低频电子电路07章.ppt

低频电子电路 何丰 人民邮电出版社 21世纪高等院校信息与通信工程规划教材 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 第七章反馈放大结构与应用 低频电子电路 电子设备对所应用的放大器的质量要求越来越高 要求放大器的非线性失真小 频率特性好 增益稳定度高 并且具有所需要的输入 输出电阻 提高放大器的质量的一个重要措施就是在基本放大器基础上加一负反馈网络 引入负反馈可以改善放大器的性能 如提高放大器的增益稳定度 展宽频带 减小非线性失真等 因而负反馈在电子电路中应用非常广泛 可以这么说几乎所有的实用放大电路都是带负反馈的电路 7 1负反馈放大结构 关注反馈放大结构 具体元器件 7 2负反馈放大结构的指标分析 方框图分析法 关注负反馈电路原理 具体分析步骤 7 3反馈放大结构的频率特性与自激现象 关注频率特性与正反馈自激 7 4集成反馈放大结构的小信号运用分析 工程近似计算法 关注小信号工程近似手段与方法 低频电子电路 7 1负反馈放大结构 7 1 1反馈放大结构的实现及标准电量认定分析 7 1 2负反馈的增益稳定性质与负反馈电路 7 2负反馈放大结构的指标分析 方框图分析法 7 2 1反馈结构的基本放大器 7 2 3负反馈结构的方框图计算 7 2 2反馈结构的输入输出电阻变化 低频电子电路 反馈 电量通过一个循环后 对原电量的变化形成产生影响的现象称为反馈 第7章反馈放大结构与应用 针对信号来说 将放大器输出信号的一部分或全部 通过反馈网络回送到电路输入回路 并对输入信号进行调整的现象 称为反馈 即可以抽象出 反馈结构 如下图所示 第7章反馈放大结构与应用 7 1反馈放大结构 输出信号 输入信号 反馈信号 xif x i xf为分别代表满足反馈输入结构要求的电量 是反馈放大器的标准物理量 它们具体是电压量或是电流量则要由具体电路来决定 第7章反馈放大结构与应用 输出信号 输入信号 反馈信号 xof代表满足反馈输出结构要求的电量 也是反馈放大器的标准物理量 我们注意到基本放大器的输出电量 反馈网络输入电量和反馈结构输出电量均为同一个电量 因此统一用一个xof表示 第7章反馈放大结构与应用 7 1 1反馈放大结构的实现及标准电量认定 第7章反馈放大结构与应用 第7章反馈放大结构与应用 电流串联负反馈的标准物理量为 vif v i vf iof 第7章反馈放大结构与应用 电流并联负反馈的标准物理量为 iif i i if iof 定性确定正向放大通道 定性确定反向反馈通道 第7章反馈放大结构与应用 反馈结构 具体电路各元器件定性归属反馈框图中何部分 电压串联反馈 第7章反馈放大结构与应用 反馈结构 具体电路各元器件定性归属反馈框图中何部分 电压串联反馈 第7章反馈放大结构与应用 反馈结构 具体电路各元器件定性归属反馈框图中何部分 电流串联反馈 设外接电容C交流短路 第7章反馈放大结构与应用 反馈结构 具体电路各元器件定性归属反馈框图中何部分 电流并联反馈 7 1 2负反馈的增益稳定性质与负反馈电路 第7章反馈放大结构与应用 负反馈定义 电量通过一个循环后 对原电量的变化形成产生影响的现象称为反馈 结论 负反馈是指电量通过一个循环后 对原电量的变化形成制约的反馈现象 7 1 2负反馈的增益稳定性质与负反馈电路 第7章反馈放大结构与应用 正反馈定义 电量通过一个循环后 对原电量的变化形成产生影响的现象称为反馈 结论 正反馈是指电量通过一个循环后 加大原电量变化的反馈现象 1 负反馈结构的增益稳定性与失真分析 第7章反馈放大结构与应用 增益稳定性 开环增益 反馈系数 反馈增益 环路增益 环路增益T是衡量反馈强弱的一项重要指标 其值直接影响电路性能 第7章反馈放大结构与应用 闭环增益稳定性 在负反馈T 1的条件下 闭环增益近似为 称T 1时的负反馈为深度负反馈 值得注意的是 负反馈类型不一样 稳定的增益是不同的 电压串联负反馈能稳定电压增益 电流并联负反馈能稳定电流增益 而电压并联负反馈稳定的是电阻增益 电流串联负反馈稳定的是电导增益 第7章反馈放大结构与应用 值得注意的是 负反馈增益稳定 能减小放大通路的失真 反馈系数越稳定 标准反馈增益越稳定 反馈系数稳定 标准闭环增益稳定 负反馈电路失真减小 含非线性和频率失真 温度稳定性也因反馈系数的稳定而稳定 2 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 首先 应确认反馈放大结构的输入输出位置 其次 找出电量循环的制约关系 最后 根据电量制约关系认定正负反馈 2 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 1 由反馈类型判断法确定反馈放大结构的输入输出位置 第7章反馈放大结构与应用 2 由瞬时极性法确定反馈电量间的制约关系 瞬时极性法的要素有 在电路中用 来表示相对于参考地的各电路观察点的电位增加 来表示电位减小 从基本放大器输入到输出采用不加圈的 符号来标注 从反馈网络的输入到输出采用加圈的 符号来标注 以显示电量变化的制约流向 第7章反馈放大结构与应用 3 根据电量制约关系认定正负反馈 通过反馈环路中 假设TV1管基极瞬时极性为 后 异端异号 正反馈 由环路制约 得TV1管发射极为 的结论 也就是说 反馈环路通过扩大TV1管发射结电压差加大了信号电量的变化 即电路应属于正反馈 2 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 异端同号 负反馈 例7 1 3 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 同端异号 负反馈 例7 1 4 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 异端同号 负反馈 例7 1 5 正 负反馈判断 第7章反馈放大结构与应用 异端同号 负反馈 7 2负反馈放大结构的指标分析 方框图分析法 方框图法有利于理解负反馈放大电路的工作原理 下面以小信号共发射极放大电路为案例 利用 电路分析 的等效化简分析法 说明方框图分析法的要点 第7章反馈放大结构与应用 关键名词 负载效应 基本放大电路 反馈系数 方框图分析案例 第7章反馈放大结构与应用 1 负反馈放大器区域划分与调整 第7章反馈放大结构与应用 第7章反馈放大结构与应用 2 调整后的基本放大器 增加了由反馈网带来的两部分 负载效应 阻抗 RE 同时 调整后反馈网络理想化了 反馈输出回路的基本放大器标注vE的电压 正好 与反馈网络中的反馈电量相等 即可以利用基本放大电路来求反馈系数 方框图分析案例 基本放大电路画法 第7章反馈放大结构与应用 3 对串联结构可通过令输出电流为零 来获取基本放大电路输入端的负载效应阻抗 基本放大电路输出端的负载效应阻抗类似 7 2 1反馈结构的基本放大器 负反馈放大器的基本放大电路是计算基本放大电路部分和反馈系数指标的关键 第7章反馈放大结构与应用 1 该电路为电压并联负反馈放大电路 例7 2 1 画基本放大电路 第7章反馈放大结构与应用 2 对并联结构可通过令电压为零 来获取基本放大电路 第7章反馈放大结构与应用 1 令输出电压为零 来获取基放输入负载效应阻抗 2 令输入电压为零 来获取基放输出负载效应阻抗 3 最后 照原图画出基放中间部分 7 2 2反馈结构的输入 输出电阻变化 第7章反馈放大结构与应用 串联反馈 基放输入电阻 环路增益 反馈电路输入电阻 7 2 2反馈结构的输入 输出电阻变化 第7章反馈放大结构与应用 并联反馈 基放输入电阻 环路增益 反馈电路输入电阻 第7章反馈放大结构与应用 输出电阻 从反馈结构的输出端 回看的反馈环路增益 电压反馈 Ao负载开路基放增益 电流反馈 As负载短路基放增益 由上图反馈结构输入端的理想情况 可推得 第7章反馈放大结构与应用 电压反馈时的输出电阻 电压负反馈输出电阻 类似于并联负反馈的输入电阻 ks 0 1 Aokfks 0 第7章反馈放大结构与应用 电压反馈时的输出电阻 电流负反馈输出电阻 类似于串联负反馈的输入电阻 ks 0 1 Askfks 0 7 2 3反馈结构的方框图计算 第7章反馈放大结构与应用 例7 2 2负反馈电路如下图所示 计算交流指标 第7章反馈放大结构与应用 1 判断反馈类型 电流串联负反馈 确定标准输入电量为 电压 确定标准输出电量为 电流 明确反馈位置 第7章反馈放大结构与应用 2 画出基本放大电路 求出反馈组成部件的指标 确定基放的标准电导增益 第7章反馈放大结构与应用 等效求出标准反馈系数 第7章反馈放大结构与应用 3 对反馈结构指标进行分析 确定标准电导增益 确定输入 输出电阻 第7章反馈放大结构与应用 4 求反馈放大器的技术指标 根据要求 求电压增益 求输入 输出电阻 第7章反馈放大结构与应用 5 若电路满足深负反馈条件 根据要求 求电压增益 求输入 输出电阻 第7章反馈放大结构与应用 6 深负反馈放大器计算流程 a 确定反馈位置 类型和标准指标定义 c 得出反馈结构指标 如下图案例所示 b 画出基本放大器输出部分 求出反馈系数 d 根据要求 求出放大器指标 第7章反馈放大结构与应用 6 深负反馈放大器计算 习题7 9 放大电路如题图7 9所示 请将Rf连接在电路中构成负反馈 要求输出电阻小 并写出深度负反馈时的电压增益表达式 7 3反馈放大结构的频率特性与自激现象 第7章反馈放大结构与应用 反馈结构频率特性与组成结构的基本放大器和反馈网的频率特性的关系讨论如下 反馈放大器频率特性 7 3 1负反馈结构对上 下限频率的影响 第7章反馈放大结构与应用 1 若基本放大器在中高频区的增益表达式为 7 3 1负反馈结构对上 下限频率的影响 则反馈结构增益为 为了讨论的方便 假设反馈网络只由电阻元件构成 即反馈系数与频率无关 其中 结论 相对基本放大器 反馈放大器上限截止频率提高了 第7章反馈放大结构与应用 2 若基本放大器低中频的增益表达式为 则反馈结构增益表达式为 其中 结论 相对基本放大器 反馈放大器下限截止频率降低了 总之 负反馈以降低中频增益为代价 拓展了中频区维持增益不变的频率范围 有利于放大更宽频率范围的信号 第7章反馈放大结构与应用 实际上 放大器在中频区施加负反馈时 有可能因Akf在高 或低 频区的附加相移 相对中频区的相位变化 使电路由中频区的负反馈变为高 或低 频区的正反馈 进而可能引起电路的自激现象 7 3 2负反馈放大器的自激现象 正反馈 自激现象 中频区负反馈时的实数 非中频区时 可能存在使满足小于零的实数频率点 即电路在高 或低 频区内存在使电路满足正反馈的频率点 第7章反馈放大结构与应用 高频区或低频区时 若满足的实数 则电路变为正反馈 相对应的频率信号会在反馈环路中循环 若这时环路增益大于或等于1 即则该信号会不断自行维持或自行变大 后者会引起电路出现截止或饱和情况 通常称这种不受控于输入的情况为自激现象 相应的 反馈 电路也就不再是我们需要的放大电路 即放大电路失效了 若则 第7章反馈放大结构与应用 若 则闭环自激条件 改为 的实数 例 根据T的典型波特图 可以得出不自激条件 第7章反馈放大结构与应用 稳定裕量 4 为了消除温度对增益器件带来的不确定性 我们通常将上述 改为 4 以确保无论温度引起的电路参数如何变化 电路都不会自激 不自激工程条件 第7章反馈放大结构与应用 例题7 3 1 已知 以及如下图所示波特图 解 1 负反馈电路在中频时 即 若该反馈系数相位与频率无关 第7章反馈放大结构与应用 例题7 3 1解 2 找出基放幅频特性 反馈环路幅频特性和反馈系数的关系 因为 即 第7章反馈放大结构与应用 例题7 3 1解 3 在确保环路中频增益最大 即最小条件下 确定工程不自激的反馈系数 按工程不自激找到 令T 0 得 解决方法 采用相位补偿技术 在中频区 反馈系数kf越大 反馈越深 电路性能越好 在高频区 kf越大 相位裕量越小 放大器工作越不稳定 在中频增益AI基本不变的前提下 设法拉长 P1与 P2之间的间距 或加长斜率为 20dB 十倍频 线段的长度 使得kf增大时 仍能获得所需的相位裕量 相位补偿基本思想 滞后补偿技术 超前补偿技术 7 3 3负反馈放大器的相位补偿 第7章反馈放大结构与应用 滞后补偿技术 简单电容补偿和弥勒电容补偿 简单电容补偿 降低 P1 补偿方法 将补偿电容C 并接在集成运放产生第一个极点角频率的节点上 使 P1降低到 d P1降低到 d 反馈增益线下移 稳定工作允许的kf增大 返回 第7章反馈放大结构与应用 d与kf之间的关系 由图 十倍频 整理得 kfv d 反馈电路稳定性 但 H kfv 1时 此时kfv无论取何值 电路均可稳定工作 第7章反馈放大结构与应用 例1 一集成运放AvdI 105 fP1 200Hz fP2 2MHz fP3 20MHz 产生fP1节点上等效电路R1 200K 接成同相放大器 采用简单电容补偿 解 1 求未补偿前 同相放大器提供的最小增益 根据题意 可画出运放的幅频渐近波特图 未补偿前 为保证稳定工作 Avfmin 104 即 第7章反馈放大结构与应用 解 2 若要求Avf 10 求所需的补偿电容C 则 由 得 由 得 3 若要求Avf 1 求所需的补偿电容CS 解 则 第7章反馈放大结构与应用 简单电容补偿缺点 密勒电容补偿 降低 P1 增大 P2 补偿方法 将补偿电容C 跨接在三极管B极与C极之间 利用密勒倍增效应 使 P1降低 P2增大 拉长 P1与 P2之间的间距 这种补偿方法又称极点分离术 分析略 补偿电容C 数值较大 F量级 集成较困难 密勒电容补偿优点 用较小的电容 PF量级 即可达到补偿目的 返回 第7章反馈放大结构与应用 超前补偿技术 引入幻想零点 补偿思路 在 P2附近 引入一个具有超前相移的零点 以抵消原来的滞后相移 使得在不降低 P1的前提下 拉长 P1与 P2之间的间距 在反馈电阻Rf上并接补偿电容C 补偿方法 则 其中 返回 第7章反馈放大结构与应用 相位补偿技术在宽带放大器中的应用 返回 第7章反馈放大结构与应用 7 4集成反馈放大结构的小信号运用分析 工程近似计算法 第7章反馈放大结构与应用 得 由反馈结构 以及满足不自激的深度反馈条件下 即净输入近似为零 第7章反馈放大结构与应用 条件1 基本放大器电压型集成运放 条件2 反馈结构为不自激的深度反馈 a 转移特性 b 直折线近似特性1 c 直折线近似特性2 回顾 运放转移特性的直折线近似 第7章反馈放大结构与应用 第7章反馈放大结构与应用 推论1 微弱净输入激励满足运放的小信号线性运用条件 推论2 反馈结构的输入输出关系可以利用反馈网络本身的电压电流制约来近似求解 即工程近似计算法 线性应用基础电路模型 Z1或Zf采用非线性器件 如晶体管 则可构成对数 反对数 乘法 除法等运算电路 Z1或Zf采用线性器件 R C 则可构成加 减 积分 微分等运算电路 第7章反馈放大结构与应用 理想运放在小信号线性应用时的特点 因 因 虚短 虚断 注 通常可以将 理想运算放大器条件 理解为工程近似计算的基础 第7章反馈放大结构与应用 一 理想运放在小信号线性应用时的特点 1 反相放大器 反馈类型 电压并联负反馈 因 则 因 则 由图 输出电压表达式 输入电阻 输出电阻 因深度电压负反馈 第7章反馈放大结构与应用 2 同相放大器 反馈类型及性质 电压串联负反馈 因 则 因 由图 输出电压表达式 输入电阻 输出电阻 因深度电压负反馈 因 则 第7章反馈放大结构与应用 3 电压跟随器 由于 所以 同相跟随器性能优于射随器 注 射随器交流简化图 第7章反馈放大结构与应用 反相加法器 因 则 因 则 即 整理得 说明 线性电路除可以采用 虚短 虚断 概念外 还可采用叠加原理进行分析 同相加法器 利用叠加原理 则 第7章反馈放大结构与应用 4 减法器 令vs2 0 则 令vs1 0 利用叠加原理进行分析 若R1 R2 R3 Rf 则有 差动特性 称比例减法器或差动放大器 第7章反馈放大结构与应用 5 微分 因 则 该电路的传递函数为 6 积分电路 因 则 该电路的传递函数为 第7章反馈放大结构与应用 波形变换 输入方波 积分输出三角波 微分输出尖脉冲 第7章反馈放大结构与应用 对数变换器 利用运算法得 由于 整理得 缺点 vo受温度影响大 动态范围小 vs必须大于0 反对数变换器 利用运算法则得 由于 整理得 第7章反馈放大结构与应用 7 4 2小信号的频域分析举例 有源滤波器 滤波器的功能 对频率进行选择 过滤掉噪声和干扰信号 保留下有用信号 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器 理想有源滤波器的频率响应 本节讨论由运放及RC元件构成的滤波器 第7章反馈放大结构与应用 传递函数中出现 的一次项 故称为一阶滤波器 传递函数 20dB 十倍频 45 十倍频 其中 电路特点 第7章反馈放大结构与应用 传递函数中出现 的二次项 故称为二阶滤波器 传递函数 当Ao 3时 Q 有源滤波器自激 由于将C1接到输出端 等于在高频端给LPF加了一点正反馈 所以在高频端的放大倍数有所抬高 甚至可能引起自激 以上两式表明 当21 在f fo处的电压增益将大于Ao 幅频特性在f fo处将抬高 第7章反馈放大结构与应用 1 一阶有源高通滤波器 传递函数 其中 20dB 十倍频 45 十倍频 第7章反馈放大结构与应用 由此绘出频率响应特性曲线 1 通带增益 2 频率响应 其中 结论 当f f0时 幅频特性曲线的斜率为 40dB dec 当AO 3时 电路自激 第7章反馈放大结构与应用 有源带通滤波器 可由低通和高通串联得到 必须满足 低通特征角频率 高通特征角频率 第7章反馈放大结构与应用 有源带阻滤波器 可由低通和高通并联得到 必须满足 第7章反馈放大结构与应用