模拟电子技术第4章　负反馈放大器

模拟电子技术第4章负反馈放大器反馈理论和反馈技术在自动控制、信号处理、电子电路及电子设备中起着十分重要的作用。在放大器中，负反馈可以改善放大器的工作性能。因此几乎所有的实用电路都带有负反馈。本章从反馈的概念入手，介绍负反馈放大器的分析方法、负反馈对放大器性能的改善以及引入负反馈的一般原则。4.1反馈的基本概念

4.1.1反馈的定义

所谓反馈，就是将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）通过一定的电路形式（反馈电路）送回到放大器的输入端与原输入信号合在一起，重新送入放大器输入端的过程。这个被送回到放大器输入端的信号就是反馈信号。当在放大器中引入反馈后，放大器的输入回路中同时存在有反馈信号和输入信号，这两个信号经叠加（相加或相减）后再送入放大器中，这时放大器的实际输入信号（通常被称为净输入信号）发生了改变，从而使放大器的某些性能获得有效的改善。一般将反馈放大器用如图4.1.1所示的框图表示，其信号传输方向如图中箭头所示。图中基本放大器与反馈电路组成了一个封闭的系统，这样的系统称为闭环系统。而未引入反馈的电路称为开环放大器，也称基本放大器，表示为A，反馈电路则用F表示。由此可见，反馈放大器是由基本放大器A和反馈电路F两部分组成的。图4.1.1反馈放大器基本框图可以看到，反馈电路跨接在放大器的输入端和输出端之间，若要在电路中识别出反馈电路，首先就要找到跨接在输入端和输出端之间的电路，构成这一电路的元器件很可能构成了反馈电路。构成反馈电路的元器件可以是电阻器，可以是电容器，也可以是阻容电路或其他电路。当反馈信号与输入信号叠加后使得<时，说明反馈信号相位和输入信号相位相反，即=－,此时由于净输入信号(即反馈信号和输入信号

叠加后的信号）的减小，使得放大器的输出信号减小，则放大器的放大倍数下降，定义这种情况为负反馈，该放大器称为负反馈放大器；反之，对于>的情况，即

=+，则定义为正反馈。在放大电路中要尽量避免出现正反馈。下面介绍反馈放大器的基本方程。

在未接入反馈网络之前，正向传输的放大器放大倍数为A：（4.1.1）由于这种单向传输的放大器没有反馈电路，即没有形成闭合环路，因而称为开环状态，A称为开环放大倍数。接入反馈电路后，将反馈信号量与输出信号量之比称为反馈系数，用F表示：（4.1.2）F表示反馈信号占输出信号的比例。由图4.1.1可知，引入负反馈后，放大器的输入信号变为=－（“＋”为正反馈；“－”为负反馈）此时，整个放大电路的输出信号与输入信号之比称为闭环放大倍数，用Af表示，即（4.1.3）式（4.1.3）称为负反馈放大器的基本方程。由式（4.1.3）可以看出，引入负反馈后，闭环放大倍数Af是开环放大倍数A的1/|1+AF|倍。|1+AF|越大，Af比A小得越多，负反馈的程度就越深，所以|1+AF|是衡量反馈程度的重要指标，称为反馈深度。当满足|1+AF>>1时，意味着<<，此时反馈信号=－≈，可以认为反馈深度足够大。|1+AF|>>1或AF>>1称为深度负反馈。这时，式（4.1.3）

可简化为（4.1.4）这是一个重要的关系式。它表明，深度负反馈条件下，闭环放大倍数主要取决于反馈系数。4.1.2负反馈放大器的分类与判断

反馈放大器的特征是存在反馈电路。反馈电路连接着放大器的输出端与输入端。因此，寻找电路中是否存在连接放大器输出端与输入端的电路就是判断反馈存在与否的依据。如果存在这样一个电路就是有反馈，否则无反馈。如图4.1.2所示，一个两级级联的共射—共射放大器。观察该电路，发现Rf将输出端信号引入到第一级放大电路的发射极，则Re1和Rf构成两级间反馈电路，所以该放大器存在反馈。图4.1.2是否存在反馈的判别(串联电压负反馈)1．按反馈极性分类

判别一个反馈的极性可以采用瞬时极性法来判别。即利用电路中各点交流电位的瞬时极性来判别，步骤如下：首先假定输入信号的瞬时极性为正（以地电位为参考点），然后根据各级电路输入与输出电压相位极性的关系，分别标出由输入极性所引起的各处电位的升高（用“＋”表示）和降低（用“－”表示）。若反馈信号最终经由反馈电路送回到输入端，使输入信号削弱，即净输入信号减小，则为负反馈，反之为正反馈。如图4.1.2所示的串联电压负反馈放大器，其中Rf和Re1构成反馈电路。设信号的瞬时极性为“＋”，则三极管VT1集电极瞬时极性为“－”，三极管VT2集电极瞬时极性为“＋”，反馈信号经Rf反向送回到输入回路。此时的方向上正下负，在输入回路中=+。这样净输入信号=－，<，所以是负反馈。2．按交、直流反馈分类

在放大电路中，若反馈信号是交流信号，则称为交流反馈，它影响电路的交流性能。本章仅讨论交流反馈。

直流反馈主要用于稳定放大器的静态工作点。典型例子就是在第2章中介绍过的分压式偏置电路。

若反馈信号中既有交流信号又有直流电压或电流，则反馈信号对电路的交流性能和静态工作点的稳定都有影响，称为交直流混合反馈。3．按连接方式分类

根据反馈电路与基本放大器输出、输入端连接方式的不同，反馈电路可以归纳为四种结构：串联电压反馈、串联电流反馈、并联电压反馈、并联电流反馈。

1）电压反馈与电流反馈

按与基本放大器输出端连接方式不同，反馈电路分为电压反馈和电流反馈两种类型。对于电压反馈，反馈信号仅与输出电压有关。相反的，对于电流反馈，反馈信号仅与输出电流有关。如图4.1.3所示，反馈电路与基本放大器输出端并联，反馈信号直接取自于基本放大器输出电压，且与输出电压成正比。若令=0，则反馈信号立即为0，将这种反馈称为电压反馈。

从结构上看，引入电压反馈的反馈支路与负载RL相连，即输出回路中的反馈支路与输出端口的非公共端接在三极管的同一电极。图4.1.3电压反馈的判断如图4.1.4所示，反馈电路与基本放大器输出端呈串联连接关系，反馈信号取自于基本放大器的输出电流，且与输出电流成正比。若令=0，因为≠0，所以反馈信号也不为0，将这种反馈称为电流反馈。

从结构上看，引入电流反馈的反馈支路与基本放大器输出端没有接在一起。图4.1.4电流反馈的判断2）串联反馈与并联反馈

按与基本放大器输入端连接方式不同，反馈电路分为串联反馈和并联反馈两种类型。对于串联反馈，反馈以电压形式出现；相反的，对于并联反馈，反馈以电流形式出现。

图4.1.5所示为两种不同反馈类型放大器输入回路部分的电路。图4.1.5串联、并联反馈的判断(a)串联反馈；(b)并联反馈如图4.1.5（a）所示，输入信号接到基极，反馈信号接在发射极，它们没有接在同一个节点上，输入信号、反馈信号和净输入信号三者之间串联。反馈信号在反馈放大器的输入端以电压的形式出现，即输入信号为，反馈信号为，净输入信号为

，对负反馈，则有==－。

从结构上看，放大器输入端与反馈支路没有接在同一个节点上，称为串联反馈。从结构上看，放大器输入端与反馈支路没有接在同一个节点上，称为串联反馈。

如图4.1.5（b）所示，输入信号和反馈信号同时接在基极上，输入信号、反馈信号和净输入信号三者之间并联。反馈信号以电流的形式出现，即输入信号为，反馈信号为，净输入信号为，对负反馈，则有=－。

从结构上看，放大器输入端与反馈支路接在同一个节点上，称为并联反馈。通过以上的分析，可得出如下的结论：根据反馈电路与基本放大器的输出端、输入端的连接方式的不同，负反馈电路可归纳为四种组态：串联电压负反馈、串联电流负反馈、并联电压负反馈、并联电流负反馈。

需要注意的是，无论输出端是电压反馈还是电流反馈，只要反馈电路在放大器的输入端是串联连接，反馈信号就以电压形式出现，即=；只要反馈电路在放大器的输入端是并联连接，反馈信号就以电流形式出现，即=。对于串联电压负反馈，反馈信号正比于输出电压；对于串联电流负反馈，反馈信号正比于输出电流；对于并联电压负反馈，反馈信号正比于输出电压；对于并联电流负反馈，反馈信号正比于输出电流。

例4.1判断图4.1.6所示电路中是否引入了反馈；若引入了反馈，是何种类型的反馈？是正反馈还是负反馈？图4.1.6例4.1电路图解观察图4.1.6所示电路，反馈支路有R3构成的本级反馈和R4构成的越级反馈。根据连接方式可知R3构成了电压并联反馈；R4构成了电压串联反馈。

采用瞬时极性法判断越级反馈的极性。设输入电压

对地极性为“＋”，则集成运放A1的输出端的极性为“－”，集成运放A2的输入极性为“－”，故输出电压

的极性为“＋”；该电路的反馈网络由R4和R1组成，经R4和R1的分压，在R1上产生上正下负的反馈电压；由于

使A1的净输入电压减小，因此该电路引入了负反馈。

对于本级反馈请读者自己解答。4.2负反馈对放大器性能指标的影响

4.2.1负反馈对放大器性能的影响

1．负反馈降低了放大倍数

在放大电路引入负反馈之前，其开环电压放大倍数为

A;而引入负反馈之后，电路呈闭环状态，放大倍数为Af=A/(1+AF)。可见，引入负反馈后，放大倍数降低至1/|1+AF|。2．负反馈使放大倍数稳定度提高

负反馈稳定放大器增益的原理是因为负反馈有自动调节作用。工作环境发生变化（如温度等）、元件更换或老化、电源电压波动等均会导致放大器的放大倍数不稳定。引入负反馈后，输出信号的变化经反馈电路送回到基本放大器的输入回路，在输入回路进行叠加使得净输入信号与输出信号的变化趋势相反，其结果使输出信号自动保持稳定。当输入信号保持不变时，若基本放大器的放大倍数A下降，则有如下调整过程：可见可以保持稳定，则闭环增益Af=/也将保持稳定。引入负反馈使放大倍数的相对变化减小为原相对变化的1/(1+AF)，说明反馈越强，稳定性越好。需要指出的是，由负反馈所稳定的参数与反馈类型有关。如果是电压反馈，则输出电压将被稳定；反之，如果是电流反馈，则输出电流将被稳定。3．负反馈改善非线性失真

负反馈可以改善放大器的非线性失真，其改善过程如图4.2.1所示。

加入反馈前如图4.2.1（a）所示，基本放大器出现非线性失真，输出电压uo′

是正半周小、负半周大的波形。引入反馈后如图4.2.1（b）所示，由于出现非线性失真将产生如图uo′

的失真输出电压，其波形正半周小、负半周大。反馈电路如实地将输出端电压反送回输入端，即反馈电压uf与uo′

的形状相同，波形正半周小、负半周大。因为是负反馈，所以输入电压ui将与反馈电压uf相减，即ud=ui－uf，相减后，使得净输入电压ud的波形变为正半周略大，负半周小，称之为预失真。这样再经过失真的放大输出，输出电压uo与原输出电压uo′相比失真情况得到改善。图4.2.1负反馈改善非线性失真示意图(a)没有引入反馈时的失真情况；(b)引入反馈后波形改善情况4．负反馈展宽了通频带

如图4.2.2所示，Am是开环放大器的放大倍数，其中

fL称为下限频率，fH称为上限频率，通频带BW=fH－fL。引入负反馈后，闭环放大倍数为Amf，从图中可以看出，上限频率提高为fHf，下限频率降低为fLf。

放大器中引入负反馈，对反馈环路内任何原因引起的增益变动都能减小，所以对频率升高或降低而引起的放大倍数的下降也将得到改善，频率响应将变得平坦，失真将减小。图4.2.2负反馈展宽通频带示意图4.2.2负反馈对输入、输出电阻的影响

放大器引入负反馈后会对其输入、输出电阻产生影响。无论在输入端还是在输出端，只要根据反馈电路与基本放大器的连接方式就可以判定其输入和输出电阻是增大还是

减小。

1．串联反馈将增大输入阻抗

设原输入信号不变，引入串联负反馈后，反馈信号与原输入信号以电压形式串联，使净输入电压小于原输入电压，导致输入电流下降。此时，原输入电压不变而输入电流减小，相当于引入负反馈后放大电路输入电阻增大，减小了信号源的负担。2．并联反馈将减小输入阻抗

引入并联负反馈后，反馈信号和输入信号接在同一节点上，反馈信号以电流形式出现，反馈电路对原输入电路起着分流作用。而此时原输入电压不变，电路将要求信号源增大总电流。这样由于原输入电压不变，而输入电流增加，相当于输入电阻减小，放大电路将向信号源索取更大的电流。3．电压反馈将减小输出阻抗，增强放大电路带负载能力

电压反馈能稳定输出电压，即输出端负载改变时，能保持输出电压基本不变，使放大器等效于恒压源，相当于输出电阻降低。

4．电流反馈将增大输出阻抗

电流反馈能稳定输出电流，即输出端负载改变时，能保持输出电流的影响很小，使放大器等效于恒流源，相当于输出电阻增大。

综上所述，在实际应用中应综合考虑选用合适的反馈类型。4.3负反馈放大器的分析计算

4.3.1深度负反馈放大器的分析

当满足深负反馈条件|1+AF|>>1时，即当电路引入的反馈信号很大时，（4.3.1）由式(4.3.1)可得：（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；（2）加入的输入信号近似等于反馈信号，即

上式说明，在深度负反馈下，由于Xi≈Xf，净输入信号很小。通过前面的学习，我们知道共有四种不同的反馈类型，而且这四种反馈类型在输出端和输入端的信号既有电压信号又有电流信号，因此计算中的A、Af和F分别有以下四种表达形式。1．串联电压负反馈

因为是串联反馈，输入端的信号以电压形式出现，即

、、，又因为电压反馈的反馈信号正比于输出电压，即∝，故串联电压负反馈的增益和反馈系数的定义为闭环电压增益2．串联电流负反馈串联反馈信号以电压形式出现，即、、，又因为电流反馈的反馈信号正比于输出电流，即∝，故串联电流负反馈的增益和反馈系数的定义为（4.3.3）闭环互导增益（4.3.4）3．并联电压负反馈并联反馈输入端的信号以电流形式出现，即、、，又因为电压反馈的反馈信号正比于输出电压，即∝，故并联电压负反馈的增益和反馈系数的定义为（4.3.5）应当指出，对于并联负反馈电路，信号源内阻Rs是必不可少的。若Rs=0，则恒压源将直接加在基本放大器的输入端，使净输入电流仅取决于恒压源的电压值及基本放大器的输入电阻，而与反馈电流无关。也就是说，反馈将不起作用。且Rs越大，输入电流越趋于恒流，反馈的作用越明显。在电路测试时，若信号源内阻为0，则应外加一个相当于Rs的电阻。4．并联电流负反馈

并联反馈输入端的信号以电流形式出现，即、、

，又因为电流反馈的反馈信号正比于输出电流，所以∝，故并联电流负反馈增益和反馈系数的定义为

（4.3.6）闭环电流增益4.3.2深度负反馈放大器的计算举例

1．串联电压负反馈——同相比例放大器

集成运算放大器是高增益的直接耦合放大器。集成运算放大器有两个输入端和一个输出端。集成运放在运用时，需要施加负反馈以保证放大器工作在线性放大状态。如图4.3.1所示，Rf和R1形成了反馈，反馈电路在输出端与输出信号接在同一个电极上，构成电压反馈，反馈信号以电压形式出现，即、、；反馈电路在输入端与输入信号没有接在同一电极上，构成串联反馈，即=－，所以为串联电压负反馈。图4.3.1串联电压负反馈——同相比例放大器在理想状态和深负反馈的条件下，Af≈1/F，而F=/=/，则（4.3.7）式中，所以，闭环电压增益Auf为（4.3.8）可见，输出信号与输入信号同相，且成比例关系，故又称该电路为同相比例放大器。

例4.2判断图4.3.2中电路的反馈类型，并计算电压增益Auf。解在图4.3.2中，由Rf、Cf和Re1在输入端、输出端的连接方式可知，该电路引入了串联电压负反馈。图4.3.2例4.2图若该负反馈放大电路引入的是深度负反馈，则（4.3.9）（4.3.9）又代入式(4.3.9)，可得（4.3.9）

例4.3电路如图4.3.3所示，图中A1、A2为理想运放。（1）判断越级反馈的类型；（2）计算深度负反馈条件下电压放大倍数Auf。（2）对于串联电压深度负反馈放大器，有又所以图4.3.3例4.3图2．并联电压负反馈——反相比例放大器

如图4.3.4所示，输入信号和反馈信号同时加在同一个端子上，构成并联反馈，信号以电流形式出现。反馈支路直接引自输出端（接在同一个端子上），构成电压反馈，又因为反馈的信号正比于输出电压，所以∝。依据图示参考方向，和反相，因此在节点Z上，反馈电流与输入电流方向相反，由于的分流，使得减小，所以是负反馈。因此，该电路引入了并联电压负反馈。图4.3.4并联电压负反馈——反相比例放大器在理想状态和深度负反馈的条件下，Af≈1/F，且F=Xf/Xo。由于并联反馈在输入端以电流形式出现，即

=，而电压反馈取自输出电压，即=，则（4.3.10）式中，

据式(4.3.5)，闭环电压增益Auf为(4.3.11)其中，≈。可见，输出电压与输入电压相位相反，电压增益等于反馈电阻Rf与电阻R1的比值，故又称反相比例放大器。*例4.4判断图4.3.5中所示电路的反馈类型及性质，并计算电压增益。

解根据连接形式可以知道该电路构成了并联电流负反馈。对并联反馈，信号以电流形式出现，参考方向如图所示。（4.3.12）图4.3.5例4.4图由图4.3.5可知，Rf和Re2并联，根据并联分流关系可得（4.3.13）代入式（4.3.12），整理得（4.3.14）所以，闭环电压放大倍数转换为源电压增益Aufs为（4.3.15）式中Rif为放大电路引入反馈后的输入电阻。*4.4负反馈放大器的自激及其消除

4.4.1自激的概念

加入负反馈之后，可以改善放大器的诸多性能指标，但是同时也给放大器带来一些不利之处，最主要的问题就是负反馈放大器会出现高频自激。所谓“自激”，就是某些频率的信号在通过放大器中的反馈电路后，变成了正反馈，如果正反馈是足够强的，就会导致放大器没有加输入信号时，也会有输出电压存在，这一输出电压是由放大器自身产生的。例如，在上课时如果音响与话筒的位置不合适，功放开始工作时就会听到刺耳的啸叫声，这就是功放中的放大电路通过音箱与话筒形成的自激现象。这些信号对负反馈放大器稳定工作十分有害。为此，要在负反馈放大器中采取一些消除这种高频自激的措施。4.4.2自激产生的原因和消振电路

根据负反馈的定义可知，负反馈放大器中引入的反馈信号使得输入信号被削弱，也就是说，反馈信号和输入信号的相位相反。由于某种原因使得放大电路中的负反馈改变为正反馈时，即反馈信号和输入信号的相位相同时，此时若有信号输入，由于是正反馈，使得反馈信号与原输入信号相加，净输入增大，再经过放大器的放大，那么输出信号就会增大，使得反馈信号也随着增大，这样愈反馈信号幅度愈大，最终便会产生自激振荡。为避免产生自激振荡，不影响放大器对正常信号的放大，必须对正反馈加以抑制。这通过消振电路（又称为补偿电路）来完成。消振电路是根据自激振荡产生的机理设计的。只要破坏了正反馈或者使得正反馈信号不能被放大输出，自激就不会发生。

常用的消振电路有超前式消振电路、滞后式消振电路、超前—滞后式消振电路和负载阻抗补偿电路等。1．超前式消振电路

如图4.4.1所示，在两级放大器之间接入一个R1、C2并联电路构成超前式消振电路，C2是级间耦合电容。对于音频级放大器，电容C2的容量不能太大，一般在皮法级。图4.4.1超前式消振电路2．滞后式消振电路

如图4.4.2所示，在两级放大器之间的R1、C2构成滞后式消振电路，C1是级间耦合电容。音频放大器中滞后式消振电路中的消振电阻R1一般为2kΩ，消振电容C2一般取几千皮法。如果前级放大器输出阻抗很大，可以将消振电阻R1省去，只设消振电容C2。图4.4.2滞后式消振电路3．超前—滞后式消振电路

如图4.4.3所示超前—滞后式消振电路只是在滞后式消振电路的基础上加入一个电阻改善了高频特性。当前级放大器输出阻抗很大时，也可以省去消振电路中的电阻R1，只接入消振电阻R2和消振电容C2。图4.4.3超前—滞后式消振电路4．负载阻抗补偿电路

有些情况下，负反馈放大器的自激是由于放大器的负载引起的，此时可以采用负载阻抗补偿电路来消除自激。负载阻抗补偿电路如图4.4.4所示。扬声器SP1是功率放大器的负载。负载阻抗补偿电路由两部分组成：一是R1和C2构成的负载阻抗补偿电路，这一电路又称为“茹贝尔”网络；二是由L1和R2构成的补偿电路。

在实际应用中，消除自激振荡是比较困难的。消振电路所用的电容和电阻通常要经过反复测试来决定。图4.4.4负载阻抗补偿电路4.5负反馈放大器的仿真实验

1．运算放大器构成的串联电压负反馈放大器

按图4.5.1所示创建电路，该电路由R1和R2构成串联电压负反馈，参照图示数值设置电路参数。

（1）验证反相运算放大器电压放大倍数的方程。

（2）改变R1和R2的值，观察输出波形的变化，并记录输出电压的数值，验证反相运算放大器电压放大倍数的方程。图4.5.1反相运算放大器2．串联电压负反馈放大器

按图4.5.2所示创建电路，该电路由R11和C6构成串联电压负反馈，参照图示数值设置电路参数。验证串联电压负反馈放大器的基本方程。图4.5.2串联电压负反馈放大器

本章小结

本章主要讨论了正、负反馈的判断，负反馈类型的判别，负反馈放大电路的性能以及深度负反馈放大电路的分析方法。

（1）反馈的实质是输出量参与控制，反馈使净输入量减弱的为负反馈，使净输入量增强的为正反馈。常用“瞬时极性法”来判别反馈的极性。（2）反馈的类型按输出端的取样方式分为电压反馈和电流反馈：引入电压反馈的反馈支路与负载RL相连时构成电压反馈，反之则构成电流反馈。按输入端的连接方式分为串联反馈和并联反馈：放大器输入端与反馈支路没有接在同一个节点上时构成并联反馈，反之则构成串联反馈。（3）负反馈用牺牲放大倍数来获得对放大电路性能的改善：它能提高放大倍数工作的稳定性，减小非线性失真，拓宽通频带，改变输入、输出电阻的大小。即：电压负反馈能稳定输出电压，减小输出电阻，增强放大电路带负载能力；电流负反馈能稳定输出电流，增大输出电阻；串联负反馈能增大输入电阻，减轻信号源负担；并联负反馈能减小输入电阻，使放大电路向信号源索取更大的电流。习题

4-1选择合适的答案填空。

（1）对于放大电路，所谓开环是指_______，而所谓闭环是指_______。

A.无信号源

B.无反馈通路

C.有电源

D.存在反馈通路（2）在输入量不变的情况下，若引入反馈后_______，则说明引入的反馈是负反馈。

A.输入电阻增大

B.输入量增大

C.净输入量增大

D.净输入量减小（3）①稳定静态工作点，应引入_______；

②稳定放大倍数，应引入_______；

③改变输入电阻和输出电阻，应引入_______；

④展宽通频带，应引入_______；

⑤抑制温漂，应引入___