模拟电子技术-反馈放大电路

反馈放大电路学习目标理解并掌握反馈的类型与判别方法掌握深度负反馈条件下放大电路的估算了解负反馈对放大电路性能的影响了解正弦波振荡电路的组成原理5.1

反馈的类型与判别方法5.2

负反馈放大电路的四种组态5.3

深度负反馈放大电路的估算5.4

负反馈对放大电路性能的改善5.5

负反馈放大电路的稳定性问题*5.6正反馈电路——正弦信号产生电路*5.7电路仿真实例5.1反馈的类型与判别方法其中

为放大电路的环路增益，

为放大电路的反馈深度。5.1.1反馈的基本概念反馈——将一个系统的输出量（电压或电流）的全部或一部分，通过反馈网络引回到系统的输入端，与原输入信号共同控制该系统的过程。工厂用户销售员信息员实际问题举例

反馈深度反映了反馈对放大电路影响的程度。分为下列三种情况：当

时，

，为负反馈；当

时，

，为正反馈；当

时，

，此时，会出现即使没有输入信号，也会有输出的情形，这种情况称之为“自激”。5.1.2反馈的组态及判别方法1.判断有无反馈

首先要看电路的输出端和输入端之间有无起连接作用的元件。若有反馈元件则有反馈，若无反馈元件则无反馈。2.反馈组态及判别方法

反馈放大电路按反馈信号是交流信号还是直流信号分为直流反馈和交流反馈；按反馈的效果分为正反馈和负反馈。负反馈中按反馈信号和输入信号的连接关系分为串联反馈和并联反馈；按反馈信号取自输出电压还是输出电流分为电压反馈和电流反馈。1）直流反馈和交流反馈

若反馈信号只有直流成分时为直流反馈；若反馈信号只有交流成分时为交流反馈；若反馈信号中既有交流成分又有直流成分，则为交直流反馈。【例5.1】判断图5.2所示各电路中是否存在反馈？若有反馈，是直流反馈，交流反馈，还是交直流反馈？2）正反馈和负反馈

如果反馈信号使输入信号增强，即加入反馈后，净输入信号大于输入信号，这种反馈称为正反馈；反之，如果反馈信号使输入信号减弱，即加入反馈后，净输入信号小于输入信号，这种反馈称为负反馈。

瞬时极性法——首先假设输入信号的瞬时极性为“”（也可以为“”），然后按照信号的传输方向依次判断出各相关点的瞬时极性，直至最后判断出反馈信号的瞬时极性。按照式(5.1.1)如果反馈信号的瞬时极性使净输入信号减小，则为负反馈，反之则为正反馈。【例5.2】判断图5.3所示各电路中是否存在反馈？若有反馈，是正反馈，还是负反馈？【例5.3】判断图5.4所示各分立元件电路中是否存在反馈？若有反馈，是正反馈，还是负反馈？3）串联反馈和并联反馈

从输入端看，若反馈信号与输入信号是串联分压的关系，则该反馈为串联反馈；若反馈信号与输入信号是并联分流的关系，则该反馈为并联反馈。判别方法：若反馈信号与信号源接在不同的端子上,即反馈信号与输入信号是串联分压的关系，则为串联反馈；若两者接在同一个端子上,即反馈信号与输入信号是并联分流的关系，则为并联反馈。【例5.4】判断图5.5所示各电路中是否存在反馈？若有反馈，是串联反馈，还是并联反馈？

【例5.5】判断图5.6所示各分立元件电路中是否存在反馈?若有反馈，是串联反馈，还是并联反馈？4）电压反馈和电流反馈

从输出端看,若反馈信号取自输出电压,则为电压反馈；若反馈信号取自输出电流,则为电流反馈。输出短路法——将输出端短路，即使输出电压为0，若反馈信号也随之为0，则为电压反馈；反之，若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。简单地，我们还可以这样来判别电压反馈和电流反馈：若反馈量引自端，则为电压反馈；若反馈量引自非端，则为电流反馈。【例5.6】判断图5.7所示各电路中的反馈是电压反馈，还是电流反馈？【例5.7】判断图5.8所示各分立元件电路中的反馈是电压反馈，还是电流反馈？5.2负反馈放大电路的四种组态四种交流负反馈组态：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

正确判断反馈组态主要包括三个部分的内容，即为电压或电流反馈，串联或并联反馈，正反馈或负反馈。只有三个部分全部判断正确，才能正确判断出反馈组态。四种反馈组态系统框图（a）电压串联负反馈（b）电流串联负反馈（c）电压并联负反馈（d）电流并联负反馈【例5.8】判断图5.10所示各电路中的反馈组态。【例5.9】判断图5.11所示各分立元件电路中的反馈组态。

5.3深度负反馈放大电路的估算前面学习了如何正确判断反馈组态，这是对反馈放大电路的定性分析。这一节将对负反馈放大电路进行定量的分析。定量分析就是对负反馈放大电路的闭环增益、输入电阻和输出电阻等动态指标进行估算。在一般情况下，负反馈放大电路的分析计算方法都比较复杂，现有的方法不是很理想。但有一种分析方法在工程实际中非常有用，特别是在应用广泛的集成运放负反馈电路和多级分立元件负反馈电路中，这就是满足深度负反馈条件下的电路分析。此时，分析计算将大为简化，并且具有明确的物理意义。本教材之所以讨论这种方法就是因为其普遍性和实用性，对于由集成运放构成的负反馈放大器，由于集成运放的开环增益极高，一般都满足深度负反馈的条件；另外对于分立元件的多级负反馈放大电路，大多数也都近似满足深度负反馈的条件。5.3.1深度负反馈放大电路的实质在反馈的基本概念中，当反馈深度时，为负反馈。当反馈深度时，称为深度负反馈。

此时，闭环增益也就是说：在深度负反馈条件下，闭环增益只取决于反馈系数，而与基本放大电路几乎无关。

即深度负反馈条件下，忽略净输入信号的作用。在分析具体电路时，可以将其具体化。

对于深度串联负反馈电路，对应有

，

，此时集成运放的同相输入端和反相输入端之间的净输入电压

近似为0V，两输入端接近于短路，但又不是真正的短路，这一状态称为“虚短”。同样，在多级分立元件电路中，深度串联负反馈条件下，第一级放大电路的晶体管的基极与发射极(或

管的栅极和源极)之间的净输入电压也约为0V。

对于深度并联负反馈电路，对应有

，

，此时流经集成运放的同相输入端和反相输入端的电流几乎为

，这种状态称为“虚断”。同理，在深度并联负反馈的条件下，多级分立元件电路第一级放大电路的晶体管的净输入电流也近似为

。5.3.2深度负反馈放大电路的分析估算 深度负反馈放大电路的分析估算主要是对电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的估算。其中电压放大倍数的估算主要有两种方法： 1.从深度负反馈的基本关系式

出发，计算电压放大倍数 2.从深度负反馈的实质

出发，直接计算电压放大倍数

具体步骤：（1）找出级间交流反馈网络。有的电路虽然有本级反馈，但决定整个反馈放大电路性能的通常总是级间反馈。（2）分析反馈组态，并求出相应的电压放大倍数： 对于深度串联负反馈有

，则

；

对于深度并联负反馈有

，可得

则

式中，

是信号源与基本放大电路输入端之

间的等效电阻。【例5.10】设图5.10中各电路均满足深度负反馈条件，试估算各电路的闭环电压放大倍数。【例5.11】设图5.12中各电路均满足深度负反馈条件，试估算各电路的闭环电压放大倍数。5.4负反馈对放大电路工作性能的改善5.4.1提高增益的稳定性

为简化分析过程，设信号的频率为中频，则开环增益

为实数，反馈系数

也为实数。相应的闭环增益当然也是

实数，因此

可写成： 求

对

的导数，即

，再写出

与

的关系，就有：

表明，引入负反馈，增益的稳定性比无反馈时提高了

倍。5.4.2展宽通频带在无反馈的情况下，通频带因此，在引入负反馈的情况下，通频带

负反馈放大电路扩展频带宽度是以闭环增益下降为代价的，这一结论可以由一重要特性来证明，即中频增益与带宽积为常数。

5.4.3减少非线性失真应当注意，负反馈只能改善反馈环内产生的非线性失真，不能改善输入信号本身存在的非线性失真，也不能改善由于静态工作点不合适产生的饱和失真和截止失真。

干扰和噪声对放大电路的影响，也可以看成是在输出信号中出现了新的频率分量。负反馈可以抑制和减弱这些新的频率分量，其机理与减小非线性失真是一样的。引入反馈之后，干扰和噪声电压与有用信号一同衰减，信噪比没有改变。为了改善信噪比，必须提高输入信号的幅度，信号本身不携带干扰和噪声，则把信号提高

倍，使输出信号维持引入反馈

前的值，放大电路的信噪比因此提高

倍。

应当指出的是，负反馈对反馈环以外的干扰和噪声也是无能为力的。因此若输入信号本身存在干扰和噪声，即使引入负反馈，也是无济于事的。5.4.4抑制环内噪声与干扰1.串联负反馈使输入电阻增加

倍5.4.5对输入电阻和输出电阻的影响表明，引入串联负反馈后，闭环输入电阻是开环输入电阻的

倍。2.并联负反馈使输入电阻减小

倍表明，引入并联负反馈后，闭环输入电阻比开环输入电阻减小了

倍。3.电压负反馈使输出电阻减小

倍

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:4.电流负反馈使输出电阻增加

倍

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5.5负反馈放大电路的稳定性问题

1.负反馈放大电路的自激振荡

实际上，放大电路在高频区或低频区将产生附加相移，如果附加相移达

或

，则此时负反馈变为正反馈，这时只要反馈信号足够大，就会产生自激振荡，而与是否有外加输入信号无关。所以负反馈放大电路自激振荡的根本原因是电路中的附加相移。 2.负反馈放大电路稳定工作的条件 当

时，

，会出现

，

即“自激”。所以负反馈放大电路的自激条件是：

也可以写成

实际上，

为自激振荡建立后的振幅条件，称为平衡条件；而在自激振荡的起始阶段，振幅条件是

，称为起振条件。

为使负反馈放大电路能稳定工作，必须满足在

时，

这就是判别负反馈放大电路稳定工作的条件。*5.6正反馈电路——正弦信号产生电路

信号产生电路（也称振荡器）用来产生一定频率和幅度的交流周期信号，它是在基本放大电路的基础上加正反馈网络构成的。就其产生的波形来说可以分为两大类：正弦波振荡器（包括、和石英晶体振荡器）和非正弦波信号发生器（包括方波、矩形波、三角波和锯齿波等）。本章只简要介绍正弦波振荡器，非正弦波信号发生器将在第6章作介绍。正弦波振荡器是电气工程和电子信息工程中主要使用的信号源之一，在测控、无线电通信、广播电视、仪器仪表，以及工业、农业、生物医学等领域都有着广泛的应用。5.6.1正弦波产生的条件

振荡电路由自行起振到进入稳定状态需要一个建立过程。在电源接通时，噪声和干扰信号会使电路产生微弱的输出信号，该信号经正反馈和基本放大电路多次循环放大，输出信号的幅度由小到大，最后达到稳态。稳定后，电路需要稳幅环节（通常采用负反馈电路来自动完成）使放大器的放大倍数下降，满足的幅度条件，稳定输出一个正弦波信号。正弦波产生的条件为：

因此为了保证电路能自行起振，要求

即：5.6.2

正弦波振荡电路通常选取

,

于是有 放大电路的增益为：

式中的

，又当

时，

满足相位条件要满足幅值条件，只

要

即可。当

，或者

时电路起振。最后由负反馈使振荡幅度自动稳定下来。在实际应用中，负反馈支路常利用二极管、稳压管、热敏电阻和场效应管等元件的非线性特性来自动稳定振荡幅度。5.6.3

正弦波振荡电路

正弦波振荡电路的振荡频率较高，可以达到几十兆赫兹以上。

正弦波振荡电路按照反馈方式的不同，可分为变压器反馈式、电容三点式、电感三点式等几种类型。1.

谐振回路

正弦波振荡电路的选频网络采用

谐振回路，有两种形式：串联和并联。

振荡器常采用

并联谐振回路，该电路的谐振频率为：

如果考虑电感线圈的损耗，并联谐振回路的品质因数为：

2.变压器反馈式振荡电路

根据瞬时极性法，可知电路此时引入正反馈，满足振荡的相位条件。只要适当选取放大期间和电路参数，一般都能满足起振条件

电路的振荡频率近似等于并联回路的振荡频率，即

振幅的稳定是利用三极管的非线性特性来实现的。特点——电路容易起振，改变电容使频率可调，但输出波形不好，所以该电路常用于对波形要求不高的设备。3.三点式振荡电路

三点式振荡电路分为电感三点式正弦振荡电路（也称哈特莱电路）和电容三点式正弦振荡电路（也称考毕兹电路）两种。电感三点式正弦振荡电路

利用瞬时极性法判断出共基放大电路中引入正反馈，所以它满足了相位条件。只要三极管具有一定的放大倍数，并且调节电感线圈抽头的位置，就能满足幅度条件。其振荡频率为：

该电路的特点是，由于互感的存在使电路容易起振，频率调节范围宽。缺点是反馈电压取自电感线圈，输出波形不够理想。为了获得较好的输出波形，可采用电容三点式正弦振荡电路。电容三点式正弦振荡电路利用瞬时极性法判断出电路中引入正反馈，故满足了相位条件。只要调节的大小，就可满足幅度起振条件。其振荡频率为：这种电路的特点是，由于反馈电压从电容器两端取出，所以输出波形较好。如果要求振荡频率十分稳定，可以采用石英晶体振荡电路，如通信系统中的射频振荡器、数字系统中的时钟发生器等，可使振荡频率的稳定度提高几个数量级。石英晶体振荡电路是利用石英晶体的压电效应制成的，基本分为串联型晶体振荡电路和并联型晶体振荡电路两种。

*5.7电路仿真实例【例5.12】分析电压串联负反馈放大电路解：利用Multisim仿真如图5.27所示电路。图5.27步骤1、首先进入Multisim10.0软件开发界面，然后按图5.27画出电路，得到如图5.28的电路图，调整R4的电阻值，使万用表的读数为2V左右。【仿真图】图5.28步骤2、接上函数信号发生器如图5.27所示，调整函数信号发生器使其产生40mV的正弦信号，最后进行仿真，得到如图5.29的分析结果。【仿真图】图5.29【例5.13】分析RC正弦波产生电路解：利用Multisim仿真如图5.30所示电路。首先进入Multisim10.0软件开发界面，然后按图5.30