模電電子線路線性部分第五版主編馮軍謝嘉奎課件學(xué)習(xí)教案

會(huì)計(jì)學(xué)1模電電子線路線性部分第五版主編馮軍謝嘉奎5.1反饋放大器的基本概念5.1.1反饋放大器的組成將放大器輸出信號(hào)的一部分或全部，通過反饋網(wǎng)絡(luò)回送到電路輸入端，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，所形成的閉合回路即反饋放大器。

反饋放大器組成框圖基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)kfxoxix

ixf凈輸入信號(hào)

輸入信號(hào)反饋信號(hào)輸出信號(hào)第5章放大器中的負(fù)反饋第1頁/共50頁

反饋放大器增益一般表達(dá)式基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)kfxoxix

ixf開環(huán)增益反饋系數(shù)閉環(huán)增益反饋深度環(huán)路增益反饋深度

F(或環(huán)路增益T)是衡量反饋強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其值直接影響電路性能。第5章放大器中的負(fù)反饋第2頁/共50頁

反饋極性由于凈輸入信號(hào)

若

xf

削弱了xi，使

x

i<xi負(fù)反饋

若

xf

增強(qiáng)了xi，使

x

i>xi正反饋說明負(fù)反饋具有自動(dòng)調(diào)整作用，可改善放大器性能。

例：某原因正反饋使放大器工作不穩(wěn)定，多用于振蕩器中。負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)整作用是以犧牲增益為代價(jià)的。第5章放大器中的負(fù)反饋第3頁/共50頁5.1.2四種類型負(fù)反饋放大器

根據(jù)輸出端連接方式

電壓反饋AkfRL+-voxixfx

i在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并接，反饋信號(hào)取自負(fù)載上輸出電壓的反饋稱為電壓反饋。輸出量xo=voxixfx

iAkfRLio

在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串接，反饋信號(hào)取自負(fù)載中輸出電流的反饋稱為電流反饋。

電流反饋輸出量xo=io第5章放大器中的負(fù)反饋第4頁/共50頁

根據(jù)輸入端連接方式

串聯(lián)反饋在輸入端，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串接，反饋信號(hào)以電壓vf

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進(jìn)行電壓比較，即

v

i=vi

-

vf

。在輸入端，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并接，反饋信號(hào)以電流if

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進(jìn)行電流比較，即

ii

=ii

-

if

。

并聯(lián)反饋AkfRS+-vs+-vivfv

i+-+-xoAkfRSiSiiifii

xo第5章放大器中的負(fù)反饋第5頁/共50頁

四種類型負(fù)反饋放大器增益表達(dá)式AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voArkfgRL+-voRSiSiiifii

電壓串聯(lián)負(fù)反饋開環(huán)電壓增益電壓反饋系數(shù)閉環(huán)電壓增益

電壓并聯(lián)負(fù)反饋開環(huán)互阻增益互導(dǎo)反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益第5章放大器中的負(fù)反饋第6頁/共50頁AgkfrRLioRS+-vs+-vivfv

i+-+-RSiSiiifii

AikfiRLio

電流串聯(lián)負(fù)反饋開環(huán)互導(dǎo)增益互阻反饋系數(shù)閉環(huán)互導(dǎo)增益

電流并聯(lián)負(fù)反饋開環(huán)電流增益電流反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益注意：不同反饋類型對(duì)應(yīng)不同輸入、輸出電量，因此不同類型反饋電路的

A、kf、Af

含義不同。第5章放大器中的負(fù)反饋第7頁/共50頁Akfxoxixfx

i5.1.2反饋極性與類型的判別

判斷是否為反饋電路看電路輸出與輸入之間是否接有元件，若有則為反饋電路，該元件即為反饋元件。例1Rf

為反饋元件。RE為反饋元件。第5章放大器中的負(fù)反饋viVCCRCRfvoviVCCRCvo+-+-RERB1RB2例2第8頁/共50頁

判斷反饋類型—

采用短路法

假設(shè)輸出端交流短路，若反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋；反之為電流反饋。

判斷電壓與電流反饋

判斷串聯(lián)與并聯(lián)反饋

假設(shè)輸入端交流短路，若反饋?zhàn)饔孟?，則為并聯(lián)反饋；反之為串聯(lián)反饋。AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voiiii

ioRSiSifAikfiRL第5章放大器中的負(fù)反饋第9頁/共50頁

判斷反饋極性—

采用瞬時(shí)極性法Akfxoxixfxi

設(shè)vi

瞬時(shí)極性為用正負(fù)號(hào)表示電路中各點(diǎn)電壓的瞬時(shí)極性，或用箭頭表示各節(jié)點(diǎn)電流瞬時(shí)流向的方法稱瞬時(shí)極性法。

比較xf

與xi

的極性(

xi=

xi

-

xf)若xf

與xi

同相，使xi

減小的，為負(fù)反饋；若xf

與xi

反相，使xi

增大的，為正反饋。經(jīng)A判斷vo？？經(jīng)kf判斷

xf？？第5章放大器中的負(fù)反饋第10頁/共50頁說明

用瞬時(shí)極性法比較xf

與xi

極性時(shí)：若是并聯(lián)反饋：則需根據(jù)電壓的瞬時(shí)極性，標(biāo)出相關(guān)支路的電流流向，然后用電流進(jìn)行比較(ii=

ii

-

if)。若是串聯(lián)反饋：則直接用電壓進(jìn)行比較(vi=

vi

-

vf)。

按交、直流性質(zhì)分：直流反饋：交流反饋：反饋信號(hào)為直流量，用于穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)。反饋信號(hào)為交流量，用于改善放大器動(dòng)態(tài)性能。

多級(jí)放大器中的反饋：局部反饋：越級(jí)反饋：反饋由本級(jí)輸出信號(hào)產(chǎn)生，可忽略。

輸出信號(hào)跨越一個(gè)以上放大級(jí)向輸入端傳送的稱為級(jí)間(或越級(jí))反饋。

第5章放大器中的負(fù)反饋第11頁/共50頁例1判斷電路的反饋極性和反饋類型。

假設(shè)輸出端交流短路，Rf

引入的反饋消失電壓反饋。

假設(shè)輸入端交流短路，Rf

的反饋?zhàn)饔孟Р⒙?lián)反饋。

分析：→則

vc

為○-

假設(shè)vi

瞬時(shí)極性為○+○+○-→形成的if

方向如圖示。iiifib因凈輸入電流ib=ii

-

if<ii負(fù)反饋。

結(jié)論：

Rf

引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。第5章放大器中的負(fù)反饋viVCCRCRfvo+-+-第12頁/共50頁例

2判斷圖示電路的反饋極性和反饋類型。

假設(shè)輸出端交流短路，RE

上的反饋依然存在電流反饋。

假設(shè)輸入端交流短路，RE

上的反饋沒有消失串聯(lián)反饋。

分析：

假設(shè)vi

瞬時(shí)極性為○+因凈輸入電壓vbe=vi

-

vf<vi負(fù)反饋。

結(jié)論：

RE

引入電流串聯(lián)負(fù)反饋?！?→則ve(即vf)極性為○+○+第5章放大器中的負(fù)反饋viVCCRCvo+-+-RERB1RB2viRCvo+-+-RERB1RB2第13頁/共50頁例3判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

-+AR1Rf+-vsvo-+AR1Rf+-vsvo○+○-○-電流并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)正反饋○+○-○-○-○+○-電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋○+○+○+第5章放大器中的負(fù)反饋viVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2RfviVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2Rf第14頁/共50頁viVCCRC1voVEERfRE2R1RC2RC3RST1T2T3例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

viVCCRC1voVEERER1RC2RC3RST1T2T3Rf○+○-○-○+○+○+電流串聯(lián)負(fù)反饋○+電流并聯(lián)負(fù)反饋第5章放大器中的負(fù)反饋第15頁/共50頁例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

○+○+○+○+○-電壓并聯(lián)正反饋○-○+電壓串聯(lián)負(fù)反饋第5章放大器中的負(fù)反饋viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1第16頁/共50頁5.2.1降低增益5.2負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響反饋越深，電路增益越小。由得知：注：當(dāng)取源增益時(shí)，上式依然成立，即5.2.2減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)

定義由得(2)

(1)得(1)(2)反饋越深，增益靈敏度越小。第5章放大器中的負(fù)反饋第17頁/共50頁5.2.3改變輸入、輸出電阻

輸入電阻

串聯(lián)反饋+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益反饋電路輸入電阻：引入串聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越大。結(jié)論第5章放大器中的負(fù)反饋第18頁/共50頁

并聯(lián)反饋反饋電路輸入電阻：引入并聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越小。結(jié)論AkfRiRsisifii

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益第5章放大器中的負(fù)反饋第19頁/共50頁

輸出電阻

電壓反饋

Ro：考慮反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)載效應(yīng)后，基放輸出電阻。

Ast：負(fù)載開路時(shí)，基本放大器源增益。i+-v基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡(luò)+-令xs=0由定義得Rof

電路模型：由圖得引入電壓反饋，反饋越深，輸出電阻越小，vo

越穩(wěn)定。結(jié)論基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡(luò)+-RLxsvo+-第5章放大器中的負(fù)反饋第20頁/共50頁

電流反饋

Ro：考慮反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)載效應(yīng)后，基放輸出電阻。

Asn：負(fù)載短路時(shí)，基本放大器源增益。由定義得Rof

電路模型：由圖得引入電流反饋，反饋越深，輸出電阻越大，io

越穩(wěn)定。結(jié)論基放Roxsxfxs

ioAsnxs

RL反饋網(wǎng)絡(luò)令xs=0i+-v基放Roxfxs

Asnxs

反饋網(wǎng)絡(luò)第5章放大器中的負(fù)反饋第21頁/共50頁5.2.4減小頻率失真(或擴(kuò)展通頻帶)

由于負(fù)反饋降低了電路增益靈敏度，因此放大器可在更寬的通頻帶范圍內(nèi)維持增益不變。單極點(diǎn)系統(tǒng)引入負(fù)反饋后，反饋越深，上限角頻率越大,增益越小，但其增益帶寬積維持不變。設(shè)基放為單極點(diǎn)系統(tǒng)：則若反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)為：則閉環(huán)系統(tǒng)：其中：注意：通頻帶的擴(kuò)展是以降低增益為代價(jià)的。第5章放大器中的負(fù)反饋第22頁/共50頁5.2.5減小非線性失真基本放大器vovivfv

i例如：一基本放大器，引入負(fù)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)注意：負(fù)反饋只能減小反饋環(huán)內(nèi)的失真，若輸入信號(hào)本身產(chǎn)生失真，反饋電路無能為力。輸入正弦信號(hào)時(shí)，輸出產(chǎn)生失真。vo

失真減小。第5章放大器中的負(fù)反饋第23頁/共50頁5.2.6噪聲性能不變同減小非線性失真一樣，引入負(fù)反饋可減小噪聲。注意：負(fù)反饋在減小噪聲的同時(shí)，有用信號(hào)以同樣的倍數(shù)在減小，其信噪比不變。因此，引入負(fù)反饋放大器噪聲性能不變。綜上所述，負(fù)反饋對(duì)放大器性能影響主要表現(xiàn)為：

降低增益

減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)

改變電路輸入、輸出電阻

減小頻率失真(或擴(kuò)展通頻帶)

減小非線性失真

噪聲性能不變第5章放大器中的負(fù)反饋第24頁/共50頁在電路輸出端

基本放大器引入負(fù)反饋的原則若要求電路vo

穩(wěn)定或Ro

小應(yīng)引入電壓負(fù)反饋。若要求電路io

穩(wěn)定或Ro

大應(yīng)引入電流負(fù)反饋。在電路輸入端若要求Ri

大或從信號(hào)源索取的電流小引入串聯(lián)負(fù)反饋。若要求Ri

小或從信號(hào)源索取的電流大引入并聯(lián)負(fù)反饋。反饋效果與信號(hào)源內(nèi)阻RS

的關(guān)系若電路采用RS

較小的電壓源激勵(lì)應(yīng)引入串聯(lián)負(fù)反饋若電路采用RS

較大的電流源激勵(lì)應(yīng)引入并聯(lián)負(fù)反饋第5章放大器中的負(fù)反饋第25頁/共50頁反饋效果與RS

關(guān)系的說明：

串聯(lián)負(fù)反饋采用電壓源激勵(lì)時(shí)，若RS

0則由于vS

恒定，則vf

的變化量全部轉(zhuǎn)化為vi

的變化量，此時(shí)反饋效果最強(qiáng)。采用電流源激勵(lì)時(shí)，若RS

由于iS

恒定，vi

固定不變，結(jié)果導(dǎo)致反饋?zhàn)饔孟А?-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-vixo(電壓源激勵(lì))is+-AkfRiRs+-vfvi

+-vixo(電流源激勵(lì))則恒定第5章放大器中的負(fù)反饋第26頁/共50頁ii

iiifAkfRixoRsvs+-vi

+-(電壓源激勵(lì))ifii

iiAkfRixoisRs(電流源激勵(lì))

并聯(lián)負(fù)反饋采用電壓源激勵(lì)時(shí)，若RS

0則由于iS

恒定，則if

的變化量全部轉(zhuǎn)化為ii

的變化量，此時(shí)反饋效果最強(qiáng)。采用電流源激勵(lì)時(shí)，若RS

由于vi

固定不變，結(jié)果導(dǎo)致反饋?zhàn)饔孟?。則恒定第5章放大器中的負(fù)反饋第27頁/共50頁

深度負(fù)反饋條件5.4深度負(fù)反饋當(dāng)電路滿足深度負(fù)反饋條件時(shí)：將T>>1

或F>>1

稱為深度負(fù)反饋條件。串聯(lián)反饋電路輸入電阻：并聯(lián)反饋電路輸入電阻：電壓反饋電路輸出電阻：電流反饋電路輸出電阻：增益：或第5章放大器中的負(fù)反饋第28頁/共50頁

深度負(fù)反饋條件下Avf

的估算

根據(jù)反饋類型確定kf

含義，并計(jì)算kf分析步驟：

若并聯(lián)反饋：將輸入端交流短路若串聯(lián)反饋：將輸入端交流開路則反饋系數(shù)

確定Afs(=xo/xs)含義，并計(jì)算Afs=1

/kf

將Afs

轉(zhuǎn)換成Avfs=vo/vskf=xf/xo計(jì)算此時(shí)xo

產(chǎn)生的xf第5章放大器中的負(fù)反饋第29頁/共50頁例1圖示電路，試在深度負(fù)反饋條件下估算Avfs

。該電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器。解：將輸入端交流開路，即將T1

管射極斷開：則因此第5章放大器中的負(fù)反饋vsRC1vo+-+-RE1RLRC2RfRST1T2+-vf第30頁/共50頁例2圖示電路，試在深度負(fù)反饋條件下估算Avfs

。該電路為電流并聯(lián)負(fù)反饋放大器。解：將輸入端交流短路，即將

T1

管基極交流接地：則因此第5章放大器中的負(fù)反饋isRC1vo+-RLRC2RfRST1T2ifRE2io第31頁/共50頁例3圖示電路，試在深度負(fù)反饋條件下估算Avfs

。該電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。(1)解：將反相輸入端交流接地：則因此該電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。(2)解：將反相輸入端交流開路：則因此-+AR1Rf+-vsvoif(圖1)-+AR1Rf+-vsvo-+vf(圖2)第5章放大器中的負(fù)反饋第32頁/共50頁5.5負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定性實(shí)際上，放大器在中頻區(qū)施加負(fù)反饋時(shí)，有可能因Akf

在高頻區(qū)的附加相移使負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答?，引起電路自激?.5.1判別穩(wěn)定性的準(zhǔn)則反饋放大器頻率特性：若在某一頻率上T(j

)=-1放大器自激自激振幅條件自激相位條件說明自激時(shí)，即使xi=0，但由于xi

=xf

，因此反饋電路在無輸入時(shí)，仍有信號(hào)輸出。第5章放大器中的負(fù)反饋第33頁/共50頁

不自激條件當(dāng)或時(shí)，或當(dāng)時(shí)，或

注意：只要設(shè)法破壞自激的振幅條件或相位條件，放大器就不會(huì)產(chǎn)生自激。

穩(wěn)定裕量要保證負(fù)反饋放大器穩(wěn)定工作，還需使它遠(yuǎn)離自激狀態(tài)，遠(yuǎn)離程度可用穩(wěn)定裕量表示。當(dāng)時(shí)，相位裕量當(dāng)時(shí)，增益裕量

g—增益交界角頻率；

—相位交界角頻率。第5章放大器中的負(fù)反饋第34頁/共50頁

相位裕量圖解分析法假設(shè)放大器施加的是電阻性反饋，kf

為實(shí)數(shù)：得由

在A(

)或T(

)波特圖上找

g在A(

)波特圖上，作1/kf(dB)的水平線，交點(diǎn)即

g。在T(

)波特圖上，與水平軸[T(

)=0dB]的交點(diǎn)，即

g。

根據(jù)

g

在相頻曲線上找

T(

g)

判斷相位裕量若放大器穩(wěn)定工作若放大器工作不穩(wěn)定注：1/kf(dB)的水平線稱增益線。第5章放大器中的負(fù)反饋第35頁/共50頁例1已知A(j

)波特圖，判斷電路是否自激。(1/kf)dB

g

T(

g)(1)在

A(

)波特圖上作

1/kf(dB)的水平線。分析：(2)找出交點(diǎn)，即

g。(3)在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)

。(4)由于

>45

，因此電路穩(wěn)定工作，不自激。A(

)/dB

O

T(

)

O-180

-90

第5章放大器中的負(fù)反饋第36頁/共50頁例2已知T(j

)波特圖，判斷電路是否自激。

T(

g)(1)由T(

)波特圖與橫軸的交點(diǎn)，找出

g。分析：(2)由

g

在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)。T(

)/dB

O

T(

)

O-180o

g

(3)由于

<0

，因此電路自激。第5章放大器中的負(fù)反饋第37頁/共50頁

利用幅頻特性漸近波特圖判別穩(wěn)定性一無零三極系統(tǒng)波特圖如下，分析

g

落在何處系統(tǒng)穩(wěn)定。O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80放大器必穩(wěn)定工作?；?/p>

g

落在

P1

與

P2

之間，只要

g落在斜率為：(-20dB/10倍頻)的下降段內(nèi)，

g則

>45

p2=10

p1，

p3=10

p2第5章放大器中的負(fù)反饋第38頁/共50頁O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80

p2=10

p1，將

p3

靠近

p2。由于|

T(

p2)|

則

g

落在

p1

與

p2

之間時(shí)，放大器依然穩(wěn)定工作。

第5章放大器中的負(fù)反饋第39頁/共50頁結(jié)論：在多極點(diǎn)的低通系統(tǒng)中，若

p310

p2，則只要

g

落在斜率為(-20dB/10倍頻)的下降段內(nèi)，或

g

落在

p1與

p2

之間，放大器必穩(wěn)定工作。

將

p2靠近

p1

，由于|

T(

p2)|

上述結(jié)論不成立。

O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80第5章放大器中的負(fù)反饋第40頁/共50頁5.5.2集成運(yùn)放的相位補(bǔ)償技術(shù)解決方法：采用相位補(bǔ)償技術(shù)。在中頻區(qū)，反饋系數(shù)kf越大，反饋越深，電路性能越好。在高頻區(qū)，kf

越大，相位裕量越小，放大器工作越不穩(wěn)定。在中頻增益AI

基本不變的前提下，設(shè)法拉長(zhǎng)

p1

與

p2

之間的間距，或加長(zhǎng)斜率為“-20dB/10倍頻”線段的長(zhǎng)度，使得kf

增大時(shí)，仍能獲得所需的相位裕量。相位補(bǔ)償基本思想：第5章放大器中的負(fù)反饋第41頁/共50頁

滯后補(bǔ)償技術(shù)

簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償—降低

p1補(bǔ)償方法：將補(bǔ)償電容C

并接在集成運(yùn)放產(chǎn)生第一個(gè)極點(diǎn)角頻率的節(jié)點(diǎn)上，使

p1

降低到

d。AdiRCC

p1

降低到

d

反饋增益線下移穩(wěn)定工作允許的kf

增大。

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kf)第5章放大器中的負(fù)反饋第42頁/共50頁

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kfv)

d

與kf

之間的關(guān)系：由圖十倍頻整理得kfv

d

反饋電路穩(wěn)定性，但

H

。kfv

=1時(shí)，全補(bǔ)償(C

用CS

表示)

d0此時(shí)，kfv

無論取何值，電路均可穩(wěn)定工作。第5章放大器中的負(fù)反饋第43頁/共50頁例1一集成運(yùn)放AvdI=105，fp1=200Hz，fp2=2MHz，fp3=20MHz，產(chǎn)生fp1

節(jié)點(diǎn)上等效電路R1=200k，接成同相放大器，采用簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償。試求：fp2fp1Avd

(f

)/dBfOfp310020406080解：(1)求未補(bǔ)償前，同相放大器提供的最小增益

？根據(jù)題意，可畫出運(yùn)放的幅頻漸近波特圖。未補(bǔ)償前