集成運算放大電路

集成運算放大電路5.1反饋的基本概念在電子設備中經常采用反饋的方法來改善電路的性能，以達到預定的指標。例如，采用直流負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點。Rb1和Rb2分壓，使基極UB固定。T

ICQ(IEQ)UEQ=IEQReUBQ固定UBEQ=UBQ-UEQIBQICQ使ICQ基本不隨溫度變化，穩(wěn)定了靜態(tài)工作點。5.1.1反饋概念的建立圖5.1.1第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.1.1放大電路中的反饋，是指將放大電路輸出電量(輸出電壓或輸出電流)的一部分或全部，通過一定的方式，反送回輸入回路中。UBEQ

UBQ-ICQRE將輸出電流ICQ(IEQ)反饋回輸入回路，改變UBEQ，使ICQ穩(wěn)定。由此可見，欲穩(wěn)定電路中的某個電量，應采取措施將該電量反饋回輸入回路。第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.1.2反饋的分類一、正反饋和負反饋反饋信號增強了外加輸入信號，使放大電路的放大倍數(shù)提高——正反饋反饋信號削弱了外加輸入信號，使放大電路的放大倍數(shù)降低——負反饋反饋極性的判斷方法：瞬時極性法。先假定某一瞬間輸入信號的極性，然后按信號的放大過程，逐級推出輸出信號的瞬時極性，最后根據反饋回輸入端的信號對原輸入信號的作用，判斷出反饋的極性。第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天(a)正反饋(b)負反饋例：用瞬時極性法判斷電路中的反饋極性。

--因為差模輸入電壓等于輸入電壓與反饋電壓之差，反饋增強了輸入電壓，所以為正反饋。

-反饋信號削弱了輸入信號，因此為負反饋。圖5.1.1第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天二、直流反饋和交流反饋圖5.1.3直流反饋與交流反饋(a)直流負反饋(b)交流負反饋直流負反饋可穩(wěn)定靜態(tài)工作點，交流負反饋用以改善放大電路的性能。第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天三、電壓反饋和電流反饋如果反饋信號取自輸出電壓，則為電壓反饋；電壓負反饋的反饋信號與輸出電壓成比例；反饋信號取自輸出電流，則為電流反饋，電流負反饋的反饋信號與輸出電流成比例。判斷方法：假設將輸出端交流短路，如果反饋信號消失，則為電壓反饋；否則為電流反饋。Re1兩端的電壓與輸出信號無關，即反饋信號消失，所以為電壓反饋。例：圖5.1.3(b)第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天反饋信號末消失，所以為電流反饋。四、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋反饋信號與輸入信號在輸入回路中以電壓形式求和，為串聯(lián)反饋；如果二者以電流形式求和，為并聯(lián)反饋。例：所以為并聯(lián)反饋；所以為串聯(lián)聯(lián)反饋。第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.1.3負反饋的四種組態(tài)一、電壓串聯(lián)負反饋圖5.1.4電壓串聯(lián)負反饋(a)電路圖反饋信號與輸出電壓成正比，集成運放的凈輸入電壓等于輸入電壓與反饋電壓之差，第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.1.4電壓串聯(lián)負反饋(b)方框圖電壓放大倍數(shù)：反饋系數(shù)：因為：所以反饋系數(shù)：第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天二、電壓并聯(lián)負反饋圖5.1.5電壓并聯(lián)負反饋(a)電路圖反饋信號與輸出電壓成正比，凈輸入電流等于外加輸入電流與反饋電流之差第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.1.5電壓并聯(lián)負反饋(b)方框圖放大倍數(shù)：——轉移電阻反饋系數(shù)：因為：所以反饋系數(shù)：第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天三、電流串聯(lián)負反饋圖5.1.6電流串聯(lián)負反饋(a)電路圖反饋信號與輸出電流成正比，凈輸入電壓等于外加輸入信號與反饋信號之差第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.1.6電流串聯(lián)負反饋(b)方框圖——轉移電導反饋系數(shù)：因為：所以反饋系數(shù)：第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天四、電流并聯(lián)負反饋圖5.1.7電流并聯(lián)負反饋(a)電路圖反饋信號與輸出電流成正比，凈輸入電流等于外加輸入信號與反饋信號之差：第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.1.7電流并聯(lián)負反饋(b)方框圖電流放大倍數(shù)：反饋系數(shù)：因為：所以反饋系數(shù)：第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天四種負反饋組態(tài)的電壓放大倍數(shù)、反饋系數(shù)之比較輸出信號反饋信號放大網絡的放大倍數(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)轉移電阻轉移電導電流放大倍數(shù)第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.1.4反饋的一般表達式圖5.1.9反饋放大電路方框圖

分別為輸入信號、輸出信號和反饋信號；開環(huán)放大倍數(shù)無反饋時放大網絡的放大倍數(shù)；因為：所以：得：閉環(huán)放大倍數(shù)第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天閉環(huán)放大倍數(shù)引入反饋后，放大電路對外加輸入信號的放大倍數(shù)。回路增益在反饋放大電路中，信號沿放大網絡和反饋網絡組成的環(huán)路傳遞一周后所得到的放大倍數(shù)。反饋深度引入反饋后，放大電路的放大倍數(shù)與無反饋時相比所變化的倍數(shù)?！摲答?；——正反饋。第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天若——深度負反饋結論：深負反饋放大電路的放大倍數(shù)主要由反饋網絡的反饋系數(shù)決定，能保持穩(wěn)定。若則——自激振蕩第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.2負反饋對放大電路性能的影響5.2.1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負反饋后，在輸入信號一定的情況下，當電路參數(shù)變化、電源電壓波動或負載發(fā)生變化時，放大電路輸出信號的波動減小，即放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高的程度與反饋深度有關。在中頻范圍內，放大倍數(shù)的相對變化量：結論：引入負反饋后，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了(1+AF)倍。第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖

5.1.4(a)

例：在電壓串聯(lián)負反饋放大電路中，①估算反饋系數(shù)和反饋深度②估算放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)③如果開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)A的相對變化量為±10%，此時閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af的相對變化量等于多少？解：①反饋系數(shù)反饋深度第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天②閉環(huán)放大倍數(shù)③Af的相對變化量結論：當開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)變化

10%時，電壓放大倍數(shù)的相對變化量只有

0.0001%，而穩(wěn)定性提高了一萬倍。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天xf負反饋減小了波形失真加入負反饋無負反饋FxfAxixoxo大小略大略小略小略大xiA接近正弦波預失真+–5.2.2減小非線性失真和抑制干擾同樣道理，負反饋可抑制放大電路內部噪聲。圖5.2.2第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.2.3展寬頻帶由于負反饋可以提高放大倍數(shù)和穩(wěn)定性，因而對于頻率不同而引起的放大倍數(shù)下降，也可以改善。設無反饋時放大電路在中、高頻段的放大倍數(shù)分別為，上限頻率為fＨ；引入反饋系數(shù)為的負反饋后，放大電路在中、高頻段的放大倍數(shù)分別為，上限頻率為fHf。第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天所以：第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天可見，引入負反饋后，放大電路的中頻放大倍數(shù)減小為無反饋時的1/；而上限頻率提高到無反饋時的倍。同理，可推導出引入負反饋后，放大電路的下限頻率降低為無反饋時的1/。

結論：引入負反饋后，放大電路的上限頻率提高，下限頻率降低，因而通頻帶展寬。第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3dB3dBfLfHBWfLffHfBWf圖5.2.3負反饋對通頻帶和放大倍數(shù)的影響f第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.2.4改變輸入電阻和輸出電阻不同類型的負反饋，對輸入電阻、輸出電阻的影響不同。一、負反饋對輸入電阻的影響1.串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大得：結論：引入串聯(lián)負反饋后，輸入電阻增大為無反饋時的倍。圖5.2.4第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小得：結論：引入并聯(lián)負反饋后，輸入電阻減小為無負反饋時的1/。圖5.2.6并聯(lián)負反饋對Ri的影響第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天二、負反饋對輸出電阻的影響1.電壓負反饋使輸出電阻減小Rcf放大電路的輸出電阻定義為：得：結論：引入電壓負反饋后，放大電路的輸出電阻減小到無反饋時的。圖5.2.9第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.電流負反饋使輸出電阻增大圖5.2.9結論：引入電流負反饋后，放大電路的輸出電阻增大到無反饋時的倍。第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天綜上所述1.反饋信號與外加輸入信號的求和方式只對放大電路的輸入電阻有影響：串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大；并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。2.反饋信號在輸出端的采樣方式只對放大電路的輸出電阻有影響：電壓負反饋使輸出電阻減?。浑娏髫摲答伿馆敵鲭娮柙龃?。3.串聯(lián)負反饋只增大反饋環(huán)路內的輸入電阻；電流負反饋只增大反饋環(huán)路內的輸出電阻。4.負反饋對輸入電阻和輸出電阻的影響程度，與反饋深度有關。第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.3負反饋放大電路的分析計算簡單的負反饋放大電路，利用微變等效電路法進行分析計算；對于深度負反饋放大電路，采用估算方法。5.3.1利用關系式估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)對于電壓串聯(lián)負反饋，中的代表閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，因而可直接估算出負反饋放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。因而：第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.3.2利用關系式估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)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：

結論：根據負反饋組態(tài)，選擇適當?shù)墓?；再根據放大電路的實際情況，列出關系式后，直接估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例：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：圖5.3.2例5.3.1電路(a)第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天該電路為電壓串聯(lián)負反饋在深度負反饋條件下圖5.3.2例5.3.1電路(b)第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.3.2例5.3.1電路(c)該電路為電流并聯(lián)負反饋，在深度負反饋條件下：故：閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖5.3.2例5.3.1電路(d)該電路為電流串聯(lián)負反饋，在深度負反饋條件下：第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.4負反饋放大電路的自激振蕩對于多級放大電路，如果引入過深的負反饋，可能引起自激振蕩。5.4.1產生自激振蕩原因放大電路的閉環(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、自激振蕩的幅度條件和相位條件當時說明，此時放大電路沒有輸入信號，但仍有一定的輸出信號，因此產生了自激振蕩。第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天所以，負反饋放大電路產生自激振蕩的條件是：即：幅度條件相位條件例：由單管阻容耦合共射放大電路的頻率響應-270o0.707AumAumfLfHBWffφOO-90o-180ofLfH圖5.4.1第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天可見，在低、高頻段，放大電路分別產生了0

~+90

和0

~-90

的附加相移。兩級放大電路將產生0

~

180

附加相移；三級放大電路將產生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生的附加相移為180o，而反饋網絡為純電阻，則：滿足自激振蕩的相位條件，如果同時滿足自激振蕩的幅度條件，放大電路將產生自激振蕩。第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

結論，單級放大電路不會產生自激振蕩；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，所以也不會產生自激振蕩；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，可以產生自激振蕩。二、自激振蕩的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。第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天例：某負反饋放大電路的波特圖為：f/HZf/HZfofo60402000-90°-180°

AF圖5.4.2(a)產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，將產生自激振蕩。此頻率對應的對數(shù)幅頻特性位于橫坐標軸之上，即：第44頁,共50頁，2024年2月25日，星期天結論：該負反饋放大電路不會產生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工作。例：由負反饋放大電路的波特圖可見，當f=f0，相位移

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

AFfcfc圖5.4.2利用波特圖來判斷自激振蕩(b)不產生自激第45頁,共50頁，2024年2月25日，星期天Gm三、負反饋放大電路的穩(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.幅度裕度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。圖5.4.2第46頁,共50頁，2024年2月25