第5章負反饋放大電路

1、第五章 負反饋放大電路第五章第五章 負反饋放大電路負反饋放大電路5.1 反饋的基本概念反饋的基本概念 5.2 負反饋對放大器性能的影響負反饋對放大器性能的影響 5.3 負反饋放大器的指標計算負反饋放大器的指標計算 5.4 負反饋放大電路的自激振蕩負反饋放大電路的自激振蕩 第五章 負反饋放大電路5.1 反饋的基本概念反饋的基本概念 5.1.1 反饋的定義反饋的定義 所謂反饋就是把放大器的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部,通過一定的方式送回到放大器的輸入端的過程,可用圖5-1所示的方框圖表示。 第五章 負反饋放大電路圖 5 1 反饋放大器的方框圖 第五章 負反饋放大電路圖中,上面一個方框表示基本

2、放大器,下面一個方框表示能夠把輸出信號的一部分送回到輸入端的電路,稱為反饋網(wǎng)絡(luò)；箭頭線表示信號的傳輸方向；符號表示信號疊加；Xi稱為輸入信號,它由前級電路提供；Xf稱為反饋信號,它是由反饋網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端的信號；Xi稱做凈輸入信號或有效控制信號；“+”和“-”表示Xi和Xf參與疊加時的規(guī)定正方向,即Xi-Xf=Xi；Xo稱為輸出信號。通常,把輸出信號的一部分取出的過程稱做“取樣”；把Xi與Xf的疊加過程叫做“比較”。引入反饋后,按照信號的傳輸方向,基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個閉合環(huán)路,所以有時把引入了反饋的放大器叫閉環(huán)放大器,而未引入反饋的放大器叫開環(huán)放大器。 第五章 負反饋放大電路定義： 叫

3、開環(huán)放大倍數(shù)； 叫反饋系數(shù)； 叫閉環(huán)放大倍數(shù)。因為所以ioXXAofXXF iofXXA ,iifiiFAXXXXXFAAXXAiof1(5-1)第五章 負反饋放大電路5.1.2 反饋類型及其判定反饋類型及其判定 1. 電壓反饋與電流反饋電壓反饋與電流反饋 (1)電壓反饋：對交變信號而言,若基本放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、負載三者在取樣端是并聯(lián)連接,則稱為并聯(lián)取樣，如圖5-2所示。由于在這種取樣方式下,Xf正比于輸出電壓,Xf反映的是輸出電壓的變化,所以又稱之為電壓反饋。 第五章 負反饋放大電路圖 5 2 電壓反饋示意圖 第五章 負反饋放大電路 (2)電流反饋：對交變信號而言,若基本放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、負

4、載三者在取樣端是串聯(lián)連接,則稱為串聯(lián)取樣，如圖5-3所示。由于在這種取樣方式下,Xf正比于輸出電流,Xf反映的是輸出電流的變化,所以又稱之為電流反饋。 第五章 負反饋放大電路圖 5 3 電流反饋示意圖第五章 負反饋放大電路 (3) 電壓反饋和電流反饋的判定： 判定方法之一輸出短路法。將反饋放大器的輸出端對交流短路, 若其反饋信號隨之消失, 則為電壓反饋, 否則為電流反饋。 因為輸出端對交流短路后, 輸出交變電壓為零, 若反饋信號隨之消失, 則說明反饋信號正比于輸出電壓, 故為電壓反饋；若反饋信號依然存在, 則說明反饋信號不正比于輸出電壓, 故不是電壓反饋, 而是電流反饋。 判定方法之二按電路結(jié)

5、構(gòu)判定：在交流通路中,若放大器的輸出端和反饋網(wǎng)絡(luò)的取樣端處在同一個放大器件的同一個電極上, 則為電壓反饋； 否則是電流反饋。 第五章 負反饋放大電路圖 5 4 反饋電路舉例 第五章 負反饋放大電路2. 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 fiiUUU(1)串聯(lián)反饋：對交流信號而言,信號源、基本放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)三者在比較端是串聯(lián)連接,則稱為串聯(lián)反饋,如圖5-5所示。串聯(lián)反饋要求信號源趨近于恒壓源,若信號源是恒流源,則串聯(lián)反饋無效。因為,若信號源為恒流源,則串聯(lián)反饋的凈輸入信號不隨反饋信號而變,因而反饋失效。在串聯(lián)反饋電路中,反饋信號和原始輸入信號以電壓的形式進行疊加,產(chǎn)生凈輸入電壓信號,即第五

6、章 負反饋放大電路圖 5 5 串聯(lián)反饋示意圖第五章 負反饋放大電路(2)并聯(lián)反饋：對交流信號而言,信號源、基本放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)三者在比較端是并聯(lián)連接,則稱為并聯(lián)反饋,如圖5-6所示。并聯(lián)反饋要求信號源趨近于恒流源,若信號源是恒壓源,則并聯(lián)反饋無效。因為若信號源為恒壓源,則并聯(lián)反饋的凈輸入信號不隨反饋信號而變,從而使反饋失去作用。在并聯(lián)反饋中,反饋信號和原始輸入信號以電流的形式進行疊加,產(chǎn)生凈輸入電流信號。即：Ii=Ii-If。 第五章 負反饋放大電路圖 5 6 并聯(lián)反饋示意圖 第五章 負反饋放大電路 (3) 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判定方法：對于交變分量而言, 若信號源的輸出端和反饋網(wǎng)絡(luò)的比較端接

7、于同一個放大器件的同一個電極上, 則為并聯(lián)反饋；否則, 為串聯(lián)反饋。按此方法可以判定, 圖 5-4(a)是并聯(lián)反饋, 圖 5 - 4(b)是串聯(lián)反饋。 第五章 負反饋放大電路3. 直流反饋和交流反饋直流反饋和交流反饋 (1) 直流反饋：若反饋環(huán)路內(nèi), 直流分量可以流通, 則該反饋環(huán)可以產(chǎn)生直流反饋。直流負反饋主要用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點。 (2) 交流反饋： 若反饋環(huán)路內(nèi), 交流分量可以流通, 則該反饋環(huán)可以產(chǎn)生交流反饋。交流負反饋主要用來改善放大器的性能； 交流正反饋主要用來產(chǎn)生振蕩。 若反饋環(huán)路內(nèi), 直流分量和交流分量均可以流通, 則該反饋環(huán)既可以產(chǎn)生直流反饋, 又可以產(chǎn)生交流反饋。 圖 5 -

8、 4(a)中的Rf既可以引入直流反饋, 也可以引入交流反饋。 第五章 負反饋放大電路4. 負反饋和正反饋負反饋和正反饋 若反饋信號使凈輸入信號減弱, 則為負反饋；若反饋信號使凈輸入信號加強, 則為正反饋。負反饋多用于改善放大器的性能；正反饋多用于振蕩電路。 反饋極性的判定多用瞬時極性法, 其步驟如下： (1) 首先在基本放大器輸入端設(shè)定一個遞增(或遞減)的凈輸入信號, 對并聯(lián)反饋, 設(shè)定一個電流信號； 對串聯(lián)反饋, 設(shè)定一個電壓信號。 (2) 在上述設(shè)定下, 推演出反饋信號的變化極性。 (3) 判定在反饋信號的影響下, 凈輸入信號的變化極性。 若該極性與前面設(shè)定的變化極性相反, 則為負反饋；若

9、相同, 則為正反饋。 第五章 負反饋放大電路 按上述方法可以判定圖 5- 4(a)是負反饋。判定過程如下：因為是并聯(lián)反饋,所以設(shè)定一個增大的iB, 則iBiCUCifiB 由于在if的影響下, iB的變化極性與原設(shè)定的變化極性相反,表明反饋信號使凈輸入信號減弱, 所以是負反饋。 第五章 負反饋放大電路5.1.3 負反饋放大器的四種基本組態(tài)負反饋放大器的四種基本組態(tài) 為了使閉環(huán)增益Af與開環(huán)增益A滿足Af=A/(1+FA)的關(guān)系, 應(yīng)作如下約定： 被取樣的輸出信號反饋信號反饋系數(shù)號比較后產(chǎn)生的凈輸入信被取樣的輸出信號開環(huán)增益號參與比較的原始輸入信被取樣的輸出信號閉環(huán)增益FfAA第五章 負反饋放大

10、電路1. 串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 圖 5 7 串聯(lián)電壓負反饋放大器電路 第五章 負反饋放大電路ufuuuiuuiiufioiouofuioAAFAUAFUUAUUUUUFUUAUU1參與比較的原輸入信號被取樣的輸出信號閉合放大倍數(shù)被取樣的輸出信號反饋信號反饋系數(shù)號比較后產(chǎn)生的凈輸入信被取樣的輸出信號開環(huán)放大倍數(shù)稱作開環(huán)電壓放大倍數(shù), 無量綱。 稱作互阻反饋系數(shù), 無量綱。 稱作閉環(huán)電壓放大倍數(shù),無量綱。 第五章 負反饋放大電路gfgrgioiorofofgioioAAFAUIXXFIUXXAUIXX1參與比較的被取樣的閉合放大倍數(shù)被取樣的反饋信號反饋系數(shù)比較產(chǎn)生的被取樣的開環(huán)放大倍數(shù)稱作

11、開環(huán)互導放大倍數(shù), 其量綱是電導。 稱作互阻反饋系數(shù), 其量綱是電阻。 稱作閉環(huán)互導放大倍數(shù), 其量綱是電導。 2. 串聯(lián)電流負反饋串聯(lián)電流負反饋 第五章 負反饋放大電路圖 5 8 串聯(lián)電流負反饋放大器第五章 負反饋放大電路3. 并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋 圖 5 9 并聯(lián)電壓負反饋放大器 第五章 負反饋放大電路rfrgrioiogofofrioioAAFAIUXXFIUXXAUIXX1參與比較的被取樣的閉合放大倍數(shù)被取樣的反饋信號反饋系數(shù)比較產(chǎn)生的被取樣的開環(huán)放大倍數(shù)稱作開環(huán)互阻放大倍數(shù), 其量綱是電阻。 稱作互導反饋系數(shù), 其量綱是電導。 稱作閉環(huán)互阻放大倍數(shù), 其量綱是電阻。 第五章

12、負反饋放大電路4. 并聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電流負反饋 圖 5 10 并聯(lián)電流負反饋放大器 第五章 負反饋放大電路ifiirioioiofofiioioAAFAIIXXFIUXXAUIXX1參與比較的被取樣的閉合放大倍數(shù)被取樣的反饋信號反饋系數(shù)比較產(chǎn)生的被取樣的開環(huán)放大倍數(shù)稱作開環(huán)電流放大倍數(shù), 無量綱。 稱作電流反饋系數(shù), 無量綱。 稱作閉環(huán)電流放大倍數(shù), 無量綱。 第五章 負反饋放大電路表5-1四種反饋組態(tài)下A、F和Af的不同含義 第五章 負反饋放大電路5.2 負反饋對放大器性能的影響負反饋對放大器性能的影響 5.2.1 使放大器的放大倍數(shù)下降使放大器的放大倍數(shù)下降 根據(jù)負反饋的定義可知, 負反

13、饋總是使凈輸入信號減弱。所以, 對于負反饋放大器而言,必有所以 即可見, 閉環(huán)放大倍數(shù)Af, 僅是開環(huán)放大倍數(shù)A的(1+FA)分之一。 iiXX ioioXXXX,1ffAAAAFA第五章 負反饋放大電路5.2.2 穩(wěn)定被取樣的輸出信號穩(wěn)定被取樣的輸出信號 1. 電壓負反饋電壓負反饋 對于圖 5-7 所示的串聯(lián)電壓負反饋電路, 當某一因素使Uo增大時, 就會產(chǎn)生如下反饋過程： UoUE1UBE1UC1UB2 Uo UC2從而使Uo的變化量大大減小, Uo的穩(wěn)定性大大提高。 第五章 負反饋放大電路 對于圖 5 - 9 所示的并聯(lián)電壓負反饋電路, 當某一因素使Uo增大時, 則UoIfIBICUo

14、UC結(jié)果使Uo的變化量減小, Uo的穩(wěn)定性提高。 第五章 負反饋放大電路 2. 電流負反饋電流負反饋 因為電流負反饋, 被取樣的輸出信號是輸出電流, 所以, 凡是電流負反饋, 必然能穩(wěn)定輸出電流。 對于圖 5 - 10 所示的并聯(lián)電流負反饋電路, 當某一因素使Ie2增大時, 則： Ie2IfIb1Ic1Uc1Ub2Ie2 Ib2 結(jié)果使得Ie2的增量減小, 穩(wěn)定性提高；因為Ic2Ie2, 所以Ie2穩(wěn)定,Ic2也穩(wěn)定。值得說明的是, 該反饋電路所穩(wěn)定的電流是流過RL的電流, 不是流過RL的電流。 第五章 負反饋放大電路5.2.3 使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高 AdAFAAAAA

15、FAAAFAFAAFAFAAAAAAAfffffff1111)1)(1 ()1)(1 (112121211212把Af2=A2/(1+FA2)和Af1=A1/(1+FA1)代入上式得： 用Af1=A1/(1+FA1)除以上式兩邊得： 當A足夠小時,AfdAf, 并且A1A2A, Af1Af2Af。 此種情況下, 上式可寫為： 第五章 負反饋放大電路5.2.4 可以展寬通頻帶可以展寬通頻帶 在阻容耦合放大器中,由于耦合電容和旁路電容的存在,會引起低頻區(qū)放大倍數(shù)下降并產(chǎn)生相位移動；分布電容和晶體管極間電容的存在,會引起高頻區(qū)放大倍數(shù)下降和相位移動。由于負反饋可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,所以引入負反饋

16、后,在低頻區(qū)和高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降程度將減小,從而使通頻帶展寬。定量分析如下： AFAAf1第五章 負反饋放大電路hmhffjAA1根據(jù)頻率特性分析,開環(huán)放大器的高頻特性為 式中，fh和Am分別是開環(huán)放大器的上限頻率和中頻區(qū)放大倍數(shù)。 第五章 負反饋放大電路當反饋系數(shù)F不隨頻率變化時, 引入負反饋后的高頻特性為 )1/(1)1/(1)1/(/1)/1/(1)/1/(1hmmfhmmmhmmhmhmhffFAfjAfFAfjFAAfjfFAAfjfAFfjfAAFAAhmhffFAf)1 ( (5-4)第五章 負反饋放大電路按照通頻帶的定義： 開環(huán)放大器的通頻帶為： fbw=fh-fl 閉環(huán)放大

17、器的通頻帶為：fbwf=fhf-flf由于fhffh, flffl時, fbw=fh-flfh, 所以 fbwf=fhf-flffhf=(1+FAm)fh(1+FAm)fbw1111fFAfmf同理可以求得： (5-5) (5-6) 第五章 負反饋放大電路5.2.5 對輸入電阻的影響對輸入電阻的影響 1. 串聯(lián)負反饋使輸入電阻提高串聯(lián)負反饋使輸入電阻提高 圖 5 - 11 串聯(lián)負反饋方框圖。 第五章 負反饋放大電路開環(huán)輸入電阻： iiiiiiifiiiifiiirFAIUFAIFAUUIUUIUrIUr)1 ()1 (閉環(huán)輸入電阻： (5-7) 可見,引入串聯(lián)負反饋后,輸入電阻可以提高(1+F

18、A)倍。但是,當考慮偏置電阻Rb的影響時,閉環(huán)輸入電阻應(yīng)為rifRb,故輸入電阻的提高,受到偏置電阻的限制,當rifRb時,輸入電阻取決于Rb,此后,加大反饋強度,對輸入電阻也不會產(chǎn)生明顯的影響。 第五章 負反饋放大電路2. 并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小 圖 5 - 12 并聯(lián)負反饋的方框圖。 第五章 負反饋放大電路開環(huán)輸入電阻： iiiIUr 閉環(huán)輸入電阻： if1111iiiiifiiiiiUUUrIIIIFAIUrFA IFA(5-8) 可見,引入并聯(lián)負反饋后,輸入電阻減小為開環(huán)輸入電阻的1/(1+FA)。 第五章 負反饋放大電路5.2.6 對輸出電阻的影響對輸出電阻

19、的影響 1.電壓負反饋使輸出電阻減小電壓負反饋使輸出電阻減小 圖5 13 電壓負反饋方框圖 第五章 負反饋放大電路FArIUrrFAUrFAUUrXAUIFAUAXXAooooofooooooooioooooofio1)1 ( 可見, 引入電壓負反饋后可使輸出電阻減小到ro(1+AoF) 。不同的反饋形式,其A、F的含義不同。串聯(lián)電壓負反饋F=Fu=Uf/Uo, A=Au=Uo/Ui; 并聯(lián)電壓負反饋F=Fg=If/Uo, A=Ar=Uo/Ii。 (5-9) 第五章 負反饋放大電路2. 電流負反饋使輸出電阻增大電流負反饋使輸出電阻增大將放大器輸出端用電流源等效,如圖5-14所示。令輸入信號為零

20、,在輸出端外加電壓,則Xi=-Xf,于是有 ooioifoUIAXrAXAXFAI (A為RL=0 時的短路開環(huán)放大倍數(shù))而 (其中， f)oXFI第五章 負反饋放大電路圖5 14 電流負反饋方框圖 第五章 負反饋放大電路(1)(1)ooooooooofooUIFAIrUAF IrUrAF rI 故 所以 (5-10) 第五章 負反饋放大電路5.2.7 減小非線性失真和抑制干擾、噪聲減小非線性失真和抑制干擾、噪聲由于電路中存在非線性器件,所以即使輸入信號Xi為正弦波,輸出也不是正弦波,而會產(chǎn)生一定的非線性失真。引入負反饋以后,非線性失真將會減小。如圖5-15(a)所示,原放大電路產(chǎn)生了非線性失

21、真。輸入為正、負對稱的正弦波,輸出是正半周大、負半周小的失真波形。引入負反饋后,輸出端的失真波形反饋到輸入端,與輸入波形疊加,因此凈輸入信號成為正半周小、負半周大的波形。此波形經(jīng)放大后,使得其輸出端正、負半周波形之間的差異減小,從而減小了放大電路輸出波形的非線性失真,如圖5-15(b)所示。 第五章 負反饋放大電路圖 5 15 負反饋減小非線性失真 第五章 負反饋放大電路 【例1】某放大器的Au=1000, ri=10k, ro=10 k,fh=100kHz, fL=10kHz,在該電路中引入串聯(lián)電壓負反饋后, 當開環(huán)放大倍數(shù)變化10%時, 閉環(huán)放大倍數(shù)變化不超過1%, 求Auf, rif,

22、rof, fhf, flf。 009. 09910110/1uuuuufufuuuuAFAFAAAAAF解解 第五章 負反饋放大電路kHzfAFrkHzrAFrkAFrkrAFrAFAAuufhuuhfuuofiuuifuuuuf11010111100010010)1 (110101111001010)1 (100101000111第五章 負反饋放大電路5.3 負反饋放大器的指標計算負反饋放大器的指標計算 5.3.1 等效電路法等效電路法 把反饋放大器中的非線性器件用線性電路等效, 然后根據(jù)電路理論來求解各項指標。其求解過程可借助計算機實現(xiàn)。 第五章 負反饋放大電路5.3.2 分離法分離法 把

23、負反饋放大器分離成基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分, 然后分別求出基本放大器的各項指標和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù), 再按上一節(jié)的有關(guān)公式, 分別求得Af, rif、 rof, fhf等。 第五章 負反饋放大電路5.3.3 強負反饋放大器的增益估算法強負反饋放大器的增益估算法 1. 強負反饋的概念強負反饋的概念 若AF1, 則稱之為強負反饋。通常, 只要是多級負反饋放大器, 我們就可以認為是強負反饋電路。因為多級負反饋放大器, 其開環(huán)增益很高, 都能滿足AF1 的條件。 第五章 負反饋放大電路2. 估算依據(jù)估算依據(jù)對于強負反饋放大器來說, 因為AF1, 所以FAFAFAAAf11(5-11) 上式表明,強負

24、反饋條件下,只要求出反饋系數(shù),就可求得閉環(huán)增益,但是,利用該式求得的閉環(huán)增益不一定是電壓增益,而實際工作中,人們最關(guān)心的是電壓增益。除串聯(lián)電壓負反饋電路可以直接利用上式求得閉環(huán)電壓增益外,其它組態(tài)的負反饋電路,利用上式求得閉環(huán)增益后,均要再經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能求得閉環(huán)電壓增益。為此,我們還要進一步找出能夠直接估算各種反饋組態(tài)的閉環(huán)電壓增益的方法。 第五章 負反饋放大電路強負反饋條件下： FAf1把Af=Xo/Xi, F=Xf/Xo 代入上式得 foioXXXX對于串聯(lián)負反饋 fiUU 對于并聯(lián)負反饋 fiII 所以 XiXf (5-12) (5-13) (5-14) 第五章 負反饋放大電路 【例【例2

25、】估算圖5-16(a)所示串聯(lián)電壓負反饋放大器的閉環(huán)電壓增益Auf=Uo/Ui。 圖 5-16 串聯(lián)電壓負反饋電路 第五章 負反饋放大電路 解解 由于是串聯(lián)電壓負反饋, 故UiUf。由圖5-16(b)可知, 輸出電壓Uo經(jīng)Rf和Re1分壓后反饋至輸入回路, 即ofeefURRRU1111111efefefooufRRRRRUUUUA則 (5-15) 第五章 負反饋放大電路 【例3】 求圖5-17(a)所示的串聯(lián)電流負反饋電路的閉環(huán)電壓增益Auf=Uo/Ui。 圖 5-17 串聯(lián)電流負反饋電路 第五章 負反饋放大電路解解 因為是串聯(lián)負反饋, 所以UiUf。 331331313331(/)efee

26、feeeffeeefeocLLcLRIIRRRR RUI RIRRRUI RRRR 式中所以 又因為 第五章 負反饋放大電路3331313311oecLeeoffefeLefeoufLieeUIIRR RUUURRRRRRRUARUR R 所以 故 (5-16) 第五章 負反饋放大電路 【例【例4】 求圖 5-18 所示的并聯(lián)電壓負反饋電路的源電壓閉環(huán)增益Ausf=Uo/Us。解解 因為是并聯(lián)負反饋,所以信號源趨近于恒流源,因而Rs一定很大；另一方面,并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小,而且是強負反饋,所以閉環(huán)輸入電阻rif一定很小。可見,在并聯(lián)強負反饋電路中,Rsrif必然成立。 第五章 負反饋放大電路圖圖 5 18 并聯(lián)電壓負反饋電路并聯(lián)電壓負反饋電路 第五章 負反饋放大電路sfsousffossfofssifssiRRUUARURURUIRUrRUI由圖5-18(a)的輸入回路可得：(5-17) 第五章 負反饋放大電路 【例 5】 求