模电电子线路线性部分第五版主编冯军谢嘉奎课件学习教案

会计学1模电电子线路线性部分第五版主编冯军谢嘉奎5.1反馈放大器的基本概念5.1.1反馈放大器的组成将放大器输出信号的一部分或全部，通过反馈网络回送到电路输入端，并对输入信号进行调整，所形成的闭合回路即反馈放大器。

反馈放大器组成框图基本放大器A反馈网络kfxoxix

ixf净输入信号

输入信号反馈信号输出信号第5章放大器中的负反馈第1页/共50页

反馈放大器增益一般表达式基本放大器A反馈网络kfxoxix

ixf开环增益反馈系数闭环增益反馈深度环路增益反馈深度

F(或环路增益T)是衡量反馈强弱的一项重要指标。其值直接影响电路性能。第5章放大器中的负反馈第2页/共50页

反馈极性由于净输入信号

若

xf

削弱了xi，使

x

i<xi负反馈

若

xf

增强了xi，使

x

i>xi正反馈说明负反馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。

例：某原因正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。第5章放大器中的负反馈第3页/共50页5.1.2四种类型负反馈放大器

根据输出端连接方式

电压反馈AkfRL+-voxixfx

i在输出端，凡反馈网络与基本放大器并接，反馈信号取自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。输出量xo=voxixfx

iAkfRLio

在输出端，凡反馈网络与基本放大器串接，反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。

电流反馈输出量xo=io第5章放大器中的负反馈第4页/共50页

根据输入端连接方式

串联反馈在输入端，反馈网络与基本放大器串接，反馈信号以电压vf

的形式出现，并在输入端进行电压比较，即

v

i=vi

-

vf

。在输入端，反馈网络与基本放大器并接，反馈信号以电流if

的形式出现，并在输入端进行电流比较，即

ii

=ii

-

if

。

并联反馈AkfRS+-vs+-vivfv

i+-+-xoAkfRSiSiiifii

xo第5章放大器中的负反馈第5页/共50页

四种类型负反馈放大器增益表达式AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voArkfgRL+-voRSiSiiifii

电压串联负反馈开环电压增益电压反馈系数闭环电压增益

电压并联负反馈开环互阻增益互导反馈系数闭环互阻增益第5章放大器中的负反馈第6页/共50页AgkfrRLioRS+-vs+-vivfv

i+-+-RSiSiiifii

AikfiRLio

电流串联负反馈开环互导增益互阻反馈系数闭环互导增益

电流并联负反馈开环电流增益电流反馈系数闭环互阻增益注意：不同反馈类型对应不同输入、输出电量，因此不同类型反馈电路的

A、kf、Af

含义不同。第5章放大器中的负反馈第7页/共50页Akfxoxixfx

i5.1.2反馈极性与类型的判别

判断是否为反馈电路看电路输出与输入之间是否接有元件，若有则为反馈电路，该元件即为反馈元件。例1Rf

为反馈元件。RE为反馈元件。第5章放大器中的负反馈viVCCRCRfvoviVCCRCvo+-+-RERB1RB2例2第8页/共50页

判断反馈类型—

采用短路法

假设输出端交流短路，若反馈信号消失，则为电压反馈；反之为电流反馈。

判断电压与电流反馈

判断串联与并联反馈

假设输入端交流短路，若反馈作用消失，则为并联反馈；反之为串联反馈。AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voiiii

ioRSiSifAikfiRL第5章放大器中的负反馈第9页/共50页

判断反馈极性—

采用瞬时极性法Akfxoxixfxi

设vi

瞬时极性为用正负号表示电路中各点电压的瞬时极性，或用箭头表示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。

比较xf

与xi

的极性(

xi=

xi

-

xf)若xf

与xi

同相，使xi

减小的，为负反馈；若xf

与xi

反相，使xi

增大的，为正反馈。经A判断vo？？经kf判断

xf？？第5章放大器中的负反馈第10页/共50页说明

用瞬时极性法比较xf

与xi

极性时：若是并联反馈：则需根据电压的瞬时极性，标出相关支路的电流流向，然后用电流进行比较(ii=

ii

-

if)。若是串联反馈：则直接用电压进行比较(vi=

vi

-

vf)。

按交、直流性质分：直流反馈：交流反馈：反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。反馈信号为交流量，用于改善放大器动态性能。

多级放大器中的反馈：局部反馈：越级反馈：反馈由本级输出信号产生，可忽略。

输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间(或越级)反馈。

第5章放大器中的负反馈第11页/共50页例1判断电路的反馈极性和反馈类型。

假设输出端交流短路，Rf

引入的反馈消失电压反馈。

假设输入端交流短路，Rf

的反馈作用消失并联反馈。

分析：→则

vc

为○-

假设vi

瞬时极性为○+○+○-→形成的if

方向如图示。iiifib因净输入电流ib=ii

-

if<ii负反馈。

结论：

Rf

引入电压并联负反馈。第5章放大器中的负反馈viVCCRCRfvo+-+-第12页/共50页例

2判断图示电路的反馈极性和反馈类型。

假设输出端交流短路，RE

上的反馈依然存在电流反馈。

假设输入端交流短路，RE

上的反馈没有消失串联反馈。

分析：

假设vi

瞬时极性为○+因净输入电压vbe=vi

-

vf<vi负反馈。

结论：

RE

引入电流串联负反馈。○+→则ve(即vf)极性为○+○+第5章放大器中的负反馈viVCCRCvo+-+-RERB1RB2viRCvo+-+-RERB1RB2第13页/共50页例3判断下列电路的反馈极性和反馈类型。

-+AR1Rf+-vsvo-+AR1Rf+-vsvo○+○-○-电流并联负反馈电流串联正反馈○+○-○-○-○+○-电压并联负反馈电压串联负反馈○+○+○+第5章放大器中的负反馈viVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2RfviVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2Rf第14页/共50页viVCCRC1voVEERfRE2R1RC2RC3RST1T2T3例4判断下列电路的反馈极性和反馈类型。

viVCCRC1voVEERER1RC2RC3RST1T2T3Rf○+○-○-○+○+○+电流串联负反馈○+电流并联负反馈第5章放大器中的负反馈第15页/共50页例4判断下列电路的反馈极性和反馈类型。

○+○+○+○+○-电压并联正反馈○-○+电压串联负反馈第5章放大器中的负反馈viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1第16页/共50页5.2.1降低增益5.2负反馈对放大器性能的影响反馈越深，电路增益越小。由得知：注：当取源增益时，上式依然成立，即5.2.2减小增益灵敏度(或提高增益稳定性)

定义由得(2)

(1)得(1)(2)反馈越深，增益灵敏度越小。第5章放大器中的负反馈第17页/共50页5.2.3改变输入、输出电阻

输入电阻

串联反馈+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-viiixo基放输入电阻环路增益反馈电路输入电阻：引入串联反馈，反馈越深，输入电阻越大。结论第5章放大器中的负反馈第18页/共50页

并联反馈反馈电路输入电阻：引入并联反馈，反馈越深，输入电阻越小。结论AkfRiRsisifii

+-viiixo基放输入电阻环路增益第5章放大器中的负反馈第19页/共50页

输出电阻

电压反馈

Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。

Ast：负载开路时，基本放大器源增益。i+-v基放Roxfxs

Astxs

反馈网络+-令xs=0由定义得Rof

电路模型：由图得引入电压反馈，反馈越深，输出电阻越小，vo

越稳定。结论基放Roxfxs

Astxs

反馈网络+-RLxsvo+-第5章放大器中的负反馈第20页/共50页

电流反馈

Ro：考虑反馈网络负载效应后，基放输出电阻。

Asn：负载短路时，基本放大器源增益。由定义得Rof

电路模型：由图得引入电流反馈，反馈越深，输出电阻越大，io

越稳定。结论基放Roxsxfxs

ioAsnxs

RL反馈网络令xs=0i+-v基放Roxfxs

Asnxs

反馈网络第5章放大器中的负反馈第21页/共50页5.2.4减小频率失真(或扩展通频带)

由于负反馈降低了电路增益灵敏度，因此放大器可在更宽的通频带范围内维持增益不变。单极点系统引入负反馈后，反馈越深，上限角频率越大,增益越小，但其增益带宽积维持不变。设基放为单极点系统：则若反馈网络反馈系数为：则闭环系统：其中：注意：通频带的扩展是以降低增益为代价的。第5章放大器中的负反馈第22页/共50页5.2.5减小非线性失真基本放大器vovivfv

i例如：一基本放大器，引入负反馈反馈网络注意：负反馈只能减小反馈环内的失真，若输入信号本身产生失真，反馈电路无能为力。输入正弦信号时，输出产生失真。vo

失真减小。第5章放大器中的负反馈第23页/共50页5.2.6噪声性能不变同减小非线性失真一样，引入负反馈可减小噪声。注意：负反馈在减小噪声的同时，有用信号以同样的倍数在减小，其信噪比不变。因此，引入负反馈放大器噪声性能不变。综上所述，负反馈对放大器性能影响主要表现为：

降低增益

减小增益灵敏度(或提高增益稳定性)

改变电路输入、输出电阻

减小频率失真(或扩展通频带)

减小非线性失真

噪声性能不变第5章放大器中的负反馈第24页/共50页在电路输出端

基本放大器引入负反馈的原则若要求电路vo

稳定或Ro

小应引入电压负反馈。若要求电路io

稳定或Ro

大应引入电流负反馈。在电路输入端若要求Ri

大或从信号源索取的电流小引入串联负反馈。若要求Ri

小或从信号源索取的电流大引入并联负反馈。反馈效果与信号源内阻RS

的关系若电路采用RS

较小的电压源激励应引入串联负反馈若电路采用RS

较大的电流源激励应引入并联负反馈第5章放大器中的负反馈第25页/共50页反馈效果与RS

关系的说明：

串联负反馈采用电压源激励时，若RS

0则由于vS

恒定，则vf

的变化量全部转化为vi

的变化量，此时反馈效果最强。采用电流源激励时，若RS

由于iS

恒定，vi

固定不变，结果导致反馈作用消失。+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-vixo(电压源激励)is+-AkfRiRs+-vfvi

+-vixo(电流源激励)则恒定第5章放大器中的负反馈第26页/共50页ii

iiifAkfRixoRsvs+-vi

+-(电压源激励)ifii

iiAkfRixoisRs(电流源激励)

并联负反馈采用电压源激励时，若RS

0则由于iS

恒定，则if

的变化量全部转化为ii

的变化量，此时反馈效果最强。采用电流源激励时，若RS

由于vi

固定不变，结果导致反馈作用消失。则恒定第5章放大器中的负反馈第27页/共50页

深度负反馈条件5.4深度负反馈当电路满足深度负反馈条件时：将T>>1

或F>>1

称为深度负反馈条件。串联反馈电路输入电阻：并联反馈电路输入电阻：电压反馈电路输出电阻：电流反馈电路输出电阻：增益：或第5章放大器中的负反馈第28页/共50页

深度负反馈条件下Avf

的估算

根据反馈类型确定kf

含义，并计算kf分析步骤：

若并联反馈：将输入端交流短路若串联反馈：将输入端交流开路则反馈系数

确定Afs(=xo/xs)含义，并计算Afs=1

/kf

将Afs

转换成Avfs=vo/vskf=xf/xo计算此时xo

产生的xf第5章放大器中的负反馈第29页/共50页例1图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs

。该电路为电压串联负反馈放大器。解：将输入端交流开路，即将T1

管射极断开：则因此第5章放大器中的负反馈vsRC1vo+-+-RE1RLRC2RfRST1T2+-vf第30页/共50页例2图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs

。该电路为电流并联负反馈放大器。解：将输入端交流短路，即将

T1

管基极交流接地：则因此第5章放大器中的负反馈isRC1vo+-RLRC2RfRST1T2ifRE2io第31页/共50页例3图示电路，试在深度负反馈条件下估算Avfs

。该电路为电压并联负反馈。(1)解：将反相输入端交流接地：则因此该电路为电压串联负反馈。(2)解：将反相输入端交流开路：则因此-+AR1Rf+-vsvoif(图1)-+AR1Rf+-vsvo-+vf(图2)第5章放大器中的负反馈第32页/共50页5.5负反馈放大器的稳定性实际上，放大器在中频区施加负反馈时，有可能因Akf

在高频区的附加相移使负反馈变为正反馈，引起电路自激。5.5.1判别稳定性的准则反馈放大器频率特性：若在某一频率上T(j

)=-1放大器自激自激振幅条件自激相位条件说明自激时，即使xi=0，但由于xi

=xf

，因此反馈电路在无输入时，仍有信号输出。第5章放大器中的负反馈第33页/共50页

不自激条件当或时，或当时，或

注意：只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件，放大器就不会产生自激。

稳定裕量要保证负反馈放大器稳定工作，还需使它远离自激状态，远离程度可用稳定裕量表示。当时，相位裕量当时，增益裕量

g—增益交界角频率；

—相位交界角频率。第5章放大器中的负反馈第34页/共50页

相位裕量图解分析法假设放大器施加的是电阻性反馈，kf

为实数：得由

在A(

)或T(

)波特图上找

g在A(

)波特图上，作1/kf(dB)的水平线，交点即

g。在T(

)波特图上，与水平轴[T(

)=0dB]的交点，即

g。

根据

g

在相频曲线上找

T(

g)

判断相位裕量若放大器稳定工作若放大器工作不稳定注：1/kf(dB)的水平线称增益线。第5章放大器中的负反馈第35页/共50页例1已知A(j

)波特图，判断电路是否自激。(1/kf)dB

g

T(

g)(1)在

A(

)波特图上作

1/kf(dB)的水平线。分析：(2)找出交点，即

g。(3)在

T(

)波特图上，找出

T(

g)

。(4)由于

>45

，因此电路稳定工作，不自激。A(

)/dB

O

T(

)

O-180

-90

第5章放大器中的负反馈第36页/共50页例2已知T(j

)波特图，判断电路是否自激。

T(

g)(1)由T(

)波特图与横轴的交点，找出

g。分析：(2)由

g

在

T(

)波特图上，找出

T(

g)。T(

)/dB

O

T(

)

O-180o

g

(3)由于

<0

，因此电路自激。第5章放大器中的负反馈第37页/共50页

利用幅频特性渐近波特图判别稳定性一无零三极系统波特图如下，分析

g

落在何处系统稳定。O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍频-40dB/10倍频-60dB/10倍频80放大器必稳定工作。或

g

落在

P1

与

P2

之间，只要

g落在斜率为：(-20dB/10倍频)的下降段内，

g则

>45

p2=10

p1，

p3=10

p2第5章放大器中的负反馈第38页/共50页O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍频-40dB/10倍频-60dB/10倍频80

p2=10

p1，将

p3

靠近

p2。由于|

T(

p2)|

则

g

落在

p1

与

p2

之间时，放大器依然稳定工作。

第5章放大器中的负反馈第39页/共50页结论：在多极点的低通系统中，若

p310

p2，则只要

g

落在斜率为(-20dB/10倍频)的下降段内，或

g

落在

p1与

p2

之间，放大器必稳定工作。

将

p2靠近

p1

，由于|

T(

p2)|

上述结论不成立。

O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍频-40dB/10倍频-60dB/10倍频80第5章放大器中的负反馈第40页/共50页5.5.2集成运放的相位补偿技术解决方法：采用相位补偿技术。在中频区，反馈系数kf越大，反馈越深，电路性能越好。在高频区，kf

越大，相位裕量越小，放大器工作越不稳定。在中频增益AI

基本不变的前提下，设法拉长

p1

与

p2

之间的间距，或加长斜率为“-20dB/10倍频”线段的长度，使得kf

增大时，仍能获得所需的相位裕量。相位补偿基本思想：第5章放大器中的负反馈第41页/共50页

滞后补偿技术

简单电容补偿—降低

p1补偿方法：将补偿电容C

并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上，使

p1

降低到

d。AdiRCC

p1

降低到

d

反馈增益线下移稳定工作允许的kf

增大。

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kf)第5章放大器中的负反馈第42页/共50页

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kfv)

d

与kf

之间的关系：由图十倍频整理得kfv

d

反馈电路稳定性，但

H

。kfv

=1时，全补偿(C

用CS

表示)

d0此时，kfv

无论取何值，电路均可稳定工作。第5章放大器中的负反馈第43页/共50页例1一集成运放AvdI=105，fp1=200Hz，fp2=2MHz，fp3=20MHz，产生fp1

节点上等效电路R1=200k，接成同相放大器，采用简单电容补偿。试求：fp2fp1Avd

(f

)/dBfOfp310020406080解：(1)求未补偿前，同相放大器提供的最小增益

？根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。未补偿前