电子电路基础 反馈放大电路及其稳定性分析

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),第五章 反馈放大电路及其稳定性分析, 5.1,反馈的基本概念与分类, 5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,及频率补偿, 5.2,负反馈对放大电路性能的改善, 5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,1,1.,反馈,将电路的输出量,(,电压或电流,),的部分或全,部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回,路并影响输入量,(,电压或电流,),和,输出量的过程。,2.,信号的两种流向,正向传输：,输入, 输出,反向传输：,输,出 输入,开环,闭环,输入,输出,放大电路,反馈网络,5.1,反馈的基本概念与分类,一、反馈的基本概念,2,A,+,比较,环节,基本放大电路,F,反馈网络,x,i,输入信号,(,i,i,或,u,i,),x,id,净输入信号,(,i,id,或,u,id,),x,o,输出信号,(,i,o,或,u,o,),x,f,反馈信号,(,i,f,或,u,f,),5.1,反馈的基本概念与分类,3.,反馈的组成和基本关系式,3,二、反馈的分类,5.1,反馈的基本概念与分类,使净输入信号加强,使净输入信号削弱,判断：瞬时极性法,对,直流量反馈,对,交流量反馈,正反馈,:,负反馈,:,直流反馈,:,交流反馈,:,直流负反馈常用于稳定静态工作点，,交流负反馈用来改善放大电路的交流性能。,4,5.1,反馈的基本概念与分类,电压反馈,反馈信号,直接取样于输出电压,电流反馈,反馈信号,直接取样于输出电流,判别方法,之一：,假设,u,o,= 0,(,即,R,L,短路,),，,若反馈消失则为电压反馈，否则为电流反馈,A,F,R,L,u,o,i,o,u,o,F,A,R,L,i,o,电压负反馈能稳定输出电压，电流负反馈则稳定输出电流,5,5.1,反馈的基本概念与分类,串联反馈：在输入端，,反馈网络与信号源、基本放大电路串,联连接，,实现,u,id,=,u,i,u,f,并联反馈：在输入端，,反馈网络与信号源、基本放大电路并,联连接，,实现,i,id,=,i,i,i,f,A,F,i,i,i,f,i,s,i,id,R,S,R,S,A,F,u,i,u,id,u,f,u,s,判别方法,之一：,反馈信号,与输入信号,从不同节点加入，则为串,联反馈，从,同一个节点加入，则为并联反馈。,信号源内阻越小，,反馈效果越明显。,信号源内阻越大，,反馈效果越明显。,6,5.1,反馈的基本概念与分类,例：分析,下图电路是否存在反馈，反馈元件是什么，正反馈还是负反馈？交流反馈还是直流反馈？电压反馈还是电流反馈？串联反馈还是并联反馈？,判断有无反馈，,并判别反馈元件,方法：看输出回路与输入回路之间有无起联系作用的反馈网络。构成反馈网络的元件均为反馈元件。,电阻,R,E,既包含于输出,回路又包含于输入回路，,把,u,o,反馈到输入回路中，,因此存在反馈，反馈元件,为,R,E,。,7,5.1,反馈的基本概念与分类,（,2,） 判别反馈极性,采用瞬时极性法：,假定输入电压信号,u,i,在某一瞬时的极性为正并用 标记，然后顺着信号传输方向，逐步推出有关信号的瞬时极性，并用 或 标记，直到推出反馈信号,x,f,的瞬时极性，然后判断反馈信号是增强还是削弱净输入信号。若削弱则为负反馈，若增强则为正反馈。,假定,u,i,瞬时极性为正，则由电压跟随特性得,u,f,的瞬时极性为正。由于,u,id,=,u,i,u,f,，故,u,f,削弱了净输入信号,u,id,，引入的是负反馈。,8,（,3,） 判别直流反馈,和交流反馈,方法：,反馈仅存在于直流通路中的为直流反馈，仅存在于交流通路的为交流反馈，既存在于直流通路中，又存在于交流通路中，则既有直流反馈又有交流反馈。,5.1,反馈的基本概念与分类,R,E,既通直流也通交流，所以该电路同时存在直流反馈和交流反馈。,9,（,4,） 判别电压反馈,和电流反馈,方法：假设,u,o,= 0,，若反馈消失则为电压反馈，否则为电流反馈,。,5.1,反馈的基本概念与分类,若,u,o,= 0,，则反馈消失，故为电压反馈,。,（,5,） 判别串联反馈,和并联反馈,反馈信号与输入信号串联，实现,u,id,=,u,i,u,f,，故为串联反馈。,10,三、负反馈的四种基本组态,5.1,反馈的基本概念与分类,电压串联负反馈,电流串联负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈,A,F,u,i,u,id,u,f,u,s,R,S,R,L,u,o,A,F,u,i,u,id,u,f,u,s,R,S,i,o,u,o,R,L,i,o,F,A,i,i,i,f,i,s,i,id,R,S,R,L,u,o,F,A,i,i,i,f,i,s,i,id,i,o,u,o,R,L,i,o,11,例,1.,分析反馈放大电路,5.1,反馈的基本概念与分类,(+),(+),(+),u,o,经,R,2,与,R,1,分压反馈到输入回路，故有反馈。,反馈使净输入电压,u,id,减小，为负反馈。,R,L,= 0,，,无反馈，故为电压反馈。,u,id,=,u,i,u,f,故,为串联反馈。,F,uu,=U,f,/ U,o,=R,1,/(,R,1,+,R,2,),为反馈网络的反馈系数。,12,i,O,5.1,反馈的基本概念与分类,(+),(+),(+),例,2.,分析反馈放大电路,R,f,为,输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。,反馈使净输入电压,u,id,减小，为负反馈。,R,L,开路，反馈不存在，故为电流反馈。,u,id,=,u,i,u,f,故,为串联反馈。,F,ui,=U,f,/ I,o,=,R,f,为反馈网络的反馈系数。,13,i,id,=,i,i,i,f,，,故为并联反馈。,例,3.,分析反馈放大电路,5.1,反馈的基本概念与分类,i,S,i,I,i,ID,i,F,(+),(-),R,f,为,输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。,反馈使净输入电流,i,id,减小，为负反馈。,R,L,= 0,，,反馈不存在，故为电压反馈。,F,iu,=I,f,/ U,o,=-1/,R,f,为反馈网络的反馈系数。,14,i,id,=,i,i,i,f,，,故为并联反馈。,例,4.,分析反馈放大电路,5.1,反馈的基本概念与分类,R,f,为,输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。,反馈使净输入电流,i,id,减小，为负反馈。,R,L,开路，反馈不存在，故为电流反馈。,F,ii,=I,f,/ I,o,=-R/(,R+,R,f,),为反馈网络的反馈系数。,i,S,i,I,i,ID,i,O,i,F,(+),(-),(-),15,电流串联负反馈,电压串联负反馈,例,5 ,反馈组态的判断,5.1,反馈的基本概念与分类,16,5.1,反馈的基本概念与分类,+U,CC,T,1,T,2,T,3,R,B,1,R,C,1,R,B,2,R,C,2,R,B,3,R,C,3,R,E,3,u,i,u,be,1,u,f,i,e,3,i,e,3,u,f,u,be,1,=u,i,u,f,u,c,1,u,c,2,i,b,3,i,e,3,电流串联负反馈。,17,R,E,-,引入本级电流串联负反馈；,R,f,-,引入级间电流并联负反馈。,反馈信号,与输入信号,在不同节点为串联反馈，在,同一个节点为并联反馈。,反馈取自输出端或输出分压端为电压反,馈，反馈取自非输出端为电流反馈。,规 律：,5.1,反馈的基本概念与分类,18,5.1,反馈的基本概念与分类,四、反馈放大电路的方框图表示及其一般表达式,1.,反馈放大电路的方框图表示,反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络组成,;,假定基本放大电路只有单方向的信号正向传输通路，反馈网络仅有单方向的信号反向传输通路。可以把一个反馈放大电路表示为如图所示。,A,+,比较,环节,基本放大电路,F,反馈网络,开环增益,:,反馈系数,:,19,开环增益（考虑反馈网络的负载效应）,反馈系数,闭环增益,因为,所以,已知,即,闭环增益的一般表达式,5.1,反馈的基本概念与分类,2.,反馈放大电路放大倍数的一般表达式,A,+,比较,环节,基本放大电路,F,反馈网络,20,5.1,反馈的基本概念与分类,称为反馈深度,一般负反馈,深度负反馈,正反馈,自激振荡,特例,:,深度负反馈时,21,环路增益,环路电压增益,=,5.1,反馈的基本概念与分类,22,A,f,的,相对变化量,A,的相对变化量,放大倍数稳定性提高,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,一、提高放大倍数的稳定性,23,例,:,A,=,10,3,，,负反馈使,放大倍数稳定性提高,100,倍，求,F,、,A,f,、,d,A,f,/,A,f,，当,A,变化,10%,时的,A,f,变化多少？,解：,1,),1 +,AF,= 100，,则,F,= (100,1) /,A,= 0.099,2,),= 10,3,/,100 = 10,3,),此时的,A,f,=,负反馈以牺牲放大倍数，换取了放大倍数稳定性的提高。,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,24,二、减少,非线性,失真,u,f,加入,负反馈,无负反馈,F,u,f,A,u,i,u,o,+,u,id,u,o,大,小,略大,略小,略小,略大,u,i,A,接近正弦波,改善了波形失真,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,25,三、扩展通频带,BW,无反馈时：,BW,=,f,H,f,L,f,H,引入反馈后，,f,A,(,f,),O,A,m,0.707,A,m,f,L,f,H,BW,A,f,(,f,),A,mf,0.707,A,mf,f,Lf,f,Hf,BW,f,=,(1 +,A,m,F,),f,H,f,Hf,=,(1 +,A,m,F,),BW,BW,f,=,f,Hf,f,Lf,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,增益带宽积为常数,26,四、改变放大电路的输入和输出电阻,（一）对输入电阻的影响,1.,串联负反馈使输入电阻增大,R,if,深度负反馈：,i,i,A,F,u,i,u,id,u,f,R,i,AFu,id,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,27,2.,并联负反馈使输入电阻减小,R,if,深度负反馈：,i,f,i,id,i,i,A,F,u,i,R,i,AFi,id,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,28,（二）对输出电阻的影响,1.,电压负反馈，,F,与,A,并联，使输出电阻减小。,深度负反馈时,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,负载开路时放大倍数,F,A,R,O,由于,因此,29,（二）对输出电阻的影响,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,由于,因此,2.,电流负反馈 ，,F,与,A,串联，使输出电阻增大,深度负反馈时,负载短路时放大倍数,F,A,R,O,30,放大电路引入负反馈的一般原则,一、欲稳定某个量，则引该量的负反馈,稳定直流，,引直流反馈；,稳定交流，,引交流反馈；,稳定输出电压，,引电压反馈；,稳定输出电流，,引电流反馈。,二、根据对输入、输出电阻的要求选择反馈类型,欲提高输入电阻，,采用串联反馈；,欲降低输入电阻，,采用并联反馈；,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,31,要求高内阻输出，,采用电流反馈；,要求低内阻输出，,采用电压反馈。,三、为使反馈效果强，根据信号源及负载确定反馈类型,信号源为恒压源，,采用串联反馈；,信号源为恒流源，,采用并联反馈；,要求负载能力强，,采用电压反馈；,要求恒流源输出，,采用电流反馈。,5.2,负反馈对放大电路性能的改善,32,一、深度负反馈的特点,串联负反馈：,并联负反馈：,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,A,F,+,33,二、,深度负反馈电路性能的估算：,(,1,),电压串联负反馈,例,1,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,R,if,R,if,R,of,u,i,C,1,R,1,u,o,R,2,R,f,u,f,34,例,2,R,if,R,if,R,0f,例,3,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,35,(,2,),电压并联负反馈,运算放大器在线性,应用时同时存在虚,短和虚断,例,1,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,36,例,2,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,37,(,3,),电流串联负反馈,例,1,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,38,例,2,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,39,(,4,),电流并联负反馈,例,1,5.3,深度负反馈放大电路的分析计算,40,1.,自激振荡现象,在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一定频率的信号输出。,2.,产生原因,在高频区或低频区产生的,附加相移,达到,180,，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,一、负反馈放大电路的稳定性分析,41,3.,自激振荡条件,自激振荡,反馈深度,即,又,得自激振荡条件,幅值条件,相位条件,（附加相移）,注：输入端求和的相位（,-1,）不包含在内,闭环增益,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,42,4.,稳定工作条件,破坏自激振荡条件,或,或写为,其中,G,m,幅值裕度,，一般要求,G,m, -10dB,m,相位裕度,，一般要求,m, 45,保证可靠稳定，留有余地。,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,43,5.,负反馈放大电路稳定性分析,环路增益的幅频响应写为,一般,与频率无关，,则,的幅频响应是一条水平线,利用波特图分析,关键作出,的幅频响应和相频响应波特图,水平线,的交点为,即该点满足,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,44,(2),作,水平线,判断稳定性方法,(1),作出,的幅频响应和相频响应波特图,在水平线,的交点作垂线交相频响应曲线的一点,(3),判断是否满足相位裕度,m, 45,若该点,满足相位裕度，稳定；否则不稳定。,在相频响应的,点处作垂线交 于,P,点,若,P,点在 水平线之下，稳定；否则不稳定。,或,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,45,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,稳定,稳定,不稳定,不稳定,可见：,反馈系数,F,越大即反馈越深，,则越易自激。,46,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,若能使反馈线与开环幅频特性曲线交于,20dB /,十倍频 的区域，则可有,a,135,，即有,45,及以上相位裕量，使电路稳定。,a,135,47,例、,某负反馈放大电路中，开环频率特性如图所示，设反馈网络为纯电阻网络，为保证电路稳定工作，试确定反馈系数的最大值。,解：,为保证可靠稳定，设 相位裕量为,45,，则 由图可得,:,135,48,二、 消除自激的方法,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,频率补偿,即在电路中接入一些电容、电阻元件，改变放大电路开环增益在高频段的相频特性，使电路具有足够的稳定裕量，故频率补偿也称,相位补偿。,常用措施：,电容滞后补偿或,称简单电容补偿,RC,滞后补偿,密勒效应补偿,49,简单电容补偿方法：,补偿电容加于上限频率最低的那个放大器的输入端，使反馈线只能处于,开环幅频特性曲线斜率为,20dB /,十倍频 的区域。,由于反馈线只能在横轴上方，因此补偿后，能稳定。,5.4,负反馈放大电路的稳定性分析,以简单电容补偿为例说明频率补偿原理,50,电子技术,第五章,结束,模拟电路部分,51,