《计算机电子电路技术-电路与模拟电子部分》课件第7章 负反馈放大电路

第7章负反馈放大电路7.1反馈的基本概念7.2负反馈的四种组态7.3负反馈对放大电路性能的影响7.4负反馈放大电路的计算7.5负反馈放大电路的自激振荡7.1反馈的基本概念7.1.1反馈的定义所谓反馈就是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器的输入端。这可用图7.1方框图来表示。方框A表示基本放大电路；方框F表示输出信号送回到输入回路所经过的电路,称为反馈网络。箭头表示信号流通方向,符号表示信号叠加,输入量Xi和反馈量Xf经过叠加后得到净输入信号X′i。

放大电路与反馈网络组成一个封闭系统,所以有时把引入了反馈的放大电路称为闭环放大器,而未引入反馈的基本放大电路称为开环放大器。

图7.1反馈放大电路方框图7.1.2反馈的分类及判断

1.按反馈极性分类负反馈。反馈信号Xf削弱原来输入信号Xi,使放大倍数|A|下降,多用于改善放大器的性能。正反馈。反馈信号Xf加强原来输入信号,使放大倍数|A|上升,多用于振荡电路。

判断正、负反馈的思路,就是看反馈量,是使净输入量X′i增大还是减小。使X′i增大是正反馈；使X′i减小是负反馈。采用的方法是瞬时极性法。首先将反馈网络与放大电路的输入端断开,然后设定输入信号有一个正极性的变化,用符号表示,再看反馈回来的信号是正极性还是负极性。如反馈信号是削弱输入信号,使净输入量下降,则为负反馈。反之,是加强输入信号,使净输入量增加,为正反馈。下面以图7.2(a)、(b)为例进行讨论。图7.2反馈极性的判断

图7.2(a)输入,由管子的工作原理则电流Ie增大,故反馈回输入回路的量Uf=IeRe也上升,即

也为,净输入量为Ube将受

的影响而下降,故为负反馈放大电路。图7.2(b),输入信号,经V1组成的共e极放大电路反相一次,即

为,它作为第二级V2组成的共e极放大电路的输入信号,再反相一次,即Uo为,经Rf反馈回第一级输入回路,它将使净输入信号增加,故为正反馈。由以上判断过程可看出,放大电路输入、输出电压的相位关系,对判断正、负反馈十分重要。由于负反馈对放大器性能有改善,而正反馈使放大器性能变坏,所以正、负反馈的判断一定要掌握好。2.按交直流性质分类直流反馈：若反馈回输入端的信号是直流成分,则称为直流反馈。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,则称为交流反馈。交流负反馈主要用于放大电路性能的改善。

3.按输出端取样对象分类电压反馈：在负反馈电路中,反馈信号的取样对象是输出电压,通称为电压反馈。其特点就是反馈信号与输出电压成正比例,也可以说电压反馈是将输出电压的一部分或全部,按一定方式反馈回输入端。

电流反馈：反馈信号取样对象是输出电流,通称为电流反馈。其特点是反馈信号与输出电流成正比例,也可以说电流反馈是将输出电流的一部分或全部,按一定方式反馈到输入端。

判断电流反馈和电压反馈的方法：根据其特点,可判断电流、电压反馈。假设输出端短路,即Uo=0,若反馈仍存在,则说明它不是与Uo成正比关系,故应为电流反馈；若Uo=0,反馈也不存在了,则为电压反馈。

按电路结构也可用来判断电流、电压反馈。电流反馈取样于输出电流,因此,取样电路(反馈网络与输出端的连接)是串接在输出回路,故反馈端与输出端不为同一电极；电压反馈是取样于输出电压,故反馈网络是并接在输出回路,反馈端与输出端为同一电极。上述关系如图7.3所示。显然,电流反馈、电压反馈与输出端有关,同一电极引出的反馈,输出端不同,反馈形式也就不同。图7.3电流反馈与电压反馈4.按输入端连接方式分类串联反馈：反馈电路是串接在输入回路,以电压形式在输入端相加决定净输入电压信号，即U′i=Ui-Uf。从电路结构上看,反馈电路与输入端串接在输入电路,即反馈端与输入端不在同一电极。如图7.4所示。并联反馈：反馈电路是并接在输入回路,以电流形式在输入端相加,决定净输入电路信号,即I′i=Ii-If。从电路结构上看,反馈电路与输入端并接在输入电路,即反馈端与输入端在同一电极。如图7.4所示。图7.4串联反馈与并联反馈

串联、并联反馈对信号源内阻Rs的要求是不同的。为使反馈效果好,串联反馈要求Rs愈小愈好,Rs太大则串联效果趋于零。并联反馈则要求Rs愈大愈好,Rs太小则并联效果趋于零。由于在放大电路中主要是用负反馈,所以本章仅讨论负反馈。按上述分类,负反馈放大电路可有四种组态：串联电压负反馈、串联电流负反馈、并联电压负反馈、并联电流负反馈。7.2负反馈的四种组态7.2.1反馈的一般表达式反馈放大电路的方框图如图7.1所示。基本放大电路放大倍数(又称开环增益)(7―1)反馈网络的反馈系数(7―2)

此式反映了反馈放大电路的基本关系,也是分析反馈问题的出发点。(１+AF)是描述反馈强弱的物理量,称为反馈深度,它是反馈电路定量分析的基础。由于所以故反馈放大电路的放大倍数(又称为闭环增益)为7.2.2串联电压负反馈电路图7.5(a)为一个两级RC耦合放大电路。该电路输出电压Uo通过电阻Rf和

分压后送回到第一级的输入回路。当Uo=0时,反馈电压Uf就消失了,所以是电压反馈。在输入回路中,反馈电路是串接在输入回路的,故是串联反馈。用瞬时极性法,输入信号,两级反相后Uo也是,经Rf、

分压后使V1管射极电压也上升,削弱了输入信号的作用,所以是负反馈。用方框图表示,如图7.5(b)所示。

串联电压负反馈的放大倍数与电压有如下关系式,因为输出是电压,反馈回来是以电压形式在输入端相加,故基本放大电路的放大倍数(开环放大倍数)为(电压放大倍数)图7.5串联电压负反馈放大电路

(a)电路图；(b)方框图

此式说明串联电压负反馈的闭环电压放大倍数,是开环放大倍数的1/(1+FuAu)倍。反馈系数为闭环放大倍数为(7―5)

由于是电压负反馈,所以它稳定了输出电压Uo。当Ui为某一固定值时,由于管子参数或负载电阻发生变化使Uo减小,则Uf也随之减小,结果使净输入电压

U′i=Ui-Uf增大,Uo将增大,故电压负反馈使Uo基本不变。即

RL↓→Uo↓→Uf↓→U′i↑Uo↑7.2.3串联电流负反馈串联电流负反馈电路如图7.6(a)所示。发射极的电阻Rf将输出回路的电流Ie,送回到输入回路中去。当将输出端短路(即Uo=0)时,仍有电流流过Rf,故反馈仍存在,所以是电流反馈。反馈电路在输入回路呈串联关系,即U′i=Ui-Uf,因此是串联负反馈。反馈极性的判断,仍采用瞬时极性法。输入为时,电流增大,Rf上电压增大,故Ue上升,它抵消了输入信号的作用,因此是负反馈。串联电流负反馈的方框图,如图7.6(b)所示。图7.6串联电流负反馈放大电路

(a)电路图；(b)方框图

因为输出是电流,且反馈回来是以电压形式在输入端相加,故基本放大电路的串联电流负反馈放大倍数的关系式如下：(互导放大倍数,电导量纲)(电阻量纲)(7―6)

由于是电流负反馈,所以稳定了输入电流。更换管子或温度变化时,使管子的β值增大,则输出电流Ic(或Ie)将增大,Uf也随之增大,结果使净输入U′i下降,使输出电流下降,使电流Ic基本保持不变,即

β↑→Ic↑→Uf↑→U′i↓→Ib↓Ic↓7.2.4并联电压负反馈如图7.7(a)所示,它实质上是一个共e极基本放大电路,在c、b间接入电阻Rf引入反馈。我们可按与前面相同的方法,从定义出发判断反馈的组态。也可按图7.3、图7.4提出的电路结构特点,判断反馈的组态。该电路从输出回路看,反馈的引出端与电压输出端是同一点,故为电压反馈；从输入回路看,反馈引入点与信号输入端为同一点,故为并联反馈。用瞬时极性法判断,输入信号为,反馈回的作用使同一点为,故削弱了输入信号的作用,为负反馈。方框图如图7.7(b)所示。图7.7并联电压负反馈放大电路

(a)电路图；(b)方框图

并联电压负反馈的放大倍数分析如下：由于是电压负反馈Xo=Uo。由于是并联负反馈,输入回路用电流的叠加关系讨论较方便、直观,故

Xf=IfXi=IiX′i=I′i

所以开环放大倍数(互阻放大倍数,电阻量纲)(电导量纲)闭环放大倍数(7―7)7.2.5并联电流负反馈并联电流负反馈电路如图7.8(a)所示。反馈通过电阻Rf,从输出级的发射极引入到输入级的基极。由于反馈的引出端与输出电压端不同极,故为电流反馈；反馈引入端与输入信号端为同一电极,故为并联反馈。按瞬时极性法(极性标在图7.8(a)上)判断是负反馈。图7.8并联电流负反馈放大电路

(a)电路图；(b)方框图同样,由于是电流负反馈,所以稳定了输出电流。并联电流负反馈放大倍数分析如下：由于是电流负反馈

Xo=Io由于是并联负反馈,所以

Xf=IfXi=IiX′i=I′i

故开环放大倍数为(电流放大倍数)闭环放大倍数为(7―8)

综上所述,以上四种不同组态的反馈电路,其放大倍数具有不同的量纲,有电压放大倍数和电流放大倍数,也有互阻放大倍数和互导放大倍数。不能都认为是电压放大倍数。为了严格区分这四个不同含义的放大倍数,在用符号表示时,应加上不同的脚注,相应地,四种不同组态的反馈系数也用不同下标表示。为便于比较,详见表7.1。表7.1四种反馈组态下,A,F和Af的不同含义7.3负反馈对放大电路性能的影响7.3.1提高放大倍数的稳定性前面已提到电压负反馈能稳定输出电压,电流负反馈能稳定输出电流,这样,在放大电路输入信号一定的情况下,其输出受电路参数、电源电压、负载电阻变化的影响较小,提高了放大倍数的稳定性。其定量关系如(7―4)式：

对Af求导,则得(7―9)

实际中,常用相对变化量来表示放大倍数的稳定性,将(7―9)式改写成运用(7―4)式,整理得(7―10)

例1某负反馈放大电路,其A=104,反馈系数F=0.01。由于某些原因,使A变化了±10%,求Af的相对变化量为多少?

解：由(7―10)式得即A变化±10%情况下,Ａf只变化±0.1%。

例2对一个串联电压负反馈放大电路,若要求Auf=100,当基本放大电路的放大倍数Au变化10%时,闭环增益变化不超过0.5%,求Au及反馈系数Fu。解：由(7―10)式得

因此又由于故则反馈系数7.3.2减小非线性失真和抑制干扰、噪声由于电路中存在非线性器件,所以即使输入信号Xi为正弦波,输出也不一定是正弦波,会产生一定的非线性失真。引入负反馈以后,非线性失真将会减小。

如图7.9(a)所示,原放大电路产生了非线性失真。输入为正、负对称的正弦波,由于放大器件的非线性,输出是正半周大、负半周小的失真波形。加了负反馈后,输出端的失真波形反馈到输入端,与输入波形叠加后,净输入信号成为正半周小、负半周大的波形。此波形经放大后,其输出端正、负半周波形之间的差异减小,从而减小了放大电路输出波形的非线性失真,如图7.9(b)所示。图7.9负反馈减小非线性失真

(a)无反馈；(b)有负反馈

需要指出的是,负反馈只能减小本级放大器自身产生的非线性失真,而对输入信号的非线性失真,负反馈是无能为力的。可以证明,加了负反馈后,放大电路的非线性失真减小到γ/(1+AF)。γ为无反馈时的非线性失真系数。同样道理,采用负反馈也可抑制放大电路自身产生的噪声,其关系为N/(1+AF)。N为无反馈的噪声系数。7.3.3扩展频带在第6章我们讨论阻容耦合放大电路中,由于耦合电容和旁路电容的存在,将引起低频段放大倍数下降和产生相位移,由于分布电容和三极管极间电容的存在,将引起高频段放大倍数下降和产生相位移。在前面讨论中已提到,对于任何原因引起的放大倍数下降,负反馈将起稳定作用。如F为一定值(不随频率而变),在低频段和高频段由于输出减小,反馈到输入端的信号也减小,于是净输入信号增加,放大倍数下降,频带展宽。下面讨论负反馈将频带展宽了多少?经推导可得,负反馈使上限频率扩展了(1+AmF)倍,即

fHf=(1+AmF)fH(7―11)共中Am为中频区放大倍数。负反馈使下限频率下降,其表示式为(7―12)

根据频带的定义

fBW=fH-fL≈fH所以

fBWf=fHf-fLf≈fHf=(1+AmF)fH≈(1+AmF)fBW即负反馈使放大器的频带展宽了(1+AmF)倍。7.3.4负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响,只与反馈网络和基本放大器输入回路的连接方式有关,而与输出端连接方式无关,即仅取决于是串联反馈还是并联反馈。

1.串联负反馈使输入电阻提高图7.10所示为串联负反馈的方框图,ri为无反馈时放大器的输入电阻,即(7―13)图7.10串联负反馈的输入电阻

有负反馈时的输入电阻rif,等于无反馈时的输入电阻ri与反馈网络的等效电阻rf之和。其结果显然大于ri,即

rif=ri+rf＞ri

大了多少,其定量关系为(7―14)串联电压负反馈时,Uf=FuUo=FuAuU′i(7―15)

即引入串联电压负反馈后,放大电路的输入电阻增加到(1+AuFu)ri。若为串联电流负反馈,则(7―16)

即引入串联电流负反馈后,放大电路的输入电阻也提高到(1+FrAg)ri。故只要是串联负反馈,由于rif=ri+rf,故rif将增大,增大到(1+AF)ri。但应指出的是,当考虑偏置电阻Rb时,输入电阻应为rif∥Rb,故输入电阻的提高,受到Rb的限制,当Rb值较小时,则输入电阻取决于Rb值。2.并联负反馈使输入电阻减小图7.11为并联负反馈方框图,ri为无反馈时的放大电路的输入电阻,即(7―17)

引入并联负反馈后,放大电路的输入电阻rif,等于无反馈时的输入电阻ri与反馈网络等效电阻rf并联,所以rif＜ri,即图7.11

如果引入并联电压负反馈其中If=FgUo=FgArI’i故(7―18)即引入并联电压负反馈后,其输入电阻减小到ri/(1+FgAr)。如引入并联电流负反馈,If=FiIo=FiAiI′i故(7―19)7.3.5负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响,取决于反馈网络与放大电路输出端的连接方式,而与输入连接方式无关。

1.电压负反馈使输出电阻减小将放大电路输出端用电压源等效,如图7.12所示,ro为无反馈的放大器输出电阻。按求输出电阻的方法,令输入信号为零(Ui=0或Ii=0)时,在输出端(不含负载电阻RL)外加电压Uo,则无论是串联反馈还是并联反馈,X′i=-Xf均成立。故(7―20)图7.12电压负反馈的输出电阻

可见，引入电压负反馈使输出电阻减小到ro/(1+AF)。不同的反馈形式，其A、F的含义不同。串联反馈F=Fu=Uf/Uo,A=Au=Uo/U′i；并联负反馈F=Fg=If/Uo，A=Ar=Uo/I′i。2.电流负反馈使输出电阻增大将放大器输出端用电流源等效,如图7.13所示。令输入信号为零,在输出端外加电压,则X′i=-Xf,则而(7―21)图7.13电流负反馈的输出电阻

可见,引入电流负反馈,使输出电阻增大到(1+AF)ro。同样,不同的反馈形式,其A、F的含义不同。串联负反馈F=Fr=Uf/Io,A=Ag=Io/U′i；并联负反馈F=Fo=If/Io,A=Ai=Io/Ii。需要指出的是,电流负反馈使输出电阻增大,但当考虑Rc时,输出电阻为rof∥Rc,故总的输出电阻增加不多,当Rc<<rof时,则放大电路的输出电阻仍然近似等于Rc。

综上所述：

(1)放大电路引入负反馈后,如是串联负反馈则提高输入电阻,如是并联负反馈则使输入电阻降低。其提高或降低的程度取决于反馈深度(1+AF)。

(2)放大电路引入负反馈后,如是电压负反馈则能使输出电阻减小,如是电流负反馈使输出电阻增加,其减小或增加的程度取决于反馈深度(1+AF)。以上分析了放大电路引入负反馈后对性能的改善及影响。采用什么样的负反馈呢?一般原则应该是：(1)若要稳定直流量(静态工作点),应该引入直流负反馈。

(2)若要改善交流性能,应引入交流负反馈。

(3)若要稳定输出电压,应引入电压负反馈；要稳定输出电流,应引入电流负反馈。

(4)若要提高输入电阻,应引入串联负反馈；要减小输入电阻,应引入并联负反馈。性能的改善或改变都与反馈深度(1+AF)有关,且均是以牺牲放大倍数为代价。反馈深度愈大,对放大电路的放大性能的改善程度也愈好,但反馈过深容易引起自激振荡,使放大电路无法进行放大,性能改善也就失去了意义。7.4负反馈放大电路的计算7.4.1深负反馈放大电路电压放大倍数的近似估算当(1+AF)>>1时,则(7―4)式为(7―22)

此式表明,引入负反馈后,放大电路仅取决于反馈系数F,而与基本放大电路的放大倍数A基本无关。

在具体进行估算时,可先求出反馈系数F,然后根据(7―22)式求得Af,但各种不同的反馈组态,其Af含义不同,如表7.1所示。而实际中,我们常常需要知道电压放大倍数,这样除串联电压负反馈外,其它各组态的负反馈电路,均要经过转换,才能算出电压放大倍数。为此我们常从深负反馈的特点出发,找出Xf和输入信号Xi之间的联系,直接求出电压放大倍数。

按图7.1可得深负反馈时(7―23)对于串联负反馈(7―24)

从此式找出输出电压Uo与输入电压Ui的关系,从而估算出电压放大倍数Auf。对于并联负反馈

If≈Ii

I′i≈0(7―25)

从此式找出Uo与Ui的关系,估算出Auf。另外,深负反馈时,其基本放大电路的电压放大倍数均很大,所以,U′i≈0在并联负反馈时也满足。7.4.2串联电压负反馈图7.14(a)为串联电压负反馈放大电路。由于是串联电压负反馈,故Ui≈Uf。由图7.14(b)可知,输出电压Uo经Rf和

分压后而反馈至输入回路,即

(7―26)如

=100Ω,Rf=10kΩ,则图7.147.4.3串联电流负反馈电路如图7.15(a)所示,反馈网络如图7.15(b)所示。串联负反馈Ui≈Uf

而由图7.15(b)可得又所以图7.15

由于输出电压与输入电压相位相反,故为负号。设

,则故(7―27)7.4.4并联电压负反馈并联电压负反馈电路如图7.16(a)所示,其反馈网络如图7.16(b)所示。由于是并联负反馈,Ii≈If,且U′i=0。所以故图7.16

由于输出电压与输入电压相位相反,故电压放大倍数为负值。设Rs=18kΩ,Rf=470kΩ,则(7―28)7.4.5并联电流负反馈并联电流负反馈电路图及反馈网络如图7.17(a)、(b)所示。由图可知而