模拟电子技术 第四章

第四章负反馈放大电路4.1负反馈的基本概念4.2负反馈对放大电路类型及其判别4.3负反馈对放大电路性能的影响4.4负反馈放大器的计算4.1负反馈的基本概念

在实际电路中，对放大器的要求是多种多样的，上述的基本放大器往往满足不了实际需要，为此在放大器中广泛加入负反馈。将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某一电路送回输入端，称为反馈。反馈到输入回路的信号称为反馈信号，如果反馈信号削弱了输入信号使放大电路的净输入减小，导致电路的放大倍数降低的称为负反馈；反之，则为正反馈。正反馈使放大电路的性能变差，但某些场合，如反馈型振荡器中则必须采用正反馈，才可实现振荡。4.1.1负反馈的基本组成

负反馈放大电路的结构分成两部分：一是基本放大电路；另一就是反馈电路（或称为反馈网络）。通常用反馈环方框图表示，如图4-1所示。方框图由基本放大电路和反馈网络构成闭合环路。用X表示信号电压或电流。Xi、Xo、Xf分别表示输入，输出和反馈信号。Xi，为基本放大电路的净输入，它由Xi与Xf之差决定。图4-1反馈环方框图A为基本放大电路的放大倍数，它由净输入信号Xi，经基本放大电路正向传输（即图中自左至右传输）至输出端的程度；F为反馈网络的反馈系数，F=Xf/X0。反映输出信号经反馈网络反向传输（即图中自右至左传输）至输入端的程度。通常将基本放大电路的放大倍数A=XO/Xi，称为放大电路的开环放大倍数；反馈放大电路的放大倍数Af=Xo/Xi称为闭环放大倍数；AF=Xf/Xi，称为反馈放大电路的环路放大倍数。（4-1）4.1.2反馈基本关系式反馈放大电路中的闭环放大倍数Af与开环放大倍数A，反馈系数F之间的关系可用基本关系来表示。式（4-1）就是负反馈放大电路的基本关系式，式中X可以是电压或电流信号。根据信号为电压或电流，A及F的量纲将由负反馈放大电路的类型来决定。例如：输入为电流，输出为电压信号，A，Af的单位为Ω。输入为电压，输出为电流信号，A，Af的单位为S。输入为电流，输出为电压信号，F的单位为Ω。输入为电压，输出为电流信号，F的单位为S。因此，无论负反馈放大电路属何类型，环路放大倍数AF是无量纲的实数。负反馈放大电路常用反馈深度1+AF来描述。1+AF=A/Af习惯上，反馈深度常用对数表示，即20lg（1+AF）=20lgA-20lgAf

（dB）

采用对数的优点在于可直接用开环放大倍数与闭放大倍数之差来计算反馈深度。当满足1+AF>>1条件时，称为深度负反馈，此时，闭环放大倍数几乎与开环放大倍数无关，即

Af=1/F该式简化了负反馈放大电路的计算，并反映出深度负反馈放大电路有很高的稳定性，闭环放大倍数只与反馈网络特性有关，只要反馈网络采用高稳定性的元件就能满足。例4-1已知某负反馈放大电路的开环放大倍数A=104（即80dB）,当反馈系数F=1%时，求闭环放大倍数。解：先求反馈深度

，则闭环放大倍数

如果用式（4-1）计算（因为1+AF>>1），则

与精确计算相比，误差为1%，这在工程上完全允许。

4.2负反馈放大电路类型及其判别

分析负反馈放大电路时，一般可按以下顺序进行：首先找出联系放大电路的输出回路与输入回路的反馈网络，并用瞬时极性法判别极性（确定正反馈还是负反馈）；其次，从放大电路的输出回路来分析，反馈网络是取样输出电压还是取样输出电流，确定为电压反馈还是电流反馈；最后，从放大电路的输入回路来分析，反馈信号是与信号源串联还是并联连接，从而确定串联反馈还是并联反馈。

4.2.1反馈放大电路分类1．按输出端取样对象分电压负反馈与电流负反馈（1）电压反馈：对交流信号而言，反馈网络、基本放大器及负载是并联连接。如图4-2所示。在这种取样方式下，Xf正比与输出电压，它反映的是输出电压的变化，故称之电压反馈。图4-2电压反馈示意图（2）电流反馈：其连接方式为：反馈网络、基本放大器、负载三者为串联连接。如图4-3所示。此方式下，Xf正比于输出电流，它反映的是输出电流的变化，故称之电流反馈。图4-3电流反馈示意图(3)电压反馈和电流反馈的判定：判定方法之一——输出短路法。将反馈放大器的输出端对交流短路,若其反馈信号随之消失,则为电压反馈,否则为电流反馈。因为输出端对交流短路后,输出交变电压为零,若反馈信号随之消失,则说明反馈信号正比于输出电压,故为电压反馈；若反馈信号依然存在,则说明反馈信号不正比于输出电压,故不是电压反馈,而是电流反馈。判定方法之二——按电路结构判定：在交流通路中,若放大器的输出端和反馈网络的取样端处在同一个放大器件的同一个电极上,则为电压反馈；否则是电流反馈。按上述方法可以判定，图4-4（a）是电压反馈，图4-4（b）是电流反馈。图4-4电压电流

反馈图2．按输入端连接方式分串联反馈和并联反馈按放大器输入端、信号源、反馈网络三者连接方式划分和判定：（1）串联反馈：如图4-5所示。在串联反馈电路中，反馈号和原始输入信号以电压的形式进行叠加，产生静输入信号，即：（串联反馈

要求信号源接近于恒压源，若信号源为恒流源，则串联反馈的静输入信号不随输入信号而改变，反馈失效）。图4-5串联反馈示意图（2）并联反馈：如图4-6所示。在并联反馈电路中，反馈信号和原始输入信号以电流的形式进行叠加，产生静输入信号，即：。（并联反馈

要求信号源接近于恒流源，若信号源为恒压源，则串联反馈的静输入信号不随输入信号而改变，反馈失效）。图4-6并联反馈示意图(3)串联反馈和并联反馈的判定方法：对于交变分量而言,若信号源的输出端和反馈网络的比较端接于同一个放大器件的同一个电极上,则为并联反馈；否则,为串联反馈。按此方法可以判定,图4-4(a)是并联反馈,图4-4(b)是串联反馈。3．按交直流性质分直流反馈和交流反馈直流反馈：反馈回输入端的信号是直流成分，直流负反馈主要用于稳定直流工作点。交流反馈：反馈回输入端的信号是交流成分，交流负反馈主要用于放大电路性能改善；而交流正反馈主要用于振荡放大电路。4．按反馈极性分负反馈和正反馈负反馈：反馈回输入端的信号削弱原输入端的信号，使放大倍数下降。主要用于放大电路性能改善。正反馈：反馈回输入端的信号加强原输入端的信号。多用于振荡电路。4.2.2负反馈放大器的四种基本组态

综合上述，按照取样方式和比较方式，负反馈放大电路有以下四种类型基本组态：（1）电压串联负反馈放大电路；（2）电压并联负反馈放大电路；（3）电流串联负反馈放大电路；（4）电流并联负反馈放大电路。注意：电压负反馈取样的一定是输出电压，电流负反馈取样的一定是输出电流。另一方面，串联负反馈，其反馈信号一定以电压的形式与原始输入信号电压进行比较，产生静输入电压；并联负反馈其反馈信号一定以电流的形式与原始输入信号电流进行比较，产生静输入电流。所以，为了使闭环增益Af与开环增益A满足的关系，应作如下约定闭环增益开环增益反馈系数1．串联电压负反馈图4-7（a）、（b）分别是串联电压负反馈放大器的电路图和方框图。其基本关系式如下：图4-7串联电压负反馈放大器的电路（1）反馈类型的判别在输出端：将负载RL短路，则Uo=0，Uf也随之为零，反馈信号消失，故为电压反馈。在输入端：三者以电压形式串联在输入回路，故为串联反馈。因此，它是电压串联负反馈放大电路。（2）特点电压串联负反馈稳定输出电压和闭环电压放大倍数Auf当输入信号一定时，如因某种原因导致输出电压下降,则通过以下负反馈过程使U0趋于稳定。Auf

亦趋于稳定。

U0

↑←

Ie↑

←

Ib

↑←

U0↓→

Uf

↓

→

Ube↑→2.串联电流负反馈图4-8（a）、（b）分别是串联电流负反馈放大器的电路图和方框图。被取样的信号是输出电流Io，Io流过Rf产生反馈电压送回到输入回路中去。反馈信号以电压的形式Uf与原始输入电压Ui进行比较，产生静输入电压Ui，。图4-8串联电流负反馈放大器的电路图和方框图其基本关系式如下：（1）反馈类型的判别在输出端：将负载RL短路，则Uo=0，因为Uf=IeRf

并未消失，故为电流反馈。在输入端：三者以电压形式串联在输入回路，故为串联反馈。因此，它是电流串联负反馈放大电路。（2）特点电流串联负反馈稳定输出电流和闭环互导放大倍数Agf。当输入信号一定时,如因某种原因导致输出电流下降,则通过以下负反馈过程使Io趋于稳定。Agf亦趋于稳定。

由低内阻的电压源提供输入信号，对串联反馈可取得满意效果。Io↓→

Uf

↓

→

Ube↑→

Io↑←Ib↑

←

3．并联电压负反馈图4-9（a）、（b）分别是并联电压负反馈放大器的电路图和方框图。图4-9并联电压负反馈放大器的电路图和方框图被取样的信号是输出电压Uo；反馈信号以电流的形式If与原始输入电流Ii进行比较，产生静输入电流Ii，。其基本关系式如下：（1）反馈类型的判别在输出端：将负载RL短路，则Uo=0，Uf也随之为零，反馈信号消失，故为电压反馈。在输入端：三支路并接于一个输入端（基极B），故为并联负反馈。因此，它是电压并联负反馈。（2）特点电压并联负反馈稳定输出电压和闭环互阻放大倍数Arf，如因某种原因导致输出电压下降,则通过以下负反馈过程使U0趋于稳定。Arf亦趋于稳定。

由高内阻的电流源提供输入信号，可对并联反馈取得满意效果。U0↓→If↓

→Ibe↑→

U0

↑←IC↑

←Ib

↑←

4．并联电流负反馈图4-10（a）、（b）分别是并联电流负反馈放大器的电路图和方框图。被取样的信号是输出电流Ie，反馈信号以电流的形式If与原始输入电流Ii进行比较，产生静输入电流Ii'。

图4-10并联电流负反馈放大器的电路图和方框图其基本关系式如下：（1）反馈类型的判别在输出端：将负载RL短路，则Uo=0，因If并未消失，故为电流反馈。在输入端：Ii、If、Ib三支路以电流形式并接于一个输入端（基极B），故为并联负反馈。因此，它是电流并联负反馈放大电路。（2）特点

电流并联负反馈稳定输出电流和闭环电流放大倍数Aif。当输入信号电流一定时，如因某种原因导致输出电流下降，则通过以下负反馈过程使I0趋于稳定。Aif亦趋于稳定。由高内阻的电流源提供输入信号，可对并联反馈取得满意效果。表4-1四种反馈组态下，A，F和Af的不同含义反馈方式串联电压型并联电压型串联电流型并联电流型被取样的输出信号XoUoUoIoIo参与比较的输入量Xi、Xf、Xi’开环放大倍数反馈系数闭环放大倍数对Rs的要求小大小大对RL的要求大大小小1．降低放大倍数由式（4-1）的反馈基本关系式可知，负反馈放大电路的闭环放大倍数Af仅是开环放大倍数A的（1+FA）分之一。反馈深度越强,闭环放大倍数|Af|越低。4.3.1对放大倍数和放大倍数稳定性的影响2．提高闭环放大倍数的稳定性放大电路即使在输入信号不变的情况下，由于各种外界条件如环境温度变化，元件参数变动，4.3负反馈对放大电路性能的影响管子老化或电源波动等都会影响输出信号的变动，也就是放大电路的放大倍数受外界影响而改变。通常用dA/A和dAf/Af分别表示开环和闭环放大倍数的相对变化量，通过式（4-1）可求得它们之间的关系。

放大倍数的稳定性用其相对变化量来表示。将式（4-1）分别除以上式两边，则得：（4-2）式（4-2）表明，如开环放大倍数的相对变化量是，而闭环放大倍数的相对变化量只是前者的（1+AF）分之一。引入负反馈以后，而放大倍数的稳定性却提高了（1+AF）倍。有一个负反馈放大电路的A=100，反馈系数F=0.05，如果A产生±30%的变化，问Af的相对变化量多大？解：由式（4-1）可求出闭环放大倍数为例4-2A产生±30%的变化，即A可低到70，高达130。由式（4-2）可知，Af的相对变化量为A的相对变化量的六分之一，即将会低到15.9，高到17.5，可见闭环放大倍数的稳定性得到很大程度的改善。需指出两点：如果反馈系数F不稳定，则反馈信号就不能如实反映输出信号的变化，不能有效地对输出信号起到自动调节的作用，相对的闭环放大倍数也就不稳定，所以，应选用高稳定性的元件组成反馈网络，力求反馈系统稳定;不同类型的负反馈只能稳定各自的闭环放大倍数。

4.3.2改善输出波形的非线性失真

放大电路中含有非线性元件，或受到外界干扰，都可能引起输出波形的失真。引入负反馈后，一定程度上可以取得改善。图4-11展示了负反馈改善输出波形的工作原理。假定信号源提供的为不失真的正弦波信号Xi，反馈网络内不含非线性元件。输入信号经基本放大电路放大，由于放大元件非线性特性，放大电路对正半周信号的放大倍数高于对负半周信号的放大。XiAXowtwt大小(a)无反馈XiwtAF(b)有负反馈Xf大小wtX′i大小Xowt图4–11负反馈减小非线性失真wt大小因而导致输出波形产生非线性失真如Xo。反馈信号正比于输出信号，因此也存在相同方向的非线性失真如Xf

。负反馈信号与输入信号叠加结果使净输入到基本放大电路的信号产生相反方向的波形失真，即正半周幅度小于负半周的幅度如Xi，再经基本放大电路放大，就减小了原先的失真，输出波形从而得到改善。从本质而言，负反馈是利用失真了的输出波形来改善输出波形的失真（也是负反馈自动调整输出信号的作用）。为此，波形的失真只能改善，不能消除。还须指出：波形失真的改善程度与反馈深度有关，反馈愈深，效果愈好；反馈网络中元件的线性度愈好，效果也愈好。如果信号源本身就是失真的波形，负反馈放大电路不可能使其得到改善。4.3.3展宽放大电路的通频带通频带fbw反映放大电路对输入信号频率变化的适应能力。图4-12表示负反馈放大电路展宽通频带的原理。图4-12表示负反馈放大电路展宽通频带的原理中频段的开环放大倍数A较高，反馈后中频段的闭环放大倍数Af衰减较大。当信号频率在高频和低频段时，开环放大倍数随信号频率的升高或降低而随之减小，闭环放大倍数在高频和低频段的衰减倍数就比中频段时小，上、下限频率向更高或更低的频率扩展，如图4-12所示。fbwf

为负反馈时的通频带，由图中可见，频带展宽。可以证明：

fbwf=（1+AF）fbw

（4-3）4.3.4负反馈对输入电阻的影响

1．串联负反馈提高输入电阻图4-13为输入端加有串联负反馈时的框图。图4-13输入端加有串联负反馈时的框图ri

为开环时的基本放大电路的输入电阻，rif

为闭环时负反馈放大电路的输入电阻。串联负反馈放大电路的反馈信号使基本放大电路的净输入电压降低，即输入电流也随着降低。闭环时输入电流的减小，意味着闭环时输入电阻的提高。可以证明，串联负反馈（不论是电压或电流反馈）放大电路的输入电阻为开环时输入电阻的（1+AF）倍。2．并联负反馈降低输入电阻图4-14输入端加有并联负反馈时的框图。图4-14输入端加有并联负反馈时的框图并联负反馈放大电路的反馈电流使基本放大电路的净输入电流降低，即输入端口的两端电压也随着降低。由图可见，输入电流将随着增大（内阻Rs上分流减小）。闭环时输入电流的增大，表明闭环时的输入电阻rif的降低。同样可以证明，并联负反馈（不论是电压或电流反馈）放大电路的输入电阻rif是开环时输入电阻ri的1/(1+AF)。

（4-4）4.3.5负反馈对输出电阻的影响

1．电压负反馈降低输出电阻。电压负反馈稳定输出电压，说明电压负反馈放大电路能在负载变动时可使输出电压基本不变，较无反馈时，放大电路的输出电阻降低，可以证明图4-15电压负反馈框图因此，电压负反馈放大电路增强了带负载的能力。电路如图4-15所示。2、电流负反馈提高输出电阻图4-16为电流负反馈方框图

图4-16电流负反馈框图（4-5）综上所述，负反馈放大电路的许多性能所以会得到一定程度的改善，归根到底是由于放大电路的输出信号（电压或电流）部分地或全部地引回到放大电路的输入端，从而可以对输出信号随时加以调整。无论是放大倍数的稳定，通频带的展宽，非线性失真的改善，反馈环内的干扰和噪声的抑制，输入电阻和输出电阻受反馈方式的不同而产生不同影响等等，电流负反馈稳定输出电流，指出了电流负反馈放大电路的闭环输出比开环时的输出电阻提高了，也可以证明其本质都在于负反馈放大电路不断地把输出信号同输入信号加以比较，并且根据比较结果随时对输

出信号给以修正的结果。反馈愈深，即（1+AF）值愈大，放大电路性能改善的程度就愈明显。负反馈放大电路的应用极为广泛，希望读者进一步了解负反馈放大电路对性能的改善，并提高读图的能力。4.4负反馈放大电路的计算对于负反馈电路计算一般方法是将反馈电路分解为基本放大电路和反馈网络两部分，然后分别计算出开环放大倍数A和反馈系数F再代入公式求解Af、rif、r0f。在深度反馈情况下，即（1+AF）>>1时，对放大倍数近似计算，这是本节讨论的重点。4.4.1深度负反馈放大电路的计算当（1+AF）>>1时，则由于

（4-6）（4-7）（4-8）采用上两式求出输出电压U0与输入电压Ui的关系，从而估算出放大器的增益。下面通过4种负反馈组态的分析，说明如何利用上述近似条件进行估算。故得