模擬電子技術(shù) 第八章 反饋

第八章反饋本章重點(diǎn)介紹以下內(nèi)容：8.1反饋的基本概念和基本方程8.2反饋放大器的分類8.3負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響8.4反饋放大器的分析和近似計(jì)算8.5反饋放大器穩(wěn)定性討論8.6正反饋的應(yīng)用——正弦波振蕩器8.1反饋的基本概念及基本方程

反饋放大器的基本框圖反饋系數(shù)環(huán)路增益閉環(huán)增益開環(huán)增益反饋放大器的基本方程1、負(fù)反饋使放大器的增益下降了(1+AF)倍。負(fù)反饋減少了凈輸入信號(hào)。2、反饋深度：表征反饋強(qiáng)弱的物理量

負(fù)反饋使凈輸入信號(hào)減小為輸入信號(hào)的1/D倍，同樣輸入Xi，反饋放大器的輸出信號(hào)也下降D倍。若D>>1，則：深度負(fù)反饋：3、AF>>14、正反饋8.2反饋放大器的分類一、電壓反饋與電流反饋+-AuRLRfuo反饋回路+-AuRLRfuo反饋回路R1+-

電壓反饋：uo=0(輸出端短路)，則反饋信號(hào)消失電流反饋：io=0(輸出端開路)，則反饋信號(hào)消失二、串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入端的連接方式不同分串并聯(lián)。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系：-+-+-R1RfAu++-+-UiR2R1RfAu串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋

根據(jù)取樣信號(hào)和反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系，有四種負(fù)反饋：串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電流負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋8.3負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響一、負(fù)反饋使放大倍數(shù)穩(wěn)定度提高穩(wěn)定增益的原理：負(fù)反饋有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。

增益不穩(wěn)定的因素：工作環(huán)境變化(如溫度、濕度)、器件更換或老化、電源電壓不穩(wěn)等等。負(fù)反饋改善性能的原因：凈輸入信號(hào)隨輸出信號(hào)而變化。A↓Xo↓Xf(=FXo)↓負(fù)反饋Xi’(=Xi-

Xf)↑Xo↑放大倍數(shù)的相對(duì)變化量來衡量放大器的穩(wěn)定性。閉環(huán)相對(duì)穩(wěn)定度放大倍數(shù)的相對(duì)變化量減少為原相對(duì)變化的1/(1+AF)。開環(huán)相對(duì)穩(wěn)定度例8.3.1設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)反饋放大器，要求閉環(huán)放大倍數(shù)Af=100，當(dāng)開環(huán)放大倍數(shù)A變化±10%時(shí)，Af的相對(duì)變化量在±0.5%以內(nèi)，試確定開環(huán)放大倍數(shù)A及反饋系數(shù)F值。

解：二、負(fù)反饋使放大器通頻帶展寬，線性失真減小設(shè)開環(huán)增益的高頻響應(yīng)具有一階極點(diǎn)：閉環(huán)中頻放大倍數(shù)閉環(huán)上限頻率負(fù)反饋的頻帶展寬是一增益下降為代價(jià)的，并沒有提高放大器的增益頻帶積。增益頻帶積：中頻增益和上限頻率的乘積。同樣下限頻率為：負(fù)反饋只改善反饋環(huán)的不利因素對(duì)頻率特性的影響。例8.3.2已知集成運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)Au=100dB，開環(huán)上限頻率fH=7Hz。若按圖示連接電路，問引入何種反饋？當(dāng)反饋電阻Rf分別等于R1的9倍、99倍和999倍時(shí)，相應(yīng)的反饋系數(shù)Fu、閉環(huán)放大倍數(shù)Auf、閉環(huán)上限頻率fHf和增益頻帶積各為多少？解：+-Ui+-R1RfAuUo引入串聯(lián)電壓負(fù)反饋后：三、負(fù)反饋使非線性失真減小，輸入動(dòng)態(tài)范圍展寬設(shè)反饋后輸出諧波分量為Xnhf，則：全諧波失真率為：

負(fù)反饋使非線性失真減少了(1+AF)倍。失真減小，意味著線性動(dòng)態(tài)范圍的拓寬。

條件：只限于反饋環(huán)內(nèi)放大器產(chǎn)生的非線性失真，且在輸入信號(hào)有增大的余地，非線性失真不十分嚴(yán)重。四、負(fù)反饋可以減小放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲與干擾

負(fù)反饋使輸出噪聲下降(1+AF)倍。如果輸入信號(hào)本身不攜帶噪聲和干擾，且其幅度可以增大，輸出信號(hào)分量保持不變，那么放大器的信噪比將提高(1+AF)倍。五、電壓反饋和電流反饋對(duì)輸出電阻的影響電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小，電流負(fù)反饋使輸出電阻增大。

輸出電阻的定義：電壓負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響

電壓負(fù)反饋使輸出電阻減少為原來的1/(1+A0F)。輸出電阻減小，負(fù)載RL變化時(shí)，Uo的穩(wěn)定度提高了。電流負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響

電流負(fù)反饋使放大器的輸出電阻增大為Ro的(1+AF)倍。表明負(fù)載變化時(shí)，輸出電流穩(wěn)定。在深度負(fù)反饋條件下：電流負(fù)反饋：Rof—>∞電壓負(fù)反饋：Rof—>0六、串聯(lián)負(fù)反饋和并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)放大器輸入電阻的影響串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。串聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響：并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響在深度負(fù)反饋的條件下，有：串聯(lián)負(fù)反饋：Rif

—>∞并聯(lián)負(fù)反饋：Rif

—>0并聯(lián)負(fù)反饋是輸入電阻減小了(1+AF)倍。

負(fù)反饋的特點(diǎn)：(1)負(fù)反饋使放大器的放大倍數(shù)下降，但增益穩(wěn)定度提高，頻帶展寬，非線性失真減小，內(nèi)部噪聲干擾得到抑制，且性能改善的程度均與反饋深度(1+AF)有關(guān)。(2)被改善的對(duì)象就是被取樣的對(duì)象。(3)負(fù)反饋只改善負(fù)反饋環(huán)節(jié)以內(nèi)的放大器性能。(4)串聯(lián)負(fù)反饋：輸入電阻增大(1+AF)倍，并聯(lián)負(fù)反饋：輸入電阻減小為1/(1+AF)。(5)電流負(fù)反饋：輸出電阻增大(1+AF)倍，電壓負(fù)反饋：輸出電阻為1/(1+AF)。思考題：“反饋放大電路的反饋極性在線路接成后就固定不變”，這種說法是否正確？不正確。反饋放大電路的接線是在假定信號(hào)處于中頻段時(shí)接成的負(fù)反饋。在信號(hào)處于低頻段或高頻段時(shí)，各級(jí)放大電路中由于電路存在電抗器件，出現(xiàn)附加相移，若級(jí)數(shù)較多時(shí)，附加相移大于或等于180度，就會(huì)使原來的負(fù)反饋轉(zhuǎn)化為正反饋。一、四種組態(tài)反饋放大器增益和反饋系數(shù)的近似計(jì)算8.4反饋放大器的分析和近似計(jì)算1、并聯(lián)電壓負(fù)反饋閉環(huán)增益：輸入電阻：輸出電阻：?jiǎn)渭?jí)并聯(lián)電壓負(fù)反饋電路深度負(fù)反饋下：′反饋網(wǎng)絡(luò)反饋電流凈輸入電流輸出電壓和電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定度提高，輸出電阻減小，頻帶展寬非線性失真減少，輸入電阻減小。多級(jí)并聯(lián)電壓負(fù)反饋電路深負(fù)反饋下：反饋網(wǎng)絡(luò)放大網(wǎng)絡(luò)凈輸入信號(hào)：2、串聯(lián)電壓負(fù)反饋閉環(huán)增益：閉環(huán)輸入電阻：閉環(huán)輸出電阻：為保證負(fù)反饋，反饋引入到運(yùn)放的反相端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋單級(jí)串聯(lián)電壓負(fù)反饋反饋信號(hào)：凈輸入信號(hào)：反饋系數(shù)：深度負(fù)反饋：共集放大器增益：二級(jí)串聯(lián)電壓負(fù)反饋V1管輸入等效電路：3、串聯(lián)電流負(fù)反饋負(fù)載RL不接地，為懸浮輸出反饋信號(hào)為：電流反饋。凈輸入信號(hào)為：閉環(huán)增益為：閉環(huán)輸入電阻為：閉環(huán)輸出電阻為：?jiǎn)渭?jí)串聯(lián)電流負(fù)反饋等效法求增益為：三級(jí)串聯(lián)電流負(fù)反饋4、并聯(lián)電流負(fù)反饋負(fù)載RL懸浮，若Uo=0，則反饋電流為：凈輸入信號(hào)：為并聯(lián)負(fù)反饋。二級(jí)并聯(lián)電流負(fù)反饋凈輸入信號(hào)：∴負(fù)反饋。二、復(fù)反饋放大器及反饋放大器例題分析1、復(fù)反饋放大器復(fù)反饋：就是反饋網(wǎng)絡(luò)引入電抗元件(電容或電感等)，使得反饋系數(shù)F成為頻率的函數(shù)。直流反饋穩(wěn)定Q點(diǎn)高頻時(shí)容抗減少，反饋減弱，使增益大于中頻。CE1：幾十~幾百pF，中低頻開路，高頻短路CE2：容量很大，CE2、

RE2構(gòu)成直流反饋

復(fù)反饋補(bǔ)償是展寬高頻響應(yīng)的重要方法例2

電路如圖。2、反饋放大器例題分析+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-(1)為進(jìn)一步提高輸出電壓穩(wěn)定度，試正確引入反饋；(2)計(jì)算開環(huán)放大倍數(shù)Au；(3)計(jì)算引入反饋后的閉環(huán)放大倍數(shù)Auf=?；(4)若一定要求引入并聯(lián)電壓負(fù)反饋，電路應(yīng)如何改接?+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S解：(1)、穩(wěn)定電壓，必引入電壓負(fù)反饋。S開關(guān)接入b點(diǎn)，引入V2柵極，構(gòu)成串聯(lián)反饋+-ufS開關(guān)接入c點(diǎn)，引入V1柵極，構(gòu)成并聯(lián)反饋If瞬時(shí)極性法判斷反饋+-+S→b點(diǎn)→

V2柵極，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋S→c點(diǎn)→

V1柵極，構(gòu)成并聯(lián)電壓正反饋(2)、開環(huán)增益。若將S接a點(diǎn)，則沒有引入反饋，如圖+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-(3)、引入串聯(lián)電壓負(fù)反饋后的閉環(huán)增益Auf為

+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S+-uf+-+

(4)、若一定要求引入并聯(lián)電壓負(fù)反饋，最簡(jiǎn)單的辦法是將第一級(jí)輸出由V1管漏極改為V2管的漏極。+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S+-uf+-+8.5反饋放大器穩(wěn)定性討論負(fù)反饋放大器的基本方程：一般認(rèn)為A與F為常數(shù)，則有：一、負(fù)反饋放大器穩(wěn)定工作的條件基本放大器的放大倍數(shù)A(jw)在高頻區(qū)和低頻區(qū)與頻率有很大的關(guān)系。在高頻區(qū)，出現(xiàn)一個(gè)附加的相。附加相移是引起放大器不穩(wěn)定的主要因素。當(dāng)A(jW)的相位發(fā)生改變時(shí)，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的相位隨著發(fā)生變化，若二者相位相同時(shí)，負(fù)反饋演變?yōu)檎答?。?dāng)附加相移位增大到-180°，且反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，使得環(huán)路增益為：此時(shí)放大器沒有輸入信號(hào)也有輸出信號(hào)，產(chǎn)生自激振蕩。振蕩的相位條件振蕩的振幅條件用環(huán)路增益來判斷穩(wěn)定性大于45°大于10dB二、利用開環(huán)增益的波特圖來判別放大器的穩(wěn)定性F為常數(shù)，則由A(jω)直接判斷放大器的穩(wěn)定性。某運(yùn)算放大器的開環(huán)特性A(jω)為一個(gè)三極點(diǎn)放大器，即用開環(huán)特性波特圖來判斷放大器的穩(wěn)定性閉環(huán)增益為：中低頻時(shí)：高頻時(shí)：反饋越強(qiáng)，穩(wěn)定性越不易保證。三、常用的消振方法——相位補(bǔ)償法1、電容滯后補(bǔ)償原理：在時(shí)常數(shù)最大一級(jí)放大器里并接補(bǔ)償電容C，以高頻增益下降更多來?yè)Q取穩(wěn)定工作之目的。補(bǔ)償電容值的計(jì)算公式：電容滯后補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)頻率特性波特圖電容滯后補(bǔ)償開環(huán)帶寬

，閉環(huán)帶寬f2。單純電容滯后補(bǔ)償是以犧牲帶寬換取穩(wěn)定的。2、零極點(diǎn)對(duì)消——RC滯后補(bǔ)償

RC滯后補(bǔ)償可在A(jw)中引入一個(gè)零點(diǎn)。該零點(diǎn)與相應(yīng)的一個(gè)極點(diǎn)相消，使得放大器補(bǔ)償后的頻帶損失最小。簡(jiǎn)化等效電路輸出等效電路RC串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)原始開環(huán)增益為：RC補(bǔ)償后的開環(huán)增益為：選擇R、C滿足：零點(diǎn)與極點(diǎn)相消后加RC補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)增益：零極點(diǎn)相消——RC滯后補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)頻率響應(yīng)波特圖3、密勒效應(yīng)補(bǔ)償若C=30pF，|A2|=1000,則C′=30000pF。利用密勒效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，可大大減小補(bǔ)償電容的容量。

密勒效應(yīng)在集成電路中廣為應(yīng)用，密勒效應(yīng)補(bǔ)償電容使小電容發(fā)揮大電容的效應(yīng)。

如F=F(jω)，則在F(jω)引入一“導(dǎo)前相移”，與A(jω)的“滯后相移”相抵消，使總相移小于-180°，達(dá)到消振的目的。4、導(dǎo)前補(bǔ)償

引入相位導(dǎo)前，從而使環(huán)路增益總相位導(dǎo)前一個(gè)角度，破環(huán)自激振蕩的條件，穩(wěn)定放大器工作。8.6正反饋的應(yīng)用—正弦波振蕩器正弦波振蕩器：正反饋的電路中加入“選頻網(wǎng)絡(luò)”，使某一頻率的信號(hào)滿足振蕩條件，則產(chǎn)生一頻率的正弦波。一、產(chǎn)生正弦波的振蕩條件放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)++12~S1引入輸入，產(chǎn)生正弦波2斷開輸入，引入反饋，維持振蕩維持等幅振蕩的平衡條件：產(chǎn)生自激振蕩的兩個(gè)平衡條件1、相位條件：由相位平衡條件可以確定振蕩器的振蕩頻率。2、振幅平衡條件：3、起振條件：增幅振蕩產(chǎn)生等幅振蕩振蕩減小，直至停振a、是否引入正反饋b、選頻網(wǎng)絡(luò)是否使某一頻率滿足根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)不同，正弦振蕩器分為：RC振蕩器、LC振蕩器和晶體振蕩器。二、RC正弦振蕩器—文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器有RC串并聯(lián)電路和放大器組成。RRCCU1U21、RC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖：傳輸函數(shù)的幅相特性：001/30f90-900該網(wǎng)絡(luò)對(duì)叫頻率為wo=1/RC信號(hào)有選擇作用。2、文氏電橋振蕩器1)振蕩頻率foscRRCCR1R2A+-uoCCuoA+-R2R1RRuoRCCRKK=1+R1/R22)起振條件文氏電橋振蕩器的振蕩頻率為20Hz~200kHz。三、LC正弦振蕩器(幾十兆赫茲的正弦信號(hào))LC振蕩電路：變壓器耦合、電感反饋式、電容反饋式等。1)LC并聯(lián)諧振回路特性I.CLRZ|Z(jw)|0Q↑0f90o-90o0諧振頻率品質(zhì)因素諧振阻抗諧振的等效阻抗最大，相移為零。Q越高，選頻作用越好。2)、電容反饋式正弦振蕩器C1C2LC4C5+R1R2R36.8k10k4.7k0.15F10nF10nF50H50F0.047FC3+10F(10kHz)LM+12V電源濾波網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)共基組態(tài)電容反饋式:反饋電壓通過電容分壓在C2上取得電容三點(diǎn)式振蕩器:晶體管的三個(gè)極直接與電容三點(diǎn)相連C1C2LBEC交流等效電路1)、相位平衡條件C1C2LBEC(ZCE)(ZBE)+-+-(ZCB)QI&CL2BEC(ZCE)(ZBE)(ZCB)QI&L1電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式正反饋條件：ZCE與ZBE同性，ZBE異性，即“射同基反”：連在發(fā)射極的電抗元件是同性的。2)、振蕩頻率電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式四、晶體振蕩器石英晶體振蕩器：頻率穩(wěn)定度高，廣泛應(yīng)用在穩(wěn)定度為10-6的設(shè)備中，一般用于時(shí)鐘基準(zhǔn)。1)、石英晶體的符號(hào)、等效電路以及電抗元件C0：石英晶體的靜態(tài)電容和分布電容，一般為幾~幾十pF。容性容性感性ffsfpXC0LCRL：10-3~102H；C：10-2~10-1pF；R：<100?，Q：104~106。當(dāng)?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時(shí)，并聯(lián)諧振頻率fp為:石英晶體的等效電抗X與頻率f之間的關(guān)系曲線(R=0)：f=fs時(shí)，L、C串聯(lián)諧振，X=0；f=fp時(shí)，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，X→∞；f>

fp或f<

fs時(shí)，呈容性，X<0；fs<f<

fp時(shí)，呈感性，X>0。2)、石英晶體振蕩電路晶振電路并聯(lián)型晶振電路：工作于晶體并聯(lián)諧振頻率附近

等效為電感。串聯(lián)型晶振電路：工作于晶體串聯(lián)諧振頻率附近

等效為短路。RB1RB2RE1CEC1C2RC1RC2RB3RB4RE2RE3CE2C3C4+12VUo晶體振蕩級(jí)放大級(jí)輸出級(jí)a)、并聯(lián)型晶振電路RB1||RB2RC1C1C2C0LCR振蕩級(jí)交流電路諧振頻率b)、串聯(lián)型晶體振蕩器調(diào)節(jié)電阻R，可獲得良好的正弦波輸出。9.3kCBCE4.3k4.3k1.5k10k4.3kRR過小，反饋量大，輸出波形失真，得到梯形波形。R過大，反饋量過小，電路不滿足振幅條件而停振。當(dāng)振蕩頻率等于串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體阻抗近似短路，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩。

歡迎提任何問題求解反饋放大器的方法—拆環(huán)法：目的找出基本放大器的交流通路，并求反饋系數(shù)。

1、畫基本放大器的輸入端：需對(duì)輸出端的處理：電壓反饋，輸出端負(fù)載短路，電流反饋，輸出端負(fù)載開路。

2、畫基本放大器的輸出端：需對(duì)輸入端的處理：并聯(lián)反饋，輸入端信號(hào)源短路，串聯(lián)反饋，輸入端信號(hào)源開路。

3、中間部分：中間部分一般和反饋環(huán)無關(guān)，原樣畫出即可。

4、反饋系數(shù)：在放大器輸出端求解較方便。反饋量的方向和反饋放大器中的方向相同。

5、求基本放大器的增益、輸入電阻輸出電阻等指標(biāo)。例1

如圖E1，R1=40k?,R2=100?,R3=650?,R4=9k?,R5=5k?,R6=100?,RL=1k?,三極管參數(shù)：rbb’=100?，rb’e1=5k?,rb’e2=2.5k?,rb’e3=0.5k?,三極管的β均為100，輸出電阻rce很大，可看成開路。

1、反饋的類型；2、求反饋系數(shù)；

3、基本放大器的交流通路和小信號(hào)等