《模拟电子技术及应用》课件第3章

3.1.1反馈的定义

反馈也称“回授”，广泛应用于各个领域。在电子线路中，将放大电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的方式送回到放大电路输入端的过程称为反馈。我们把引入反馈的放大电路称为闭环放大电路(反馈放大电路)，没有引入反馈的放大电路称为开环放大电路。在放大电路中引入反馈是为了将反馈信号与原输入信号进行叠加，以改变放大电路的净输入信号，最终达到改变放大电路性能参数的目的。3.1反馈的基本概念

反馈放大电路的框图如图3-1所示，图中标有的方框表示基本放大电路，标有的方框表示反馈网络，表示原输入信号，表示反馈信号，表示净输入信号，表示输出信号，符号表示信号

与

叠加。在图3-1中， 。通常把从输出信号中取出反馈信号的过程称为“取样”；把原输入信号与反馈信号的叠加过程称为“比较”。

这里定义几个新的参数： 称为开环放大倍数，其为无反馈时放大电路的放大倍数； 称为反馈系数； 称为闭环放大倍数。

图3-13.1.2反馈的类型及判别

1.直流反馈与交流反馈

如果反馈量f中仅含有直流成分，则称为直流反馈。在图2-22(b)中的RE上只有直流电流，且UBE＜UB，所以，引入的是直流负反馈。如果反馈量f中仅含有交流成分，则称为交流反馈。

在放大电路中引入直流负反馈的目的是为了稳定电路的静态工作点，引入交流负反馈的主要目的是为了改善放大电路的交流性能参数。本章主要讨论交流负反馈。

直流反馈与交流反馈的判别方法是：根据定义观察反馈信号是直流成分还是交流成分。在有些电路中，直流反馈与交流反馈同时存在。

2.串联反馈与并联反馈

串联反馈和并联反馈是按输入回路中原输入信号与反馈信号

的比较方式来定义的。原输入信号无非是电压

或电流，反馈信号也分为电压和电流

。若反馈信号使输入电压发生变化，则为串联反馈；若反馈信号使输入电流发生变化，则为并联反馈。如图3-2(a)所示， ，输入电压发生了变化，故为串联反馈；在图3-2(b)中， ，输入电流发生了变化，故为并联反馈。

图3-2串联反馈与并联反馈的判别方法是：根据反馈网络与放大电路的连接关系来判别。即除了公共接地端外，若反馈网络的另一个端子与放大电路输入信号的输入端子相连接，则为并联反馈，否则，为串联反馈。

3.电压反馈与电流反馈

电压反馈和电流反馈是按取样方式的不同来定义的，即根据反馈信号与输出信号的关系来确定。若反馈信号与输出电压

成比例，则为电压反馈；若反馈信号与输出电流

成比例，则为电流反馈。如图3-3(a)所示，当 时， ，此时

，故为电压反馈；在图3-3(b)中，当 时，

，此时 _____，故为电流反馈。

图3-3判别电压反馈与电流反馈的方法之一是根据定义来判别，即当 (输出端短路)时， ，为电压反馈；当 (输出端开路)时， ，为电流反馈。

判别电压反馈与电流反馈的方法之二是根据电路结构判别，其具体方法是：先画出电路的交流通道，然后在交流通道中观察反馈网络与放大电路输出端的连接关系，除公共端外，若反馈网络与输出端相连接，则为电压反馈，否则，为电流反馈。

4.负反馈与正反馈

反馈可分为负反馈和正反馈。在式 中，若 ，反馈信号使净输入信号增大，即为正反馈；若 ，反馈信号使净输入信号减小，即为负反馈。由于反馈的结果影响了净输入信号，因而必然会影响输出信号，所以，也可以根据引入反馈前后输出信号的变化情况来判断反馈的极性。若引入反馈后使输出信号增大，则为正反馈；反之，为负反馈。

在图2-22(b)中，发射极电阻RE引入的即为负反馈。因为无RE时，UBE＝UB，有RE时，UBE＜UB，反馈信号使净输入信号减小，所以为负反馈。

判别正反馈与负反馈的方法是瞬时极性法。其具体方法是：先断开反馈网络与放大电路输入端的连接，然后设定输入信号有一个正极性的变化(增大)，再根据放大电路和反馈网络信号的传输路径，逐级推出反馈信号的极性(增大或减小)，最后根据反馈信号与输入信号的极性，观察反馈信号与输入信号叠加后使净输入信号增大了还是减小了，若净输入信号减小，则为负反馈，若净输入信号增大，则为正反馈。在具体电路中，可通过比较净输入电压和净输入电流与原输入电压和原输入电流的大小关系来判定，如在图3-2中，若 或 ，则为负反馈，否则，为正反馈。

综上所述，根据取样方式和比较方式，负反馈放大电路有四种组态，即串联电压负反馈、并联电压负反馈、串联电流负反馈和并联电流负反馈。

对于负反馈，由于

，其闭环增益为

(3-1-1)

式中，称为电路的环路放大倍数；称为反馈深度，其大小反映了反馈的强弱。

负反馈放大电路的分析包含两个方面：定性分析和定量分析。定性分析是根据电路结构判别反馈组态，应用瞬时极性法判别正、负反馈；定量分析主要是估算放大电路的增益和输入电阻、输出电阻。本节主要讨论定性分析方法，对定量分析只作简单介绍。3.2负反馈放大电路的分析3.2.1负反馈放大电路的定性分析

1.单级串联电流负反馈放大电路

图3-4(a)为单级串联电流负反馈放大电路，图3-4(b)为其交流通道，它与共射极放大电路的不同之处就是去掉了发射极旁路电容CE。这样，RE除对静态电流ICQ继续起稳定作用外，加入输入信号后，RE两端还产生交流信号电压

。由于RE处在输出和输入回路的公共支路中，因此既起到对电流的取样作用，又实现了反馈(因为反馈电压

，该式说明反馈信号以电压

的形式出现，改变输入电压，属于电压比较的串联反馈，同时，又由于正比于，即取样于电流，属电流反馈)。、

及三者的实际电压极性满 ，故为负反馈。

当集电极信号电流受各种因素(如元件参数老化、负载变化、温度变化、电源电压变化等)的影响而发生变化时，由于取样于，因此通过反馈的调节作用必将稳定。其稳定原理与稳定静态电流ICQ相似，可以用下列过程表示：结果使变化不大，实现了输出电流的稳定。

图3-4

为突出稳定对象，在负反馈放大电路中，常将输出稳定量与输入恒定量之比定义为放大器的增益。本例中是在

恒定情况下稳定输出电流

的，其比值

，称为放大器的互导增益。所以，电流串联负反馈放大器是稳定互导增益的，故串联电流负反馈放大电路又称为互导放大器。

另一方面，对负载的变化而言，流过它的电流得到了稳定，这相当于提高了从左端向放大器看进去的交流输出电阻。至于放大器的输出电压是否稳定，这要根据具体情况而定。若是不变的，则根据

可知，稳定必稳定；若是变化的，则不稳定。

2.单级并联电压负反馈放大电路

图3-5(a)为单级并联电压负反馈电路，图3-5(b)为其交流通道。

图3-5中，Rf为反馈电阻，它跨接在输出端与输入端之间，起取样和反馈的双重作用。在交流通道中，将Rf下端到地用等效电压源代替。由图3-5(b)可知，Rf通过到地接在输入端(

为实际电压极性)，这个反馈支路与信号源、基本放大器输入端三者是并联关系。反馈信号是以电流的形式出现的，并以图3-5(b)所示电流、电压的实际极性表示。

从基极流出，其比较关系为 ，故属于并联负反馈。在Rf支路中形成的电流才是反馈电流，显然有 ，故属于电压反馈。

电压反馈取样于电压，在各种因素影响下必能稳定，其稳定原理可用下列过程表示：

结果使变化不大，从而实现了稳定。

图3-5

与

之比称为放大电路的互阻增益 ，因并联电压负反馈放大电路稳定的是互阻增益，故称为互阻放大器。对RL的变化而言，欲使输出电压稳定，就需给RL提供一个恒压源信号，相当于减小了放大器从RL左边看进去的输出电阻。

3.两级串联电压负反馈放大电路

两级串联电压负反馈放大电路及其交流通道如图3-6(a)、(b)所示。由图3-6(b)的交流通道可知：Rf和Cf构成的反馈支路跨接在第二级输出端与第一级三极管发射极之间，反馈信号取样于第二级的输出电压，经Rf和RE1分压后在RE1两端得到反馈电压

。在忽略第一级发射极交流电流的影响时，反馈电压

，属于电压反馈。由图3-6(b)所示实际电压极性可知，比较关系为 ，故属于串联负反馈。

串联电压负反馈放大电路是在恒定的情况下稳定输出电压

的，即稳定对象是电压增益 ，故又称为电压放大器。稳定相当于降低了第二级输出电阻。

图3-6

4.两级并联电流负反馈放大电路

图3-7(a)、(b)分别为两级并联电流负反馈电路和交流通道。反馈电阻Rf跨接在第二级V2发射极和第一级V1基极之间，反馈信号以电流的形式出现。从图3-7(b)所示的实际电流方向可知，必从第一级基极B流出，并满足 ，故为并联负反馈。第二级发射极电流 ，反馈信号取样于电流，故稳定，属于电流反馈。由于在恒定的条件下稳定了，因而稳定了电流放大倍数 ，所以并联电流负反馈放大器又称为电流放大器。

稳定，给负载RL提供了一个恒流信号，相当于提高了从RL左侧向放大器看进去的输出电阻。

通过以上四种典型负反馈电路的定性讨论可知，不同反馈类型的稳定对象以及对信号源的要求是不同的，今后还会分析到其他性能的差别，因此，事先判别出反馈类型是十分重要的。

图3-7

判别反馈类型时，通常先判别是电压还是电流反馈，这可用负载短路法判别。即假想负载RL短路，若此时反馈信号(

或

)消失，则为电压反馈；若反馈信号依然存在，则为电流反馈。判别是串联还是并联反馈只要看反馈信号是电压还是电流即可。若是，则为电压比较，属串联反馈；若是电流，则为电流比较，属并联反馈。至于是正反馈还是负反馈，就要用瞬时极性法加以判别。方法是先假定输入信号的瞬时极性，然后利用放大器有关电流或电压相位的知识标出反馈信号应有的实际方向，再看净输入信号是增大了还是减小了，即可判别出是正反馈还是负反馈。3.2.2深度负反馈放大电路增益的估算

前面对负反馈放大电路作了定性分析，下面进行定量分析，这里仅对电路增益的估算方法作一简单介绍。

1.深度负反馈的特点

式(3-1-1)给出了负反馈放大电路的闭环增益为

，如果该式满足条件

或

(3-2-1)那么，负反馈放大电路的闭环增益为

(3-2-2)

由于反馈网络一般由电阻构成，反馈系数为实数，因此式(3-2-2)表明，在深度负反馈条件下，放大电路的闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，其数值仅由构成反馈网络的电阻的阻值决定，而与放大电路的开环参数无关，因此闭环放大倍数非常稳定。

在深度负反馈的条件下，放大电路的净输入信号很小，即

(3-2-3)

因而有

(3-2-4)

由此可以得到

这与式(3-2-2)相同。

式(3-2-2)、式(3-2-3)和式(3-2-4)是在深度负反馈条件下推导出来的，它们反映了深度负反馈放大电路的特点。利用这些特点，可以方便地对负反馈放大电路进行定量分析。

2.负反馈放大电路的增益估算举例

例3-1

估算如图3-4(a)所示的串联电流负反馈放大电路的电压放大倍数。

解为计算方便，将该电路的交流通道重画为图3-8。

由交流通道知

因为 ，所以

电压放大倍数为

我们也可以根据第二章介绍的微变等效电路法求出该电路的闭环电压放大倍数

。

单管放大电路的开环增益低，反馈深度不够深，上式的计算精确度较差。

图3-8

例3-2

估算图3-6(a)所示两级串联电压负反馈放大电压的电压放大倍数。

解为计算方便，将该电路的交流通道重画为图3-9。

忽略不计，由交流通道知

故

因为 ，所以

两级放大电路的开环增益较大，反馈深度较深，上式的计算结果较准确。

图3-9

例3-3

估算如图3-7(a)所示两级并联电流负反馈放大电路的电压放大倍数。

解为计算方便，将该电路的交流通道重画为图3-10。

由于电路是深度负反馈，故有 ，，且Rs>>rif。因为

所以

图3-10

放大电路中引入交流负反馈后，其性能会得到多方面的改善，比如可以稳定放大倍数，改变输入电阻和输出电阻，展宽频带，减小非线性失真等。下面将一一加以说明。3.3负反馈对放大电路性能的影响3.3.1稳定放大倍数

当放大电路引入深度负反馈时， 几乎仅决定于反馈网络，而反馈网络通常由电阻组成，因而可获得很好的稳定性。那么，就一般情况而言，是否引入交流负反馈就一定能使得到稳定呢？

在中频段，、和均为实数，的表达式可写成

(3-3-1)对式(3-3-1)求微分得

(3-3-2)

用式(3-3-1)的左右两边分别除以式(3-3-2)的左右两边，可得

(3-3-3)式(3-3-3)表明，负反馈放大电路放大倍数Af的相对变化量仅为无反馈时放大电路其放大倍数A的相对变化量的1／(1＋AF)，也就是说，Af的稳定性是A的(1＋AF)倍。例如，当A变化10%时，若1＋AF＝100，则Af仅变化0.1%。

对式(3-3-3)的内涵进行分析可知，引入交流负反馈，因环境温度的变化、电源电压的波动、元件的老化、器件的更换等原因引起的放大倍数的变化都将减小。特别是在制成产品时，因半导体器件参数的分散性所造成的放大倍数的差别也将明显减小，从而使电路的放大能力具有很好的一致性。

应当指出：Af的稳定性是以损失放大倍数为代价的，即Af减小到A的1／(1＋AF)，才使其稳定性得以提高到A的(1＋AF)倍。也就是说，提高放大倍数的稳定性是以牺牲放大倍数为代价的。3.3.2改变输入电阻和输出电阻

在放大电路中引入不同组态的交流负反馈，将对输入电阻和输出电阻产生不同的影响。

1.对输入电阻的影响

输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而负反馈对输入电阻的影响，取决于无反馈放大电路与反馈网络在电路输入端的连接方式，即取决于电路引入的是串联反馈还是并联反馈。

1)串联负反馈增大输入电阻

如图3-11所示为串联负反馈放大电路的方框图，根据输入电阻的定义，无反馈放大电路的输入电阻为

而整个电路的输入电阻为

图3-11从而得出串联反馈输入电阻的表达式为

(3-3-4)

式(3-3-4)表明，输入电阻增大到了ri的(1＋)倍。应当指出，在某些负反馈放大电路中，有些电阻并不在反馈环内，例如，如图3-9(b)所示交流通路中的RB11并联在输入端，反馈对它不产生影响，但对于的输入电阻应该是由式(3-3-4)计算所得电阻与RB11的并联。

2)并联负反馈减小输入电阻

并联负反馈放大电路的方框图如图3-12所示。根据输入电阻的定义，无反馈放大电路的输入电阻为

整个电路的输入电阻为

图3-12

从而得出并联反馈输入电阻的表达式为

(3-3-5)

式(3-3-5)表明，引入并联负反馈后，输入电阻仅为无反馈放大电路输入电阻的1／(1＋)。

2.对输出电阻的影响

输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效内阻，因而负反馈对输出电阻的影响取决于无反馈放大电路与反馈网络在放大电路输出端的连接方式，即取决于电路引入的是电压反馈还是电流反馈。

1)电压负反馈减小输出电阻

电压负反馈的作用是稳定输出电压，故必然使输出电阻减小。电压负反馈放大电路的方框图如图3-13所示，令输入量 ，在输出端加交流电压，产生交流电流，则电路的输出电阻为

(3-3-6)

图3-13

作用于反馈网络，得到反馈量 又作为净输入量作用于无反馈放大电路，产生的输出电压为

。无反馈放大电路的输出电阻为ro，因为在无反馈放大电路中已考虑了反馈网络的负载效应，所以不必重复考虑反馈网络的影响。因此，ro中的电流为，其表达式为

将的有效值Io带入式(3-3-6)，则可得电压负反馈放大电路输出电阻的表达式，即

(3-3-7)

式(3-3-7)表明，引入负反馈后输出电阻仅为其无反馈放大电路输出电阻的1／(1＋AF)。当1＋AF趋于无穷大时，rof趋于零，因此，电压负反馈电路的输出可近似认为是恒压源。

2)电流负反馈增大输出电阻

电流负反馈能够稳定输出电流，故其必然会使输出电阻增大。

如图3-14所示为电流负反馈放大电路的方框图。令＝0，在输出端外加交流电压，由此产生了电流，则电路的输出电阻为

(3-3-8)作用于反馈网络，得到反馈量 ，又作为净输入量作用于无反馈放大电路，使无反馈放大电路产生的输出电流为。ro为无反馈放大电路的输出电阻，由于在无反馈放大电路中已经考虑了反馈网络的负载效应，因此可以认为此时作用于反馈网络的输入电压为零，即ro上的电压为，故流入无反馈放大电路的电流

为

即

将的有效值Io带入式(3-3-8)，便得到电流负反馈放大电路输出电阻的表达式为

rof＝(1＋FA)ro (3-3-9)

式(3-3-9)说明，rof增大到了ro的(1＋FA)倍。当(1＋FA)趋于无穷大时，rof也趋于无穷大，电路的输出等效为恒流源。

图3-143.3.3展宽通频带

下面通过对幅频特性的计算来说明负反馈对通频带的影响。

设有一放大电路，其中频电压放大倍数为Am＝400，上限频率fH＝30kHz，即当工作频率上升到fH时，电压放大倍数下降到AH＝0.707Am＝282.8，比中频下降了29.3%。若引入负反馈，设反馈系数F＝0.0475，则中频区闭环电压放大倍数为Amf＝Am／(1＋FA)＝20，当工作频率上升到30kHz时，闭环电压放大倍数为AHf＝AH(1＋FAH)＝19.59，只比中频时下降了2.1%。若用这样的负反馈放大电路构成两级放大电路，则中频电压放大倍数为400，高频(30kHz)电压放大倍数为383.8，比中频降低了4.1%。上述计算说明，引入负反馈后，能使放大电路在频率升高时其电压放大倍数的降低变慢。换句话说，负反馈能提高放大电路的上限频率。之所以能这样，是因为放大电路在中频区的放大倍数大，而高频区的电压放大倍数小，因而中频区的反馈深度较高频区要深。

类似计算可以说明，负反馈也能降低放大电路的下限频率fL。

综上所述，在放大电路中引入负反馈可以展宽通频带、改善放大电路的低频和高频响应特性。负反馈对通频带的影响如图3-15所示。

图3-153.3.4减小非线性失真

对于理想的放大电路，其输出信号与输入信号应完全呈线性关系。但是，由于组成放大电路的半导体器件(如三极管和场效应管)均具有非线性特性，因此当输入信号为幅值较大的正弦波时，输出信号却往往不是正弦波。经谐波分析，输出信号中除含有与输入信号频率相同的基波外，还含有其他谐波，因而会产生失真。怎样才能消除这种失真呢？我们不妨看下面的例子。

设放大电路输入级放大管的B-E间得到正弦电压ube，由于三极管输入特性的非线性，因此ib将会失真，其正半周幅值大，负半周幅值小，如图316(a)所示。这样必然会造成输出电压、电流的失真。可以设想，如果能使B-E间电压的正半周幅值小些而负半周的幅值大些，那么，ib将近似为正弦波，如图3-16(b)所示。当电路引入负反馈后，可使净输入量产生类似图3-16(b)的ube电压变化，因此减小了非线性失真。

图3-16如图3-17所示为减小非线性失真的定性分析。设在正弦波输入量Xi作用下，输出量X