第3章 负反馈放大

null第3章 负反馈放大电路3.1反馈的基本概念和分类 3.2负反馈放大电路的4种基本组态 3.3负反馈放大电路的闭环增益达式 3.4负反馈对放大电路性能的改善 3.5.深度负反馈放大电路的计算 *3.6 深度负反馈放大电路的计算误差 *3.7 直流负反馈对输出失调电压和温度漂移的抑制 3.8 负反馈放大电路的自激振荡及消除第3章 负反馈放大电路null3.1.1反馈和反馈放大电路的方框图 将输出信号(电压或电流)的一部分或全部回送到输入端去影响输入信号(电压或电流)的连接方式称为反馈。 输出电压或电流对输入电流和电压没有影响，电路没有反馈。输出电压对输入电压有影响，电路引入反馈。引入反馈的放大电路称为反馈放大电路。3.1反馈的基本概念和分类null基本放大电路：将净输入信号从输入端传输到输出端。反馈网络：将输出信号从输出端传输到输入端，产生反馈信号。如果放大电路中有反馈网络，则存在反馈；否则，不存在反馈。基本放大电路A反馈网络F根据信号的流向， 反馈放大电路可抽象为方框图。信号流向形成闭环引入反馈的放大电路称为反馈放大电路。nullendnull3.1.2反馈的分类和判断1．正反馈和负反馈 在外加输入信号不变时，如果反馈使基本放大电路的净输入信号比没有反馈时增加了，则这种反馈称为正反馈。 正反馈的效果是：在外加输入信号不变时，正反馈使输出信号增大，导致闭环增益比开环增益大。 在外加输入信号不变时，如果反馈使基本放大电路的净输入信号比没有反馈时减少了，则这种反馈称为负反馈。 负反馈的效果是：在外加输入信号不变时，负反馈使输出信号减小，导致闭环增益比开环增益小。null 正反馈使放大电路的性能不稳定。负反馈却可以改善放大电路的性能。所以，在放大电路中一般引入负反馈。 反馈极性（指正反馈和负反馈）采用瞬时极性法。 信号的瞬时极性是指信号在某一瞬时的增加或减少，常用符号“+”表示增加，“-”表示减少。 瞬时极性法判断反馈极性的步骤是： 假定输入信号在某一时刻的瞬时极性为“+”； 通过基本放大电路判断输出信号的瞬时极性； 通过反馈通路判断反馈信号的瞬时极性； 与反馈信号为零的情况比较，判断净输入信号的增减。如果是增加则是正反馈；如果是减少则是负反馈。 如果使净输入稳定：负反馈 如果使净输入不稳定：正反馈null（+）（+）（+）例3.1 试判断电路的反馈极性。（+）（-）（-）解: (a)(b)图(a)图(b)负反馈正反馈如果使净输入稳定：负反馈 如果使净输入不稳定：正反馈null例3.2 试判断电路的反馈极性。解：图（a） 图（b） 在单运放构成的反馈电路中，若反馈信号接到运放的反相端，则为负反馈；若接到同相端，则为正反馈。负反馈正反馈null例3.3 试判断电路的反馈极性。 解： R3对运放A1引入负反馈，R5对运放A2引入负反馈，它们都是本级反馈。R2对运放A1和A2引入反馈，称为级间反馈。 对于级间反馈， 负反馈null 在输入回路中，如果反馈信号与输入信号以电压的形式相加减形成基本放大电路的净输入电压信号，这种连接方式称为串联反馈。 2．串联反馈和并联反馈 若信号源为恒压源(Rs→0)， 则反馈对净输入电压的影响最大。 信号源内阻越小，串联反馈的作用越强。串联反馈：反馈xf与输入xi在输入回路的不同端；null 在输入回路中，如果反馈信号与输入信号以电流的形式相加减形成基本放大电路的净输入电流信号，这种连接方式称为并联反馈。 若信号源为恒流源(Rs→∞)，反馈对净输入电流的影响最大。信号源内阻越大，并联反馈的作用越强。 总结：串联反馈和并联反馈的判断方法是：如果输入信号和反馈信号连接在基本放大电路的同一输入端，则是并联反馈；否则，是串联反馈。 并联反馈：反馈xf与输入xi在输入回路的相同端；null3．电压反馈和电流反馈 将输出电压回送到输入端，即反馈信号取自输出电压，称为电压反馈。 反馈电路是线性电路，忽略运放输入电流，则反馈电压为： 与输出电压成正比当输入电压一定时，电压负反馈具有稳定输出电压的作用：例如，如负载电阻RL减小，引起输出电压下降，电路将进行下述自动调节过程，稳定输出电压：null 将输出电流回送到输入端，即反馈信号取自输出电流，称为电流反馈。 反馈电路是线性电路，忽略运放输入电流，则反馈电压为： 与输出电流成正比当输入电流一定时，电流负反馈具有稳定输出电流的作用： 例如，如负载电阻RL增加，引起输出电流下降，电路将进行下述自动调节过程，稳定输出电流：null 电压反馈和电流反馈的判断方法是： 注意这种判断方法只能用于理论分析，在实际中不能将负载短路，否则将损坏器件。方法二：如果反馈直接取自运放的输出端，为电压反馈；如果反馈是通过负载电阻接至运放的输出端，则为电流反馈。null例3.4 试判断电路是电压反馈或是电流反馈。电流并联负反馈。 电压并联负反馈 反馈直接取自运放的输出端，为电压反馈 反馈是通过负载电阻接至运放的输出端，则为电流反馈。null电流串联负反馈 电压串联负反馈 例3.5 试判断电路是电压反馈或是电流反馈。 反馈直接取自运放的输出端，为电压反馈 反馈是通过负载电阻接至运放的输出端，则为电流反馈null直流反馈：反馈信号只有输出信号的直流分量； 交流反馈：反馈信号只有输出信号的交流分量； 交直流混合反馈：反馈信号包含输出信号的直流和交流分量，则电路既有交流反馈，又有直流反馈。4．交流反馈与直流反馈本章主要讨论交流负反馈及其对电路交流特性的影响情况。nullRL 例3.6 试判断电路是直流反馈，或是交流反馈，或是交直流混合反馈。设电容的容抗远小于电阻。 电容的容抗远小于电阻，等效为交流短路、直流电流开路，反馈电压仅包含输出电压的直流成分，电路引入了直流负反馈。 电容C2的容抗远小于电阻，等效为交流短路、直流电流开路，反馈电压仅包含输出电压的交流成分，C2引入了交流正反馈。endR3引入了交直流负反馈。null3.2 负反馈放大电路的4种基本组态3.2.1电压串联负反馈 3.2.2电压并联负反馈 3.2.3电流串联负反馈 3.2.4电流并联负反馈 根据输出端取样对象和输入端连接方式的组合，负反馈放大电路有4种基本组态：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。 null3.2.1 电压串联负反馈1．连接方式 在输出端反馈网络与基本放大电路并联(两个网络的端口具有相同的电压)，实现电压取样。 在输入端反馈网络与基本放大电路串联(两个网络的端口通过同一电流)，实现电压求差， null2．基本参量 在电压串联负反馈电路中，输入量、净输入量、反馈量和输出量均是电压信号。开环增益、反馈系数和闭环增益分别是 （无量纲） （无量纲） （无量纲）endnull3.2.2 电压并联负反馈 1．连接方式 在输入端反馈网络与基本放大电路并联(两个网络的端口具有相同的电压)，实现电流求差。 在输出端反馈网络与基本放大电路并联(两个网络的端口通过同一电流)，实现电压取样。null 在电压并联负反馈电路中，输入量、净输入量和反馈量是电流信号，而输出量则是电压信号。2．基本参量 （电阻量纲） （电导量纲）(电阻量纲） endnull3.2.3 电流串联负反馈1. 连接方式 在输入端反馈网络与基本放大电路串联(两个网络的端口通过同一电流)，实现电压求差。 在输出端反馈网络同样与基本放大电路串联(两个网络的端口通过同一电流)，实现电流取样。 null2．基本参量 在电流串联负反馈电路中，输入量、净输入量和反馈量是电压信号，而输出量是电流信号。（电导量纲）（电阻量纲）（电导量纲）endnull3.2.4 电流并联负反馈1．连接方式 在输入端反馈网络与基本放大电路并联(两个网络的端口具有相同的电压)，实现电流求差。 在输出端反馈网络与基本放大电路并联(两个网络的端口通过同一电流)，实现电流取样。null2．基本参量 在电流并联负反馈电路中，输入量、净输入量、反馈量和输出量均是电流信号。（无量纲）（无量纲） （无量纲） endnull3.3 负反馈放大电路的闭环增益表达式图中的信号是正弦信号,可以是电压相量，也可以是电流相量。输入相量输出相量反馈相量净输入相量环路增益:反馈深度闭环增益：null闭环增益：反馈深度:反馈深度对闭环增益的影响如下：负反馈，使增益下降。深度负反馈时，电路转变为正反馈。 放大电路在没有信号输入时仍有稳定的输出信号，这种现象称为自激振荡。对于放大电路，自激破坏了电路的正常工作情况，应该设法避免。 endnull3.4 负反馈对放大电路性能的改善 负反馈使放大电路的闭环增益小于开环增益。但是，负反馈却可以提高增益的稳定性，扩展通频带宽，减小非线性失真，抑制干扰和噪声，改变输入电阻和输出电阻。3.4.1 提高增益的稳定性3.4.2 扩展通频带宽3.4.3 减小非线性失真3.4.4 抑制干扰和噪声3.4.5 对输入电阻和输出电阻的影响null3.4.1 提高增益的稳定性 基本放大电路的增益与半导体元件参数、工作环境温度、电源电压和负载电阻等有关。 在输入信号一定的情况下，负反馈的自动调节作用可以稳定输出量，因此，引入负反馈可以提高闭环增益的稳定性。假定由于某种原因使基本放大电路的增益变化： 相应的闭环增益变化：闭环增益变化量为闭环增益的相对变化量为null闭环增益的相对变化量为 负反馈（ ）时，闭环增益比开环增益更稳定。深度负反馈时， 深度负反馈时闭环增益与开环增益无关。开环增益变化引起闭环增益的变化量近似等于零，闭环增益很稳定。负反馈越强，闭环增益越稳定。nullend 相反，正反馈（ ）时，说明正反馈使闭环增益比开环增益更不稳定。闭环增益的相对变化量为null3.4.2 扩展通频带宽 放大电路的增益是频率的函数。以运放为例，在单位增益频率范围内，大多数运算放大器增益可表示为中频开环增益 开环带宽 假设对运放引入电阻性负反馈，反馈系数是实数，则闭环增益为中频闭环增益 闭环带宽增益带宽积为：闭环通频带宽大于开环通频带宽。 增益带宽积为常数。endnull3.4.3 减小非线性失真 放大电路中的有源元件在小信号时等效为线性元件。但在大信号时，有源元件固有的非线性使输出波形失真，即非线性失真。 在输出信号中除基频f外还将包含有2f、3f…等高次谐波。 负反馈具有稳定输出量的作用，即能使变化量减小，因而负反馈可以减小非线性失真。 输出幅度越大，失真越严重。null对该放大电路引入负反馈：输出量为 负反馈放大电路的谐波分量小于开环时的谐波分量。endnull 如果放大电路附近有强磁场或强电场变化，则放大电路内将产生感应电压。如果放大电路的电源发生波动，放大电路内也将引进相应的电压。所有这些不规则的电压都是干扰电压。 3.4.4 抑制干扰和噪声 噪声电压则是由于元器件内部载流子不规则运动所引起，通常可达μV级。 干扰和噪声使测量产生误差，使电视图像不清晰，必须设法抑制。 引入负反馈可以抑制干扰和噪声，提高信噪比：null 干扰和噪声可视为由放大电路的非线性引起的高次谐波。负反馈放大电路的信噪比大于开环时的信噪比。end功率之比null3.4.5 对输入电阻和输出电阻的影响 1．负反馈对输出电阻的影响 电压负反馈的闭环输出电阻：Ro是基本放大电路的输出电阻 输出电阻是独立信号源不作用时放大电路输出端的等效电阻，所以，只有电压反馈和电流反馈影响输出电阻。电压负反馈减小输出电阻 。为简化分析，假设反馈网络的输入电阻为无穷大。null电流负反馈的闭环输出电阻 Ro是基本放大电路的输出电阻 电流负反馈增大输出电阻。 null2．负反馈对输入电阻的影响串联负反馈的输入电阻 串联负反馈增大输入电阻。 null并联负反馈的输入电阻 并联负反馈减小输入电阻 。end2．负反馈对输入电阻的影响null3.5 深度负反馈放大电路的计算3.5.1 深度负反馈的特点*3.5.3 电压-电流转换器*3.5.2 电流-电压转换器null3.5.1 深度负反馈的特点1. 虚短和虚断对于串联负反馈 ：考虑到基本放大电路的输入电阻 ，对于并联负反馈 ：考虑到基本放大电路的输入电阻， 深度负反馈的条件下，无论是串联反馈或是并联反馈，基本放大电路的净输入电压和净输入电流都近似等于零。 null*3.5.2 电流-电压转换器(介绍) 电流-电压转换器将输入电流变换为与其成正比的输出电压（负载电压）。 电阻R1对运放引入电压并联深度负反馈，运放的输入端虚短和虚断。 电流-电压转换器也称为互阻放大器。endnull*3.5.3 电压-电流转换器(介绍) 电压-电流转换器输入电压变换为与其成正比的输出电流(负载电流)。 电导量纲电压-电流转换器又称为互导放大器。end电流串联深度负反馈null解（1）：电流串联负反馈补充例1：null补充例2：null补充例3：求：(1)判断外环反馈组态；闭环电压增益(2)在深度负反馈条件下，利用虚短和虚断可知解： (2)深度负反馈下大环的闭环电压增益 。endnull*3.6 深度负反馈放大电路的计算误差(略) 运放电路通常构成深度负反馈，分析计算时除了忽略输入端电压和电流外，还没有考虑运放的失调电压和失调电流等。因此，实际输出与理论分析必然存在误差。近似分析：考虑失调：null忽略运放输入电流：整理并适当近似处理： eo是输出误差，与运放的共模抑制比和输入失调电压和失调电流有关。endnull*3.7 直流负反馈对输出失调电压和温度漂移的抑制(略) 所以，引入直流负反馈可以抑制输出失调（电压和电流）及温度漂移，稳定运放输出端的静态工作点。 当输入信号为0时，电路的输出失调电压为endnull3.8 负反馈放大电路的自激振荡及消除方法3.8.1 自激振荡的条件3.8.2 负反馈放大电路的稳定性分析*3.8.3 频率补偿null3.8.1 自激振荡的条件 没有输入信号放大电路仍有稳定的输出信号，这种现象称为自激振荡，简称自激。产生原因：null3.8.2 负反馈放大电路的稳定性分析1．稳定性判断方法 反馈放大电路的稳定性与环路增益有关。可以利用环路增益的幅频特性和相频特性直观地判断反馈放大电路是否稳定（是否产生自激振荡）。f0--环路增益等于0dB的频率f180 --相移等于1800的频率 自激振荡：null2．稳定裕度如果2者相差很小，则由于工作环境和元件参数等变化，可能使 定义幅值裕度定义相位裕度null例3.8 已知某负反馈放大电路的开环增益的频率特性。 用电阻元件组成反馈电路，试判断下述情况下的稳定性。 解：电阻反馈系数为实数，其幅值和相移与频率无关， 。 平移横坐标，可得环路增益的波特图反馈越强，越易自激。endnull*3.8.3 频率补偿（略） 频率补偿：在负反馈放大电路中增加一些修改环路增益频率特性的电路元件(称为补偿元件)，破坏自激振荡条件，形成具有一定稳定裕度的负反馈放大电路。 补偿元件可以插入在基本放大电路的内部（修改开环增益的频率特性），称为内部频率补偿；也可以安排在基本放大电路的外部（修改反馈系数的频率特性），称为外部频率补偿。 降低环路增益nullR3是补偿元件endnull作业： 3.2(b)(c)(d)(f)(g); 3.5; 3.7 3.13 3.14 3.15