提高，如图4 -11(b)所示。但输出信号的减小可以通过提高输入信号来弥补，而内部噪声则是固定的，如图4 - 11(c)所示。这样就可以提高输出信噪比。但输出信号的减小可以通过提高输入信号来弥补， 而内部噪声则是固定的，如图4 - 11(c)所示。这样就可以提高输出信噪比。 电子线路基础图 4 - 11负反馈减小噪声(a) 无负反馈时输出信号和噪声； (b) 有负反馈时输出信号和噪声； (c) 加大输入信号， 有负反馈时输出信号和噪声 (a)(b)(c)电子线路基础 当放大器内部受到干扰的影响时, 同样可以引入负反馈加以抑制。但是, 如果干扰混杂在输入信号中, 则这种办法将无

22、济于事。 综上所述, 负反馈之所以能改善放大器的质量指标, 关键是通过X的自动调节作用来实现的。负反馈只能改善反馈环节内的性能, 而不能改善反馈环节外的性能。负反馈虽然改善了放大器的性能, 但是付出了代价, 使放大倍数下降。 电子线路基础 4.2.5 对输入电阻的影响对输入电阻的影响 由负反馈的定义知： Xi=X+Xf=(1+AB)X=F X (4 - 14) 即对串联负反馈有 Ui=F U (4 - 15) 对并联负反馈有 Ii=F I (4 - 16) 现在来分析引入串联、 并联负反馈后它们对输入电阻的影响。 电子线路基础 1. 串联负反馈串联负反馈 由图4 - 3(a)可得基本放大器输入

23、电阻Ri为iiIUR 闭环输入电阻Rif为iiifIUR 将(4 - 15)式代入得 Rif= iiFRIFU 可见，引入串联负反馈使放大器的输入电阻增加， 为基本放大器输入电阻的F倍。 电子线路基础 2. 并联负反馈并联负反馈 由图4 - 3(b)可得基本放大器输入电阻Ri为IURi 闭环输入电阻Rif为iifIUR将式(4 - 16)代入得FRFIURiif电子线路基础 4.2.6 对输出电阻的影响对输出电阻的影响 1. 电压负反馈电压负反馈 图4 - 12所示的方框图可用来分析电压负反馈对输出电阻的影响。图中，Ao为负载开路时的开环放大倍数；B为反馈系数。 需要说明的是，对于串联反馈，A

24、o为Auo， B为Bu；对于并联反馈，Ao为Aro，B为Bg。 在没有引入负反馈时， 根据输出电阻的定义， 应有Xi=0，则AoX=AoXi=0，故图中Ro即为基本放大器输出电阻。由图4 - 12可得负载开路时输出电压Uoo的表达式为电子线路基础图 4 12 电压负反馈时分析输出电阻方框图电子线路基础 Uoo=AoX=Ao(Xi-Xf)=AoXi-AoBUoo即图4 - 12的开路电压Uoo为 Uoo= BAXAOiO1图4 - 12的短路电流Ios为 Ios= OiOOORXARXA则闭环输出电阻Rof为BARIUROOosOf1电子线路基础 由此可见， 引入电压负反馈后， 使得输出电阻下降

25、， 为基本放大器输出电阻的1/(1+AoB)倍。 2. 电流负反馈电流负反馈 图4 - 13示出了分析电流负反馈对输出电阻影响的方框图。 图中As是指负载短路时开环放大倍数，B为反馈系数。对于串联反馈，As为Ars，B为Bg；对于并联反馈，As为Ais，B为Bi。 同上所述，Ro为基本放大器输出电阻。 由图4 - 13可得开路电压Uoo为Uoo=AsXRo=As(Xi-Xf)Ro=AsXiRo 电子线路基础图 4 13 电流负反馈时分析输出电阻的方框图 电子线路基础 短路电流Ios为Ios=AsX=As(Xi-Xf)=As(Xi-BIos)即 Ios= (4 - 27) 因此闭环输出电阻Rof

26、为 Rof= 由此可见， 引入电流负反馈后，使得输出电阻增加，为基本放大器输出电阻的(1+AsB)倍。 BAXAsis1OsRBAIU)1 ( 电子线路基础 输出阻抗的大小反映了当负载变化时，其输出电压或输出电流的稳定程度。若输出阻抗很小，则当负载变化时，放大器的输出电压比较稳定；反之，若输出阻抗很大，则当负载变化时，放大器的输出电流就比较稳定。由前面的分析已经知道， 电压负反馈能使输出电压比较稳定，这就意味着输出阻抗的减小；电流负反馈能稳定输出电流，这就意味着输出阻抗的增加。 需要指出的是，在分析负反馈对输出电阻的影响时，将信号源当作理想的信号源，即没有考虑信号源内阻的影响；若考虑信号源内阻

27、Rs的影响，只要将上述的放大倍数Ao或As用考虑了信号源内阻时的放大倍数AsO或Ass代替即可。 电子线路基础 最后需要强调指出的是，本节导出反馈放大器与基本放大器之间的基本公式基于下面个假定： (1)信号从输入端传送到输出端只通过基本放大器， 不通过反馈网络。 (2)反馈信号从输出端传送到输入端只通过反馈网络， 不通过基本放大器。 (3)反馈系数与信号源内阻及负载电阻无关。 考虑到上述个假定，在计算反馈系数时，若是串联负反馈，应令反馈放大器输入端开路；若是并联负反馈，应令反馈放大器输入端短路。 电子线路基础4.3.1 近似分析方法近似分析方法4.3.2 计算机辅助分析法计算机辅助分析法 4.

28、3 负反馈放大器的分析方法负反馈放大器的分析方法电子线路基础4.3 负反馈放大器的分析方法负反馈放大器的分析方法 4.3.1 近似分析方法近似分析方法 式(4 - 5)就说明了满足深反馈条件下闭环增益的估算，反馈放大器的闭环增益Af由反馈系数B决定。要注意的是，不同类型的反馈，其闭环增益Af和反馈系数B的含义不同。对于电压串联负反馈，uiOufBUUA1 对于电流并联负反馈, iiOifBIIA1电子线路基础giOrfBIUA1对于电压并联负反馈, 对于电流串联负反馈, Agf= riOBUI1 通常，我们需要知道的是电压放大倍数，这样除电压串联负反馈外，对于其他类型的电路，都需要经过转换才能

29、计算出电压放大倍数。 例 4 2 试计算图4 - 5(a)所示电压串联负反馈放大器在深反馈条件下的闭环电压增益Uo/Ui。 电子线路基础uiOufBUUA1fofuRRRUUB而RRBAfuuf11 例 4 3 试计算图4 -14(a)所示电流并联负反馈放大器在满足深反馈条件下的闭环电压增益。 解 考虑到并联负反馈比较电流, 要求信号源尽可能接近恒流源。为方便分析, 先将图4 -14(a)改画成图4 - 14(b)。在深反馈条件下, 利用式（4 - 30）可得: 电子线路基础图 4 14 例4 -3电路图 (a)IiRfRRLUoUiIoIfUsRsRfRRLUoIoRsRsUsIiIf(b)

30、电子线路基础iifBA1iiifRRRBA1RRBAfiif11SLsosoRRIIUU 考虑到F10时，Rif很小，有RifRs，则IiIs，于是得SLfSLifsoRRRRRRAUU)1 ( 电子线路基础 例 4 4 若将图4 -5（c）的输入信号源改为具有内阻Rs, 开路电压Us的信号源, 试计算电压并联负反馈放大器在满足深反馈条件下的闭环电压增益Uo/Us。 解 参照例4 -3, 将输入信号源转换成电流源形式。由式（4 - 31）不难得到: grfBA1fofgRUIB1而则fgrfRBA1电子线路基础又SSosoRIUUU同理在F10 时，Rif很小，有RifRs，则IiIs，于是得

31、SfSrfsoRRRAUU1 例 4 -5试计算图4 -5(d)所示电流串联负反馈放大器在深反馈条件下的Uo/Ui。 解由式（4 -32）得 rgfBA1电子线路基础RIUBofrRBArgf11则RRRAURIUULLgtiLoiO 上面4个例题, 已将具体的放大器电路加以抽象, 用三角形表示。对于分立元件构成的具体反馈放大器, 其计算方法是完全一样的, 但要注意应将RL理解为等效交流负载电阻。下面以图4 - 15为例进行说明 图4 -15（a）所示电路, 是两级电压串联负反馈电路, 反馈网络由R9和R10组成。在深反馈条件下电子线路基础图 4 15 分立元件构成的4种负反馈放大器分析举例

32、C11.2FUiR1100k R312kR2R9150R43.9k 12kC2C315FR5100k R712kR633kR83.9k C615FC50.15FC4250FRL120k ECC1UiRc4.7k Rf15kRc15.1k Re25.1k Rc210kRLUo ECC210kUoR10UiRc1 ECRc2Rc3RbRfUo(a)(b) ECC1RbRc1Re1Rc2Rc3C3UiRfRe2Ce2Re3RLUoIo(c)(d)电子线路基础 图4 -15（b）所示电路, 是两级电流并联负反馈电路, 反馈网络由RE2和Rf组成。在深反馈条件下因为15. 01215. 019109RR

33、RUUBAfouuf 图4 -15（c）所示电路, 是三级电压并联负反馈电路, 反馈网络由Rf和RB组成。在深反馈条件下9 . 31 . 5151 . 5122EfEfoiufRRRIIBA1 . 47 . 410/109 . 3/)/(22cLcifcSLCoioRRRARIRRIUU电子线路基础 图4 -15（d）所示电路, 是三级电流串联负反馈放大器, 反馈网络由RE1, RE3和Rf组成。在深反馈条件下 313111EEEfEEfOfogfRRRRRRIIUIBA313133)/()/(EEfEELcgfiLciORRRRRRRAURRIUU电子线路基础 4.3.2 计算机辅助分析法计

34、算机辅助分析法 下面用一例题来说明计算机辅助分析法。 例4 - 6某两级反馈放大器如图4 - 16（a）所示，设晶体管参数hie1=2.4 k，hie2=1.5k， hfe1=hfe2=50，hoe1=hoe2=510-6，试计算Uo/Ui。 解根据晶体管的小信号模型，画出放大器的微变等效电路， 如图4 - 16（b）所示。在图上标出节点的号数（带圈数字）， 并规定各支路的参考方向，就可以用PSPICE程序进行分析， 结果如图4 - 16(c)所示。 电子线路基础图 4 16 例4 - 6电路图电子线路基础图 4 16 例4 - 6电路图电子线路基础图 4 16 例4 - 6电路图电子线路基础

35、4.4.1 反馈放大器的稳定判据反馈放大器的稳定判据4.4.2 反馈放大器的稳定裕度反馈放大器的稳定裕度4.4.3 相位补偿技术相位补偿技术4.4 反馈放大器的稳定性反馈放大器的稳定性电子线路基础4.4 反馈放大器的稳定性反馈放大器的稳定性 由前面的分析知道，引入负反馈后可以改善放大器的性能, 而且反馈越深, 即F越大, 改善的程度就越好，但另一方面, 反馈越深, 放大器却越不易稳定。在式(4 -3)中我们分析过, 放大器引入负反馈后其闭环增益为 Af= 上式中，当1+AB=0时, 则Af=。这意味着即使不加输入信号, 放大器也有信号输出,这种现象称为放大器自激。自激的条件是 AB= -1 (

36、4 -33)ABA1电子线路基础 反馈放大器为什么会产生自激呢? 其实, 我们所说的负反馈是指，在特定的频段(如中频段), 放大器的反馈信号与输入信号的相位刚好差180。当频率升高和下降时(如高、 低频段), 由于放大器和反馈网络都会产生附加相移, 导致反馈信号与输入信号相位差不再是180。若在某一频率处, 满足式（4 -35）, 则放大器的反馈信号与输入信号同相, 变成正反馈。如果这时又满足式（4 -34）, 则放大器就将成为自激振荡器, 不能稳定工作。放大器级数越多, 附加相移越大, 越易产生自激。 电子线路基础 4.4.1 反馈放大器的稳定判据反馈放大器的稳定判据 判断反馈系统是否稳定的

37、根据或准则称为稳定判据。 我们这里介绍频率判据法, 即根据式（4 -35）, 用反馈放大器频率特性波特图来判断放大器是否自激的方法。 由式（4 -35）给出的自激条件, 我们知道当相位条件得到满足之后, 在绝大多数情况下, 只要|AB|1, 放大器就将产生自激振荡, 其输出正弦波的幅度逐渐增大, 直至进入管子非线性工作区域, 从而限制了输出幅度, 形成等幅振荡。为了判别一个反馈放大器是否稳定, 我们只需要研究环路增益AB的幅频特性和相频特性波特图(见图(4 -17)。 为此我们首先定义: 电子线路基础 相位交界角频率, 在此角频率处,()=180; c增益交界角频率, 在c处, 环路增益|AB

38、|=1, 即20 lg|AB|=0 dB。 有了和c, 我们就很容易判断其稳定性了。对于图4 -17(a), 当=时, 20lg|AB|0dB, 所以电路将产生自激振荡。 也可以用c来判断, 当=c时, 若| (c)|180, 则电路将产生自激振荡。或者说，若环路增益的幅频特性和相频特性满足c时, 该电路就自激, 如图4 - 17（a）所示; 反之, 当c时, 电路就不自激, 如图4 - 17（b）所示电子线路基础图 4 -17环路增益的幅频特性和相频特性（a） 自激; （b） 不自激 c20406020lg AB /dB90180m/ o (c) 180 c20406020lg AB /dB

39、90180 m0 / oGm c0000 (c) 180(a)(b)电子线路基础 4.4.2 反馈放大器的稳定裕度反馈放大器的稳定裕度 对于一个稳定的反馈系统, 不仅要求不进入自激状态, 而且要求远离自激状态, 以保证当环境温度、电路参数及电源电压等因素发生变化时也能稳定地工作。为了衡量稳定性能的好坏, 引出两个质量指标。 （1）相位裕度m。当=c时, 若| (c)|180, 反馈放大器才稳定。通常用相位裕度m来表示稳定的程度。它定义为m=180-|(c)| (4 -36) 对于稳定的反馈放大器, |(c)|0。m越大，电路越稳定, 通常要求m45。 电子线路基础 （2） 增益裕度Gm。前面分

40、析表明, 当=时, 若20lg|AB|0dB, 放大器才能稳定地工作。 我们用增益裕度来表示稳定的程度, 它定义为 Gm=20lg|AB|=(dB) (4 -37) 显然, 对于稳定的反馈放大器, Gm为负值。Gm越负越稳定。通常要求Gm-10 dB。 上面是用环路增益的幅频特性和相频特性来分析反馈放大器的稳定性。对于大多数情况,反馈网络是由电阻组成的, 于是我们可以直接利用开环增益的幅频特性和相频特性来分析闭环增益的稳定性。 电子线路基础 在开环增益的幅频特性(见图4 -18（a）)上做出一条20 lg(1/|B|)的水平线, 它与开环增益幅频特性相交于D点。在该点满足|AB|=1, 它所对

41、应的频率为c。如果这时对应的相频特性| (c)|180, 因此该反馈放大器是不稳定的。 为了使该放大器能稳定地工作, 必须使附加相移值|180。一个简单的办法就是减小反馈系数|B|。究竟B取多大为好呢？电子线路基础图 4 19 例4 -7的开环频率特性 020406066800.010.1 0.215 10Df/MHz 60dB/10倍 频 程M 40dB/10倍 频 程 20dB/10倍 频 程0.010.1110 270 240 135 900Mf/MHzD/o电子线路基础 这应根据相位裕度的要求来定。 如本题中要求m=45, 即=-135。从相频特性上找到=-135的点M, 并在幅频特性

42、找到对应的点M, 过M点作水平线20 lg(1/|B|), 与纵坐标相交于66dB处,于是|B|=B0=1/1995.31/2000=510-4, 可见当B0从0.1减小到510-4时, 放大器就由自激状态转变为稳定工作状态, 且具有45的相位裕度。不过由于B0减小,将使负反馈减弱, 对改善放大器性能不利。 通过例 4 -7的分析, 我们可以得到下面几点结论: （1）负反馈越强（即|B|越大), 反馈放大器越容易产生自激振荡。 电子线路基础 （2） 放大器的开环增益函数的对数幅频特性曲线在以-20 dB/10倍频程的速率下降的一段内, 其附加相移|max通常小于180。所以, 如果20lg(1

43、/|B|)的水平线与-20dB/10倍频程下降线段相交, 则说明放大器闭环工作是稳定的。 如果开环增益函数的幅频特性在0dB 以上的下降速率都为-20 dB/10倍频程（单级放大器高频增益函数uh=Aum/1+j(f/fh)）, 则无论反馈系数（|Bmax|=1）多大, 反馈放大器肯定不会自激。 （3）当极点频率重合时, 容易自激。 对于三重极点， 要求A0B08，对于四重极点，要求A0B04，反馈放大器才能稳定地工作。 电子线路基础 4.4.3 相位补偿技术相位补偿技术 我们知道，在放大器中引入负反馈是为了改善放大器的性能。反馈越深，放大器的性能越好，同时也越易自激；减弱反馈深度， 有利于放

44、大器的稳定。可见改善放大器的性能和提高放大器的稳定性二者存在着矛盾。为此，要寻求一种方法， 使放大器既有足够的反馈深度，又不产生自激振荡，这就需要采用相位补偿技术。 相位补偿技术的基本思想是, 设法拉开开环增益函数第一个极点频率和第二个极点频率之间的频率间隔, 也就是加长开环增益函数幅频特性波特图以-20 dB/10倍频程速率下降的那一段的宽度, 如图4 -20中曲线所示。 电子线路基础图 4 -20补偿的基本原理(a) 补偿前开环增益; (b) 加补偿电容C; (c) C足够大, 成为全补偿020lg AfGo20lgBo1fp1fp1fp1fp2fp320dB/10倍频程40dB/10倍频

45、程60dB/10倍频程电子线路基础 1 滞后补偿滞后补偿 1) 主极点补偿 这是一种最简单的补偿方法，它将一补偿电容C并接到基本放大器中产生第一个极点频率fp1的回路上(如图4 - 21(a)所示)，把第一个极点频率压低到fp1，如图4 - 20中曲线所示。根据两个极点之间幅频特性以-20dB/10倍频程的速率下降的特点，不难写出0121lg20lg20GBffopp式中， G0=20 lg|A0|， B0=B。 电子线路基础图 4 - 21主极点补偿电路(a) 电路图； (b) 等效电路 电子线路基础 对于全补偿情况，上式变为(图4 - 20中曲线所对应的fp1应理解为fp1)。 20 (4 - 39) 由图4 - 21(b)可知， 在未接入补偿电容C时， 它的极点频率fp1为 fp1= 式中R1为等效电阻，它是本级输出电阻和下一级输入电阻的并联值，C1为等效电容。当接入补偿电容C后，其极点频率下降为012lgGffpp011212GCRffpp)(2111CCR电子线路基础 由于R1、C1及fp1都已知，则根据上式可