第6章 负反馈放大电路

1、第第6 6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路 6.1 概述 6.2 负反馈放大电路的框图和一般 关系 6.3 负反馈对放大电路性能的影响 6.4 负反馈放大电路的稳定性 6.1.1 6.1.1 反馈的基本概念反馈的基本概念 6.1.2 6.1.2 反馈的分类反馈的分类 6.1.3 6.1.3 负反馈的四种组态负反馈的四种组态6 6.1 概述概述6.1.1反馈的基本概念反馈的基本概念 什么是反馈？ 首先看右图:图中Re两端的电压反映出输出回路中的电流大小和变化ic iE vE (=iERe) vBE (=vB-vE) iB ic (iE) ic ie 由此得反馈的概念：由此得反馈的概念： 在放大

2、电路中信号的传输是从输入端到输在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端，这个方向称为出端，这个方向称为正向传输正向传输。反馈反馈就是将输就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的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。放大电路的输入端。6.1.2 反馈的分类和判断反馈的分类和判断 正反馈正反馈:加入反馈后，净输入信号增大加入反馈后，净输入信号增大, ,输出输出幅度增大，等效增益增大幅度增大，等效增益增大. .负反馈负反馈: :加入反馈后，加入反馈后，净输入信号减小净输入信号减小 ，输出幅度减

3、小输出幅度减小 ，等效增益，等效增益下降下降. 判断方法判断方法: 根据反馈极性的不同根据反馈极性的不同:即先假定输入即先假定输入信号为某一个瞬时极性，然后逐级推出电路其信号为某一个瞬时极性，然后逐级推出电路其他有关各点瞬时信号的相位变化，最后判断反他有关各点瞬时信号的相位变化，最后判断反馈到输入端信号的瞬时极性是增强还是削弱了馈到输入端信号的瞬时极性是增强还是削弱了原来的输入信号原来的输入信号。1. 正反馈和负反馈正反馈和负反馈举例举例:判断下列图判断下列图(a)与与(b)何为正反馈何为正反馈?何为负反馈何为负反馈?输入电压输入电压vI加在集成运放的反相加在集成运放的反相端端(-)且设瞬时极

4、性为正且设瞬时极性为正( ，代代表该点瞬时信号的变化为增大表该点瞬时信号的变化为增大);则输出电压的瞬时极性为负则输出电压的瞬时极性为负(，该点瞬时信号的变化为减小该点瞬时信号的变化为减小);而而反馈电压反馈电压vF由输出端通过电阻由输出端通过电阻R1、R3分压后得到，因此，反分压后得到，因此，反馈电压馈电压增强了输入电压的作用，增强了输入电压的作用，使放大倍数提高使放大倍数提高。 输入电压输入电压vI加在集成运放的同相加在集成运放的同相端端(+)且设瞬时极性为正且设瞬时极性为正( ,代代表该点瞬时信号的变化为增大表该点瞬时信号的变化为增大);则输出电压的瞬时极性也为正则输出电压的瞬时极性也为

5、正( ,该点瞬时信号的变化为增该点瞬时信号的变化为增大大);而反馈电压而反馈电压vF由输出端通过由输出端通过电阻电阻R3、R4分压后得到，因此，分压后得到，因此，反馈电压反馈电压消弱了输入电压的作消弱了输入电压的作用，使放大倍数提高降低用，使放大倍数提高降低。 对分立元件而言，对分立元件而言，C与与B极性相反，极性相反，E与与B极性相同。极性相同。对集成运放而言，对集成运放而言， uO与与uN极性相反，极性相反， uO与与uP极性相同。极性相同。以以电压求和电压求和或以或以电流求和电流求和判断净输入信号是增加或减小。判断净输入信号是增加或减小。判断方法：判断方法：根据反馈量本身的交、直流性质。

6、根据反馈量本身的交、直流性质。直流反馈：直流反馈：反馈量只包含直流量；反馈量只包含直流量；交流反馈：交流反馈：反馈量中只反馈量中只有交流量；有交流量；交直流反馈：交直流反馈：如果反馈量既有直流量又有交流如果反馈量既有直流量又有交流量。量。2. 直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈举例：举例：判断下列图判断下列图(a)与与(b)何为直流反馈何为直流反馈?何为交流反馈何为交流反馈?在图所示的运放电路中，Rf和Cf网络是通高频、阻低频的网络，网络中R2上只有直流成分，因此是直流反馈。 在图所示的运放电路中，Rf和Cf只有交流成分通过，因此，这个反馈是交流反馈。 直流反馈的作用能稳定静态工作点，而对于

7、放大电路的动态参数(如放大倍数、通频带、输入及输出电阻等)没有影响；而交流负反馈对放大电路的动态参数会产生不同的影响，是改善电路技术指标的主要手段，也是本章要讨论的主要内容。3.电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈电压反馈：电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比例；电流反馈：电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比例。电压反馈与电流反馈的判断：电压反馈与电流反馈的判断：将输出电压短路，若反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。举例：举例：判断下列图判断下列图(a)与与(b)何为电压反馈何为电压反馈?何为电流反馈何为电流反馈?R1上的反馈电压vF是运放的输出电压vo，经R1、

8、Rf、Cf网络分压得到，说明反馈量与取自输出电压vo，为电压反馈。或者，将输出端短路，则vF=0，也就说反馈量不存在。Rf、Cf网络中流过的电流iF=io，为电流反馈。或者，将输出端短路，反馈量仍存在，为电流反馈。 一般来说：一般来说： 反馈元件直接接在输出端为电压反馈。反馈元件直接接在输出端为电压反馈。 反馈元件只要没有直接接到输出端，均为电流反馈。反馈元件只要没有直接接到输出端，均为电流反馈。 (特别注意：负载不属于放大器，因此不能算作反馈元特别注意：负载不属于放大器，因此不能算作反馈元件。件。)电压与电流反馈的简易判断方法电压与电流反馈的简易判断方法4.串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反

9、馈 并联反馈并联反馈:反馈信号与输入信号加在放大电路输入回反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极路的同一个电极; 串串联反馈联反馈:反馈信号与输入信号加反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。在放大电路输入回路的两个电极。 对于三极管来说，对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或加在输入三极管的基极或发射极，则为并联反馈；发射极，则为并联反馈；一个加在基极一个加在发一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。射极则为串联反馈。 此时反馈信号此时反馈信号与输入信号是电流与输入信号是电流相加减的关系。相加减的关系。 此时反馈信号与输入信号

10、此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。是电压相加减的关系。 对于运算放大器来说，反馈信号与输对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端一个则为并联反馈；一个加在同相输入端一个加在反相输入端则为串联反馈。加在反相输入端则为串联反馈。 此时反馈信号与输入信号此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。是电压相加减的关系。 此时反馈信号此时反馈信号与输入信号是电流与输入信号是电流相加减的关系。相加减的关系。6.1.3 负反馈的四种组态负反馈的四种组态 对于负反馈来说，根据反馈信号在输出端采样方式以及在

11、输入回路中求和形式的不同，共有四种组态，它们分别是： 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈。 下面通过例子来说明如何判断?1.电压串联负反馈电压串联负反馈 R1上的压降为零，电阻RF引入一个反馈，反馈电压vF为输出电压vo在R2和RF上的分压而得，属电压反馈电压反馈；又集成运放的差模输入电压(净输入电压)vid=vi-vf，反馈电压削弱外加输入电压的作用，使放大倍数降低，为负反馈负反馈；vi与vf接在输入回路不同端，为串联反馈串联反馈。所以该组态是电压串联负反馈。2.电流串联负反馈电流串联负反馈反馈电压反馈电压vf=ioRf取自输出电取自输出电流流,为电流反馈电流反馈

12、。又集成运放的差模输入电压(净输入电压)为vid=vi-vf，为串联反馈串联反馈。由瞬时极性法知该反馈为负反馈负反馈。可见，所以该组态是电流串联负反馈。3.电压并联负反馈电压并联负反馈反馈电流反馈电流if取自输出电压取自输出电压v0,为电压反馈电压反馈。又净输入电流为iid=ii-if，为并联反馈并联反馈。由瞬时极性法知该反馈为负反馈负反馈。可见，所以该组态是电压并联负反馈。4.电流并联负反馈电流并联负反馈反馈电流反馈电流if取自输出电流取自输出电流i0,为电流反馈电流反馈。又净输入电流为iid=ii-if，为并联反馈并联反馈。由瞬时极性法知该反馈为负反馈负反馈。可见，所以该组态是电流并联负反

13、馈。6.2 负反馈放大电路的框图与一般关系式 6.2.1 6.2.1 负反馈的方块图负反馈的方块图 6.2.2 6.2.2 负反馈放大电路增益负反馈放大电路增益 6.2.3 6.2.3 四种负反馈组态的方框图四种负反馈组态的方框图 6.2.46.2.4 负反馈电路放大倍数计算负反馈电路放大倍数计算 6.2.1 负反馈的方块图负反馈的方块图idXoXiX基本放大电路基本放大电路fX反馈网络反馈网络FA 以上几个量都采用了复数表示，因为要考虑实际电以上几个量都采用了复数表示，因为要考虑实际电路的相移。由于路的相移。由于 输入信号输入信号( (ii 或或 ui ) ) 净输入信号净输入信号( (ii

14、d 或或 uid) ) 输出信号输出信号( (io 或或 uo ) ) 反馈信号反馈信号( (if 或或 uf ) )iX0XfXidXoffididoXXXAFXXX 式中：式中：称为环路增益。称为环路增益。FAidXoXiX基本放大电路基本放大电路fX反馈网络反馈网络FAoidfiidf1XAXAAXXXAF闭环放大倍数闭环放大倍数idifXXX净输入净输入0idXAX 开环放大倍数开环放大倍数f0XFX反馈系数反馈系数6.2.2 负反馈放大电路增益负反馈放大电路增益 它反映了反馈对放大电路影响的程度。它反映了反馈对放大电路影响的程度。 可分为下列三种情况可分为下列三种情况 (1)当当 1

15、时，时， ，相当于，相当于负反馈负反馈 (2)当当 1时，时， ，相当于，相当于正反馈正反馈 (3)当当 =0 时，时， = ，相当于输入为，相当于输入为 零时仍有输出，故称为零时仍有输出，故称为“自激状态自激状态”。FA1FA1FA1fAAAfAfAFA1fAA称为反馈深度称为反馈深度1、讨论讨论 2. 深度负反馈深度负反馈FFAAA11f 环路增益环路增益 是指放大电路和反馈网络是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益，当所形成环路的增益，当 1时称为时称为深度深度负反馈负反馈，与，与 1+ 1相当。于是闭环放大相当。于是闭环放大倍数倍数:FAFAFA 也就是说在深度负反馈条件下，闭环放大倍

16、数也就是说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近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参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，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。放大倍数比较稳定。由此可见：对于复杂的负反馈电路，增益的计由此可见：对于复杂的负反馈电路，增益的计算可简化为反馈系数的计算。算可简化为反馈系数的计算。 在此还要注意的是在此还要注意的是 、 和和 可以是可以是 电压信号电压信号，也可以是电流信号。，也可以是电流信号。iXfXoX (1) 当它们都是电压

17、信号时，当它们都是电压信号时， 、 、 无量纲，无量纲， 和和 是电压放大倍数。是电压放大倍数。 AfAFAfA (2) 当它们都是电流信号时，当它们都是电流信号时， 、 、 无量纲，无量纲， 和和 是电流放大倍数。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，当它们既有电压信号也有电流信号时， 、 、 有量纲，有量纲， 和和 也有专门的放大倍数的称谓。也有专门的放大倍数的称谓。fAAAfAF3、需说明：、需说明：6.2.3 四种反馈组态电路的方框图四种反馈组态电路的方框图 对于不同组态的负反馈放大电路来说，其中开环放大倍数和反馈网络的反馈系数物理意义和量纲都各不

18、相同，因此，统称之为广义的放大倍数和广义的反馈系数。6.2.4 负反馈放大电路的分析计算负反馈放大电路的分析计算简单的负反馈放大电路，利用微变等效电路法进行分简单的负反馈放大电路，利用微变等效电路法进行分析计算；析计算；对于深度负反馈放大电路，采用估算方法。对于深度负反馈放大电路，采用估算方法。6.2.4.1利用关系式估算闭环电利用关系式估算闭环电压放大倍数压放大倍数FA1f 对于对于电压串联电压串联负反馈，中的负反馈，中的 代表闭环电压代表闭环电压放大倍数，因而可直接估算出负反馈放大电路的闭环电放大倍数，因而可直接估算出负反馈放大电路的闭环电压放大倍数。压放大倍数。FA1f fA因而：因而：

19、uuuuFA1f 6.2.4.2利用关系式利用关系式 估算闭环估算闭环电压放大倍数电压放大倍数ifXX 放大电路的闭环电压放大倍数：放大电路的闭环电压放大倍数：iofXXA 深度负反馈放大电路的闭深度负反馈放大电路的闭环电压放大倍数：环电压放大倍数：FA1f ofXXF 而而foio XXXX 所以所以得得fiXX 对于串联负反馈：对于串联负反馈：并联负反馈：并联负反馈：fiUU fiII 结论：结论：根据负反馈组态，选择适当的公式；再根据根据负反馈组态，选择适当的公式；再根据放大电路的实际情况，列出关系式后，直接估算闭环电放大电路的实际情况，列出关系式后，直接估算闭环电压放大倍数。压放大倍数

20、。例例a a：估算深负反馈运放的闭环电压放大倍数。：估算深负反馈运放的闭环电压放大倍数。解：解： 该电路为电压并联该电路为电压并联负反馈，在深度负反馈条件负反馈，在深度负反馈条件下：下：fiII ， 1iiRUI FofRUI 1iFoRURU 得得则闭环电压放大倍数为：则闭环电压放大倍数为：11. 0202 . 2 1FiofRRUUAuu图图 5.3.2例例 5.3.1 电路电路( (a) )该电路为电压串联负反馈该电路为电压串联负反馈o323fURRRU 5 . 22311132f RRFAuuuu323ofRRRUUFuu 故故在深度负反馈条件下在深度负反馈条件下图图 5.3.2例例

21、5.3.1 电路电路( (b) )例例b b：RL图图 5.3.2例例 5.3.1 电路电路( (c) )该电路为电流并联负反馈，该电路为电流并联负反馈，在深度负反馈条件下：在深度负反馈条件下：fiII F33LoF33ofRRRRURRRII 1iiRUI 故：故：1iF33LoRURRRRU 闭环电压放大倍数为：闭环电压放大倍数为：9 . 51 . 51)101 . 5(2)(1 3F3LiofRRRRRUUAuu例例c c：图图 5.3.2例例 5.3.1 电路电路( (d) )该电路为电流串联负反馈，该电路为电流串联负反馈，在深度负反馈条件下：在深度负反馈条件下：fiUU iFofUR

22、IU LooRIU 34. 0151 . 5FLiof RRUUAuu所以所以例例d d：6.3 负反馈对放大电路性能影响负反馈对放大电路性能影响 6.3.1 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 6.3.2 减小非线性失真和抑制干扰减小非线性失真和抑制干扰 6.3.3 提高反馈环内信噪比提高反馈环内信噪比 6.3.4 改善放大电路的频率特性改善放大电路的频率特性6.3.1 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性AFAA 1f )1(dd2fAFAA AAAFAAd11dff Af 的相对变化量的相对变化量A 的相对变化量的相对变化量放大倍数稳定性提高放大倍数稳定性提高AAAAAF dd

23、 11 f f 负负反反馈馈，例例 6.12 A = 103 ，负反馈使，负反馈使放大倍数稳定性提高放大倍数稳定性提高 100 倍，求倍，求 F、Af 、A 变化变化 10% 时的时的 A f ，以及，以及 dAf /Af 。解：解： (1) 1 + AF = 100，则则 F = (100 1) / A = 0.099(2)AFAA 1f = 103 / 100 = 10(3)%1 . 0)1 . 01001d11df f （AAAFAA此时的此时的 A f =%)1 . 01(10d1)f f (f AAA负反馈以牺牲放大倍数，换负反馈以牺牲放大倍数，换取了放大倍数稳定性的提高。取了放大倍

24、数稳定性的提高。6.3.2 减小非线性失真减小非线性失真vf加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FvfAvivo+vidvo大大小小viA接近正弦波接近正弦波改善了波形失真改善了波形失真减小失真动画演示减小失真动画演示6.3.3 改善放大电路的频率特性改善放大电路的频率特性无反馈时：无反馈时： BW = fH fL fH引入反馈后，引入反馈后， 1f，AFAA FAAAFAAAFAAALLLfm m mf HHHf1 ,1 1 ，fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf可证明：可证明：fHf = (1 + AF) fHfLf = fL / (

25、1 + AF)= (1 + AF) fH= (1 + AF) BW fHf BWf = fHf fLf例例 已知集成运放中频开环差模放大倍数已知集成运放中频开环差模放大倍数Am=104，上限频，上限频率率 fH=10Hz，下限频率，下限频率fL=1Hz。引入负反馈后，闭环电。引入负反馈后，闭环电压放大倍数压放大倍数Amf=10，试问反馈深度等于多少？此时负反，试问反馈深度等于多少？此时负反馈放大电路的通频带等于多少？增益带宽积又为多少？馈放大电路的通频带等于多少？增益带宽积又为多少？mmfm1AAA F解解：因为43mmmf1011010AA FA所以反馈深度:又HLff所以通频带宽:3fHf

26、mH(1)1010Hz100kHzBWfA F f频带增益积:4mf1010010MHzABWKHz6.3.5 改变放大电路的输入和输出电阻改变放大电路的输入和输出电阻1、对输入电阻的影响、对输入电阻的影响(1) 串联负反馈使输入电阻增大串联负反馈使输入电阻增大idfididiifiiiVVVAFVVRIII if i(1) RAF R 深度负反馈：深度负反馈： ifRRif A FRiiViIidVidAFV fV理解：理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。故输入电阻增加。(2) 并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入

27、电阻减小ididiifiid fididVVVRIIIIAFI iif1RRAF 深度负反馈：深度负反馈：0ifRRif A FRiiViId iIfIIidAF 理解：理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一并联负反馈相当于在输入回路中并联了一 条支条支 路，故输入电阻减小。路，故输入电阻减小。2、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 F 与与 A 并联，使输出电阻减小。并联，使输出电阻减小。AFRoRof oof1RRAFA 为负载开路时的源电压放大倍数。为负载开路时的源电压放大倍数。深度负反馈：深度负反馈：0ofR理解：理解：电压负反馈目的是阻止电压负反馈目的是阻止 v vo o的变化，稳定输出的变化，稳定输出 电压电压。放大电路空载时放大电路空载时可等效右图框中可等效右图框中为电压源：为电压源：RoesovoRL输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。输出电阻越小，输出