模擬電子技術 第八章 反饋

第八章反饋本章重點介紹以下內容：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負反饋對放大器性能的影響8.4反饋放大器的分析和近似計算8.5反饋放大器穩(wěn)定性討論8.6正反饋的應用——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、負反饋使放大器的增益下降了(1+AF)倍。負反饋減少了凈輸入信號。2、反饋深度：表征反饋強弱的物理量

負反饋使凈輸入信號減小為輸入信號的1/D倍，同樣輸入Xi，反饋放大器的輸出信號也下降D倍。若D>>1，則：深度負反饋：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)，則反饋信號消失電流反饋：io=0(輸出端開路)，則反饋信號消失二、串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋根據(jù)反饋網(wǎng)絡和輸入端的連接方式不同分串并聯(lián)。反饋信號與輸入信號的關系：-+-+-R1RfAu++-+-UiR2R1RfAu串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋并聯(lián)電流負反饋

根據(jù)取樣信號和反饋信號與輸入信號的關系，有四種負反饋：串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電壓負反饋8.3負反饋對放大器性能的影響一、負反饋使放大倍數(shù)穩(wěn)定度提高穩(wěn)定增益的原理：負反饋有自動調節(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。負反饋改善性能的原因：凈輸入信號隨輸出信號而變化。A↓Xo↓Xf(=FXo)↓負反饋Xi’(=Xi-

Xf)↑Xo↑放大倍數(shù)的相對變化量來衡量放大器的穩(wěn)定性。閉環(huán)相對穩(wěn)定度放大倍數(shù)的相對變化量減少為原相對變化的1/(1+AF)。開環(huán)相對穩(wěn)定度例8.3.1設計一個負反饋放大器，要求閉環(huán)放大倍數(shù)Af=100，當開環(huán)放大倍數(shù)A變化±10%時，Af的相對變化量在±0.5%以內，試確定開環(huán)放大倍數(shù)A及反饋系數(shù)F值。

解：二、負反饋使放大器通頻帶展寬，線性失真減小設開環(huán)增益的高頻響應具有一階極點：閉環(huán)中頻放大倍數(shù)閉環(huán)上限頻率負反饋的頻帶展寬是一增益下降為代價的，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：負反饋只改善反饋環(huán)的不利因素對頻率特性的影響。例8.3.2已知集成運放的開環(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？當反饋電阻Rf分別等于R1的9倍、99倍和999倍時，相應的反饋系數(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)電壓負反饋后：三、負反饋使非線性失真減小，輸入動態(tài)范圍展寬設反饋后輸出諧波分量為Xnhf，則：全諧波失真率為：

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

條件：只限于反饋環(huán)內放大器產生的非線性失真，且在輸入信號有增大的余地，非線性失真不十分嚴重。四、負反饋可以減小放大器內部產生的噪聲與干擾

負反饋使輸出噪聲下降(1+AF)倍。如果輸入信號本身不攜帶噪聲和干擾，且其幅度可以增大，輸出信號分量保持不變，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輸出電阻的影響電壓負反饋使輸出電阻減小，電流負反饋使輸出電阻增大。

輸出電阻的定義：電壓負反饋對輸出電阻的影響

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

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

—>∞并聯(lián)負反饋：Rif

—>0并聯(lián)負反饋是輸入電阻減小了(1+AF)倍。

負反饋的特點：(1)負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。(2)被改善的對象就是被取樣的對象。(3)負反饋只改善負反饋環(huán)節(jié)以內的放大器性能。(4)串聯(lián)負反饋：輸入電阻增大(1+AF)倍，并聯(lián)負反饋：輸入電阻減小為1/(1+AF)。(5)電流負反饋：輸出電阻增大(1+AF)倍，電壓負反饋：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處于中頻段時接成的負反饋。在信號處于低頻段或高頻段時，各級放大電路中由于電路存在電抗器件，出現(xiàn)附加相移，若級數(shù)較多時，附加相移大于或等于180度，就會使原來的負反饋轉化為正反饋。一、四種組態(tài)反饋放大器增益和反饋系數(shù)的近似計算8.4反饋放大器的分析和近似計算1、并聯(lián)電壓負反饋閉環(huán)增益：輸入電阻：輸出電阻：單級并聯(lián)電壓負反饋電路深度負反饋下：′反饋網(wǎng)絡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。多級并聯(lián)電壓負反饋電路深負反饋下：反饋網(wǎng)絡放大網(wǎng)絡凈輸入信號：2、串聯(lián)電壓負反饋閉環(huán)增益：閉環(huán)輸入電阻：閉環(huán)輸出電阻：為保證負反饋，反饋引入到運放的反相端，構成電壓串聯(lián)負反饋單級串聯(lián)電壓負反饋反饋信號：凈輸入信號：反饋系數(shù)：深度負反饋：共集放大器增益：二級串聯(lián)電壓負反饋V1管輸入等效電路：3、串聯(lián)電流負反饋負載RL不接地，為懸浮輸出反饋信號為：電流反饋。凈輸入信號為：閉環(huán)增益為：閉環(huán)輸入電阻為：閉環(huán)輸出電阻為：單級串聯(lián)電流負反饋等效法求增益為：三級串聯(lián)電流負反饋4、并聯(lián)電流負反饋負載RL懸浮，若Uo=0，則反饋電流為：凈輸入信號：為并聯(lián)負反饋。二級并聯(lián)電流負反饋凈輸入信號：∴負反饋。二、復反饋放大器及反饋放大器例題分析1、復反饋放大器復反饋：就是反饋網(wǎng)絡引入電抗元件(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點高頻時容抗減少，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構成直流反饋

復反饋補償是展寬高頻響應的重要方法例2

電路如圖。2、反饋放大器例題分析+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-(1)為進一步提高輸出電壓穩(wěn)定度，試正確引入反饋；(2)計算開環(huán)放大倍數(shù)Au；(3)計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)電壓負反饋，電路應如何改接?+UDDR1R2R2R1R3R4R5Rf1Rf2Io-UEEui+-+uoV1V2uo1abc+-S解：(1)、穩(wěn)定電壓，必引入電壓負反饋。S開關接入b點，引入V2柵極，構成串聯(lián)反饋+-ufS開關接入c點，引入V1柵極，構成并聯(lián)反饋If瞬時極性法判斷反饋+-+S→b點→

V2柵極，構成串聯(lián)電壓負反饋S→c點→

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

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

(4)、若一定要求引入并聯(lián)電壓負反饋，最簡單的辦法是將第一級輸出由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)定性討論負反饋放大器的基本方程：一般認為A與F為常數(shù)，則有：一、負反饋放大器穩(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)與頻率有很大的關系。在高頻區(qū)，出現(xiàn)一個附加的相。附加相移是引起放大器不穩(wěn)定的主要因素。當A(jW)的相位發(fā)生改變時，輸入信號和反饋信號的相位隨著發(fā)生變化，若二者相位相同時，負反饋演變?yōu)檎答仭．敻郊酉嘁莆辉龃蟮?180°，且反饋足夠強時，使得環(huán)路增益為：此時放大器沒有輸入信號也有輸出信號，產生自激振蕩。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。某運算放大器的開環(huán)特性A(jω)為一個三極點放大器，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：高頻時：反饋越強，穩(wěn)定性越不易保證。三、常用的消振方法——相位補償法1、電容滯后補償原理：在時常數(shù)最大一級放大器里并接補償電容C，以高頻增益下降更多來換取穩(wěn)定工作之目的。補償電容值的計算公式：電容滯后補償?shù)拈_環(huán)頻率特性波特圖電容滯后補償開環(huán)帶寬

，閉環(huán)帶寬f2。單純電容滯后補償是以犧牲帶寬換取穩(wěn)定的。2、零極點對消——RC滯后補償

RC滯后補償可在A(jw)中引入一個零點。該零點與相應的一個極點相消，使得放大器補償后的頻帶損失最小。簡化等效電路輸出等效電路RC串聯(lián)補償網(wǎng)絡電路設原始開環(huán)增益為：RC補償后的開環(huán)增益為：選擇R、C滿足：零點與極點相消后加RC補償?shù)拈_環(huán)增益：零極點相消——RC滯后補償?shù)拈_環(huán)頻率響應波特圖3、密勒效應補償若C=30pF，|A2|=1000,則C′=30000pF。利用密勒效應進行補償，可大大減小補償電容的容量。

密勒效應在集成電路中廣為應用，密勒效應補償電容使小電容發(fā)揮大電容的效應。

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

引入相位導前，從而使環(huán)路增益總相位導前一個角度，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”，使某一頻率的信號滿足振蕩條件，則產生一頻率的正弦波。一、產生正弦波的振蕩條件放大電路反饋網(wǎng)絡++12~S1引入輸入，產生正弦波2斷開輸入，引入反饋，維持振蕩維持等幅振蕩的平衡條件：產生自激振蕩的兩個平衡條件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)絡是否使某一頻率滿足根據(jù)選頻網(wǎng)絡不同，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)絡如圖：傳輸函數(shù)的幅相特性：001/30f90-900該網(wǎng)絡對叫頻率為wo=1/RC信號有選擇作用。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)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)絡選頻網(wǎng)絡共基組態(tài)電容反饋式:反饋電壓通過電容分壓在C2上取得電容三點式振蕩器:晶體管的三個極直接與電容三點相連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電容三點式電感三點式正反饋條件：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)、振蕩頻率電容三點式電感三點式四、晶體振蕩器石英晶體振蕩器：頻率穩(wěn)定度高，廣泛應用在穩(wěn)定度為10-6的設備中，一般用于時鐘基準。1)、石英晶體的符號、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?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時，并聯(lián)諧振頻率fp為:石英晶體的等效電抗X與頻率f之間的關系曲線(R=0)：f=fs時，L、C串聯(lián)諧振，X=0；f=fp時，產生并聯(lián)諧振，X→∞；f>

fp或f<

fs時，呈容性，X<0；fs<f<

fp時，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晶體振蕩級放大級輸出級a)、并聯(lián)型晶振電路RB1||RB2RC1C1C2C0LCR振蕩級交流電路諧振頻率b)、串聯(lián)型晶體振蕩器調節(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。當振蕩頻率等于串聯(lián)諧振頻率時，晶體阻抗近似短路，正反饋最強，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：需對輸出端的處理：電壓反饋，輸出端負載短路，電流反饋，輸出端負載開路。

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

3、中間部分：中間部分一般和反饋環(huán)無關，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。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等