《模拟电子线路》第六章反馈1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 反馈,1,6.1,反馈的基本概念及基本方程,6.1.1,反馈的概念,就是将放大器的输出量（,输出,电流或输出电压）的一部分或全部通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，用来影响其输入量（,输入,电流或输入电压）的措施，称为反馈。,正反馈：,反馈信号对输入信号起增强作用（如振荡器）。,负反馈：,反馈信号对输入信号起减弱作用（使放大器的某些性能得到改善） 。,2,图,6.1.1,负反馈稳定工作点电路,直流反馈：,仅在直流通路中存在的反馈称为直流反馈。,3,交流反馈：,仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。,图,6.1.2,交流反馈电路的交流通路,直流负反馈主要用于稳定放大器的静态工作点，本章重点讨论交流负反馈，引入交流负反馈的放大器称为,负反馈放大器,。,4,基本放大器,A,取样,反馈网络,F,比较,X,f,.,X,i,.,净输,入信号,反馈信号,输出信号,输入信号,A,f,反馈放大器,X,i,.,X,o,.,图,6.1.3,反馈放大器基本框图,6.1.2,反馈放大器的基本框图,.,.,.,5,6.1.3,反馈放大器的基本方程,基本放大器的传输增益,(,也称开环增益或开环放大倍数,),反馈网络的传输系数,(,也称反馈系数,),6,环路增益,(,回归比,),反馈,放大器的传输增益（也称,闭,环增益）,注意：,上述,X,可以指电压也可以指电流，因此,A,、,F,既可能是电压增益也可能是电流增益，也可能是互导增益或互阻增益。,7,基本放大器的传输增益,(,也称开环增益或开环放大倍数,),反馈网络的传输系数,(,也称反馈系数,),环路增益,(,回归比,),反馈,放大器的传输增益（也称,闭,环增益）,注意：,上述,X,可以指电压也可以指电流，因此,A,、,F,既可能是电压增益也可能是电流增益，也可能是互导增益或互阻增益。,8,反馈,放大器的基本方程,9,结 论,（,1,）负反馈使,放大器的增益下降了（,1+AF,）,倍；,（,2,）反馈深度,D =,1+AF,，,表征反馈强弱；,D,1,或,AF,1,，深度负反馈,10,（,3,）,深负反馈条件下,（,4,）若正反馈,，则,11,6.1.4,反馈放大电路的组态和四种基本类型,一、电压反馈与电流反馈,根据反馈网络与基本放大器,输出端的,连接方式不同，反馈可分为：,电压反馈：,反馈网络与基本放大器输出端,并联,连接，反馈信号直接取自于输出电压。,电流反馈：,反馈网络与基本放大器输出端,串联,连接，反馈信号直接取自于输出电流。,12,(,a,),(,b,),A,F,电流取样,R,L,U,o,.,X,f,.,I,o,.,反馈支路,U,CC,R,C,u,o,V,R,E,R,f,u,i,(,c,),(,d,),反馈支路,U,CC,R,C,u,o,R,E,R,f,u,i,I,e,.,A,F,电压取样,R,L,U,o,.,X,f,.,图,6.1.4,电压反馈和电流反馈,13,采用“输出短路法”。即将输出端短路，观察反馈信号是否还存在。如果反馈信号不存在，说明是电压反馈；反之，则说明是电流反馈。,判断方法,14,（,a,）电路,（,b,）令负载短路,电压反馈,15,（,a,）电路,（,b,）令负载短路,电流反馈,16,根据反馈网络和基本放大器输入端的连接方式方式不同，分为：,串联反馈：,反馈网络串联在基本放大器的输入回路中,并联反馈：,反馈网络并接在基本放大器的输入端,二、串联反馈与并联反馈,17,A,R,i,F,U,i,.,R,i,f,U,f,U,i,I,i,.,.,.,(a),串联反馈,1,）,U,i,与,U,f,是串联关系。,2,）输入信号与反馈信号不在同一节点上。,3,）,18,A,R,i,F,U,i,.,R,i,f,I,i,.,I,i,.,I,f,.,(b),并联反馈,1,）,U,i,与,U,f,是并联关系。,2,）输入信号与反馈信号在同一节点上。,3,）,19,一般地，串联反馈是输入信号与反馈信号加在放大器的不同输入端上；而并联反馈则是两者并接在同一个输入端。,串联反馈和并联反馈的,判断方法,20,u,i,R,1,I,i,.,I,i,.,I,f,.,R,f,反馈,U,i,.,U,i,.,R,E,U,f,.,R,f,反馈,图,6.1.8,放大器输入回路中引入串联反馈和并联反馈,(a),串联反馈,(b),并联反馈,21,V,1,V,2,R,1,R,1,U,f,.,R,f,反馈,I,o,U,i,.,R,1,I,i,.,I,i,.,I,f,.,R,f,反馈,U,i,.,I,o,V,1,V,2,R,1,串联反馈,并联反馈,22,U,i,.,A,F,U,o,.,U,f,.,U,i,.,A,F,U,o,.,U,s,.,R,s,I,i,.,I,f,.,I,i,.,图,6.1.9,四种典型的负反馈组态电路,(a),串联电压负反馈,(b),串联电流负反馈,(c),并联电压负反馈,(d),并联电流,负反馈,A,F,U,o,.,I,o,U,s,.,R,s,I,i,.,I,i,.,I,f,.,.,A,F,U,o,.,U,i,.,U,f,.,U,i,.,I,o,.,三、四种基本反馈类型,23,U,i,.,A,F,U,o,.,U,f,.,U,i,.,(a),串联电压负反馈,U,i,=,U,i,U,f,电压串联负反馈稳定的增益是闭环电压放大倍数,深度负反馈条件下,24,表,6.1.1,负反馈放大电路参数的意义,25,四、负反馈放大电路举例,电压串联负反馈,（,a,）晶体管反馈电路,26,（,a,）晶体管反馈电路,电压,串联,负反馈,U,o,U,f,(,U,i,),U,be,I,b,I,c,U,o,27,电压,串联,负反馈,28,（,b,）集成运放反馈电路,电压,串联,负反馈,29,2.,电压并联负反馈,（,a,）晶体管反馈电路,30,（,a,）晶体管反馈电路,电压,并联,负反馈,31,（,a,）集成运放反馈电路,电压,并联,负反馈,32,3.,电流串联负反馈,（,a,）晶体管反馈电路,33,（,a,）晶体管反馈电路,电流,串联,负反馈,34,（,a,）集成运放反馈电路,电流,串联,负反馈,35,4.,电流并联负反馈,36,电流,并联,负反馈,37,6.2,负反馈对放大器性能的影响,6.2.1,负反馈使放大倍数稳定度提高,基本放大器,A,取样,反馈网络,F,比较,X,f,.,X,i,.,净输,入信号,反馈信号,输出信号,输入信号,A,f,反馈放大器,X,i,.,X,o,.,.,.,38,开环放大倍数相对稳定度为,闭环放大倍数相对稳定度为,若近似以增量代替微分，则：,通常用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性。,39,结论,引入负反馈使放大倍数的相对变化量减小为原相对变化量的,1/(1+,AF,),，即反馈越深，放大倍数的增益稳定性越好。,在深度负反馈时，,A,f,=1/,F,，因此，只要,F,稳定，,A,f,也将稳定。,注意,：负反馈被稳定的对象与反馈信号的取样对象有关。如果取样对象是输出电压，则输出电压将被稳定；如果取样对象是输出电流，则输出电流将被稳定。,40,6.2.2,展宽通频带,引入负反馈后，闭环增益：,因此：,41,式中：,42,无反馈放大器的频率响应,有负反馈放大器的频率响应,增益,A,I,A,I,-3 dB,A,If,A,If,-3 dB,f,Lf,f,L,f,H,无反馈放大器的带宽,负反馈放大器的带宽,f,Hf,f,(,频率,),负反馈改善放大器频率响应的示意图,43,i,o,0,u,be,A,X,i,.,X,o,.,x,o,0,t,0,t,x,i,基本放大器,t,0,x,i,0,t,x,i,图,6.2.1,负反馈改善非线性失真的工作原理示意图,(a),无反馈,i,o,0,u,be,A,F,X,o,.,X,i,.,X,f,.,X,i,.,(b),负反馈使非线性失真减小,t,x,o,0,x,f,0,t,6.2.3,减小非线性失真,44,非线性失真系数：,“全谐波失真率”,式中：,X,nh,为器件非线性产生的输出高次谐波分量，,X,1O,为基波分量。,45,A,X,i,X,1o,X,nh,A,F,X,i,+,X,i,-,FX,nhf,FX,nhf,X,1,of,X,nhf,因为：,X,nhf,= (,X,i,-,FX,nhf,),A,=,X,nh,-,AFX,nhf,因此：,设加负反馈后，输出谐波分量为,X,nhf,46,因此：,负反馈使非线性失真减小了（,1+AF,）倍。失真减小，意味着线性动态范围的拓宽。,注意：,非线性失真的减小只限于,反馈环内,放大器产生的非线性失真，对外来信号已有的非线性失真，负反馈将无能为力。而且，只在输入信号有增大的余地，非线性失真也不是十分严重的情况下才是正确的。,47,6.2.4,减小反馈环内的噪声与干扰,利用负反馈抑制放大器,内部,噪声及干扰的机理与减小非线性失真是一样的。,负反馈输出噪声下降,(1+AF),倍。如果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大，输出信号,分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高,(1+AF),倍。,48,图,6.2.2,负反馈抑制干扰和噪声,（,a,）无反馈，信号与噪声的输出波形,（,b,）有反馈，信号与噪声的输出波形,（,c,）提高输入信号幅度后的输出波形,49,(1),负反馈使放大器的放大倍数下降，但增益稳定度提高，频带展宽，非线性失真减小，内部噪声干扰得到抑制，且所有性能改善的程度均与反馈深度,(1+AF),有关。,(2),被改善的对象就是被取样的对象。,负反馈的特点,(3),负反馈只能改善包含在,负反馈环节以内,的放大器性能，对反馈环以外的，与输入信号,一起进来的失真、干扰、噪声及其它不稳定因素是无能为力的。,50,A,R,i,F,U,i,.,R,i,f,U,f,U,i,I,i,.,.,.,(a),串联反馈,6.2.5,改变输入电阻和输出电阻,一、对输入电阻的影响,51,A,R,i,F,U,i,.,R,i,f,I,i,I,i,I,f,.,(b),并联反馈,52,图,6.2.4,电压负反馈放大器输出电阻的计算,R,o,为基本放大器的输出电阻（即开环输出电阻）,为等效开路电压（,A,o,为负载开路放大倍数）。,二、对输出电阻的影响,53,分析：,在无反馈时，将输入短路,X,i,=0,，则净输入,X,i,=0,，所以,A,o,X,i,=0,，此时的输出电阻为,Ro,。,引入反馈后，当,X,i,=0,时，净输入,X,i,0,，而是,X,i,=,-,X,f,，此时反馈放大器的输出电阻为：,图,6.2.4,负反馈电路的输出电阻（,a,）电压反馈,54,图,6.2.4,负反馈电路的输出电阻（,a,）电压反馈,55,图,6.2.4,负反馈电路的输出电阻（,a,）电流反馈,56,正反馈和负反馈的判决方法,瞬时极性法：,假设输入信号向某一方向变化，沿闭环系统，逐级推出电路中其它各有关点信号的瞬时变化极性,;,最后看反馈到输入端信号的极性对原来的信号是增强还是削弱。增强则为正反馈，削弱则为负反馈。,57,负反馈,58,负反馈,59,正反馈,60,负反馈,61,正反馈,62,负反馈,63,深度负反馈条件,D=(1,十,AF)1,对串联反馈,对并联反馈,放大器工作在深度负反馈条件下，即,求,A,uf,时，可以利用如下关系式：,6.3,深度负反馈放大电路的近似计算,6.3.1,深度负反馈放大电路近似计算的一般方法,64,图,6.3.1,电压串联负反馈,6.3.2,深负反馈放大电路的近似计算,1.,电压串联负反馈电路,65,图,6.3.1,电压串联负反馈,66,图,6.3.1,电压串联负反馈,67,图,6.3.2,电压并联负反馈电路,2.,电压,并联,负反馈电路,68,图,6.3.2,电压并联负反馈电路,69,I,f,I,i,图,6.3.2,电压并联负反馈电路,70,图,6.3.3,电流串联负反馈电路,3.,电流,串联,负反馈电路,71,图,6.3.3,电流串联负反馈电路,72,图,6.3.3,电流串联负反馈电路,73,图,6.3.3,电流串联负反馈电路,74,图,6.3.4,电流并联负反馈,4.,电流并联负反馈,75,图,6.3.4,电流并联负反馈,76,图,6.3.4,电流并联负反馈,77,6.4,负反馈放大电路的稳定性,6.4.1,负反馈放大电路的自激振荡,78,负反馈放大电路产生自激振荡,振荡条件,79,-,振荡的振幅条件,-,产生,自激振荡,-,振荡的相位条件,80,如果幅值条件和相移条件不能同时满足,负反馈放大电路就不会产生自激振荡,.,6.4.2,负反馈放大电路稳定性的判断,1.,利用环路增益判断负反馈放大电路的稳定性,或者,时,时,稳定工作的条件,81,图,6.4.2,负反馈电路环路增益的频率特性,（,1,）若不存在,f,，则电路稳定；,（,2,）若存在,f,，且,f,f,0,，则电路稳定；若存在,f,，但,f,f,0,，电路就稳定。但是实际中，人们常常发现某些放大电路虽然满足,f,f,0,，但是,f,和,f,0,靠得很近，此时电路也非常容易产生自激振荡。,因此，为保证放大器稳定工作，必须使它远离自激振荡状态，远离自激振荡状态的程度用,稳定裕度,表示。,83,工程上，,G,m,10dB,，可认为放大器是稳定的,幅度裕度,相位裕度,工程上，,45,，可认为放大器是稳定的,84,3,、利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定,性,-60dB/10,倍频,20lg|,A,|,20,40,60,80,100,0,10,0,10,1,10,2,10,3,f,-20dB/10,倍频,-40dB/10,倍频,-45,-135,-225,85,86,若 恒为,0,， 为常数，在已知开环增益的幅频渐近波特图时，负反馈放大电路稳定的条件如下：,（,1,）对运放，若反馈增益线与开环增益幅频响应曲线的交点在斜率为,-20dB/,十倍频的下降段内，则电路稳定；,（,2,）对一般电路，若反馈增益线与开环增益幅频响应曲线的交点对应频率的相角绝对值小于,135,，则电路稳定。,-60dB/10,倍频,20lg|,A,|,20,40,60,80,100,0,10,0,10,1,10,2,10,3,f,-20dB/10,倍频,-40dB/10,倍频,-45,-135,-225,稳定区,反馈增益线,87,作 业,6.1,6.2,6.9,6.13,6.15,88,