模拟电子技术(西电第三版)第3章 放大电路中的负反馈

实训3负反响放大器的性能3.1反响的根本概念3.2反响的类型与判别3.3负反响对放大器性能的影响3.4深度负反响放大器的估算*3.5负反响放大器的稳定问题第3章放大电路中的负反响实训3负反响放大器的性能

(一)实训目的

(1)初步接触负反响放大器，通过对有负反响和无负反响放大器性能的比较，体会负反响改善放大器性能的作用。

(2)进一步提高焊接电路的水平。

(3)进一步熟悉几种常用测量仪器的使用。

(4)进一步掌握放大器性能的测试方法。(二)预习要求

(1)复习单级和多级放大器原理。

(2)课下在万能实验板上按实训电路图焊好电路。焊接时注意为改变元器件位置或用仪器测量留有足够的空间。(教师做重点指导)

(3)预习信号发生器、示波器、万用表的使用方法。(三)实训原理

1.反响的概念

在放大器电路中，所谓反响，就是把局部或全部输出信号经过一定的反响网络引回到输入端形成反响信号，与原输入信号叠加后作为输入信号去控制输出。这样做使得输出信号不仅与输入信号有关，还与输出信号有关。即所谓“输出本身影响输出〞。

按照反响的极性划分，反响可分为正反响和负反响。在正反响中，反响信号和输入信号在输入端相加；在负反响中，反响信号和输入信号在输入端相减。这里我们首先接触负反响电路，暂不涉及正反响电路。2.无负反响放大器的缺乏

前面两章中所讲的根本放大器中一般没有负反响，因而放大的性能指标不够理想。主要表现在放大倍数不稳、输入电阻不符合要求、输出信号受负载变化的影响、非线性失真较大等。这些缺乏限制了根本放大器的使用。3.负反响放大器改善电路性能

引入负反响的放大器称为负反响放大器。引入了负反响后，可使放大器的很多性能得到改善,主要是提高电路的稳定性，改变电路的输入、输出电阻，改善电路的非线性失真，改善电路的频率特性等。因此，负反响在各种放大器电路中应用十分广泛。4.实训电路

实训电路如实图3.1所示。实训中通过测量两级根本阻容放大器和负反响放大器，对其性能参数进行比较，初步体会负反响对于改善放大器各项性能所起的作用。为后面的理论课学习打下实际操作的根底。实图3.1负反响放大电路(四)实训内容

将实图3.1电路接上+12V直流稳压电源。

1.测量电路的静态工作点

令输入信号为零，用万用表测量出V1与V2的基极、集电极、发射极电位UB1、UC1、UE1、UB2、UC2、UE2值的大小，记录于自拟的数据表格中。调节RP使V1的集电极静态电流IC1为1mA左右。2.测量根本放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻

(1)开关S1置“1〞位置，把反响网络从A点断开，在输入端接低频信号发生器，输入频率为f=1kHz、电压为Ui=10mV的正弦信号，从输出端分别测量不接负载电阻RL和接负载电阻RL两种情况下的输出电压Uo、UoL，计算出电压放大倍数Au、输出电阻ro(=(Uo－UoL)RL/UoL)，填入实表3.1中。

(2)S1置“2〞位置，将Rs=4.7kΩ接入回路，调节信号源电压，同时保持Ui=10mV不变，测出此时信号源电压Us值的大小，计算出输入电阻ri(=UiRs/(Us－Ui))值，填入实表3.1中。3.测量电压串联负反响放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻

S1置“1〞位，将反响网络从A点接上，S2置“2〞位，便构成电压串联负反响。使输入信号仍为f=1kHz、Ui=10mV，按实训内容2.测量加了负反响后的输入电压、无负载输出电压、有负载输出电压及信号源电压Uif、Uof、Uolf、Us，并计算出有负反响后的电压放大倍数、输出电阻及输入电阻Auf、rof、rif，填入实表3.1中。4.测量根本放大电路与负反响放大电路的频率特性

1)根本放大电路形式(S1置“1〞，S2置“1〞)

输入端输入f=1kHz、Ui=10mV正弦信号，接上负载RL=4.7kΩ，当输出波形不失真时测出输出电压UoL的大小。调高输入信号频率，观测输出电压，当输出电压降为

0.707UoL时，记下所对应的上限频率fH；调低输入信号频率，观测输出电压，当输出电压降为0.707UoL时，记下所对应的下限频率fL，填入实表3.1中。2)负反响放大电路形式(S1置“1〞，S2置“2〞)

重复步骤1)中根本放大电路的测量内容，即测出上限频率fHf和下限频率fLf，填入实表3.1中。5.观察负反响对放大器非线性失真的改善

将放大器处于根本放大电路形式，输入信号频率不变，增大幅度，使放大器输出波形产生明显的非线性失真时，画出此失真波形；保持输入不变，将放大器处于负反响形式，描下此时的输出波形，再适当增大输入信号，而维持输出电压幅值不变，以此分析非线性失真的改善程度。(五)实训报告

(1)整理数据，完成表格。

(2)画出无反响和有负反响两种情况下的频率响应特性曲线。

(3)根据测量、观察的结果，总结出负反响对放大器的哪些性能有影响，各是如何影响的。(六)思考题

经过实训，你是否产生了以下待解答的问题：

(1)负反响分为哪些类型？如何划分和判断不同类型的负反响？不同类型负反响对放大器性能的影响是否相同？

(2)负反响对放大器性能产生影响的具体原理是什么？如何进行分析？

(3)欲增大(或减小)放大器的输入电阻，应引入何种负反响？欲增大(或减小)放大器的输出电阻，应引入何种负反响？如何按要求在放大器中正确引入负反响？3.1反响的根本概念

集成运算放大器简介

集成运放的内部电路随型号不同而不同，但其根本电路结构却有共同之处。集成运放的符号如下图，它有两个输入端：一个称为同相输入端，在符号图中标以“+〞号；另一个称为反相输入端，在符号图中标以“－〞号。图集成运算放大器(a)以往用过的图形符号；(b)新标准的图形符号在理想情况下，运放的输出电压与输入端的电压之差成正比，即反响的根本概念

所谓反响，就是将放大电路输出回路信号的一局部或全部，通过反响网络回送到输入回路从而影响(增强或削弱)净输入信号的过程。使净输入信号增强的为正反响，使净输入信号削弱的为负反响。这样，在反响电路中，电路的输出不仅取决于输入，而且还取决于输出本身，因而就有可能使电路根据输出状况自动地对输出进行调节，到达改善电路性能的目的。图两种放大电路(a)射极输出器；(b)静态工作点稳定电路负反响放大器的根本关系式

为了研究各种形式负反响放大器的共同特点，我们可以把负反响放大器抽象为图3.1.3所示的方框图形式。图负反响放大器的方框图图中，分别表示放大器的输入量、输出量、反响量及净输入量。这些量均为一般化的信号，它们可以是电压，也可以是电流。为了适用于更一般的情况，这里都用相量形式表示。是放大器的开环放大倍数，为

(3.1.1)是反响网络的反响系数，为

(3.1.2)

符号表示输入量与反响量的叠加，其中+、－号表示叠加关系，为

(3.1.3)我们称输出量与输入量之比为该放大器的闭环放大倍数，用表示，即

(3.1.4)由(3.1.1)~(3.1.4)式可得

即

(3.1.5)在(3.1.5)式中，量是开环放大倍数与闭环放大倍数幅值之比，它反映了反响对放大电路的影响程度，称做反响深度，后面将要看到，反响放大器的很多性能的变化都与反响深度有关。关于(3.1.5)式及反响深度，分下面几种情况予以讨论。(1)假设说明引入反响后，放大倍数减小了。这种情况为负反响。由(3.1.1)～(3.1.3)式有

即

(3.1.6)(2)假设这种情况为正反响，反响的引入加强了净输入信号。

(3)假设这就是说，即使没有输入信号，放大电路也有信号输出，这时的放大电路处于“自激〞状态。除振荡电路外，自激状态一般情况下是应当防止或消除的。(4)假设那么

(3.1.7)3.2反响的类型与判别

1.正反响与负反响

这是按照反响的极性来分的。当输入量不变时，假设输出量比没有反响时变大了，即反响信号加强了净输入信号，这种情况称为正反响；反之，假设输出量比没有反响时变小了，

即反响信号削弱了净输入信号，这种情况称为负反响。正反响多用于振荡电路和脉冲电路，而负反响多用于改善放大电路的性能。

图为几个反响电路，我们现在用瞬时极性法来判别它们反响的极性。图反响极性的判别2.交流反响与直流反响

图中，(a)图中反响信号的交流成分被Ce旁路掉，在Re上产生的反响信号只有直流成分，因此是直流反响。(b)图中反响信号通道仅通交流，不通直流，因而为交流反响。假设将(a)图中电容Ce去掉，即Re不再并联旁路电容，那么Re两端的压降既有直流成分，又有交流成分，因而是交直流反响。图交流反响与直流反响3.电压反响与电流反响

判断是电压反响还是电流反响的常用方法是负载电阻短路法(亦称输出短路法)。这种方法是假设将负载电阻RL短路，也就是使输出电压为零。此时假设原来是电压反响，那么反响信号一定随输出电压为零而消失；假设电路中仍然有反响存在，那么原来的反响应该是电流反响。我们用这个方法判断图所示电路为何种反响。图电压反响与电流反响4.串联反响与并联反响

这是按照反响信号在输入回路中与输入信号相叠加的方式不同来分类的。反响信号反响至输入回路，与输入信号有两种叠加方式：串联和并联。如果反响信号与输入信号是串联接在根本放大器的输入回路中,那么为串联反响；如果反响信号与输入信号是并联接在根本放大器的输入回路中,那么为并联反响。在串联反响中，反响信号与输入信号在输入回路中是以电压的形式相叠加的，而并联反响中，反响信号与输入信号那么是以电流的形式相叠加的。因此，是以电压形式还是以电流形式相叠加,也是区分串联反响与并联反响的依据。四种根本负反响类型

1.电压串联负反响

电压串联负反响的实际电路和连接方框图分别如图中(a)图与(b)图所示。图电压串联负反响(a)电路图；(b)方框图电压负反响具有稳定输出电压的作用。设输入信号Ui不变，假设负载电阻RL因某种原因减小使输出电压Uo减少，那么经Rf、R1分压所得反响信号Uf亦减小，结果使净输入信号Ud增大(Ud=Ui－Uf)，使Uo增大，即抑制了Uo的减少。这个稳压过程可表示如下：2.电压并联负反响

电压并联负反响的实际电路和连接方框图，分别如图3.2.5(a)和(b)所示。图电压并联负反响(a)电路图；(b)方框图3.电流串联负反响

电流串联负反响的实际电路和连接方框图分别如图3.2.6(a)与(b)所示。图电流串联负反响(a)电路图；(b)方框图电流负反响具有稳定输出电流的作用。在输入电压Ui一定时，假设因某种原因(如负载电阻变小)使输出电流Io增大，那么反响信号Uf增大，从而使运放的净输入信号Ud减小，使输出电压Uo减小，使Io减小，从而抑制了Io的增大。其稳流过程可表示如下：4.电流并联负反响

电流并联负反响的实际电路和连接方框图分别如图3.2.7(a)和(b)所示。图电流并联负反响(a)电路图；(b)方框图3.3负反响对放大器性能的影响

提高放大倍数的稳定性

放大器的放大倍数是由电路元件的参数决定的。假设元件老化或更换、电源不稳、负载变化或环境温度变化，那么可能引起放大器的放大倍数变化。为此，通常都要在放大器中引入负反响，用以提高放大倍数的稳定性。为了从数量上分析负反响对放大倍数稳定性的奉献，我们将(3.1.5)式对A求导，有

即两边除以(3.1.5)式，得

(3.3.1)例如，某负反响放大器的A=104，反响系数F=0.01，那么可求出其闭环放大倍数假设因参数变化使A变化±10%，即A的变化范围为9000～11000，那么由(3.3.1)式可求出Af的相对变化量为

即Af的变化范围为99.9～100.1。显然，Af的稳定性比A的稳定性提高了约100倍(由10%变到0.1%)。负反响越深，稳定性越高。展宽通频带

无反响时，由于电路中电抗元件的存在，以及寄生电容和晶体管结电容的存在，会造成放大器放大倍数随频率而变，使中频段放大倍数较大，而高频段和低频段放大倍数较小，放大电路的幅频特性如下图。图中fH、fL分别为上限频率和下限频率，其通频带fBW=fH－fL较窄。图负反响展宽通频带以上对负反响展宽通频带的原理作了定性分析。下面我们以一个单级阻容耦合放大器为例，来对频带展宽进行定量分析。

第2章讲述放大电路的频率特性时曾推导出单级阻容耦合放大器在高频段的放大倍数表达式(式2.7.23)为下面的形式：

(3.3.2)

这是未引入反响时的表达式，式中fH为无反响时的上限频率，为无反响时中频段的放大倍数。引入负反响后(设反响系数不随频率而变)，放大器在高频段的放大倍数为

(3.3.3)将上式与(3.3.2)式比较，可以看出，加反响后上限频率变为

(3.3.4)

这就说明，加反响后，放大器的上限频率为未加反响时的

类似地，由式(2.7.18)，无反响时的低频放大倍数为

(3.3.5)引入负反响后，低频段放大倍数变为

(3.3.6)将上式与(3.3.5)式比较，可以看出，加反响后下限频率变为

(3.3.7)

这就说明，加反响后，放大器的下限频率为未加反响时的

一般来说，放大器的上限频率远大于其下限频率，因而其通频带(等于上限频率与下限频率之差)就近似等于其上限频率的数值,那么加反响后的通频带为

(3.3.8)

可见，加了负反响以后，放大器的通频带展宽为原来的

减小非线性失真

由于放大电路中元件(如晶体管)具有非线性，因而会引起非线性失真。一个无反响的放大器，即使设置了适宜的静态工作点，但当输入信号较大时，仍会使输出信号波形产生非线性失真。引入负反响后，这种失真可以减小。

图为负反响减小非线性失真示意图。图负反响减小非线性失真(a)无反响；(b)有反响改变输入电阻和输出电阻

1.对输入电阻的影响

1)串联负反响

图是串联负反响方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为图串联负反响方框图反响放大器的输入电阻为

(3.3.9)2)并联负反响

图为并联负反响方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为

反响放大器的输入电阻为

(3.3.10)图并联负反响方框图2.对输出电阻的影响

1)电压负反响

图3.3.5(a)是电压负反响的方框图。按照输出电阻的定义，求输出电阻rof时应去掉输入信号(即令)，断开负载电阻(即令RL=∞)，在输出端向放大器施加一个电压，那么与它为放大器所提供的电流的比值就是输出电阻rof。在图3.3.5(b)等效电路的输入端，

在等效电路的输出端，有

所以

(3.3.11)图电压负反响输出电阻的计算(a)方框图；(b)(a)的等效电路2)电流负反响

图3.3.6(a)是电流负反响的方框图。

图电流负反响输出电阻的计算(a)方框图；(b)(a)的等效电路在图3.3.6(b)等效电路的输入端，有

在其输出端，有

所以

(3.3.12)3.4深度负反响放大器的估算

由深度负反响的条件：有

(3.4.1)

(3.4.2)

(3.4.3)1.电压串联负反响

图为电压串联深度负反响电路。其中(a)图由集成运放组成，(b)图由分立元件组成。图电压串联负反响电路在图3.4.1(a)中，输出电压Uo经Rf、R1分压后加到输入回路上，因流入运放反相输入端的电流一般极小，可以忽略，故有

反响系数为因满足深度负反响，故闭环放大倍数为

由表知，电压串联负反响闭环放大倍数就是闭环电压放大倍数，所以闭环电压放大倍数为

(3.4.4)图3.4.1(b)中，输出电压Uo经Rf、Re1分压后加到第一级的输入回路，作为整个放大器的反响电压，忽略V1的发射极电流在Re1上的压降(这个压降属于第一级的局部反响电压，相对整个放大器的反响来说一般可以忽略)，有

反响系数为因满足深度负反响，故闭环放大倍数为

同样，其闭环电压放大倍数即为其闭环放大倍数，即

(3.4.5)2.电压并联负反响

图为两个电压并联深度负反响电路。图电压并联负反响电路图3.4.2(a)为集成运放组成的电路，因流入反相输入端的电流很小，可以忽略，即Id≈0，Ii≈If。

因Id≈0，故有U－=Idri≈0，有

即闭环放大倍数为在深度并联负反响时，放大器的输入电阻rif→0，故

所以，闭环电压放大倍数为

(3.4.6)图3.4.2(b)所示为分立元件组成的单级放大电路。通常

Ib<<If，故有Ii≈If。通常Ub<<Uo，故有

闭环放大倍数为由于满足深度负反响，晶体管放大器的输入电阻近似为0，故

因此，闭环电压放大倍数为

(3.4.7)3.电流串联负反响

图为电流串联深度负反响放大电路。图电流串联负反响电路图(a)的集成运放电路满足深度负反响，那么有

而闭环放大倍数为

又

故闭环电压放大倍数为

(3.4.8)图3.4.3(b)为分立元件组成的放大器，输出量Io≈Ie，而Uf=IeRe，所以

满足深度负反响，Ui≈Uf，故

故闭环放大倍数为闭环电压放大倍数那么为

(3.4.9)

式中，RL′=RL∥Rc。4.电流并联负反响