電路與模擬電子技術(shù)原理第9章1負(fù)反饋課件

1、電路與模擬電子技術(shù)原理第九章負(fù)反饋放大器*1第9章 負(fù)反饋放大器9.1 負(fù)反饋9.2 負(fù)反饋放大電路9.3 負(fù)反饋放大電路舉例*29.1 負(fù)反饋由于放大器件自身的非線性以及溫度、濕度、電源電壓波動(dòng)、噪聲信號(hào)等各類環(huán)境因素的干擾，使輸出信號(hào)產(chǎn)生失真。怎么解決輸出信號(hào)的失真？*39.1 負(fù)反饋9.1.1 前饋和反饋（開(kāi)環(huán)與閉環(huán)）9.1.2 利用負(fù)反饋穩(wěn)定放大倍數(shù)9.1.3 相移、正反饋與自激振蕩*49.1.1 前饋和反饋（開(kāi)環(huán)與閉環(huán)）1前饋和開(kāi)環(huán)思路：干擾信號(hào)造成失真，就應(yīng)該由干擾信號(hào)補(bǔ)償。 *5前饋放大器的缺點(diǎn)使用開(kāi)環(huán)控制的前饋放大器，抑制干擾的性能并不好，這是因?yàn)椋菏紫?，前饋只能用?lái)糾正可以測(cè)

2、量的干擾，這使得它對(duì)那些難以測(cè)量的干擾無(wú)能為力；其次，需要針對(duì)每一種干擾設(shè)計(jì)特定的調(diào)節(jié)電路F，所以電路復(fù)雜。*62反饋和閉環(huán)反饋：根據(jù)所測(cè)量的輸出來(lái)調(diào)整輸入。由于存在著信號(hào)的回路，所以稱為閉環(huán)控制。 *7（負(fù)）反饋控制的優(yōu)點(diǎn)反饋控制不考慮干擾的特性，只要輸出變量有波動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，因此可采用通用調(diào)節(jié)器，所以反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單。負(fù)反饋?zhàn)罱K成為電路設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制中十分重要的基礎(chǔ)理論，并用事實(shí)證明了它的有效性。 *89.1.2 利用負(fù)反饋穩(wěn)定放大倍數(shù)首先根據(jù)負(fù)反饋系統(tǒng)框圖9-3推導(dǎo)負(fù)反饋系統(tǒng)的性能參數(shù)?；痉糯笃鰽的輸入輸出特性方程為xoAxi 反饋網(wǎng)絡(luò)F的特性方程為xfFxo 疊加環(huán)節(jié)的特

3、性方程為xixixf*91閉環(huán)放大倍數(shù)xo與xi的比值稱為閉環(huán)放大倍數(shù)Af，于是Afxo/xi 于是上式說(shuō)明，放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)Af比開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A降低了（1+AF）倍，或者說(shuō)引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)降低了（1+AF）倍。 *102放大倍數(shù)的穩(wěn)定性把式(9-5)兩邊同時(shí)對(duì)A求導(dǎo)，得到上式說(shuō)明引入負(fù)反饋以后，放大倍數(shù)的相對(duì)變化率降低了（1+AF）倍，換句話說(shuō)，負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了（1+AF）倍。 負(fù)反饋以降低放大倍數(shù)為代價(jià)，換取提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。*11負(fù)反饋放大倍數(shù)舉例【例9-1】某負(fù)反饋放大器，已知開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A104，反饋系數(shù)F0.01。(1)求閉環(huán)放大倍數(shù)Af；(2)已知A的

4、相對(duì)變化量為10%，計(jì)算A的波動(dòng)范圍；(3)求Af的相對(duì)變化量，以及Af的變化范圍?！窘狻?(1) *12負(fù)反饋放大倍數(shù)舉例（續(xù)）(2) A的波動(dòng)幅度為A(10%)=103 A的波動(dòng)范圍為104103，即900011000(3)Af的相對(duì)變化量在A變化10%的情況下，Af只變化了0.1% Af的變化幅度范圍是Af(10.1%)=99.01(10.1%)，即98.999.1 *133深度負(fù)反饋上述討論表明，負(fù)反饋對(duì)放大倍數(shù)穩(wěn)定性的改善程度取決于（1+AF）的值，所以（1+AF）是表明負(fù)反饋性能的一個(gè)重要指標(biāo)，稱為反饋深度。當(dāng)深度負(fù)反饋，即1+AF1時(shí)可見(jiàn)深度負(fù)反饋時(shí)，閉環(huán)放大倍數(shù)Af僅僅與反饋系

5、數(shù)F有關(guān)，而與開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A無(wú)關(guān)。 *14深度負(fù)反饋（續(xù)）放大倍數(shù)A反映了半導(dǎo)體放大器件的特性，它通常是不穩(wěn)定的；反饋系數(shù)F所反應(yīng)的是反饋網(wǎng)絡(luò)的特性，只要我們選用穩(wěn)定的器件構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)就能夠穩(wěn)定，進(jìn)而讓整個(gè)放大器的放大倍數(shù)變得十分穩(wěn)定。利用深度負(fù)反饋的可以獲得非常穩(wěn)定的放大倍數(shù)。 *15深度負(fù)反饋（續(xù)）實(shí)踐中，反饋網(wǎng)絡(luò)通常是由電阻、電容等無(wú)源元件所構(gòu)成，其參數(shù)很穩(wěn)定，于是可以得到穩(wěn)定的F；而基本放大器通常由具有極高開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的集成運(yùn)放構(gòu)成，于是A極大。滿足1+AF1這個(gè)條件是很容易辦到的事，所以深度負(fù)反饋很有實(shí)際意義。 *169.1.3 相移、正反饋與自激振蕩考慮相移顯然閉環(huán)放大倍數(shù)的大

6、小取決于分母(1)若，則，說(shuō)明引入反饋后放大倍數(shù)減小，此時(shí)為負(fù)反饋。 *17正反饋(2)若，則，引入反饋后放大倍數(shù)增大，此時(shí)為正反饋。正反饋時(shí)，輸出信號(hào)xo不斷增大，放大器終將進(jìn)入飽和狀態(tài)從而失去放大作用，所以正反饋對(duì)于放大器的穩(wěn)定性是有害的。 *18自激振蕩(3)若，則，這種狀態(tài)稱為自激振蕩。自激振蕩是一種強(qiáng)烈的正反饋，當(dāng)反饋放大器發(fā)生自激振蕩時(shí)，即使沒(méi)有外加輸入信號(hào)，也會(huì)有輸出信號(hào)。這時(shí)放大器已失去放大作用，其輸出完全不受輸入控制。 *19頻率、相移與系統(tǒng)穩(wěn)定性上述討論說(shuō)明，輸入信號(hào)的頻率不同，放大環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的相移也不同，所以負(fù)反饋放大器對(duì)不通頻率的輸入信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出不同的放大特性

7、。由于相移，直流條件下的負(fù)反饋在交流條件下可能會(huì)變成正反饋，甚至發(fā)生自激振蕩，這將危害負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)負(fù)反饋系統(tǒng)時(shí)應(yīng)避免發(fā)生正反饋和自激振蕩。*20第9章 負(fù)反饋放大器9.1 負(fù)反饋9.2 負(fù)反饋放大電路9.3 負(fù)反饋放大電路舉例*219.2 負(fù)反饋放大電路反饋的一般特征：基本放大器A構(gòu)成了信號(hào)的前向通路，反饋網(wǎng)絡(luò)F構(gòu)成了信號(hào)的反向通路，前向通路和反向通路共同構(gòu)成了反饋回路。 *22反饋的基本過(guò)程反饋網(wǎng)絡(luò)首先測(cè)量基本放大器的輸出信號(hào)xo，這稱為采樣；再把采樣值xo變換為反饋信號(hào)xf，最后用反饋信號(hào)xf去修正輸入信號(hào)xi，得到基本放大電路的凈輸入信號(hào)xi。如果修正的結(jié)果使|xi|增

8、大，就是正反饋；如果修正的結(jié)果使|xi|變小，就是負(fù)反饋。 *23負(fù)反饋放大電路（續(xù)）正反饋不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，負(fù)反饋則有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)，應(yīng)該使用負(fù)反饋。把負(fù)反饋應(yīng)用到放大電路xi、xi、xo、xf對(duì)應(yīng)到哪些電路變量？ 要么用電壓表示，要么用電流表示。取決于該放大電路應(yīng)用場(chǎng)合。*248.5.1 運(yùn)放的線性應(yīng)用（運(yùn)算電路）9.2.1 輸出采樣：電壓反饋和電流反饋9.2.2 輸入疊加：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋9.2.3 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)9.2.4 直流反饋和交流反饋9.2.5 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善*259.2.1 輸出采樣：電壓反饋和電流反饋在一般負(fù)反饋系統(tǒng)中，輸出信

9、號(hào)xo是要穩(wěn)定的對(duì)象，也是反饋網(wǎng)絡(luò)所采樣的對(duì)象。對(duì)應(yīng)到負(fù)反饋放大電路，如果要穩(wěn)定輸出電壓，就應(yīng)該采樣輸出電壓；如果要穩(wěn)定輸出電流，就應(yīng)該采樣輸出電流。簡(jiǎn)單地說(shuō)，要穩(wěn)定誰(shuí)，就采樣誰(shuí)。 *26電壓反饋和電流反饋如果反饋電路所采樣的是輸出電壓，就稱為電壓反饋。如果反饋電路所采樣的是輸出電流，就叫做電流反饋。電壓負(fù)反饋將獲得穩(wěn)定的輸出電壓，電流負(fù)反饋將獲得穩(wěn)定的輸出電流。電壓反饋和電流反饋的區(qū)分來(lái)自放大電路輸出端，而且它們的名字就表明了負(fù)反饋放大電路所穩(wěn)定的電路變量。*271電壓反饋和電流反饋的判斷電壓反饋和電流反饋表現(xiàn)在輸出回路的不同，它們的實(shí)現(xiàn)框圖如圖9-5所示。 *28電壓反饋電壓反饋如圖9-5

10、(a)所示，反饋電路的輸入端口與基本放大電路的輸出端口并聯(lián)，反饋電路的輸入電壓等于輸出電壓uo；由于反饋電路由無(wú)源元件所構(gòu)成，在沒(méi)有輸入的情況下，顯然不應(yīng)有任何輸出，所以根據(jù)輸出電壓為零時(shí)，反饋信號(hào)是否存在就可以判斷一個(gè)反饋是否為電壓反饋：如果uo為零時(shí)，反饋信號(hào)uf和if也為零，就是電壓反饋。 *29電流反饋電流反饋如圖9-5(b)所示，反饋電路的輸入端口與基本放大電路的輸出端口串聯(lián)，反饋電路的輸入電流等于輸出電流io；根據(jù)輸出電流為零時(shí)，反饋信號(hào)是否存在就可以判斷一個(gè)反饋是否為電流反饋：如果io為零時(shí)，反饋信號(hào)uf和if也為零，就是電流反饋。 *302電壓負(fù)反饋減小輸出電阻根據(jù)戴維南定理，

11、從任何放大電路的輸出端看進(jìn)去，可以把它等效為電壓源與電阻的并聯(lián)支路，其中uos為開(kāi)路輸出電壓，Ro為等效輸出電阻。 *31電壓負(fù)反饋減小輸出電阻（續(xù)）既然電壓負(fù)反饋能夠獲得穩(wěn)定的輸出電壓，自然就意味著獲得了更小的輸出電阻，由此可知，電壓負(fù)反饋能夠減小輸出電阻。電壓負(fù)反饋將導(dǎo)致輸出電阻降低到開(kāi)環(huán)輸出電阻的1/(1+AF)倍。 *323電流負(fù)反饋增大輸出電阻既然電流負(fù)反饋能夠穩(wěn)定輸出電流，根據(jù)圖9-7的諾頓等效電路，可知欲穩(wěn)定輸出電流，必須增大輸出電阻。 *33電流負(fù)反饋增大輸出電阻（續(xù)）所以電流負(fù)反饋具有增大輸出電阻的特性。如果基本放大電路A的輸出電阻為Ro，引入電流負(fù)反饋F后的輸出電阻為Rof

12、(Current-Feed)，則 Rof(Current-Feed)(1+AF)Ro 即電流負(fù)反饋將導(dǎo)致輸出電阻增大到開(kāi)環(huán)輸出電阻的(1+AF)倍。 *348.5.1 運(yùn)放的線性應(yīng)用（運(yùn)算電路）9.2.1 輸出采樣：電壓反饋和電流反饋9.2.2 輸入疊加：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋9.2.3 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)9.2.4 直流反饋和交流反饋9.2.5 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善*359.2.2 輸入疊加：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋在輸入端，反饋信號(hào)xf要負(fù)責(zé)修正輸入信號(hào)xi以便產(chǎn)生凈輸入信號(hào)xi，這種修正通常是通過(guò)一個(gè)疊加環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵诜答伔糯箅娐分?，這些信號(hào)要么電壓，要么是電流，所以疊加環(huán)節(jié)所疊加

13、的，也只能是要么是電壓疊加，要么是電流疊加。 *36串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的疊加方式是電壓疊加還是電流疊加，可以把反饋分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)采用電壓疊加方式，就稱為串聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)采用電流疊加方式，就稱為并聯(lián)反饋。 *37串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋（續(xù)）反饋放大的輸入端采用串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋，取決于輸入信號(hào)源，如果輸入信號(hào)源是電壓源，就應(yīng)該采用串聯(lián)反饋；如果輸入信號(hào)源是電流源，就應(yīng)該采用并聯(lián)反饋。 *381串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋表現(xiàn)在輸入回路的不同，它們的實(shí)現(xiàn)框圖如圖9-8所示。 *39串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷（續(xù)）根據(jù)電

14、路結(jié)構(gòu)判斷如果反饋通路與輸入通路接在放大電路的同一點(diǎn)，通常就可以判定為并聯(lián)反饋，因?yàn)橹挥薪釉谕稽c(diǎn)，才能發(fā)生分流；如果反饋通路與輸入通路接在放大電路的不同點(diǎn)，通常就可以判定為串聯(lián)反饋，因?yàn)檫@時(shí)只能以電壓方式相加減。 *402串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻引入串聯(lián)負(fù)反饋F后的輸入電阻Rif(Series-Feed)ui/ii將增大Rif(Series-Feed)(1+AF)Ri 即串聯(lián)負(fù)反饋將導(dǎo)致輸入電阻增大到開(kāi)環(huán)輸入電阻的(1+AF)倍。 *413并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻引入并聯(lián)負(fù)反饋F后的輸入電阻變小了 Rif(Shunt-Feed)Ri/(1+AF)即并聯(lián)負(fù)反饋將導(dǎo)致輸入電阻降低到開(kāi)環(huán)輸入電阻的1/

15、(1+AF)倍。 *428.5.1 運(yùn)放的線性應(yīng)用（運(yùn)算電路）9.2.1 輸出采樣：電壓反饋和電流反饋9.2.2 輸入疊加：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋9.2.3 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)9.2.4 直流反饋和交流反饋9.2.5 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善*439.2.3 反饋放大電路的四種組態(tài)*44反饋放大電路的四種組態(tài)（續(xù)）四種連接方式分別對(duì)應(yīng)著不同的輸出端采樣方式和輸入端疊加方式：從輸出端看，有電壓反饋和電流反饋；從輸入端看，有串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。組合起來(lái)，構(gòu)成4種組態(tài)： 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋*45反饋放大電路的四種組態(tài)（續(xù)）不同反饋組態(tài)中，基本放大電路的放大倍

16、數(shù)A和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F的含義也不同，下表列出了4種組態(tài)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)、反饋系數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。 *46反饋放大電路的四種組態(tài)（續(xù)）在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用需要，選擇不同的反饋組態(tài)。 要輸出穩(wěn)定電壓，應(yīng)選擇電壓負(fù)反饋；要輸出穩(wěn)定電流，應(yīng)選擇電流負(fù)反饋；要增大輸入電阻，應(yīng)選擇串聯(lián)負(fù)反饋；要減小輸入電阻，應(yīng)選擇并聯(lián)負(fù)反饋。例如，要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠接受微弱的電壓信號(hào)、并將其放大為穩(wěn)定的電壓信號(hào)傳遞出去的放大器，就必須選擇電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 *479.2.4 直流反饋和交流反饋放大電路中既有直流分量又有交流分量。如果只想穩(wěn)定直流分量，就應(yīng)該只反饋直流信號(hào)；如果只想穩(wěn)定交流分量，就應(yīng)

17、該只反饋交流信號(hào)。根據(jù)反饋回來(lái)的信號(hào)是直流信號(hào)還是交流信號(hào)，可以把反饋分為直流反饋和交流反饋。 *48直流反饋和交流反饋（續(xù)）在放大電路中，直流反饋主要是用來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，交流反饋主要是用來(lái)改善放大電路的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。多數(shù)情況下反饋回來(lái)的信號(hào)是交流和直流兼而有之，所以直流反饋和交流反饋也就同時(shí)存在。 *498.5.1 運(yùn)放的線性應(yīng)用（運(yùn)算電路）9.2.1 輸出采樣：電壓反饋和電流反饋9.2.2 輸入疊加：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋9.2.3 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)9.2.4 直流反饋和交流反饋9.2.5 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善*509.2.5 負(fù)反饋對(duì)放大

18、電路性能的改善負(fù)反饋?zhàn)罡镜膬?yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、通用具體性能改善1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性2減小非線性失真3抑制環(huán)內(nèi)噪聲干擾4展寬頻帶5改變輸入電阻和輸出電阻*511提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負(fù)反饋后雖然降低了放大倍數(shù)，卻可以降低放大電路的放大倍數(shù)的相對(duì)變化率。 要根據(jù)不同穩(wěn)定目標(biāo)選擇相應(yīng)類型的負(fù)反饋，要穩(wěn)定哪個(gè)量就反饋哪個(gè)量：例如直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定直流量，交流負(fù)反饋可以穩(wěn)定交流量；電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流。 *522減小非線性失真由于器件自身的非線性，當(dāng)輸入正弦波時(shí)，輸出卻不是正弦波，而是發(fā)生了畸變，即放大電路出現(xiàn)了失真。這種由于器件本身非線性而造成的失真現(xiàn)象，叫做非線性失真。引入負(fù)反饋后放大電路的非線性失真減小到1/(1+AF)。 *532減小非線性失真*543抑制環(huán)內(nèi)噪聲干擾放大電路的輸出信號(hào)中，不僅包括輸入信號(hào)xi所產(chǎn)生的有效輸出，還包括半導(dǎo)體內(nèi)部載流子熱運(yùn)動(dòng)和環(huán)境因素所引起的所引起噪聲干擾，引入負(fù)