反饋放大電路及應(yīng)用

1、第三章 反饋放大電路及應(yīng)用第三章 反饋放大電路及應(yīng)用. 13.3.1反饋的基本概念與分類 . 23.3.2負(fù)反饋放大電路的方框圖表示及增益函數(shù) . 53.3.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善. 73.3.4 負(fù)反饋放大電路的計(jì)算 . 103.3.5負(fù)反饋放大電路的自激問題 . 163.3.1反饋的基本概念與分類反饋基本概念反饋：放大器輸出電量(電壓或電流)中的一部分(或全部)，通過一定的電路形式(稱反饋網(wǎng)絡(luò))，送回到輸入回路，與原輸入信號(hào)一起加到放大器的凈輸入端，從而使輸出電量得以自動(dòng)調(diào)節(jié)。反饋放大器框圖表示：輸出電量入量中的一部分經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生反饋量，送回到輸入回路中，與輸比較求和后，產(chǎn)生

2、凈輸入信號(hào)，再由基本放大器放大，送到輸出，從而形成閉環(huán)。虛線內(nèi)的整個(gè)放大器就稱為反饋放大器。其中電量X，可能是電流量，也可能是電壓量，由反饋網(wǎng)絡(luò)與放大電路的輸出/輸入連接方式?jīng)Q定。反饋網(wǎng)絡(luò)：它向輸出電路索取電量，并將該電量轉(zhuǎn)換成與原輸入量綱一致的電量。 兩種取樣電路：電壓取樣，反饋信號(hào)與輸出電壓成正比-電壓反饋；電流取樣，反饋信號(hào)與輸出電流成正比-電流反饋。由于輸入量可能是電壓量，也可能是電流量，反饋量只有與輸入量的量綱相一致時(shí)，才能求和，所以，反饋網(wǎng)絡(luò)還承擔(dān)信號(hào)的變換作用。比較求和電路：輸入量與反饋量在相同的電量下相加減。也有兩種電路，如圖所示：串聯(lián)反饋時(shí)，并聯(lián)反饋時(shí)。比較求和后，凈輸入增加

3、時(shí)正反饋；比較求和后，凈輸入減少時(shí)負(fù)反饋。正反饋一般用在振蕩器中，而負(fù)反饋通常用在放大器中，以改善放大器的性能指標(biāo)。根據(jù)取樣到的電量和比較求和的電量不同，反饋放大器有以下的分類： 電壓反饋：反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，電流反饋：反饋信號(hào)與輸出電流成正比，串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)是電壓，因此與輸入信號(hào)。 。 電壓求和，即。 。 并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)是電流，因此與輸入信號(hào)電流求和。即正反饋：反饋后，使凈輸入電量增加，即負(fù)反饋：反饋后，使凈輸入電量減小，即。 。交流反饋：僅存在交流反饋量的反饋。直流反饋：僅存在直流反饋量的反饋。主要應(yīng)分清楚下面四種反饋：1. 電壓串聯(lián)負(fù)反饋，且反饋量為電壓只有在 相串聯(lián)連接，

4、即。 為電壓量的情況下，才能與輸入信號(hào)電壓2.電壓并聯(lián)反饋 反饋量并聯(lián)，即為電流量。只有在。 為電流量的情況下，才能與輸入信號(hào)電流相3.電流串聯(lián)反饋： 反饋量即為電壓量，只有在。 為電壓量的情況下，才能與輸入信號(hào)電壓相串聯(lián)，4.電流并聯(lián)反饋： 反饋量聯(lián)，即總結(jié)： 為電流量，只有在。 為電流量的情況下，才能與輸入信號(hào)電流相并1. 運(yùn)放的基本指標(biāo)除開環(huán)增益、共模抑制比、差模輸入電阻、差模輸出電阻等外，還有最大共模輸入電壓速率； ，單位增益帶寬，轉(zhuǎn)換速率大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的輸出電壓上升2. 為減少輸出失調(diào)電壓，在連接上，運(yùn)放的同相端和反相端的等效輸入電阻應(yīng)取相等，且阻值應(yīng)?。?. 電壓反饋還是電流反饋取決

5、于反饋量Xf是正比于輸出電壓還是正比于輸出電流。電壓反饋，電流反饋。如果此時(shí)無反饋了，即時(shí)，判斷方法：將輸出端瞬時(shí)短路，即RL=0，為電壓反饋；如果如果此時(shí)無反饋了，即，則為電流反饋。也可用輸出開路來做，即RL開路，則時(shí)，為電流反饋；如果則為電壓反饋。4. 串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋取決于反饋量Xf是電流量還是電壓量，即反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入信號(hào)的連接方式。串聯(lián)反饋：其反饋信號(hào)Xf一定是電壓量，電壓量才能相串聯(lián)；并聯(lián)反饋：其反饋信號(hào)Xf一定是電流量，電流量才能并聯(lián)，進(jìn)行電流求和。5. 正反饋和負(fù)反饋(在頻帶的中頻段)反饋后凈輸入增加：正反饋；反饋后凈輸入減少：負(fù)反饋。判斷方法：用瞬時(shí)極性法：假若在某瞬時(shí)輸入

6、極性為，然后根據(jù)放大器的組態(tài)，逐級(jí)推出該時(shí)刻的瞬時(shí)變化極性、經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后的極性，然后決定反饋信號(hào)與原信號(hào)的相位關(guān)系。6. 直流反饋和交流反饋在直流通路中存在的反饋：直流反饋；在交流通路中存在的反饋：交流反饋；在交直流通路中都有反饋：交直流反饋并存。3.3.2負(fù)反饋放大電路的方框圖表示及增益函數(shù)一、負(fù)反饋放大電路的方框圖表示四種反饋下各參數(shù)的物理意義：二、負(fù)反饋放大電路的增益函數(shù)由負(fù)反饋放大器的方塊圖可知，放大器的閉環(huán)增益函數(shù)為：式中的項(xiàng)稱環(huán)路增益或回路增益。將上式寫成幅模形式后。 如果，閉環(huán)增益小于開環(huán)增益。 則電路為負(fù)反饋。若，則電路為深度負(fù)反饋，此時(shí)，其電壓增益為：閉環(huán)后的電路增益由反饋系

7、數(shù)決定，式中的度越深。 稱為反饋深度，它越大，反饋深 當(dāng)，則表示其反饋為正反饋。 當(dāng)生了自激振蕩。 ，則說明在無輸入信號(hào)的情況下也有輸出，此時(shí)電路產(chǎn)負(fù)反饋犧牲了放大器增益：提高了放大器的性能指標(biāo)；正反饋雖提高增益：但穩(wěn)定性差，會(huì)使放大器無法工作。3.3.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善一、提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性放大器的增益會(huì)因環(huán)境的各種因素而發(fā)生變化，加了負(fù)反饋后會(huì)抑制這種變化，使其增益穩(wěn)定。假定信號(hào)在中頻段，且反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻，故放大倍數(shù)和反饋系數(shù)都是實(shí)數(shù)。所以增益函數(shù)表達(dá)式為：，微分得，。兩邊同除Af后得。該式表明：放大器引入了負(fù)反饋后，其增益的相對(duì)變化量dAf/Af是無反饋時(shí)的1/(1+AF

8、)。說明負(fù)反饋越深，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性越好。二、改善放大器的非線性失真非線性失真由器件的非線性特性引起。假定輸入信號(hào)為正弦，經(jīng)放大后產(chǎn)生了不對(duì)稱的輸出波形，即產(chǎn)生了失真了。非線性失真的定量分析：由于非線性失真是信號(hào)大了之后引起，所以假定失真由末級(jí)引起，如圖所示：開環(huán)時(shí)：，。 閉環(huán)后：輸出信號(hào)降低了，并為表明，有用信號(hào)和失真信號(hào)部分，都下降為開環(huán)時(shí)的使其反饋后的輸出電壓。式子。比較反饋效果應(yīng)和反饋前的該在同一輸出幅度下才有意義，所以應(yīng)加大相等。增大后，上式變?yōu)椋?。式子表明，?fù)反饋后，可以加大有用的輸入信號(hào)，使損失部分得以補(bǔ)嘗，而負(fù)反饋將失真部分的信號(hào)得到了抑制。這里必須注意：信號(hào)本身的非線性，負(fù)反

9、饋將無能為力。三、抑制放大電路內(nèi)部的溫漂，噪聲及干擾如果噪聲、干擾來自電路內(nèi)部時(shí)，負(fù)反饋能起到抑制作用，這時(shí)只要加大有用信號(hào)，以提高信噪比(S/N)。如果噪聲、干擾混在有用信號(hào)中或來自電路外部，則負(fù)反饋無能為力。只能用屏蔽、隔離、濾波或消除干擾源等手段加以剔除。四、展擴(kuò)放大器的通頻帶假定反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻，F(xiàn)為實(shí)數(shù)，且放大電路在低頻段和高頻段都只有一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率(極點(diǎn)頻率)。因此，高低頻段頻率特性的復(fù)數(shù)表達(dá)式分別為， 高頻段：，低頻段：加了負(fù)反饋后的高頻段頻率特性：，加了負(fù)反饋后的低頻段頻率特性：其中，可見放大器引入負(fù)反饋后，上限頻率升高了，下限頻率降低了，因而使放大器的通頻帶擴(kuò)展了，下圖是負(fù)反饋

10、使通頻帶展寬的波特圖。五、負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響1. 電壓反饋使輸出電阻減少。 電壓串聯(lián)假定反饋電路中信號(hào)單向化傳輸，取樣電路不取電流并無壓降；2. 電流反饋使輸出電阻增加。六、負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)反饋輸入電阻增加，；并聯(lián)反饋輸入電阻減少，無反饋時(shí)，加了負(fù)反饋后，。輸入電流增加了，輸入電阻下降了，且為。3.3.4 負(fù)反饋放大電路的計(jì)算一、由集成運(yùn)放構(gòu)成的各種運(yùn)算電路集成運(yùn)放的開環(huán)增益為無窮大，由運(yùn)放組成的各種放大電路都滿足深度反饋的條件。1. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算主要有三種：反相輸入，同相輸入和差動(dòng)輸入三種形式。反相輸入方式(反相(比例)、求和運(yùn)算)，該電路屬于電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器。 同

11、相輸入方式(同相(比例)求和運(yùn)算)信號(hào)從運(yùn)放的同相輸入端加入，稱同相輸入。是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。由電路可知：，所以或。 。當(dāng)R1開路時(shí)，電路的輸出即為電路的輸入，通常稱為電壓跟隨器，即輸入電阻Rif：，注意是串聯(lián)反饋。輸出電阻Rof：，注意是電壓反饋。 差分輸入方式(減法輸入方式)兩個(gè)信號(hào)分別加在同相端和反相端，反相端通過R2構(gòu)成閉環(huán)。對(duì)電路的求解可以采用線性電路的疊加原理進(jìn)行。2 .求和運(yùn)算 反相求和運(yùn)算。由于N端是“虛地”，所以有： 同相求和運(yùn)算。同樣用線性電路的疊加原理求解。由于VP=VN可分別求出VP和VN。 雙端輸入求和運(yùn)算。3 .微分和積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算電路 微分運(yùn)算電路4 .對(duì)數(shù)

12、和指數(shù)運(yùn)算電路 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 指數(shù)運(yùn)算電路5 .電流/電壓(I/V)變換電路使輸出電壓和輸入電流成線性關(guān)系，而與RL無關(guān)。 6 .電壓/電流變換電路輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，與負(fù)載大小無關(guān)。在許多場合，負(fù)載必須接地，此時(shí)可列方程組后求得輸入電壓與輸出電流關(guān)系：， 解得：，注意：運(yùn)算電路中輸出端都是和反相輸入端相連接的，說明在放大電路中全部構(gòu)成負(fù)反饋。不可能引回到運(yùn)放的同相端，否則成為正反饋，就不是線性放大了。二、 由分立元件構(gòu)成的深度負(fù)反饋放大電路的分析計(jì)算這一部分內(nèi)容只講思路，不舉例說明工程中常用方法：方塊圖法、雙口網(wǎng)絡(luò)分離法、環(huán)路增益法、拆環(huán)法等，(在自動(dòng)控制理論課中介紹) 拆環(huán)法的思

13、路：閉環(huán)放大器拆成開環(huán)求開環(huán)下的系求閉環(huán)下的，。 ，再用關(guān)拆環(huán)法的條件：閉環(huán)時(shí)的信號(hào)傳轉(zhuǎn)只通過基本放大器，不經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)；反饋信號(hào)只經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)傳到輸入，不經(jīng)過基本放大器；反饋系數(shù)與信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)截電阻無關(guān)；拆環(huán)法的步驟：計(jì)算輸入電阻時(shí)，應(yīng)將反饋網(wǎng)絡(luò)折合到輸入。 若是電流反饋，因維持輸出電流不變，為取消反饋影響，應(yīng)將輸出開路； 若是電壓反饋，因維持輸出電壓不變，為取消反饋，應(yīng)將輸出短路。 計(jì)算輸出電阻時(shí)，應(yīng)將反饋網(wǎng)絡(luò)拆合到輸出端。 并聯(lián)反饋時(shí)，將凈輸入短路，以消除反饋電流對(duì)凈輸入的影響； 串聯(lián)反饋時(shí)，將凈輸入開路，使反饋電壓不再影響凈輸入。三、 應(yīng)用PSPICE分析實(shí)際運(yùn)算電路的誤差一般情況下

14、，運(yùn)放理想化，在工程上是完全能滿足要求的。但在高精度場合，還得要考慮運(yùn)放的實(shí)際參數(shù)?，F(xiàn)用PSPICE軟件來分析一個(gè)實(shí)際運(yùn)放電路，以便和前述近似估算之間存在的誤差。圖示是一個(gè)反相比例運(yùn)算電路。由近似計(jì)算可得：當(dāng) 。 時(shí)，則由近似計(jì)算得：現(xiàn)用PSPICE軟件仿真，進(jìn)行精確計(jì)算后的頻率特性如圖。其電壓增益略小于1，(1.99994)，雖存在誤差，但該誤差工程上可略。3.3.5負(fù)反饋放大電路的自激問題一、產(chǎn)生自激的原因和條件自激是指：電路沒有輸入信號(hào)，也會(huì)有輸出。下面電路是一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，假若電路具有三個(gè)極點(diǎn)頻率，其頻率特性表達(dá)式和開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性如下：開環(huán)幅頻特性表達(dá)式：從頻率特性曲線可知，在通

15、頻帶以內(nèi)，即 其附加相移還是小于，所以引了(即入的還是負(fù)反饋。 而在通頻帶以外，如在(fp)頻率上，其此時(shí)的附加相移已是-)，這說明，放大器在通頻帶以內(nèi)是負(fù)反饋，但是在通頻帶以外的某一頻率上，原負(fù)反饋已變成了正反饋了，這導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定，可能自激。由增益函數(shù)可知，當(dāng)時(shí)，閉環(huán)增益變?yōu)闊o窮大，即此時(shí)，無輸入也會(huì)有輸。 出，電路產(chǎn)生了自激。所以，產(chǎn)生自激的幅度條件為：也可寫成：(或20)，(幅度平衡條件)；，(相位平衡條件)。負(fù)反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩必須滿足兩個(gè)條件，幅度條件和相位條件。 在通頻帶以內(nèi)，該電路是負(fù)反饋，而當(dāng)在通頻帶以外，在波特圖中的-，如果此時(shí)的信號(hào)，該信號(hào)正好代替了其附加相移

16、，即使為0，反饋回來的信號(hào)又經(jīng)放大和反饋，如此不斷的循環(huán)，電路會(huì)具有一定的輸出。實(shí)際上，整個(gè)起振過程為：剛開始時(shí)環(huán)路增益使反饋回來的信號(hào)不斷加強(qiáng)，由于器件的非線性，逐漸接近并等于1，振蕩幅度達(dá)到平衡。二、穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度一個(gè)負(fù)反饋放大器工作是否穩(wěn)定，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩？可以通過產(chǎn)生自激的兩個(gè)條件決定。1. 穩(wěn)定判據(jù)方法：用環(huán)路增益的波特圖來判斷。 判據(jù)：(或20)，(幅度平衡條件)；，(相位平衡條件)。具體操作：作出環(huán)路增益波特圖； 從相位條件看幅度從波特圖的處，找幅頻特性上的幅度是0dB還是0dB，如0dB則一定自激；如0dB則放大電路工作穩(wěn)定，不會(huì)自激。 從幅度條件看相位從=0dB處，找

17、相頻特性上的附加相移，時(shí)，必定存在時(shí)，則不滿足相位某一頻率，滿足幅度和相位條件，使放大器產(chǎn)生自激振蕩；如果條件，放大電路工作穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生自激。2. 穩(wěn)定裕度為保證負(fù)反饋放大器在各種環(huán)境下都處于穩(wěn)定的工作，工程上在處的回路增益或在度。它是衡量一個(gè)放大器工作是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。 處的相位都有一定的余量裕裕度有兩種標(biāo)準(zhǔn)： 增益裕度Gm表示環(huán)路增益的附加相移其對(duì)應(yīng)的環(huán)路增益，即為增益裕度Gm(幅度裕度)，如圖所示：時(shí)， 相位裕度 表示環(huán)路增益處時(shí)，其對(duì)應(yīng)的環(huán)路附加相移為相位裕度。 放大器的幅度裕度和相位裕度總稱放大器的穩(wěn)定裕度。三、消除自激振蕩的方法思路：用相位補(bǔ)償來破壞產(chǎn)生自激振蕩的兩個(gè)條件；具體

18、方法：在放大電路的適當(dāng)?shù)胤郊幼枞菰?RC元件)，使環(huán)路增益的頻率性發(fā)生變化，從而相位和幅度不滿足自激條件。1. 電容滯后補(bǔ)償法將補(bǔ)償電容連接在前一級(jí)的輸出電阻和后一級(jí)的輸入電阻都比較大的回路，如下二個(gè)電路所示。它的目的是使決定上限的截止頻率下移。該兩個(gè)電路的等效電路可以畫成下面的形式：在未接補(bǔ)償電容C前，其上限頻率為： 接入補(bǔ)償電容C后，上限頻率變?yōu)椋含F(xiàn)以三級(jí)開環(huán)幅頻特性為例，補(bǔ)償前的頻率特性復(fù)數(shù)表達(dá)式為：補(bǔ)償后fp被fp代替，所以表達(dá)式變?yōu)椋杭俣ㄔ?，補(bǔ)償后，則補(bǔ)償后的頻率特性如粗線所示。補(bǔ)償前后，同樣以可以為的相位裕度下：補(bǔ)償前，反饋系數(shù)最大只可，補(bǔ)償后F，即可加深負(fù)反饋了。該補(bǔ)償優(yōu)缺點(diǎn)：簡單，方便；但上限頻率下降了，通帶變窄了。2. 阻容滯后補(bǔ)償法(