放大電路中的反饋

第六章放大電路中的負反饋6.1反饋的基本概念及判斷方法6.2負反饋放大電路的四種基本組態(tài)6.3負反饋放大電路的方塊圖及一般表達式6.4深度負反饋放大電路放大倍數(shù)的分析6.5負反饋對放大電路性能的影響6.6負反饋放大電路的穩(wěn)定性6.7放大電路中其它形式的反饋4/25/202416.1反饋的基本概念及判斷方法6.1.1反饋的基本概念從一個例子說起——穩(wěn)定工作點電路Rb1+VCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoI1I2IBICIETUBEICICIEUEIB由輸入特性曲線

把電路的輸出量經(jīng)一定電路(反饋網(wǎng)絡(luò))，送回到輸入回路，并對輸入、輸出造成影響。1.反饋

Feedback

4/25/202422.反饋存在的識別反饋放大電路框圖看輸入回路與輸出回路之間有沒有相連的元件(反饋元件)例3.本級反饋與級間反饋本級反饋——反饋只存在于某一級放大器中級間反饋——反饋存在于兩級以上的放大器中Re、R3R4/25/202433.開環(huán)與閉環(huán)開環(huán)——無級間反饋閉環(huán)——有級間反饋二.正、負反饋1.正反饋(positivefeedback)反饋信號增加了凈輸入信號

輸出比沒有反饋時大2.負反饋(negativefeedback)反饋信號減少了凈輸入信號

輸出比沒有反饋時小*

負反饋：用于放大電路，減小了Au、提高了電路性能。

正反饋：使放大電路不穩(wěn)定，多用于振蕩等電路。4/25/202443.正、負反饋的判斷瞬時極性法：

①.規(guī)定該時刻的輸入信號極性(+/-)；②.逐級判斷電路相關(guān)點信號的極性(+/-)

；③.確定反饋信號的極性(+/-)

；④.判斷凈輸入是增加還是減少。例

負反饋

一一一負反饋4/25/20245例?有反饋嗎

一一正反饋

一

R1、R4：級間、負反饋（反饋信號與輸入信號作用相反）R3：本級、負反饋4/25/20246三.交流、直流反饋直流反饋——若電路將直流量反饋到輸入回路，則稱

直流反饋。電路中引入直流反饋的目的，一般是為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q。交流反饋——若電路將交流量反饋到輸入回路，則稱

交流反饋。交流反饋，影響電路的交流工作性能。有些反饋既是交流反饋，也是直流反饋。例R1、R2：直流負反饋R1、R2：交流負反饋R1、R2：交直流負反饋4/25/202476.2負反饋放大電路的四種基本組態(tài)一.四種組態(tài)及判斷方法負反饋放大電路——有交流負反饋的放大電路。反饋網(wǎng)絡(luò)±疊加反饋信號基本放大器輸出輸入取樣凈輸入信號只有一條反饋通路的負反饋放大電路，可以看成如圖所示的2個雙端口網(wǎng)絡(luò)。基本放大器只有正向傳輸認為：反饋網(wǎng)絡(luò)只有反向傳輸1.采樣反饋信號可以從輸出電壓/電流進行采樣。2.疊加輸入信號和反饋信號的疊加可以是電壓/電流疊加。4/25/202483.四種組合－組態(tài)電壓串聯(lián)負反饋series-shunt電壓并聯(lián)負反饋

shunt-shunt電流串聯(lián)負反饋

series-series電流并聯(lián)負反饋

shunt-series采樣

疊加

輸入-輸出四種組態(tài)4.

組態(tài)的判別方法電壓/電流反饋：RL短接（uO＝0）

反饋消失，是電壓反饋

反饋存在，是電流反饋串聯(lián)/并聯(lián)反饋：輸入與反饋信號連接點

同一點，是并聯(lián)反饋

不同點，是串聯(lián)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)±疊加反饋信號基本放大器輸出輸入取樣凈輸入信號4/25/20249例電壓串聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)電流串聯(lián)電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)4/25/2024106.3負反饋放大電路的方塊圖及一般表示6.3.1負反饋放大電路的方塊圖表示凈輸入：開環(huán)增益：基本放大器增益反饋系數(shù)：閉環(huán)增益：負反饋電路增益環(huán)路增益：基本放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)4/25/2024116.3.2四種組態(tài)電路的方塊圖1.電壓串聯(lián)負反饋2.電壓并聯(lián)負反饋4/25/2024123.電流串聯(lián)負反饋4.電流并聯(lián)負反饋4/25/202413表6.3.1四種組態(tài)負反饋放大電路的比較輸出信號反饋信號開環(huán)電路的放大倍數(shù)反饋系數(shù)電壓串聯(lián)式電壓并聯(lián)式電流串聯(lián)式電流并聯(lián)式電壓放大倍數(shù)轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電導電流放大倍數(shù)4/25/2024146.3.3負反饋放大電路的一般表達式一般表達式：中頻時：（為實數(shù)）反饋深度：表示反饋的強弱討論1負反饋正反饋無反饋4/25/202415討論1自激振蕩深反饋由于X表示電壓或電流，根據(jù)負反饋組態(tài)有討論2電壓串聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)!!不同組態(tài)的電路，要采用不同形式的表達式!!4/25/2024166.4深度負反饋放大電路放大倍數(shù)的分析6.4.1深度負反饋的實質(zhì)

放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：深度負反饋放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：對于串聯(lián)負反饋：并聯(lián)負反饋：結(jié)論：根據(jù)負反饋組態(tài)，選擇適當?shù)墓?；再根?jù)放大電路的實際情況，列出關(guān)系式后，直接估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。4/25/2024176.4.2反饋網(wǎng)絡(luò)的分析一.F的計算

根據(jù)定義，Xf是由Xo經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的，而且也假定反饋網(wǎng)絡(luò)只有反向傳輸。因此計算F時，要去除Xi和基本放大電路的影響。串聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：4/25/2024181.電壓串聯(lián)負反饋2.電壓并聯(lián)負反饋4/25/2024193.電流串聯(lián)負反饋4.電流并聯(lián)負反饋4/25/2024206.4.3放大倍數(shù)的分析一、電壓串聯(lián)負反饋放大倍數(shù)則為電壓放大倍數(shù)二、電流串聯(lián)負反饋放大倍數(shù)為轉(zhuǎn)移電導電壓放大倍數(shù)4/25/202421三、電壓并聯(lián)負反饋放大倍數(shù)為轉(zhuǎn)移電阻源電壓放大倍數(shù)對于并聯(lián)負反饋電路，信號源內(nèi)阻是必不可少的。4/25/202422四、電流并聯(lián)負反饋放大倍數(shù)為電流放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)小結(jié)：（1）正確判斷反饋組態(tài)；（2）求解反饋系數(shù)；（3）利用F求解4/25/202423復習：1.正、負反饋的判斷(瞬時極性法)對分立元件而言，C與B極性相反，E與B極性相同。對集成運放而言，uO與uN極性相反，uO與uP極性相同。以電壓求和或以電流求和判斷凈輸入信號是增加或減小。2.交、直流負反饋的判斷直流負反饋：反饋量只含有直流量。交流負反饋：反饋量只含有交流量。4/25/2024243.四種負反饋組態(tài)的判斷并聯(lián)：反饋量輸入量接于同一輸入端。接于不同的輸入端。串聯(lián)：反饋量輸入量電流：將負載短路，反饋量仍然存在。電壓：將負載短路，反饋量為零。4/25/2024255、深度負反饋放大電路電壓放大倍數(shù)的計算（1）正確判斷反饋組態(tài)；（2）求解反饋系數(shù)；（3）利用F求解4、負反饋的幾個概念若——深度負反饋4/25/202426[例6.4.1]

如圖6.2.8，已知R1＝10KΩ，R2＝100KΩ，R3＝2KΩ，RL＝5KΩ。求解在深度負反饋條件下的AUf.

解：反饋通路：

T、R3、R2與R1電路引入電流串聯(lián)負反饋4/25/202427[例6.4.2]在圖6.2.9所示電路中，已知R2＝10KΩ，R4＝100KΩ，求解在深度負反饋條件下的AUF反饋通路：T3

、R4與R2電路引入電壓串聯(lián)負反饋電壓放大倍數(shù)4/25/202428[例6.4.3a]估算深負反饋運放的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。解：該電路為電壓并聯(lián)負反饋，在深度負反饋條件下：則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：4/25/202429該電路為電壓串聯(lián)負反饋在深度負反饋條件下[例6.4.3b]：4/25/202430該電路為電流并聯(lián)負反饋，在深度負反饋條件下：故：[例6.4.4]4/25/2024313.例題例1電壓串聯(lián)例2電壓串聯(lián)4/25/202432例3電壓并聯(lián)例4電壓并聯(lián)4/25/202433例5電流串聯(lián)4/25/202434例6電流并聯(lián)4/25/2024354/25/202436

放大器

引入負反饋

降低了放大倍數(shù)

使放大器的性能得以改善

提高增益的穩(wěn)定性減少非線性失真擴展頻帶改變輸入電阻和輸出電阻6.5負反饋對放大電路性能的影響4/25/2024376.5.1

提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性閉環(huán)時則只考慮幅值有即閉環(huán)增益相對變化量比開環(huán)減小了1+AF在深度負反饋條件下:即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)。當反饋網(wǎng)絡(luò)由穩(wěn)定的線性元件組成時，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。4/25/2024386.5.2改變輸入電阻和輸出電阻(1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加即輸入阻抗增加了1+AF倍如果電路有偏置電阻Rb呢？一、

對輸入電阻的影響4/25/202439(2)并聯(lián)負反饋使輸入電阻減少即輸入阻抗縮小了1+AF4/25/202440二、

對輸出電阻的影響(1)電壓負反饋使輸出電阻減小即輸出阻抗縮小了1+AF用短路加壓法：Xi＝0當反饋采樣對Io的影響可以忽略時：4/25/202441(2)電流負反饋使輸出電阻增加即輸出阻抗增大了1+AF倍用短路加壓法：Xi＝0當反饋采樣對Io的影響可以忽略時：因為Io與輸出電流反向4/25/2024426.5.3負反饋使頻帶展寬(1)高頻段(一階、單拐點，電阻反饋)基本放大電路的中頻增益為Am，則高頻增益Ah為(見第五章)：即上限頻率增大了1+AF倍4/25/202443(2)低頻段(一階、單拐點，電阻反饋)基本放大電路的中頻增益為Am，則低頻增益Al為(見第五章)：即下限頻率縮小了1+AF所以：fBWf

=fHf

–fLf

~fHf，放大了1+AF倍4/25/2024446.5.4負反饋改善非線性失真(1)定性分析Auiufuiuou’加反饋前加反饋后AF+–

失真改善uouo4/25/202445(2)定量分析理想負反饋放大電路AF+–

非線性失真放大電路A非線性失真用非線性元件描述輸出：輸出：非線性失真放大電路（帶負反饋）F+–

A輸出：4/25/202446用理想負反饋電路近似替代與無反饋電路比較：當非失真量一樣時：一樣非線性失真縮小了1+AF4/25/2024476.5.5如何引入負反饋1.穩(wěn)定工作點：直流負反饋2.改善動態(tài)特性：交流負反饋3.減小RO：電壓負反饋

穩(wěn)定UO4.增大RO：電流負反饋

穩(wěn)定IO5.增大Ri：串聯(lián)負反饋

適合小RS信號源－電壓源6.減小Ri：并聯(lián)負反饋

適合大RS信號源－電流源7.u

i：電流串聯(lián)負反饋8.i

u：電壓并聯(lián)負反饋9.i

i：電流并聯(lián)負反饋10.u

u：電壓串聯(lián)負反饋4/25/202448三.方框圖法只有一條反饋通路的負反饋放大電路，可以看成是2個雙端口網(wǎng)絡(luò)，作單向傳輸近似，得到相應(yīng)的方框圖表示。不同的電路組態(tài)可以用不同參數(shù)表示：電壓串聯(lián)：H參數(shù)；電壓并聯(lián)：Y參數(shù)；電流串聯(lián)：Z參數(shù)；電流并聯(lián)：T參數(shù)。（這里僅用H參數(shù)討論電壓串聯(lián)負反饋雙端口網(wǎng)絡(luò)）4/25/2024491.H參數(shù)、雙端口網(wǎng)絡(luò)H參數(shù)模型網(wǎng)絡(luò)方程參數(shù)計算4/25/2024502.電壓串聯(lián)電路網(wǎng)絡(luò)模型單向傳輸模型單向傳輸：反饋系數(shù)：4/25/202451開環(huán)增益計算去除反饋信號：開環(huán)增益：4/25/202452閉環(huán)增益計算方法歸納1.找出反饋網(wǎng)絡(luò)2.計算h11f、h12f(Fu)、h21f3.暫設(shè)h12f(Fu)＝04.計算此時電路的增益——Au5.利用一般表達式求Auf等4/25/2024533.電路計算舉例電路拆分輸出回路短路（并聯(lián)回路）輸入回路斷路（串聯(lián)回路）輸入回路斷路（串聯(lián)回路）基本放大電路例一4/25/202454網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算例二4/25/202455實例計算R11MR31kC1C2T2T1R29kR49kR51kVDDUoUiUfR1R3T2T1R2R5UoUiUfR4R3R4已知：gm＝5mS，

＝100，rbe＝1k求：Auf、Rif、Rof解：基本放大電路：4/25/202456R1R3T2T1R2R5UoUiUfR4R3R4深反饋近似：4/25/2024574/25/2024586.6負反饋放大電路的穩(wěn)定性對于多級放大電路，如果引入過深的負反饋，可能引起自激振蕩。6.6.1負反饋放大電路自激振蕩產(chǎn)生的原因和條件放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)為：在中頻段，在高、低頻段，放大倍數(shù)和反饋系數(shù)的模和相角都隨頻率變化，使。一、自激振蕩產(chǎn)生的原因當時說明，此時放大電路沒有輸入信號，但仍有一定的輸出信號，因此產(chǎn)生了自激振蕩。4/25/202459二、自激振蕩的平衡條件即：幅值條件相位條件自激振蕩過程如下：4/25/202460例：單管阻容耦合共射放大電路的頻率響應(yīng)-270o0.707AumAumfLfHBWffφOO-90o-180ofLfH6.6.2負反饋放大電路穩(wěn)定性的定性分析4/25/202461可見，在低、高頻段，放大電路分別產(chǎn)生了0

~+90

和0

~-90

的附加相移。兩級放大電路將產(chǎn)生0

~

180

附加相移；三級放大電路將產(chǎn)生0

~

270

的附加相移。對于多級放大電路，如果某個頻率的信號產(chǎn)生的附加相移為180o，而反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻，則：滿足自激振蕩的相位條件，如果同時滿足自激振蕩的幅值條件，放大電路將產(chǎn)生自激振蕩。4/25/202462但三級放大電路，在深度負反饋條件下，對于某個頻率的信號，既滿足相位條件，也滿足幅度條件，可以產(chǎn)生自激振蕩。結(jié)論：單級放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩；兩級放大電路當頻率趨于無窮大或趨于零時，雖然滿足相位條件，但不滿足幅度條件，所以也不會產(chǎn)生自激振蕩；4/25/202463一、判斷方法利用負反饋放大電路回路增益的波特圖，分析是否同時滿足自激振蕩的幅度和相位條件。6.6.3負反饋放大電路穩(wěn)定性的判斷滿足自激振蕩的幅度條件頻率為fC滿足自激振蕩的相位條件頻率為fO因為存在fO，且fO＜

fC，則電路不穩(wěn)定。4/25/202464判斷方法雖然存在fO，但fO＞

fC，則電路穩(wěn)定，不產(chǎn)生自激振蕩。判斷方法小結(jié)如下：（1）若不存在fO，則電路穩(wěn)定（2）若存在fO，且fO＜

fC，則電路不穩(wěn)定，必然產(chǎn)生自激振蕩。若存在fO，但fO＞

fC，則電路穩(wěn)定，不產(chǎn)生自激振蕩。4/25/202465例1：某負反饋放大電路的波特圖為：f/HZf/HZfofo60402000-90°-180°

AF

(a)產(chǎn)生自激由波特圖中的相頻特性可見，當f=f0

時，相位移

AF=-180o，滿足相位條件；結(jié)論：當f=f0

時，電路同時滿足自激振蕩的相位條件和幅度條件，將產(chǎn)生自激振蕩。此頻率對應(yīng)的對數(shù)幅頻特性位于橫坐標軸之上，即：4/25/202466結(jié)論：該負反饋放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工作。例2：由負反饋放大電路的波特圖可見，當

f=f0，相移

AF=-180o時f/HZf/HZf0f0604020OO-90°-180°

AFfcfc利用波特圖來判斷自激振蕩(b)不產(chǎn)生自激4/25/202467Gm二、穩(wěn)定裕度當環(huán)境溫度、電路參數(shù)及電源電壓等在一定范圍內(nèi)變化時，為保證放大電路也能滿足穩(wěn)定條件，要求放大電路要有一定的穩(wěn)定裕度。1.幅值裕度Gmf/HZf/HZfofo604020OO-90°-180°

AFfcfc對于穩(wěn)定的負反饋放大電路，Gm為負值。Gm

值愈負，負反饋放大電路愈穩(wěn)定。一般要求Gm≤

-10dB。4/25/2024682.相位裕度

m當f=fc

時，負反饋放大電路穩(wěn)定對于穩(wěn)定的負反饋放大電路，

m為正值。

m值愈大，負反饋放大電路愈穩(wěn)定。一般要求

m≥45

f/Hzf/Hzfofo60402000-90°-180°

AFfcfc

mGm圖

5.4.24/25/2024696.6.4負反饋放大電路自激振蕩的消除方法為保證放大電路穩(wěn)定工作，對于三級或三級以上的負反饋放大電路，需采取適當措施破壞自激振蕩的幅度條件和相位條件。最簡單的方法是減小反饋系數(shù)或反饋深度，使得在滿足相位條件時不滿足幅度條件。但是，由于反饋深度下降，不利于放大電路其他性能的改善，因此通常采用接入電容或RC元件組成校正網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。4/25/2024701.簡單滯后補償比較簡單的消振措施是在負反饋放大電路的適當?shù)胤浇尤胍粋€電容。圖6.6.4電容校正網(wǎng)絡(luò)一、滯后補償

接入的電容相當于并聯(lián)在前一級的負載上，在中、低頻時，容抗很大，所以這個電容基本不起作用。4/25/202471高頻時，容抗減小，使前一級的放大倍數(shù)降低，從而破壞自激振蕩的條件，使電路穩(wěn)定工作。簡單滯后補償前后基本放大電路的幅頻特性虛線為補償前的幅頻特性實線為補償后的幅頻特性當f=fC

時，趨于-1350，即fO＞

fC

，并具有450的相位裕度，所以電路一定不會產(chǎn)生自激振蕩。

圖6.6.3簡單滯后補償前后基本放大電路的幅頻特性4/25/2024722.RC滯后補償除了電容校正以外，還可以利用電阻、電容元件串聯(lián)組成的RC校正網(wǎng)絡(luò)來消除自激振蕩。利用RC校正網(wǎng)絡(luò)代替電容校正網(wǎng)絡(luò)，將使通頻帶變窄的程度有所改善。圖6.6.5

RC校正網(wǎng)絡(luò)4/25/2024733.密勒效應(yīng)補償二、超前補償利用密勒效應(yīng)將補償電容、或補償電阻和電容跨接放大電路的輸入端和輸出端。若改變負反饋放大電路在環(huán)路增益為0dB點的相位，使之超前，也能破壞其自激振蕩條件，使fo＞fc。通常將補償電容加在反饋回路。4/25/202474[例6.6