第17章 電子電路中的反饋

第17章電子電路中的反饋17.1

反饋的基本概念17.2

放大電路中的負反饋17.3

振蕩電路中的正反饋反饋理論首先誕生于電子技術領域.1928年,西部電子公司的一個名叫HaroldBlack的電子工程師發(fā)明了反饋放大器,當時他正在研究中繼器中放大器的增益穩(wěn)定方法.

反饋理論和反饋技術不僅在眾多工程領域(如自動控制、信號處理等)獲得了廣泛應用.而且還延伸到其他科學領域(如生物反饋).

反饋可用于所有的放大器系統(tǒng).或以正反饋的形式,或以負反饋的形式,正反饋常用來構成振蕩器,負反饋主要用來改善放大器的性能.引言17.1

反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端的信號(電壓或電流)的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端。反饋放大電路的方框圖輸出信號輸入信號反饋信號凈輸入信號反饋電路F–基本放大電路A+基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)反饋電路輸出信號輸入信號反饋信號反饋系數(shù)凈輸入信號放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+引入反饋后，基本放大和反饋網(wǎng)絡組成一個閉合回路，整個系統(tǒng)稱為反饋放大電路或閉環(huán)放大電路；無反饋通路的放大電路稱為開環(huán)放大電路。反饋放大電路的方框圖反饋電路F–基本放大電路A+正向傳輸反向傳輸反饋的分類凈輸入信號若：Xd

=|Xi–Xf|<Xi即反饋信號起了削弱凈輸入信號的作用負反饋反饋電路F–基本放大電路A+1.按反饋信號的極性分類反饋的分類凈輸入信號若：Xd

=|Xi-Xf|>Xi即反饋信號起了增強凈輸入信號的作用正反饋反饋電路F–基本放大電路A+反饋的分類負反饋可以多方面改善放大電路的性能。反饋電路F–基本放大電路A+正反饋會使放大電路的性能變壞，有時還會使負反饋放大電路產(chǎn)生自激，無法工作。判斷到底是正反饋還是負反饋，可以采用瞬時極性法瞬時極性法首先假設輸入信號為某一極性，一般為“⊕”，然后按照信號的傳輸方向逐級向后推斷，確定輸出信號的極性，再由輸出端通過反饋網(wǎng)絡返回輸入回路，確定反饋信號的極性，最后依照反饋的正負極性和上述定義作出結論。反饋電路F–基本放大電路A+瞬時極性：設接“地”參考點的點位為零，電路中某點在某瞬時的電位高于零電位者，則該點的瞬時極性為正（用“⊕”）；反之為負，用（“”）表示。瞬時極性法應用舉例例1：RFR2uoui++–R1+–+–例2利用瞬時極性法判斷負反饋（晶體管）設基極瞬時極性為正，根據(jù)集電極瞬時極性與基極相反、發(fā)射極(接有發(fā)射極電阻而無旁路電容時)瞬時極性與基極相同的原則，標出相關各點的瞬時極性。利用瞬時極性法判斷負反饋++－

(2)若反饋信號與輸入信號加在同一電極上，

(3)若反饋信號與輸入信號加在兩個電極上，兩者極性相反為負反饋；極性相同為正反饋。兩者極性相同為負反饋；極性相反為正反饋。RSeSRB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––+–例3RSeSR'BRER'Lui+–+–交流通路直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號。交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號。引入直流負反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點引入交流負反饋的目的：改善放大電路的性能判斷是直流反饋還是交流反饋時，可以采用電容觀測法，反饋通路如果存在隔直電容，就是交流反饋；反饋通路如果存在旁路電容，則是直流反饋。負反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋17.2負反饋的類型穩(wěn)定靜態(tài)工作點1)

根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。負反饋的類型（串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋）

+us

－

+

uo

－RLAVFVRs

+

ui

－

+

ud

－

+

uf

－(a)串聯(lián)反饋··Rs

+

uo

－isARFGRLiiif(b)并聯(lián)反饋··id負反饋的類型串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋如果反饋信號和輸入信號接于基本放大電路的同一輸入端，則為并聯(lián)反饋；如果反饋信號和輸入信號接于基本放大電路的不同輸入端，則為串聯(lián)反饋。

對于三極管來說，反饋信號與輸入信號同時加在輸入三極管的基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋；一個加在基極一個加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋對于運算放大器來說，反饋信號與輸入信號同時加在同相輸入端或反相輸入端，則為并聯(lián)反饋；一個加在同相輸入端一個加在反相輸入端則為串聯(lián)反饋。判斷負反饋類型的方法基本放大電路輸入級為不同形式時的串、并聯(lián)結構樣例如果反饋信號和輸入信號接于基本放大電路的不同輸入端，則為串聯(lián)反饋。如果反饋信號和輸入信號接于基本放大電路的同一輸入端，則為并聯(lián)反饋；負反饋的類型(電壓反饋和電流反饋)2)根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。

電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻的作用。

電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。

+

uo

－RLAVFV

+

vf

－(a)電壓反饋··

+

uo

－(b)電流反饋AGFRRLio··負反饋的類型如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。電壓反饋和電流反饋的判別方法:電壓反饋的特點是反饋信號直接與輸出電壓成正比；電流反饋則是反饋信號直接與輸出電流成正比。通常采用負載短路法來判別，也就是將負載短路，若反饋量為零，則為電壓反饋，否則為電流反饋。負載短路法只是一種分析方法，不是實測方法，不能用于電路實際測量中，判斷負反饋類型的方法判斷負反饋類型的方法電壓反饋和電流反饋的判別方法(二):如果輸出信號和反饋的取樣點在一點上且該點對地電壓就是輸出電壓。電壓反饋如果輸出信號和反饋的取樣點不在一點上電流反饋(a)電壓串聯(lián)

+us

－

+

uo

－RLAVFVRs

+

ui

－

+

ud

－

+

uf

－··(b)電流串聯(lián)

+

uo

－

+us

－AGFRRLRs

+

ui

－

+

ud

－

+

uf

－io··(c)電壓并聯(lián)Rs

+

uo

－isARFGRLiiif··id(d)電流并聯(lián)

+

uo

－AIFIRLRsiiiddifis··io負反饋的類型負反饋類型的判別步驟3)

判別是否負反饋？2)

判別是交流反饋還是直流反饋？4)

是負反饋！判斷是何種類型的負反饋？1)

找出反饋網(wǎng)絡（一般是電阻、電容）。電壓串聯(lián)負反饋反饋電壓差值電壓反饋電壓取自輸出電壓反饋信號與輸入信號在輸入端串聯(lián)串聯(lián)反饋反饋電壓削弱了凈輸入電壓負反饋返回目錄－+－+RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo解:RF引入越級串聯(lián)電壓負反饋。

T2集電極的反饋到T1的發(fā)射極，提高了E1的交流電位，使Ube1減小，故為負反饋；

反饋從T2的集電極引出，是電壓反饋；反饋電壓引入到T1的發(fā)射極，是串聯(lián)反饋。電壓并聯(lián)負反饋反饋電流正比于輸入信號與反饋信號在輸入端相并聯(lián),

并聯(lián)反饋凈輸入電流被削弱負反饋返回目錄電阻RF連接在輸入與輸出之間，所以RF是反饋元件。2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RF，所以

RF引入的是交、直流反饋。1)判反饋元件+UCCRCC1RF++––RS+–C2++RLeSuiuo3)判斷反饋類型例2：凈輸入信號：

ii與if并聯(lián)，以電流形式比較——并聯(lián)反饋

ii

正半周時，if也是正半周，即兩者同相——負反饋

if

正比于輸出電壓——電壓反饋

if與

uo反相——電壓并聯(lián)負反饋

+UCCRCC1RF++––RS+–C2++RLeSuiuoiiibif

ib

=

ii-if

ib

=

ii-if

可見

ib

<

ii,反饋電流if削弱了凈輸入電流RF、CF

:

交流電壓并聯(lián)負反饋+–++UCC+RBC2RC2RC1CE2RE2+C1CF–RFRE2:

直流反饋電流串聯(lián)負反饋輸出電壓反饋電壓取自輸出電流電流反饋反饋信號與輸入信號在輸入端串聯(lián)串聯(lián)反饋返回目錄RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RE，所以RE引入的是交、直流反饋。

如果有發(fā)射極旁路電容，RE中僅有直流分量的信號通過，這時RE引入的則是直流反饋。ＣE例1：

1)

判別反饋元件（一般是電阻、電容）

(1)連接在輸入與輸出之間的元件。

(2)為輸入回路與輸出回路所共有的元件。發(fā)射極電阻RE為輸入回路與輸出回路所共有，所以RE是反饋元件。例1：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–例1：

3)判斷反饋類型凈輸入信號：

ui

與

uf

串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時,uf也是正半周,即兩者同相——負反饋

uf

正比于輸出電流——電流反饋

——串聯(lián)電流負反饋+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui

-

uf

uf

=ie

RE

Ube

=Ui

-

Uf

可見

Ube

<

Ui

,反饋電壓Uf

削弱了凈輸入電壓

ic

RC結論：

反饋過程：電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用反饋類型

——

串聯(lián)電流負反饋RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–IcUfUbeibIc

uf

ic

RC+uf–+–ube

Ube

=Ui

-

Uf電流反饋電流并聯(lián)負反饋凈輸入電流被削弱負反饋反饋電流輸入信號與反饋信號的輸入端相并聯(lián),

并聯(lián)反饋返回目錄20F++++470k6003.9k+20F470k3.9k50F2k47050F100F47030k3DG63DG6+6V+––––電流并聯(lián)負反饋下列各圖中是否引入了反饋？交流還是直流?正反饋還是負反饋？圖1圖2圖4圖317.2.2負反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+1.

降低放大倍數(shù)負反饋使放大倍數(shù)下降。則有：同相，所以

AF是正實數(shù)負反饋時，

|1+AF|稱為反饋深度，其值愈大，負反饋作用愈強，Af也就愈小。射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。放大倍數(shù)下降至1/(1+|AF|)倍，其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。若|AF|>>1，稱為深度負反饋，此時：在深度負反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關。多數(shù)負反饋放大電路都滿足深度負反饋的條件例：|A|=300，|F|=0.01。3.

改善波形失真負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。(b)

+

-

xid

xf

xi

xo

?

A

F

xi

xid

xo

xf

t

t

t

t

A

xi

xo

(a)

xo

t

xi

t

由于BJT是一非線性器件，放大電路在工作中往往會產(chǎn)生非線性失真，使得輸出信號產(chǎn)生畸變，加入負反饋后，非線性失真可大大減小。4.展寬通頻帶放大電路引入負反饋后，增益減小，但是電路的通頻帶寬度增加無負反饋有負反饋BWfBWf|Au|Ouiubeib++––5.

對輸入電阻的影響在同樣的

ib下，ui=ube+uf

>ube，所以

rif

提高。1)串聯(lián)負反饋無負反饋時：有負反饋時：uf+–使電路的輸入電阻提高負反饋對輸入電阻的影響與反饋加入的方式有關，即與串聯(lián)或并聯(lián)有關，而與電壓或電流反饋無關if無負反饋時：有負反饋時：在同樣的ube下，ii

=ib+if>ib，所以rif

降低。2)并聯(lián)負反饋使電路的輸入電阻降低iiibube+–5.

對輸入電阻的影響

+us

－

+

uo

－RLAVFVRs

+

ui

－

+

ud

－

+

uf

－(a)串聯(lián)反饋··Rs

+

uo

－isARFGRLiiif(b)并聯(lián)反饋··id串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1)電壓負反饋使電路的輸出電阻降低2)電流負反饋使電路的輸出電阻提高6.對輸出電阻的影響負反饋對輸出電阻的影響取決于反饋網(wǎng)絡與放大電路輸出端的取樣方式，而與輸入端的連接方式無關。

+

uo

－(b)電流反饋AGFRRLio··

+

uo

－RLAVFV

+

vf

－(a)電壓反饋··電壓負反饋使輸出電阻減小電流負反饋使輸入電阻增大為了改善放大電路的某些性能，應如何引入負反饋？（1）想要穩(wěn)定直流量，應引入直流負反饋。（2）要改善交流性能，應引入交流負反饋。（3）要穩(wěn)定輸出電壓，應引入電壓負反饋；要穩(wěn)定輸出電流，應引入電流負反饋。（4）要提高輸入電阻，應引入串聯(lián)負反饋；要減小輸出電阻，應引入并聯(lián)負反饋。思考題如果需要實現(xiàn)下列要求，在交流放大電路中應引入何種類型的負反饋？（1）要求輸出電壓基本穩(wěn)定，并能提高輸入電阻；（2）要求輸出電壓基本穩(wěn)定，并能減小輸入電阻；（3）要求輸出電流基本穩(wěn)定，并能提高輸入電阻；17.3

振蕩電路中的正反饋1Su17.3.1.

自激振蕩放大電路在無輸入信號的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號的現(xiàn)象。開關合在“1”為無反饋放大電路。21Su開關合在“2”為有反饋放大電路，開關合在“2”時,，去掉ui

仍有穩(wěn)定的輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。自激振蕩狀態(tài)2自激振蕩的條件(1)幅度條件：(2)相位條件：n是整數(shù)

相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；

幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量(可以通過調(diào)整放大倍數(shù)A

或反饋系數(shù)F達到)。自激振蕩的條件起振及穩(wěn)幅振蕩的過程設：Uo

是振蕩電路輸出電壓的幅度，

B是要求達到的輸出電壓幅度。起振時Uo

0，達到穩(wěn)定振蕩時Uo

=B。起振過程中Uo

<B，要求AuF

>

1，穩(wěn)定振蕩時Uo

=B，要求AuF

=

1，從AuF

>

1到AuF

=

1，就是自激振蕩建立的過程?？墒馆敵鲭妷旱姆炔粩嘣龃?。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定。起始信號的產(chǎn)生：在電源接通時，會在電路中激起一個微小的擾動信號，它是個非正弦信號，含有一系列頻率不同的正弦分量。

正弦波振蕩電路用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉換而來的。常用的正弦波振蕩器LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。

應用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導體接近開關等。17.3.2正弦波振蕩電路(1)放大電路:放大信號(2)反饋網(wǎng)絡:必須是正反饋，反饋信號即是

放大電路的輸入信號(3)選頻網(wǎng)絡:

保證輸出為單一頻率的正弦波

即使電路只在某一特定頻率下滿

足自激振蕩條件(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié):

使電路能從AuF

>1，過渡到

AuF

=1，從而達到穩(wěn)幅振蕩。電路組成：1.RC振蕩電路用RC電路構成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡有多種，我們只介紹文氏橋選頻電路。文氏橋選頻網(wǎng)絡的選頻特性傳輸系數(shù)：式中

：

分析上式可知：僅當=o時，達最大值，且u2與u1同相，即網(wǎng)絡具有選頻特性，fo決定于RC。。。RCRC。+–+–。u1u2u2與u1波形相頻特性（f）fo幅頻特性ffo13

由運放構成

RC振蕩電路同相比例電路放大信號1.電路結構2.原理分析：uf–+R++∞RFR1CRC–uO

–+(1)相位條件(2)幅度條件起振及穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因為|F|=1/3，則考慮到起振條件AuF

>1,一般應選取RF

略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。

由運放構成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運放內(nèi)部的晶體管進入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負反饋來達到穩(wěn)幅的目的。帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動穩(wěn)幅。在起振時，由于uO

很小，流過RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強，uO增大，流過RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時，穩(wěn)定于AuF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO

–+帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動穩(wěn)幅。半導體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO

–+穩(wěn)幅過程：思考：若熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，應接在何處？uotRFAu帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)IDUD振蕩幅度較小時正向電阻大振蕩幅度較大時正向電阻小利用二極管的正向伏安特性的非線性自動穩(wěn)幅。R++∞RF2R1CRC–uO

–+D1D2RF1穩(wěn)幅環(huán)節(jié)帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路（2）R++∞RF2R1CRC–uO

–+D1D2RF1圖示電路中，RF分為兩部分。在RF1上正反并聯(lián)兩個二極管，它們在輸出電壓uO的正負半周內(nèi)分別導通。在起振之初，由于uo

幅值很小，尚不足以使二極管導通，正向二極管近于開路此時，RF>2R1。而后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定。振蕩頻率的調(diào)整++∞RFRCC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1改變開關K的位置可改變選頻網(wǎng)絡的電阻，實現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實現(xiàn)頻率的細調(diào)。振蕩頻率正弦波振蕩電路是由放大電路和正反饋網(wǎng)絡兩部分構成。為了得到單一頻率的正弦波并使振蕩電路工作，電路中還應包含選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)?？偨Y選頻網(wǎng)絡的功能是從很寬的頻率信號中選出單一頻率的信號送到放大器的輸入端，而將其它頻率的信號進行衰減。常用的有RC選頻、LC選頻等。選頻網(wǎng)絡可以單獨存在，也可以和放大電路或反饋網(wǎng)絡結合在一起。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)其作用是穩(wěn)定振蕩的幅度，抑制振蕩中產(chǎn)生的諧波。一般是靠放大電路中的非線性元件的非線性來實現(xiàn)的，穩(wěn)幅電路時振蕩電路不可缺少的環(huán)節(jié)。2.LC振蕩電路

LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構成，可以產(chǎn)生高頻振蕩(幾百千赫以上)。由于高頻運放價格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。本節(jié)只對

LC振蕩電路的結構和工作原理作簡單介紹。LC并聯(lián)回路與選頻放大電路LC并聯(lián)諧振回路R表示回路的等效損耗電阻由圖可知，LC并聯(lián)回路的等效阻抗為考慮到通常有R<<L，所以LC并聯(lián)諧振回路的頻率響應阻抗頻率響應相頻響應LC并聯(lián)回路與選頻放大電路LC并聯(lián)諧振回路R表示回路的等效損耗電阻LC并聯(lián)回路的頻率特性(1)回路的諧振頻率或(2)諧振時回路的阻抗回路品質(zhì)因數(shù)(3)諧振時輸入電流與回路電流之間的關系LC并聯(lián)諧振回路有以下特點：為純電阻性質(zhì)，并達到最大值LC并聯(lián)諧振回路的頻率響應阻抗頻率響應相頻響應變壓器反饋式LC振蕩電路1.電路結構正反饋2.振蕩頻率

即LC并聯(lián)電路的諧振頻率uf+–LC+UCCRLC1RB1RB2RECE－－放大電