负反馈放大电路

nullnull第4章 负反馈放大电路 4.1反馈的基本概念 4.2 四种负反馈电路举例 4.3 负反馈对放大器性能的影响 4.4 深度负反馈电路电压放大 倍数的估算 4.1 反馈的基本概念 4.1 反馈的基本概念 4.1.1 什么是反馈 将放大电路输出端的电压或电流，通过一定的方式，返回到放大器的输入端，对输入端产生作用，称为反馈。 引入反馈后，整个系统构成了一个闭环系统。反馈放大电路的方框图如图4.1所示。图中， 分别 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示放大器的输入、输出和反馈信号。 null 图4.1 反馈放大器方框图 null 引入反馈后，放大器的输入端同时受输入信号和反馈信号的作用。图4.1中 就是指 和 代数和后基本放大器得到的净输入信号。引入反馈后，电路中增加了反馈网络。为了区别，把未接反馈网络的放大器叫基本放大器，而把包括反馈网络在内的整个系统称为反馈放大器。 null 为什么要引入反馈？因为，没有反馈的放大器的性能往往不理想，在许多情况下不能满足需要。引入反馈后，电路可根据输出信号的变化控制基本放大器的净输入信号的大小，从而自动调节放大器的放大过程，以改善放大器的性能。例如，当反馈放大器的输出电压 偏离正常值而增大时，反馈网络能自动减小放大器的净输入信号，抑制 的增大。所以，反馈能稳定输出电压。根据同样的道理，负反馈也能稳定输出电流。这是将要讲到的负反馈的作用之一。 null 4.1.2 反馈的分类和性质 1.反馈类型 反馈网络可以向输入端反馈输出电压，也可以反馈输出电流。 电压反馈时，要把反馈网络并接在输出电压两端，如图4.2(a)所示。此时，反馈网络中每一个元件两端的电压都随放大器输出端负载两端电压的变化而变化，其中一部分元件上的电压能对放大器输入端产生作用，形成反馈。这些元件上的电压称为取样电压。在电压反馈中，信号源、基本放大器和反馈网络三者互相并联。图中，将基本放大器和反馈网络分别用 和 表示。 null 图4.2 反馈放大器组成框图 null 电流反馈时，要把反馈网络串接在输出电流流通的途径中，如图4.2(b)所示。这时，流过反馈网络中每一个元件上的电流都随流过负载的输出电流的变化而变化，其中一部分元件上的电流能对放大器输入端产生作用，形成反馈。这些元件上的电流称为取样电流。在电流反馈中，信号源、基本放大器和反馈网络三者串联。 null 图4.2 反馈放大器组成框图 null 若将负载假想短路，在电压反馈时，由于输出电压 =0，取样电压也为0，反馈作用消失；而在电流反馈时，负载短路后输出电流仍然流动，反馈作用仍然存在。故判断电压反馈还是电流反馈的方法，是将负载假想短路，若反馈消失，是电压反馈，否则是电流反馈。 null 在放大器输入端，信号源、基本放大器和反馈网络三者可以采用如图4.2(a)所示的并联形式或如图4.2(b)所示的串联形式，它们分别称为并联反馈和串联反馈。若将放大器输入端对地假想短路，这时，在图4.2(a)所示的并联反馈电路中，反馈网络被短路，无法送出反馈信号，反馈作用消失；而在图4.2(b)所示的串联反馈电路中，反馈网络仍然对基本放大器产生作用，反馈作用依然存在。所以，判断输入端是并联反馈还是串联反馈的方法，是把放大器输入端短路，若反馈作用消失，就是并联反馈，否则为串联反馈。 null 在并联反馈时，信号源、基本放大器和反馈网络三部分连在同一个节点上，故只能用KCL电流定律来分析，如图4.2(a)中的 、 和 ；而在串联反馈电路中，三部分电路串联，就只能用KVL电压定律来分析，如图4.2(b)中的 、 和 。 串联反馈时，信号源内阻越小，反馈作用越强；并联反馈时，信号源内阻越大，反馈作用越强。 由于输入端和输出端的连接方式各有两种，故反馈类型共有四种，即电压串联反馈、电压并联反馈、电流串联反馈和电流并联反馈。 null 2. 反馈性质 若反馈信号削弱原来的输入信号，使净输入信号减小，则为负反馈；反之为正反馈。 null 4.1.3负反馈的一般关系式 在图4.1所示的反馈电路方框图中，设基本放大器的传输系数为 。又设反馈网络的反馈系数是 :负反馈时 所以 可以得到，反馈放大器的放大倍数为 null 其中，1+ 叫做反馈深度，是描述反馈强弱的 物理量。可见，引入负反馈后，放大器的放大倍数下降。 这里， 叫做广义放大倍数，在不同的反馈类型中， 的含义不同。在电压并联负反馈电路中，输入端的观察对象是电流，输出端的观察对象是电压，从输入端的电流变为输出端的电压， 的量纲是阻抗。在电流串联负反馈电路中， 的量纲是导纳。在其它两种反馈类型中，输入端和输出端的观察对象同是电压或者同是电流，所以 是电压传输系数或者是电流传输系数，无量纲。反馈系数 也有同样的情况。在后面的分析中，为了表达式简明， 和 均用实数A、F表示。 4.2 四种负反馈电路举例 4.2 四种负反馈电路举例 在本节中，将结合实例练习判断反馈类型的方法，并讲授用瞬时极性法判断正负反馈的方法。所谓瞬时极性法，就是假定反馈环路中的某一点（一般选放大器输入端）对地电位瞬时上升或下降，然后沿着闭环逐点分析电位的变化。返回起点时，若反馈信号加强了起始信号，则为正反馈，否则为负反馈。如果是多级放大器，级与级间的反馈称做越级反馈，只在一级放大器内部的反馈叫本级反馈。 下述分析，以分析交流信号反馈为主。 null 例4.1 判断如图4.3所示电路的反馈类型和性质。 解 要确定一个放大器中有没有反馈，就要观察有没有能把输出端和输入端连接起来的网络。在本电路中，电阻R4和Rf能把输出端交流信号返回到输入端，故本电路中存在交流信号的反馈。C4是隔直电容，对交流可看作短路。 将负载RL假想短路，Rf右端接地，就不能把输出信号反馈到输入端去，所以反馈作用消失，故本电路是电压反馈。若去掉C5，将C4右端改接到V2发射极，则成为电流串联正反馈。请自己判断一下。 null 图4.3 反馈实例1 (a)电路图 (b)反馈网络 null 将放大器输入端假想短路（Ui=0），R4从Uo分到的电压仍能对放大器输入端产生作用，即反馈不消失，所以是串联反馈。R4上的电压是反馈电压Uf，三极管V1的BE结上的电压是基本放大器输入电压U′I。 下面用瞬时极性法判断反馈性质。假定放大器输入端电位瞬时上升（用表示，下降则用表示），在电路中形成下述反馈过程： Ui（Ub1）↑→U′i↑→Uc1↓→Uo↑→Ue1（Uf)↑→U′i↓ 可见是负反馈。整个电路的反馈是电压串联负反馈。 null 电路的反馈网络如图4.3（b）所示。虽然输入信号也对R4、Rf产生作用，但这里考虑的是“反馈”，所以只考虑输出端对输入端的作用。本电路的反馈系数 由于是电压反馈，所以输出信号取Uo而不取Io； 由于是串联反馈，反馈信号是Uf而不是If。 由于 所以 null 例4.2 判断图4.4所示电路的反馈类型和性质。 图4.4 反馈实例2 (a)电路图； (b)反馈网络 null 解 放大器输出电流原来的意义是指流过负载的电流。但像图4.4所示的这种从三极管集电极输出的电路，由于负载上的电流和三极管集电极电流同步变化，所以在不致造成混乱的情况下，把三极管集电极电流作为输出电流。 在图4.4所示电路中，输出电流Io的变化，必然造成Re1端电压的变化。而Re1端电压的变化，又肯定对V的BE结上的压降产生作用，即输出信号对输入端产生作用，所以存在着反馈。 null 将负载假想短路，Io仍旧流动，反馈依然存在，故是电流反馈。将放大器输入端对地假想短路，由Io在 Re1上产生的电压仍能作用到三极管BE结上，反馈不消失，故是串联反馈，三极管BE结上电压是U′i。假定U′i下降，则反馈过程如下： Ui↓→If↓→Ue↓→U′i↑  所以，这个电路中的反馈是负反馈。整个电路是电流串联负反馈。 null 对直流来说，Re1和Re2的串联电阻有着与上述交流负反馈过程同样的反馈作用。这个直流反馈抑制三极管静态电流的变化，所以有稳定静态工作点的作用。例4.1中R4和R8也有同样的作用。一般来说，凡串接在三极管发射极的电阻都有直流电流负反馈作用，能够稳定静态工作点。 反馈系数  其中，Io的正方向为从发射极流进，从集电极流出。 null 例4.3 判断图4.5所示电路的反馈类型和性质。 图4.5反馈实例3 (a)电路图； (b)反馈网络 null 解 输出端假想短路，输出电流仍然流动，经R3和R5分流后，R3上的电流对放大器输入端产生作用，故是电流反馈；将输入端假想短路，R3左端接地，反馈作用消失，故是并联反馈。 在判断并联反馈的极性时，把输入电流Ii看作常数，If+I′i=Ii。三极管基极电流就是基本放大器输入电流I′i。判断过程如下： Ui↑→I′i↑→Uc1↓→Ie2（-Io）↓→If↑→I′i↓ 上述判断过程中，Ie2的正方向为从三极管流出。当Ie2减小时，给R3的分流减小，朝左流的电流减小，朝右流的If增大。所以，电路是负反馈。null 还可以这样分析：Uc1↓→Ue2↓→If↑。这是因为，R3右端电位下降，所以R3上朝右流的电流If增大。 这里，不能因Ui上升，直接得到R3上的电流If上升。因为R3上的电流同时受输入、输出信号的作用，由两部分组成。但这里只考虑“反馈”电流，是指只决定于输出信号的电流。所以，在用瞬时极性法判定正负反馈时，应该沿基本放大器到输出端，再沿反馈网络返回输入端这样的途径来确定反馈极性。 null由于 所以反馈系数 其中，Io的正方向是从三极管集电极向外流，而且 Io=-Ie2。 null 例4.4 判断图4.6所示电路的反馈类型和性质。 图4.6反馈实例4 (a)电路图； (b)反馈网络 null 解 输出端假想短路，传输反馈信号的R1右端接地，反馈作用消失，故是电压反馈；将输入端对地假想短路，经R1传输过来的反馈信号被短路，反馈作用消失，故是并联反馈。 反馈极性的判定： Ub↑→I′i↑→Uc↓→If↑→I′i↓，故为负反馈。 由于If=-Uo/R1，所以反馈系数 null 例4.5 图4.7各电路是用集成运放组成的放大器，判断其反馈类型及极性。 解 在分立元件电路中，Ui的一端直接接到基本放大器的一个输入端上。区别串并联反馈时，只要把基本放大器接Ui的输入端对地假想短路，也就是把Ui短路即可。   在集成运放组成的反馈放大器中，基本放大器是集成运放。但Ui是通过集成运放的偏置电阻以后才加到集成运放的输入端上，所以，这里把基本放大器输入端对地短路就不是把Ui对地短路，而是Ui经偏置电阻加在集成运放的哪个输入端，就把哪个输入端对地短路。 null 图4.7 由集成运放组成的反馈放大器 null 图4.7 由集成运放组成的反馈放大器 null 图4.7 由集成运放组成的反馈放大器 null 图4.7 由集成运放组成的反馈放大器 null 现以图4.7(d)为例判断电路的反馈类型和性质。图中，将负载RL假想短路，输出电流Io仍然流动，经R3、R4对放大器输入端产生作用，故是电流反馈；集成运放反相输入端假想接地，R3的上端接地，反馈消失，故是并联反馈。 若集成运放反相输入端电位U′i上升，则有以下反馈过程：  U′i↑→I′i↑→Uo↓→Ua↓→If↑→I′i↓ 故电路是负反馈。null 图4,7（a）、(b)、(c)所示三个电路依次是电压串联正反馈、电压并联负反馈和电流串联正反馈。请用上述方法自己判断。 4.3 负反馈对放大器性能的影响 4.3 负反馈对放大器性能的影响 4.3.1 提高了放大倍数的稳定性 引入负反馈以后，放大器的放大倍数由A变为Af=A/(1+Af)。将Af对A求导，得到 null 上式说明，引入负反馈以后，由于某种原因造成放大器放大倍数变化时，负反馈放大器的放大倍数变化量只有基本放大器放大倍数变化量的1/(1+AF)2，放大器放大倍数的稳定性大大提高。  null 4.3.2 展宽频带 在放大器的低频端，由于耦合电容阻抗增大等原因，使放大器放大倍数下降；在高频端，由于分布电容、三极管极间电容的容抗减小等原因，使放大器放大倍数下降。 引入负反馈以后，当高、低频端的放大倍数下降时，反馈信号跟着减小，对输入信号的削弱作用减弱，使放大倍数的下降变得缓慢，因而通频带展宽，如图4.8所示。图中A和Af分别表示负反馈引入前后的放大倍数，Af和fH分别表示负反馈引入前的下限频率和上限频率，fLF和fHF分别表示引入负反馈后的下限频率和上限频率。 null 图4.8 负反馈展宽频带 null 根据分析，引入负反馈后，放大器下限频率由无负反馈时的fL下降为fL/（1+AF），而上限频率由没有负反馈时的fH上升到（1+AF）fH。放大器的通频带得到展宽，展宽后的频带约是未引入负反馈时的（1+AF）倍。 null 4.3.3 减小非线性失真 由于放大电路中存在着三极管等非线性器件，所以，即使输入的是正弦波，输出也不是正弦波，产生了波形失真，如图4.9（a）所示。输入的正弦波在输出端输出时，变成了正半周幅度大、负半周幅度小的失真波形。 null 图4.9负反馈减小非线性失真 (a)无负反馈； (b)有负反馈 null 引入负反馈后，输出端的失真波形反馈到输入端，与输入信号相减，使净输入信号幅度成为正半周小负半周大的波形。这个波形被放大输出后，正负半周幅度的不对称程度减小，非线性失真得到减小，如图4.9（b）所示。 注意，负反馈只能减小放大器自身的非线性失真，对输入信号本身的失真，负反馈放大器无法克服。 null 4.3.4 对放大器输入、输出电阻的影响 设基本放大器的输入、输出电阻分别为ri、ro，负反馈放大器的输入、输出电阻分别为rif、rof。 1.对输入电阻的影响 1）串联负反馈使输入电阻增大 由于负反馈网络与基本放大器串联，故使放大器的输入电阻增大。根据推算，串联负反馈时，rif=（1+AF）ri。 null 2）并联负反馈使输入电阻减小 由于负反馈网络与基本放大器并联，使得放大器的输入电阻减小。根据推算，并联负反馈时， rif=ri/（1+AF）。 null 2. 对输出电阻的影响 1）电压负反馈使输出电阻减小 由于负反馈网络与基本放大器并联，使得放大器的输出电阻减小。根据推算，并联负反馈时，rof=ro/(1+AF)。 2)电流负反馈使输出电阻增大 由于负反馈网络与基本放大器串联，使得放大器的输出电阻增大。增大情况与具体电路有关。 4.4 深度负反馈电路电压放大倍数的估算 4.4 深度负反馈电路电压放大倍数的估算 对于负反馈放大电路的严格计算，本书限于篇幅，不作讨论。清华大学童诗白教授的《模拟电子技术基础》一书中有很好的讲解，深入浅出，难度不大。要掌握这部分内容，请读者阅读该书相关章节。 对于1+AF>>1的深度负反馈放大器来说，由于1+AF≈AF，所以有Af=A/(1+AF)≈A/AF≈1/F。 null 根据Af和F的上述关系，可以先找出反馈系数F，再算出Af。实际中需要计算的往往是电压放大倍数。而用上述关系计算出来的Af，除电压串联负反馈电路的Af表示电压放大倍数之外，其它组态电路的Af都不是电压放大倍数。要得到电压放大倍数，还要经过换算。 下面从另一角度出发，介绍一种粗略估算深度负反馈电路的电压放大倍数的方法。由于Af≈1/F=Xo/Xi，所以Xi=FXo=(Xf/Xo)Xo=Xf。这样，在串联负反馈电路里，Uf≈Ui，U′ i≈0。 null 而在并联负反馈电路里，If≈Ii，I′i≈0。同时，深度并联负反馈电路的输入电阻近似为0，故Ui≈U′i≈0。在这种假设情况下，用近似方法无法计算放大器本身的电压放大倍数。但是，由于整个电路的输入电流Ii≈Ii=(US-Ui)/RS≈US/RS。US和RS为信号源电压和内阻。利用这个关系，可以粗略计算出输出电压Uo相对于信号源电压US的放大倍数Aufs，Aufs=Uo/US。 null 例4.6计算图4.10所示电压串联负反馈电路的电压 放大倍数。 图4.10 电压串联负反馈电路 null图4.10 电压串联负反馈电路 null 另外，第二章讨论过的共集电极放大器也是电压串联负反馈电路。由于是全反馈，Uo≈Ui,Ui≈Uf，所以，Auf≈1。前面已经得到结论，这种电路的电压放大倍数近似为1。 null 例4.7 计算图4.11所示电流串联负反馈电路的电压放大倍数。  解 在图4.11（a）中，设输出电流Io为三极管集电极电流，且流出为正,则有 而Ui≈Uf=-IoRe1，所以  null 图4.11 电流串联负反馈电路 null 在图4.11(b)中，负载电阻跨接在反相输入端和输出端之间，Uf=IoR1,Uo=IoRL,Ui=Uf，所以 null 例4.8 计算图4.12所示电压并联负反馈电路的电压 放大倍数。 图4.12 电压并联负反馈电路 null 图4.12 电压并联负反馈电路 null 在图4.12(b)中，由于是电压并联负反馈，基本放大器输入端是集成运放反相输入端。这里的U′i≈0，If=-Uo/Rf。本电路中的Ui和R1相当于信号电压源及其内阻，Ii=Ui/R1，又由于Ii≈If，所以-Uo/Rf=Ui/R1，于是得 null 例4.9 计算图4.13所示电流并联负反馈电路的电压 放大倍数。 图4.13 电流并联负反馈电路 null 图4.13 电流并联负反馈电路 null 解 在图4.13(a)中，设输出电流Io是三极管V2的集 电极电流，且规定流出为正。由于Ui≈0， 在图4.13(b)中，负载电阻跨接在反相输入端和输出 端之间。 null 本电路中的Ui和R1相当于信号电压源及其内阻，Uo=-IoRL，U′i≈0，故Ii=Ui/R1。综合这些条件，可以得到