模擬電子技術(shù)

第4章放大電路中的反饋與振蕩4.1反饋的基本概念4.2負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響4.3振蕩的基本概念 反饋是電子技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要概念，它有正負(fù)之分。在放大電路的設(shè)計(jì)中，通常引入負(fù)反饋來(lái)改善放大器的性能，通過(guò)正反饋構(gòu)成各種振蕩器，產(chǎn)生各種波形信號(hào)。本章從反饋的基本概念入手，對(duì)反饋進(jìn)行分類(lèi)，分析負(fù)反饋對(duì)放大性能的影響，介紹深度負(fù)反饋的一般計(jì)算方法，最后討論負(fù)反饋電路形成自激振蕩條件和多種波形發(fā)生電路。4.1反饋的基本概念 在許多實(shí)際的電子電路中均存在著某種類(lèi)型的反饋，反饋的概念和理論在工程領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。4.1.1反饋的定義 所謂反饋就是把電子電路的輸出量（輸出電壓或電流）或輸出量的一部分，通過(guò)一定的電路回送到它的輸入端。在第2章中提到的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路就是一個(gè)典型的示例，現(xiàn)將電路圖重畫(huà)為圖4.1。

圖4.1工作點(diǎn)穩(wěn)定電路4.1.2反饋的分類(lèi)及判斷 帶反饋的放大器稱(chēng)為反饋放大器，在反饋放大器中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后送到輸出端，而輸出信號(hào)又經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)反向傳遞到輸入端，形成閉合環(huán)路，這種狀況稱(chēng)之為閉環(huán)，反饋放大器又叫閉環(huán)放大器。一個(gè)反饋放大器通常由基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。假定用A表示基本放大器，用F來(lái)表示反饋網(wǎng)絡(luò)，可以用圖4.2所示的方框圖來(lái)表示各種類(lèi)型的反饋。圖4.2反饋放大電路方框圖根據(jù)反饋極性的不同，可以將反饋分為正反饋和負(fù)反饋。如果引入的反饋信號(hào)增強(qiáng)了外加輸入信號(hào)的作用，也即是說(shuō)在求和環(huán)節(jié)為同相求和形式而使凈輸入信號(hào)比外加輸入信號(hào)幅度更大，從而使放大電路的放大倍數(shù)得以提高，這樣的反饋為正反饋。如果反饋信號(hào)在求和環(huán)節(jié)與輸入信號(hào)為反相求和（即相減）方式而使凈輸入信號(hào)比外加輸入信號(hào)幅度減少，也即是削弱了外加輸入信號(hào)的作用，從而使放大電路的放大倍數(shù)減低，這樣的反饋為負(fù)反饋。那如何來(lái)判斷一個(gè)電路中引入的反饋到底是正反饋還是負(fù)反饋呢？最常用的判斷方法是瞬時(shí)極性法。首先假定輸入信號(hào)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)極性（一般假定為瞬時(shí)正極性，用+來(lái)表示），按照基本放大器的信號(hào)傳遞方向，逐級(jí)傳遞至輸出端，再由輸出端的瞬時(shí)極性順著反饋網(wǎng)絡(luò)的方向逐級(jí)傳遞回輸入回路，最后根據(jù)反饋到輸入回路信號(hào)的瞬時(shí)極性是增強(qiáng)還是削弱了原來(lái)的信號(hào)，來(lái)判斷反饋的類(lèi)型。具體方法和步步驟可以描述述如下。(1)信號(hào)傳遞過(guò)程程中，極性的的傳遞規(guī)律：：通常以接地地點(diǎn)為參考點(diǎn)點(diǎn)，假定原輸輸入信號(hào)為瞬瞬時(shí)正極性，，順著閉環(huán)放放大電路的傳傳遞方向逐級(jí)級(jí)傳遞。對(duì)于于線性元件構(gòu)構(gòu)成的電路，，傳遞時(shí)不改改變極性，對(duì)對(duì)于非線性元元件構(gòu)成的電電路，則可依依據(jù)圖4.3原則傳遞極性性。圖4.3極性傳遞原則則而對(duì)于集成的的放大電路，，極性傳遞方方法就更簡(jiǎn)單單，集成放大大電路有兩個(gè)個(gè)輸入端，其其中一個(gè)與輸輸出端同相，，即相同極性性，也稱(chēng)其為為同相輸入端端，另一個(gè)輸輸入端為反相相輸入端,即輸出和輸入入極性相反。。(2)判斷反饋信號(hào)號(hào)和原輸入信信號(hào)共同作用用于放大器的的總效果。放大器的輸入入有兩個(gè)端子子（信號(hào)端和和參考地端）），反饋的引引入便有如下下兩種形式。。①若反饋信號(hào)和和原輸入信號(hào)號(hào)作用于同一一端子（即并并聯(lián)形式），，則求和環(huán)節(jié)節(jié)為電流求和和形式，當(dāng)二二者極性相同同時(shí)為正反饋饋，二者極性性相反時(shí)為負(fù)負(fù)反饋。②若反饋信號(hào)和和原輸入信號(hào)號(hào)作用于不同同的端子（即即串聯(lián)形式））則求和環(huán)節(jié)節(jié)為回路電壓壓求和形式，，當(dāng)二者極性性相同時(shí)為負(fù)負(fù)反饋，二者者極性相反時(shí)時(shí)為正反饋。。4.2負(fù)反饋對(duì)放大大器性能的影影響直流反饋的作作用是穩(wěn)定靜靜態(tài)工作點(diǎn)，，對(duì)放大電路路的動(dòng)態(tài)性能能沒(méi)有影響。。而不同類(lèi)型型的交流負(fù)反反饋將對(duì)放大大電路的性能能產(chǎn)生不同的的影響，是用用來(lái)改善放大大器技術(shù)指標(biāo)標(biāo)的主要方法法和手段，也也是本章討論論的重點(diǎn)。下下面就交流負(fù)負(fù)反饋的不同同類(lèi)型進(jìn)行詳詳細(xì)分析。4.2.1負(fù)反饋的4種組態(tài)根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與基本放大大電路在輸出出、輸入端連連接方式的不不同，可以將將負(fù)反饋分為為4種形式，也即即有4種組態(tài)。如圖圖4.5所示。(1)電壓串聯(lián)負(fù)反反饋。(2)電流串聯(lián)負(fù)反反饋。(3)電流并聯(lián)負(fù)反反饋。(4)電壓并聯(lián)負(fù)反反饋。圖4.5負(fù)反饋的4種組態(tài)一般說(shuō)來(lái)，根根據(jù)反饋信號(hào)號(hào)在放大電路路輸出端連接接方式的不同同，可以分為為電壓反饋和和電流反饋。。如果反饋信號(hào)號(hào)取自輸出端端電壓，稱(chēng)為為電壓反饋；；如果反饋信信號(hào)取自輸出出電流，稱(chēng)為為電流反饋。。一般可假設(shè)將將輸出端交流流短路，如果果這時(shí)沒(méi)有反反饋信號(hào)，則則為電壓反饋饋，反之則為為電流反饋。。根據(jù)反饋信號(hào)號(hào)在放大電路路輸入端連接接方式的不同同，可分為串串聯(lián)反饋和并并聯(lián)反饋。如如反饋信號(hào)與與輸入信號(hào)在在輸入回路串串聯(lián)即為串聯(lián)聯(lián)反饋；如反反饋信號(hào)與輸輸入信號(hào)在輸輸入回路并聯(lián)聯(lián)即為并聯(lián)反反饋。下面結(jié)合圖4.6所示的電路分分別進(jìn)行介紹紹，找出各種種負(fù)反饋電路路的判斷方法法及特點(diǎn)。圖4.6負(fù)反饋放大電電路1.電壓串聯(lián)負(fù)反反饋2.電壓并聯(lián)負(fù)反反饋3.電流串聯(lián)負(fù)反反饋4.電流并聯(lián)負(fù)反反饋4.2.2負(fù)反饋對(duì)放大大器性能的影影響從前面的分析析可知，負(fù)反反饋雖然使放放大器的放大大倍數(shù)下降，，但能使電路路趨于穩(wěn)定，，如電壓負(fù)反反饋將穩(wěn)定輸輸出電壓，電電流負(fù)反饋將將穩(wěn)定輸出電電流。當(dāng)然，，負(fù)反饋還能能從其他的方方面改善放大大器的性能，，下面分別進(jìn)進(jìn)行介紹。1.提高放大倍數(shù)數(shù)的穩(wěn)定性負(fù)反饋的引入入最直接的效效果就是使輸輸出趨于穩(wěn)定定，也就是增增加放大倍數(shù)數(shù)的穩(wěn)定性。。2.減少非線性失失真由于放大器的的核心元件為為有源器件，，而有源器件件本身是非線線性的，所以以，當(dāng)輸入信信號(hào)為正弦波波時(shí)，輸出信信號(hào)將或多或或少地產(chǎn)生非非線性失真。。3.擴(kuò)展頻帶由于放大電路路中存在一些些電抗性元件件（如耦合電電容，旁路電電容等），且且三極管本身身還存在電容容效應(yīng)，這樣樣，放大電路路的放大倍數(shù)數(shù)必然受到信信號(hào)頻率的影影響，頻率過(guò)過(guò)高或過(guò)低都都可能引起放放大器的放大大倍數(shù)下降。。通常把使放放大器放大倍倍數(shù)下降為其其在中頻區(qū)放放大倍數(shù)的0.7倍時(shí)的頻率稱(chēng)稱(chēng)為截止頻率率，在高頻段段的截止頻率率為上限截止止頻率，用fH表示，在低頻頻段的截止頻頻率為下限截截止頻率，用用fL表示。用BW=fH-fL表示放大器的的通頻帶，或或稱(chēng)帶寬。4.對(duì)放大器輸入入、輸出電阻阻的影響不同組態(tài)的負(fù)負(fù)反饋，對(duì)輸輸入電阻、輸輸出電阻將產(chǎn)產(chǎn)生不同的影影響，影響的的程度與反饋饋深度有關(guān)。。一般來(lái)說(shuō)，反反饋信號(hào)與輸輸入信號(hào)在輸輸入回路的連連接形式直接接影響放大器器的輸入電阻阻。串聯(lián)負(fù)反饋將將增大輸入電電阻。并聯(lián)負(fù)反饋將將減少輸入電電阻。同樣，反饋信信號(hào)與輸出信信號(hào)在輸出回回路的連接形形式直接影響響放大器的輸輸出電阻。電壓負(fù)反饋將將減少輸出電電阻。電流負(fù)反饋將將增大輸出電電阻。4.2.3深度負(fù)反饋對(duì)對(duì)放大器的分分析計(jì)算第2章介紹的微變變等效電路法法可以用來(lái)分分析計(jì)算各種種放大電路，，當(dāng)然也包括括負(fù)反饋放大大電路，但當(dāng)當(dāng)電路結(jié)構(gòu)比比較復(fù)雜時(shí)，，計(jì)算會(huì)變得得很復(fù)雜，所所以，微變等等效電路法一一般只用來(lái)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單的負(fù)負(fù)反饋電路。。注意：在進(jìn)行行深度負(fù)反饋饋放大電路的的電壓放大倍倍數(shù)計(jì)算時(shí)，，計(jì)算結(jié)果時(shí)時(shí)正時(shí)負(fù)，確確定符號(hào)有沒(méi)沒(méi)有錯(cuò)誤，關(guān)關(guān)鍵看基本放放大電路的構(gòu)構(gòu)成：由幾級(jí)級(jí)放大電路構(gòu)構(gòu)成？每級(jí)采采用的是什么么組態(tài)？如共共射組態(tài)是反反相放大，其其余兩種組態(tài)態(tài)是同相放大大；如該級(jí)由由集成運(yùn)放構(gòu)構(gòu)成，那信號(hào)號(hào)從同相端輸輸入便是同相相放大，信號(hào)號(hào)從反相端輸輸入便是反相相放大。4.3振蕩的基本概概念引入負(fù)反饋能能夠改善放大大電路的性能能指標(biāo)，并且且改善的程度度取決于反饋饋深度|1+AF|的大小，反饋饋越深，放大大電路的性能能越優(yōu)良。然而，反饋太太深，有時(shí)放放大電路就不不再穩(wěn)定工作作，而產(chǎn)生自自激振蕩現(xiàn)象象。此時(shí)，輸輸入端即使不不加任何信號(hào)號(hào)，放大器也也有一定頻率率和幅度的信信號(hào)輸出。這這樣，輸出信信號(hào)不受輸入入信號(hào)控制，，放大電路將將不能正常工工作。當(dāng)負(fù)反饋電路路在某一頻率率下產(chǎn)生的附附加相移滿(mǎn)足足上述相位條條件時(shí)，負(fù)反反饋電路已經(jīng)經(jīng)轉(zhuǎn)變成實(shí)際際的正反饋電電路。負(fù)反饋放大電電路要產(chǎn)生自自激振蕩，必必須同時(shí)滿(mǎn)足足幅度條件和和相位條件。。所以，為使使負(fù)反饋放大大電路能夠穩(wěn)穩(wěn)定地工作，，就要設(shè)法破破壞上述條件件，即①不讓電路滿(mǎn)足足相位條件；；②在滿(mǎn)足相位條條件的情況下下，|AF＜1|。由于反饋網(wǎng)絡(luò)絡(luò)多由電阻構(gòu)構(gòu)成，一般不不存在附加相相移，所以附附加相移主要要由基本放大大電路產(chǎn)生，，單級(jí)的放大大電路在高頻頻或低頻區(qū)間間相當(dāng)于一級(jí)級(jí)RC電路，所以其其附加相移為為±90°；而對(duì)于三級(jí)級(jí)或三級(jí)以上上的放大電路路，其附加相相移將超過(guò)±180°，在其附加相相移為±180°時(shí)，其放大倍倍數(shù)還可能比比較大，有可可能滿(mǎn)足|AF|≥1，從而產(chǎn)生生自激振蕩。。因此，在深深度負(fù)反饋時(shí)時(shí)，由于反饋饋電路級(jí)數(shù)較較多，|AF|又大，所以容容易引起自激激振蕩。顯然，為了使使放大電路能能夠穩(wěn)定工作作，最簡(jiǎn)單的的辦法就是避避免引入兩級(jí)級(jí)以上的級(jí)間間反饋。但在在工程實(shí)際中中，為顯著地地改善放大器器的性能，又又往往需要加加強(qiáng)負(fù)反饋，，解決矛盾的的常用方法就就是采取相位位補(bǔ)償。負(fù)反反饋電路的自自激振蕩常發(fā)發(fā)生在高頻區(qū)區(qū)，可以通過(guò)過(guò)在基本放大大電路或反饋饋網(wǎng)絡(luò)中添加加一些電阻、、電容等元件件，改變放大大電路的高頻頻特性，從而而破壞自激振振蕩的條件。。常用的相位位補(bǔ)償方法有有兩種：滯后后補(bǔ)償和超前前補(bǔ)償，如圖圖4.10所示。圖4.10自激振蕩的相相位補(bǔ)償4.3.1正弦波振蕩電電路實(shí)際上，各種種類(lèi)型的振蕩蕩器在實(shí)踐中中被廣泛地采采用。電子技技術(shù)實(shí)驗(yàn)中使使用的低頻信信號(hào)發(fā)生器就就是一種正弦弦波振蕩電路路；非正弦波波（方波、鋸鋸齒波等）發(fā)發(fā)生器在測(cè)量量設(shè)備、數(shù)字字系統(tǒng)及自動(dòng)動(dòng)控制系統(tǒng)中中的應(yīng)用也十十分廣泛。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、、生物醫(yī)學(xué)等等領(lǐng)域中，高高頻感應(yīng)加熱熱、超聲波焊焊接、超聲探探傷、核磁共共振成象等，，都利用了功功率或大或小小，頻率或高高或低的振蕩蕩器。在無(wú)線電通信信、廣播電視視系統(tǒng)中，都都需要射頻發(fā)發(fā)射，它把音音頻、視頻信信號(hào)或脈沖信信號(hào)運(yùn)載發(fā)送送出去，這都都離不開(kāi)高頻頻的正弦波振振蕩電路。1.RC文氏電橋振蕩蕩器2.其他形式的正正弦波振蕩電電路4.3.3石英晶體振蕩蕩器1.正弦波振蕩器器的頻率穩(wěn)定定問(wèn)題2.石英晶體的基基本特性和等等效電路石英晶體振蕩蕩器之所以有有極高的頻率率穩(wěn)定度，是是由于石英晶晶體有極高的的Q值。石 英晶體是是一種各向異異性的結(jié)晶體體，從一塊晶晶體上按一定定的方向切下下一薄片晶體體，然后在晶晶片的兩面均均涂上敷銀層層并裝上一對(duì)對(duì)金屬極板，，就可以構(gòu)成成石英晶體產(chǎn)產(chǎn)品。如果在石石英晶片片的兩極極加上一一電場(chǎng)，，晶體會(huì)會(huì)產(chǎn)生機(jī)機(jī)械變形形。反之之，如果果在晶片片的兩極極板間加加上機(jī)械械力，會(huì)會(huì)使晶片片在相應(yīng)應(yīng)的方向向產(chǎn)生電電場(chǎng)，這這種現(xiàn)象象稱(chēng)為““壓電效效應(yīng)”。。如果在在極板間間所加的的是交變變電壓，，就會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生機(jī)械械變形振振動(dòng)，同同時(shí)，晶晶片的機(jī)機(jī)械變形形振動(dòng)又又會(huì)產(chǎn)生生交變電電場(chǎng)。一一般來(lái)說(shuō)說(shuō)，這種