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文档简介
4.1反馈的基础知识
4.1.1反馈的基本概念
1.什么是反馈
在放大电路中,将输出量(输出电压或电流)的一部分或全部,通过一定的方式引回输入回路来影响输入量(输入电压或电流),这一过程称为反馈。
2.反馈电路的组成
根据反馈的概念可知,反馈电路由基本放大电路和反馈网络两部分组成,如图4-1所示。其中基本放大电路用于信号的正向传输,反馈网络用于信号的反向传输。图中,反馈电路的输入信号称为输入量,输出信号称为输出量,反馈网络的输出信号称为反馈量,基本放大电路的输入信号称为净输入量。图4-1反馈电路的方框图4.1.2反馈的分类和判断
1.正反馈和负反馈
根据反馈量的极性,可分为正反馈和负反馈。引入反馈后使放大电路的净输入量增大的反馈称为正反馈,使净输入量减小的反馈称为负反馈。也就是说,正反馈使输出量的变化增大,负反馈使输出量的变化减小。
判断正反馈还是负反馈,可用瞬时极性法。先假定输入信号的瞬时极性,然后,沿基本放大电路逐级推出电路各点的瞬时极性,再沿反馈网络推出反馈信号的瞬时极性,最后判断净输入信号是增大了还是减小了。若净输入信号增大则为正反馈,反之,净输入信号减小则为负反馈。
【例4-1】试判断图4-2所示电路的反馈是正反馈还是负反馈。图4-2反馈电路
解:这是一个由集成运算放大器(详见第5章)构成的放大电路。集成运放有两个输入端,一个输出端。输入端分为同相输入端和反相输入端,这里的“同相”是指运放的输入电压与输出电压同相;“反相”是指运放的输入电压与输出电压反相。
首先对电路进行有无反馈的判断。若电路的输出回路与输入回路存在由电阻、电容等元器件构成的通路,则说明电路中引入了反馈,否则无反馈。
在图4-2电路中,电阻RF将电路的输出回路和输入回路“联系”起来,构成反馈通路,使输出电压影响电路的输入电压,故引入了反馈。
3.电压反馈和电流反馈
根据反馈量在电路输出端采样方式的不同,可分为电压反馈和电流反馈。若反馈信号取自输出电压,则称为电压反馈;若反馈信号取自输出电流,则称为电流反馈。
判断是电压反馈还是电流反馈,可采用短路法,即可假设将输出端交流短路(即令输出电压等于零),并观察此时反馈信号是否存在。若反馈信号不复存在,则为电压反馈,否则,即为电流反馈。
在图4-2中,反馈信号与输出电压成正比,即属于电压反馈。
4.串联反馈和并联反馈
根据反馈量与输入量在电路输入回路中求和形式的不同,可分为串联反馈和并联反馈。
若反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和,即二者为串联关系,则称为串联反馈;若反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式求和,即二者为并联关系,则称为并联反馈。
在图4-2中,集成运放的净输入信号 ,说明反馈信号与输入信号以电压形式求和,故属于串联反馈。 4.2负反馈放大电路
4.2.1负反馈放大电路的四种组态
根据反馈分类的分析,对于负反馈来说,将有四种组态,即电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈和电流并联负反馈。
1.四种组态负反馈放大电路
四种组态负反馈放大电路的方框图如图4-3所示。图4-3四种组态负反馈放大电路的方框图
(a)电压串联负反馈;(b)电压并联负反馈;
(c)电流串联负反馈;(d)电流并联负反馈电压串联负反馈的过程可用以下图示表示:图4-4电流串联负反馈放大电路该电路为电流串联负反馈。这说明电流负反馈具有稳定输出电流的作用,同理,由于该电路为串联负反馈,故信号源应为恒压信号源。图4-5电压并联负反馈放大电路电压并联负反馈的过程可用以下图示表示:这同样说明电压并联负反馈具有稳定输出电压的作用,但需保证Ii为一定值,也就是说,并联负反馈需用恒流信号源驱动,或者说,信号源的内阻愈大,负反馈效果愈显著。.图4-6电流并联负反馈放大电路图4-7反馈放大电路的方框图开环放大倍数和反馈系数分别为(4-1)(4-2)净输入量为(4-3)由式(4-1)、式(4-2)和式(4-3)可得闭环放大倍数(4-4)(4-5)4.3深度负反馈放大电路的计算
4.3.1深度负反馈的实质(4-6)(4-7)根据式(4–6),有根据式(4-7),有即4.4负反馈对放大电路性能的影响
4.4.1提高放大倍数的稳定性
在4.2节中,我们看到了放大电路引入负反馈后,当输入信号一定时,电压负反馈能够稳定输出电压,电流负反馈能够稳定输出电流,也就是说放大倍数的稳定性提高了。下面将定量分析放大倍数稳定性提高的程度与反馈深度的关系。若考虑到放大电路工作在中频范围,且反馈网络为纯电阻性,则式(4-4)可表示为(4-8)其中F为常量。对式(4-8)两边求微分,得(4-9)将式(4-9)除以式(4-8),可得(4-10)式(4-10)表明,负反馈放大电路闭环放大倍数Af的相对变化量,等于基本放大电路放大倍数A的相对变化量的1/(1+AF),即反馈愈深,dAf/Af愈小,放大倍数的稳定性愈高。综合式(4-8)和式(4-10)可以看出,引入负反馈后,放大倍数下降为原来的1/(1+AF),而放大倍数的稳定性提高了(1+AF)倍。
【例4-4】已知一个负反馈放大电路的反馈系数F为0.1,其基本放大电路的放大倍数A为105。若A产生±10%的变化,试求闭环放大倍数Af及其相对变化量。
解:反馈深度为1+AF=1+105×0.1≈104,根据式(4-10),闭环放大倍数为4.4.2展宽频带
由式(4-10)可知,无论何种原因引起放大电路的放大倍数变化,均可通过负反馈使放大倍数的相对变化量减小,可见,对于由信号频率不同而引起放大倍数的变化,也同样可用负反馈进行改善,即引入负反馈可使放大电路的频带增宽。
为使讨论问题简单,不妨设反馈网络为纯电阻网络,且放大电路只在高频段特性有一个频率点,可以证明,引入负反馈后的中频放大倍数Amf和上限频率fHf分别为.(4-11)(4-12)式(4-11)与式(4-12)相乘,得(4-13)一般情况下,放大电路的通频带BW可近似地用其上限频率来表示,则式(4-14)又可表示为(4-14)且有(4-15)4.4.3减小非线性失真
当输入信号为正弦波时,由于放大器件特性曲线的非线性(比如晶体管输入特性曲线的非线性),将导致输出信号的波形可能不是真正的正弦波,即输出波形产生了非线性失真,并且信号幅度愈大,非线性失真愈严重。
下面以输入正弦波信号为例,来分析电路引入负反馈后是如何减小非线性失真的。设输入的正弦波信号经过基本放大电路放大后,产生的非线性失真波形为正半周大,负半周小。引入负反馈后,若反馈系数为常数,则反馈信号也是正半周大,负半周小。输入信号与反馈信号之差的净输入信号的波形则为正半周小,负半周大。经放大电路放大后,输出信号正负半周的幅度将趋于一致,从而改善了输出波形,并且反馈愈深,减小非线性失真的效果愈明显。
根据反馈电路方框图(见图4-7)可知,利用负反馈减小非线性失真指的是反馈环内的失真,若输入波形本身已是失真的,则引入负反馈也将无济于事。4.4.4对输入电阻和输出电阻的影响
1.负反馈对输入电阻的影响
(1)串联负反馈使输入电阻增大。
在图4-8所示的串联负反馈放大电路方框图中,基本放大电路的输入电阻为串联负反馈放大电路的输入电阻为而,故(4-16)图4-8串联负反馈电路的方框图图4
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