電子技術基礎模擬部分(第六版康華光)第8章-反饋放大電路

《電子技術根底》模擬局部〔第六版〕華中科技大學張林電子技術根底模擬局部1緒論2運算放大器3二極管及其根本電路4場效應三極管及其放大電路5雙極結型三極管及其放大電路6頻率響應7模擬集成電路8反響放大電路9功率放大電路10信號處理與信號產(chǎn)生電路11直流穩(wěn)壓電源8反響放大電路8.1反響的根本概念與分類8.2負反響放大電路增益的一般表達式8.3負反響對放大電路性能的影響8.4深度負反響條件下的近似計算8.5負反響放大電路設計8.6負反響放大電路的穩(wěn)定性8.1反響的根本概念與分類8.1.1什么是反響8.1.2直流反響與交流反響8.1.3正反響與負反響8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響8.1.5電壓反響與電流反響8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)8.1.1什么是反響將電子系統(tǒng)輸出回路的電量〔電壓或電流〕，送回到輸入回路的過程。內(nèi)部反響外部反響8.1.1什么是反響輸出信號反響放大電路的輸入信號反響信號根本放大電路的輸入信號〔凈輸入信號〕框圖8.1.1什么是反響反響通路——信號反向傳輸?shù)那篱_環(huán)——無反響通路閉環(huán)——有反響通路反響通路〔反響網(wǎng)絡〕信號的正向傳輸8.1.1什么是反響判斷電路是否存在反響通路反響通路〔本級〕反響通路〔本級〕反響通路〔級間〕8.1.1什么是反響理論上電源線和地線不能作為反響通路反響通路〔級間〕8.1.2直流反響與交流反響根據(jù)反響到輸入端的信號是交流，還是直流，或同時存在，來進行判別。交、直流反響交流反饋8.1.2直流反響與交流反響直流反響交、直流反響8.1.3正反響與負反響正反響：輸入量不變時，引入反響后輸出量變大了。負反響：輸入量不變時，引入反響后輸出量變小了。從輸出端看從輸入端看正反響：引入反響后，使凈輸入量變大了。負反響：引入反響后，使凈輸入量變小了。凈輸入量可以是電壓，也可以是電流。8.1.3正反響與負反響判別方法：瞬時極性法。即在電路中，從輸入端開始，沿著信號流向，標出某一時刻有關節(jié)點電壓變化的斜率〔正斜率或負斜率，用“+〞、“-〞號表示〕。(+)(+)(-)(-)(-)凈輸入量減小(+)(+)(-)(-)凈輸入量增大負反響正反響反響通路反響通路(+)(+)(+)(+)(-)(-)8.1.3正反響與負反響級間反響通路凈輸入量減小級間負反響反饋通路本級反饋通路(+)(-)(+)(+)8.1.3正反響與負反響級間反響通路凈輸入量減小級間負反響(+)(+)(+)8.1.3正反響與負反響反響通路凈輸入量減小本級負反響8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響由反響網(wǎng)絡在放大電路輸入端的連接方式判定串聯(lián)串聯(lián)：輸入以電壓形式求和〔KVL〕-vi+vid+vf=0即vid=vi-vf并聯(lián)：輸入以電流形式求和〔KCL〕ii-iid-if=0即iid=ii-if并聯(lián)8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響并聯(lián)：反響量xf和輸入量xi接于同一輸入端。串聯(lián)：反響量xf和輸入量xi接于不同的輸入端。由信號在輸入端的連接方式判定8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響判斷電路中的級間交流反響是串聯(lián)反響還是并聯(lián)反響并聯(lián)反響級間反響通路xf(if)8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響串聯(lián)反響級間反響通路xf(vf)判斷電路中的級間交流反響是串聯(lián)反響還是并聯(lián)反響8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響信號源對反響效果的影響串聯(lián)負反響vid=vi-vf那么vi最好為恒壓源，即信號源內(nèi)阻Rs越小越好。要想反響效果明顯，就要求vf變化能有效引起vid的變化。8.1.4串聯(lián)反響與并聯(lián)反響信號源對反響效果的影響并聯(lián)負反響iid=ii-if那么ii最好為恒流源，即信號源內(nèi)阻Rs越大越好。要想反響效果明顯，就要求if變化能有效引起iid的變化。8.1.5電壓反響與電流反響電壓反響與電流反響由反響網(wǎng)絡在放大電路輸出端的取樣對象決定電壓反響：反響信號xf和輸出電壓成比例，即xf=Fvo并聯(lián)結構串聯(lián)結構電流反響：反響信號xf與輸出電流成比例，即xf=Fio8.1.5電壓反響與電流反響電壓負反響RL

vo

xf

xid

vo

電壓負反響穩(wěn)定輸出電壓xf=Fvo，

xid=xi－xf8.1.5電壓反響與電流反響電流負反響RL

io

xf

xid

io

電流負反響穩(wěn)定輸出電流xf=Fio，

xid=xi－xf8.1.5電壓反響與電流反響判斷方法：負載短路法將負載短路，反響量仍然存在——電流反響。將負載短路〔未接負載時輸出對地短路〕，反響量為零——電壓反響。電壓反響電流反響反響通路反響通路8.1.5電壓反響與電流反響電壓反響反響通路8.1.5電壓反響與電流反響電流反響反響通路8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)由此可組成四種組態(tài)：輸入端：輸出端：電壓串聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)四種組態(tài)反響網(wǎng)絡在放大電路輸入端的連接分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。反響信號在輸出端分為電壓取樣和電流取樣兩種方式。8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)1.電壓串聯(lián)負反響放大電路輸入以電壓形式求和〔KVL〕：vid=vi-vf

穩(wěn)定輸出電壓特點：電壓控制的電壓源〔VCVS〕，電壓/電壓轉換8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)輸入以電流形式求和〔KCL〕：iid=ii-if

穩(wěn)定輸出電壓電流控制的電壓源〔CCVS〕，電流/電壓轉換特點：2.電壓并聯(lián)負反響放大電路8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)輸入以電壓形式求和〔KVL〕：vid=vi-vf

穩(wěn)定輸出電流電壓控制的電流源〔VCCS〕，電壓/電流轉換特點：3.電流串聯(lián)負反響放大電路8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)輸入以電流形式求和〔KCL〕：iid=ii-if

穩(wěn)定輸出電流電流控制的電流源〔CCCS〕，電流/電流轉換特點：4.電流并聯(lián)負反響放大電路8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)電壓負反響：穩(wěn)定輸出電壓，具有恒壓特性串聯(lián)反響：輸入端電壓求和〔KVL〕電流負反響：穩(wěn)定輸出電流，具有恒流特性并聯(lián)反響：輸入端電流求和〔KCL〕不同組態(tài)的特點：8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)反響組態(tài)判斷舉例〔交流〕(+)(-)(-)(-)級間電流并聯(lián)負反響8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)(+)(+)(-)(-)電壓并聯(lián)負反響反響組態(tài)判斷舉例〔交流〕(+)(+)(-)(+)(+)(+)8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)直流反響交、直流反響電流串聯(lián)負反響反響組態(tài)判斷舉例〔交流〕(+)(+)(-)(+)(+)8.1.6負反響放大電路的四種組態(tài)電壓串聯(lián)負反響反響組態(tài)判斷舉例〔交流〕8.2負反響放大電路增益的一般表達式輸入輸出1.信號的單向化傳輸信號的正向傳輸信號的反向傳輸信號在反響網(wǎng)絡中的正向傳輸信號在根本放大電路中的反向傳輸正向傳輸：信號由輸入到輸出的傳輸反向傳輸：信號由輸出到輸入的傳輸8.2負反響放大電路增益的一般表達式輸入輸出信號的正向傳輸信號的反向傳輸正向傳輸：信號由輸入到輸出的傳輸反向傳輸：信號由輸出到輸入的傳輸1.信號的單向化傳輸8.2負反響放大電路增益的一般表達式開環(huán)增益反饋系數(shù)閉環(huán)增益因為所以閉環(huán)增益的一般表達式即2.閉環(huán)增益的一般表達式信號量或信號傳遞比反響組態(tài)電壓串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)Av=vo/vidAi=io/iidF=xf/xoFv=vf/voFi=if/ioAvf=vo/vi功能vi控制vo，電壓放大ii控制io，電流放大xoxi、xf、xidAf=xo/xi負反響放大電路中各種信號量的含義A=xo/xidvoiovi、vf、vidii、if、iidii控制vo，電流轉換為電壓vi控制io，電壓轉換為電流voiovi、vf、vidii、if、iid8.2負反響放大電路增益的一般表達式一般負反響稱為反饋深度深度負反響正反響自激振蕩

一般情況下，A和F都是頻率的函數(shù)，當考慮信號頻率的影響時，Af、A和F分別用、和表示。即3.反響深度討論8.3負反響對放大電路性能的影響8.3.1提高增益的穩(wěn)定性8.3.2減小非線性失真8.3.3抑制反響環(huán)內(nèi)噪聲8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響8.3.5擴展頻帶8.3.1提高增益的穩(wěn)定性閉環(huán)時對A求導得只考慮幅值有即閉環(huán)增益相對變化量比開環(huán)減小了1+AF另一方面,在深度負反響條件下即閉環(huán)增益只取決于反響網(wǎng)絡。當反響網(wǎng)絡由穩(wěn)定的線性元件組成時，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。負反響的組態(tài)不同，穩(wěn)定的增益不同〔Avf、Arf、Agf、Aif〕8.3.2減小非線性失真閉環(huán)時增益減小，線性度變好。只能減少環(huán)內(nèi)放大電路產(chǎn)生的失真，如果輸入波形本身就是失真的，即使引入負反響，也無濟于事。8.3.3抑制反響環(huán)內(nèi)噪聲自學8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響串聯(lián)負反響1.對輸入電阻的影響開環(huán)輸入電阻Ri=vid/ii因為vf=F·xoxo=A·vid閉環(huán)輸入電阻Rif=vi/ii所以vi=vid+vf=(1+AF)vid閉環(huán)輸入電阻Rif=vi/ii引入串聯(lián)負反響后，輸入電阻增加了。8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響并聯(lián)負反響閉環(huán)輸入電阻引入并聯(lián)負反響后，輸入電阻減小了。注意:反響對輸入電阻的影響僅限于環(huán)內(nèi)，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。1.對輸入電阻的影響8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響例如圖中R1不在環(huán)內(nèi)但是當R1>>

時，反饋對Rif幾乎沒有影響。1.對輸入電阻的影響8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響電壓負反響2.對輸出電阻的影響8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響閉環(huán)輸出電阻而xid=-xf=-Fvt

忽略反響網(wǎng)絡對it的分流所以引入電壓負反響后，輸出電阻減小了。電壓負反響2.對輸出電阻的影響8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響電流負反響閉環(huán)輸出電阻引入電流負反響后，輸出電阻增大了。注意:反響對輸出電阻的影響僅限于環(huán)內(nèi)，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。2.對輸出電阻的影響8.3.4對輸入電阻和輸出電阻的影響負反響對放大電路性能的改善，是以犧牲增益為代價的，且僅對環(huán)內(nèi)的性能產(chǎn)生影響。串聯(lián)負反響——并聯(lián)負反響——電壓負反響——電流負反響——特別注意表的內(nèi)容增大輸入電阻減小輸入電阻減小輸出電阻，穩(wěn)定輸出電壓增大輸出電阻，穩(wěn)定輸出電流8.3.5擴展頻帶1.頻率響應的一般表達式根本放大電路的高頻響應

為基本放大電路通帶增益比開環(huán)時增加了根據(jù)閉環(huán)增益表達式有（設反饋網(wǎng)絡為純阻網(wǎng)絡）——閉環(huán)通帶增益其中同理可得——閉環(huán)上限頻率比開環(huán)時減小了——閉環(huán)下限頻率8.3.5擴展頻帶2.不同負反響深度下的頻帶8.3.5擴展頻帶放大電路的增益-帶寬積為常數(shù)閉環(huán)增益-帶寬積開環(huán)增益-帶寬積3.增益-帶寬積8.4深度負反響條件下的近似計算1.深度負反響的特點即，深度負反響條件下，閉環(huán)增益只與反響網(wǎng)絡有關由于則又因為代入上式得〔也常寫為xfxi〕凈輸入量近似等于零由此可得深度負反響條件下，根本放大電路“兩虛〞的概念輸入量近似等于反響量〔xid0〕#如何滿足深度負反響條件？#既然深度負反響條件下，閉環(huán)增益只與反響網(wǎng)絡有關，那么是否意味著根本放大電路的增益A已經(jīng)無關緊要了？8.4深度負反響條件下的近似計算串聯(lián)負反響，輸入端電壓求和深度負反響條件下xid=xi-xf0虛短虛斷虛短虛斷并聯(lián)負反響，輸入端電流求和vid=

vi-

vf

0iid=

ii-

if

0vid=

iidri

01.深度負反響的特點8.4深度負反響條件下的近似計算(1)找出信號放大通路和反響通路(2)用瞬時極性法判斷正、負反響(3)判斷交、直流反響(4)判斷反響組態(tài)(5)標出輸入量、輸出量及反響量(6)估算深度負反響條件下電路的F、Af、Avf?！渤３＠锰摱毯吞摂嘀苯恿斜磉_式求解〕2.分析負反響放大電路的一般步驟8.4深度負反響條件下的近似計算電壓串聯(lián)負反響反響系數(shù)

實際上該電路就是第2章介紹的同相比例放大電路，此處結果與第2章所得結果相同設電路滿足深度負反響條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達式。解：根據(jù)虛短、虛斷閉環(huán)增益〔就是閉環(huán)電壓增益〕3.舉例8.4深度負反響條件下的近似計算電壓串聯(lián)負反響設電路滿足深度負反響條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達式。解：根據(jù)虛短、虛斷閉環(huán)電壓增益vivf3.舉例電流并聯(lián)負反響設電路滿足深度負反響條件，試寫出該電路的閉環(huán)增益和閉環(huán)電壓增益表達式。解：根據(jù)虛短、虛斷閉環(huán)增益所以閉環(huán)電壓增益注意：假設io參考方向不同，將影響閉環(huán)增益的結果iiiidifioiR又因為3.舉例電流并聯(lián)負反響設電路滿足深度負反響條件，試寫出該電路的閉環(huán)增益和閉環(huán)電壓增益表達式。解：根據(jù)虛短、虛斷閉環(huán)增益所以閉環(huán)電壓增益注意：假設io參考方向不同，將影響閉環(huán)增益的結果又因為iiiidifioiR參考方向不同時3.舉例0Viiiidif解:閉環(huán)增益例7.5.5…〔3〕求大環(huán)反響的閉環(huán)增益以及對信號源的閉環(huán)電壓增益；…〔3〕電壓并聯(lián)負反響根據(jù)虛短、虛斷解:閉環(huán)增益〔3〕電壓并聯(lián)負反響根據(jù)虛短、虛斷vs+-將信號源變?yōu)殡妷涸此蚤]環(huán)源電壓增益又因為0Viiiidif例7.5.5…〔3〕求大環(huán)反響的閉環(huán)增益以及對信號源的閉環(huán)電壓增益；…8.5負反響放大電路設計8.5.1設計負反響放大電路的一般步驟8.5.2設計舉例8.5.1設計負反響放大電路的一般步驟1.選定需要的反響類型2.確定反響系數(shù)的大小3.適中選擇反響網(wǎng)絡中的電阻阻值4.通過仿真分析，檢驗設計是否滿足要求信號源性質(zhì)對輸出信號的要求對輸入、輸出電阻的要求對信號變換的要求〔V-V、V-I、I-V、I-I〕深度負反饋時盡量減小反響網(wǎng)絡對根本放大電路的負載效應8.5.2設計舉例例7.6.2設計一個帶負反響的光電隔離器的驅動電路。設vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。運放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。解:驅動電路需要將電壓vs轉換為電流io1已知LED的光強度——流過LED的電流io1線性——電壓信號vs線性選用電流串聯(lián)負反響電路光電隔離器解:例7.6.2設計一個驅動光電隔離器的放大電路。設vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。運放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。選用電流串聯(lián)負反響電路所以Rf=1kΩ又因為根據(jù)虛斷有深度負反饋時例7.6.2設計一個驅動光電隔離器的放大電路。設vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。運放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。解:仿真電路io1與vs的呈線性關系，

io1=10-3vs，放大電路滿足設計要求。8.6負反響放大電路的穩(wěn)定性8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件8.6.2頻率補償8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件1.自激振蕩現(xiàn)象

在不加任何輸入信號的情況下，放大電路仍會產(chǎn)生一定頻率的信號輸出。2.產(chǎn)生原因

在高頻區(qū)或低頻區(qū)產(chǎn)生的附加相移達到180

，使中頻區(qū)的負反饋在高頻區(qū)或低頻區(qū)變成了正反饋，當滿足了一定的幅值條件時，便產(chǎn)生自激振蕩。8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件3.自激振蕩條件自激振蕩反饋深度即又得自激振蕩條件幅值條件相位條件〔附加相移〕注：輸入端求和的相位〔-1〕不包含在內(nèi)閉環(huán)增益注：負反響放大電路是否自激振蕩實際上與輸入信號無關。8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件4.穩(wěn)定工作條件破壞自激振蕩條件或當反響網(wǎng)絡為純電阻網(wǎng)絡時，f=0。其中Gm——幅值裕度，一般要求Gm

-10dB

m——相位裕度，一般要求

m45〔保證可靠穩(wěn)定，留有余地〕寫成等式，且幅值用分貝數(shù)表示時8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件用波特圖表示或Gm-10dB或

m454.穩(wěn)定工作條件8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件5.負反響放大電路穩(wěn)定性分析環(huán)路增益的幅頻響應寫為一般與頻率無關，則的幅頻響應是一條水平線利用波特圖分析關鍵作出的幅頻響應和相頻響應波特圖水平線的交點為即該點滿足8.6.1自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件(2)作水平線判斷穩(wěn)定性方法(1)作出的幅頻響應和相頻響應波特圖在水平線的交點作垂線交相頻響應曲線的一點(3)判斷兩線交點對應的相位是否