《電工電子技術簡明教程》 課件 15 負反饋放大器反饋類型的判斷

1、了解反饋的概念。2、了解負反饋對電路性能的影響。3、掌握負反饋的四種組態(tài)及其特點。4、會判斷負反饋的四種組態(tài)，會分析帶有負反饋電路的工作特點返回主目錄任務22負反饋放大器反饋類型的判斷知識要點一、反饋的基本知識1.反饋在電子系統(tǒng)中，把放大電路的輸出量（輸出電壓或輸出電流）的一部分或全部，通過某些元件和網(wǎng)路（稱為反饋網(wǎng)絡），反送到輸入回路中，從而構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，使放大電路的輸入量不僅受到輸入信號的控制，而且受到放大電路輸出量的影響，這種連接方式就叫反饋。引入了反饋的放大電路叫做反饋放大電路，也叫閉環(huán)放大電路，而未引入反饋的放大電路，則稱為開環(huán)放大電路。2.反饋放大電路的框圖所有的反饋放大電路都可以看成是由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡兩大部分組成，如圖15.1所示。圖15.1反饋放大電路的方框圖3.反饋放大電路的一般關系式定義：放大器的開環(huán)放大倍數(shù)為：

反饋系數(shù)為F：

放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)為：

凈輸入信號為：

根據(jù)上述關系式可得：這是一個十分重要的關系式，也叫閉環(huán)增益方程，是分析反饋放大器的基本關系式。如果放大電路工作在中頻范圍，而且反饋網(wǎng)絡又是純電阻性時，開環(huán)放大倍數(shù)A和反饋系數(shù)F皆為實數(shù)，則開環(huán)放大倍數(shù)A可用A表示，反饋系數(shù)F可用F表示，閉環(huán)增益方程可寫為：=

=

=

=-

=

=

二、反饋放大電路的基本類型及分析方法1.反饋信號的極性與判斷方法放大器中的反饋，按照反饋信號極性的不同，可分為正反饋和負反饋。按照反饋信號是交流還是直流，可以分成直流反饋和交流反饋。（1）正反饋和負反饋在放大器中，如果引入反饋信號后，放大電路的凈輸入信號減小，導致放大器的放大倍數(shù)降低，這種反饋為負反饋；若反饋信號使放大電路的凈輸入信號增大，導致放大器的放大倍數(shù)增大，這種反饋為正反饋。區(qū)別正、負反饋的方法是用瞬時極性法。方法是先假定放大器輸入端的輸入信號在某一瞬時的極性為正，說明該點瞬時電位的變化是升高，在圖中用“+”號表示。再根據(jù)各級放大器對輸入信號和輸出電壓的相位關系，依次推斷出由瞬時輸入信號所引起的電路中有關各點的電位的瞬時極性，分別用“+”或“-”表示。例如當“+”信號從三極管的基極輸入時，信號從集電極上輸出時為“-”，從發(fā)射極上輸出時則為“+”；信號經(jīng)過電阻和電容時不改變極性；信號在經(jīng)過集成運放時，從同相端輸入，則輸出與輸入同相，從反相端輸入時，則輸出與輸入反相。最后在放大器的輸入回路上比較反饋信號和原輸入信號的極性。若反饋信號和原輸入信號同相，則為正反饋；若反饋信號和原輸入信號的相位相反，則為負反饋。這里要強調指出：在運用瞬時極性法時，反饋信號和原輸入信號極性的比較，一定要在放大器輸入回路的同一點上進行。這是因為在確定電路中各個點的信號極性時，一般都是以該點對地的極性來確定信號的正負，而信號經(jīng)過電路和反饋網(wǎng)絡回到放大器的輸入端時，不一定會回到原設為“+”的輸入點，有可能會回到放大器輸入端的另一點。單憑反饋回來的信號極性的正負來確定反饋是正反饋還是負反饋，容易引起錯誤判斷。例如：圖15.2是由集成運放組成的反饋放大電路。對于圖15.2（a）所示電路，設輸入信號ui的瞬時極性為正，因為uo與ui同相，則輸出信號uo的瞬時極性為正，uo經(jīng)電阻R3、R4分壓后得到的反饋電壓uf的極性也為正，由于反饋信號與輸入信號在輸入的同一端上且二者極性相同，可以看出，反饋信號將使凈輸入信號增大，所以為正反饋。圖15.2反饋極性的判斷對于圖15.2（b）所示電路，設輸入信號ui的瞬時極性為正，因為是從同相端輸入，則uo和uf的瞬時極性都為正，但由于反饋信號回到了輸入的另一端，與原輸入信號不在同一輸入端，所以單憑反饋信號的極性是正就判斷是正反饋顯然是錯誤的。此時可這樣分析：設輸入信號在集成運放的同相端瞬時極性為正，則其在輸入的另一端（反相端）必為負。當正的反饋信號回到集成運放的反相端時，應和該點的原輸入信號比較，顯然它倆的極性相反，所以是負反饋。通過以上分析，可以得出如下結論：當輸入信號ui與反饋信號uf在輸入端的不同點時，若反饋信號uf的瞬時極性和輸入信號ui的瞬時極性相同，為負反饋；若兩者極性相反，為正反饋。當輸入信號ui與反饋信號uf在輸入的同一點時，若反饋信號uf的瞬時極性和輸入信號ui的瞬時極性相同，為正反饋；若兩者極性相反，為負反饋。這個方法可以叫做瞬時極性同點比較法。對由單級集成運放組成的反饋放大電路，其正負反饋的判別較容易：反饋信號回到反相輸入端時為負反饋，反饋信號回到同相輸入端時為正反饋。如圖15.3所示，是由兩個集成運放組成的多級放大電路。由瞬時極性法可以判斷出兩個集成運放本級的反饋是負反饋，整個電路的級間反饋也是負反饋。所以，對于級間反饋來說，不能以反饋信號回到哪個輸入端作為判據(jù)，要用瞬時極性法逐級確定信號極性，最后要進行同點比較定出是正反饋還是負反饋。圖15.3多級反饋電路反饋極性的判斷（2）直流反饋和交流反饋在反饋放大器中，若反饋回來的信號是直流量，稱為直流反饋：若反饋回來的信號是交流量，稱為交流反饋；若反饋信號中既有交流分量，又有直流分量，則為交、直流反饋。直流反饋和交流反饋的區(qū)分，可以通過畫出整個反饋電路的交、直流通路來判定。反饋回路存在于直流通路中即為直流反饋，反饋回路存在于交流通路中，即為交流反饋。反饋通路既存在于直流通路中，又包含在交流通路里，為交、直流反饋。例如在圖15.5（a）所示的電路中，由于電容C對直流相當于開路，R2、R3串接在反相輸入端和輸出端之間，所以存在直流反饋。對于交流而言，電容C相當于短路，交流通路如圖15.5（b）所示，可以看出，交流通路中不存在反饋，所以這個電路不存在交流反饋。在圖15.5（c）電路中，有兩個級間反饋通路：Rf1和C2、Rf2。由圖中可看出，Rf1在直流通路和交流通路中都存在，輸出信號的交流成分和直流成分都可以通過Rf1反饋到輸入端，所以Rf1構成了交、直流級間反饋。而由于C2的“隔直”作用，輸出信號的直流成分被隔斷，無法送回到電路的輸入端，只有交流信號可以送回到輸入端，所以C2、Rf2只構成了交流反饋。直流負反饋在放大器中的作用只有一個，就是穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。前面分析過的分壓偏置式放大器就是直流負反饋的典型應用。交流負反饋的作用是改善放大器的動態(tài)特性，有許多內容要在下面詳細討論。射極跟隨器是交、直流負反饋共同存在的典型電路，它的工作點相當穩(wěn)定，并且在動態(tài)特性上與共發(fā)射極放大器相比有很大的改善。圖15.5判斷電路的直流反饋與交流反饋2.負反饋放大器的四種組態(tài)交流負反饋在放大器中有著特殊而廣泛的應用，下面要討論的負反饋都指的是交流負反饋。交流負反饋可以按照對放大器性能的要求組成各種類型。從放大器的輸出端，按照反饋網(wǎng)絡在輸出端的采樣不同，可分成電壓反饋和電流反饋。如果反饋取樣是輸出電壓，稱為電壓反饋；如果反饋取樣是輸出電流，稱為電流反饋。從放大器的輸入端，按照反饋信號與輸入信號在輸入端的連接方式的不同，可分成串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。如果反饋信號與輸入信號在輸入端串聯(lián)連接，稱為串聯(lián)反饋；如果反饋信號與輸入信號在輸入端并聯(lián)連接，則稱為并聯(lián)反饋。（1）電壓反饋和電流反饋的區(qū)分區(qū)分電壓反饋和電流反饋可采用假想負載短路法。假設把輸出負載短路，即uo=0，若反饋信號因此而消失，則為電壓反饋；如果反饋信號依然存在，則為電流反饋。在圖15.6（a）所示的電路中，假想將負載RL短路，短路后的等效電路如圖15.6（b）所示。可以看出，當負載短路后，uo=0，沒有了反饋回路，反饋信號也消失了，故為電壓反饋；對于圖15.6(c)所示電路，當負載短路后，盡管輸出電壓uo=0，但反饋回路依然存在，輸出信號還能反饋到輸入端，如圖15.6（d）所示，故圖15.6（c）所示電路為電流反饋。圖15.6區(qū)分電路是電壓反饋還是電流反饋（2）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的區(qū)分區(qū)分串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的方法是：如果反饋信號和輸入信號在輸入端的同一節(jié)點引入，為并聯(lián)反饋；如果反饋信號和輸入信號不在輸入端的同一節(jié)點引入，則為串聯(lián)反饋。在圖15.12(a)所示的電路中，輸入信號和反饋信號在同一個節(jié)點上，故為并聯(lián)反饋。對于圖15.12(c)所示電路，輸入信號和反饋信號不在同一個節(jié)點上，故為串聯(lián)反饋3.四種組態(tài)負反饋放大器的特點從反饋信號在電路輸出端的兩種取樣方式和在輸入端兩種不同的連接方式，可以構成負反饋的四種組態(tài)，即：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。（1）電壓串聯(lián)負反饋在圖15.8所示電路中，由R1、Rf構成輸入、輸出之間的反饋通路。在該電路的直流通路和交流通路中，均有該反饋存在，所以是交、直流反饋。對該集成運放而言，反饋加在集成運放的反相輸入端，所以是交流負反饋。從輸出端來看，若將負載RL短路，則uo=0，uf=0，反饋不存在，可見是屬于電壓反饋。從輸入回路來看，輸入信號和反饋信號不在同一個節(jié)點，所以是屬于串聯(lián)反饋。故圖15.8所示的放大電路稱為電壓串聯(lián)負反饋電路。電壓負反饋有穩(wěn)定輸出電壓uo的作用。設輸入信號不變，即ui恒定，由于某種原因（如RL增大），使輸出電壓uo增大，經(jīng)R1、Rf對uo分壓，使反饋電壓uf增大，結果使凈輸入電壓：=ui-uf減小，將引起uo向相反的方向變化，最后趨于穩(wěn)定?？梢?，引入電壓負反饋后，通過反饋的自動調節(jié)，可以使輸出電壓趨于穩(wěn)定。電壓串聯(lián)負反饋放大器的特點是：輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻減小，輸入電阻增大。它是良好的電壓—電壓放大器。圖15.8電壓串聯(lián)負反饋電路圖（2）電流串聯(lián)負反饋在圖15.9所示電路中，由Rf構成輸入、輸出間的反饋回路。反饋回路能同時通過交流和直流信號，所以該反饋為交、直流反饋。對該集成運放而言，反饋加在集成運放的反相輸入端，所以是交流負反饋。從輸出端來看，若將負載RL短路，則當uo=0時，反饋信號依然存在，說明該反饋屬于電流反饋。從輸入端來看，由于輸入信號與反饋信號是從集成運放的兩個不同的輸入端引入，屬于串聯(lián)反饋。因此，圖15.9所示電路為電流串聯(lián)負反饋放大電路。電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流io的作用。設由于某種原因（如RL增大），使輸出電流io減小，則反饋到輸入端的電壓uf減小，則凈輸入信號：=ui-uf增大，從而使io增大，最后趨于穩(wěn)定?？梢姡腚娏髫摲答伜?，通過反饋的自動調節(jié)，使輸出電流趨于穩(wěn)定。電流串聯(lián)負反饋放大器的特點是：輸出電流穩(wěn)定，輸出電阻增大，輸入電阻增大。它是良好的電壓—電流放大器。圖15.9電流串聯(lián)負反饋電路圖（3）電流并聯(lián)負反饋在圖15.10所示電路中，由Rf構成輸入、輸出間的反饋通路。反饋通路能同時通過交流和直流信號，所以該反饋為交、直流反饋。用瞬時極性法可判斷出是交流負反饋。當將RL短路后，uo=0，但反饋信號依然存在，說明該反饋屬于電流反饋；又由于輸入信號與反饋信號均從集成運放的反相輸入端引入，屬于并聯(lián)反饋。所以該電路為電流并聯(lián)負反饋放大電路。電流并聯(lián)負反饋放大器的特點是：輸出電流穩(wěn)定，輸出電阻增大，輸入電阻減小。它是良好的電流—電流放大器。（4）電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電路如圖15.11所示，由Rf構成輸入、輸出間的反饋通路，為交、直流反饋。用瞬時極性法可判斷出是交流負反饋。從輸出端看，假設將負載RL短路，則uo=0，輸入、輸出間不存在反饋通路，反饋信號消失，故為電壓反饋；從輸入端看，輸入信號和反饋信號都在集成運放的反相輸入端，屬于并聯(lián)反饋。所以圖15.11電路是電壓并聯(lián)負反饋放大電路。圖15.10電流并聯(lián)負反饋電路圖電壓并聯(lián)負反饋放大器的特點是：輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻減小，輸入電阻減小。它是良好的電流—電壓放大器。應當引起注意的是，不論采用什么組態(tài)的負反饋，反饋效果都受信號源內阻RS的制約。當采用串聯(lián)負反饋時，為能充分發(fā)揮負反饋的作用，應采用RS小的信號源，以使輸入電壓保持穩(wěn)定；當采用并聯(lián)負反饋時，RS愈大，則輸入電流越穩(wěn)定，并聯(lián)負反饋的效果愈顯著，所以此時應采用RS大的信號源。三、負反饋對放大電路性能的影響從反饋放大器的閉環(huán)增益方程可以看出，當反饋深度D取不同值時，放大器的閉環(huán)增益和開環(huán)增益的關系是不同的。三、負反饋對放大電路性能的影響從反饋放大器的閉環(huán)增益方程可以看出，當反饋深度D取不同值時，放大器的閉環(huán)增益和開環(huán)增益的關系是不同的。1.閉環(huán)增益的三種結果對閉環(huán)增益方程可分成三種情況加以討論：圖15.11電壓并聯(lián)負反饋電路圖2.負反饋對放大器性能的影響放大器引入負反饋后，放大倍數(shù)有所下降，但卻可以改善放大器的動態(tài)性能，如提高放大器的穩(wěn)定性、減小非線性失真、抑制干擾、降低電路內部噪聲和擴展通頻帶等。這些指標的改善對于提高放大器的性能是非常有益的，至于放大倍數(shù)的降低則可以通過增加放大器的級數(shù)來加以解決。（1）交流負反饋可以提高放大器增益的穩(wěn)定性設放大電路工作在中頻范圍，反饋網(wǎng)絡為純電阻，所以A、F都可用實數(shù)表示，則閉環(huán)增益方程為：Af=為了表示增益的穩(wěn)定性，通常用增益的相對變化量作為衡量指標。對式閉環(huán)增益方程求微分，可得：dAf==對上式兩邊同時除以Af，得=

上式表明，引入負反饋后，閉環(huán)放大器增益的相對變化量是開環(huán)放大器增益相對變化量的（1+AF）分之一?？梢姺答佋缴?，放大器的增益就越穩(wěn)定，當然放大器的增益也就越低。例如某放大器的反饋深度：即在開環(huán)增益相對變化量為10%時，有了負反饋，電路的閉環(huán)增益相對變化量只有千分之一！放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了100倍。結合到電路的具體反饋組態(tài)，可以得出結論：電壓負反饋使電路的輸出電壓保持穩(wěn)定；電流負反饋使電路的輸出電流保持穩(wěn)定。（2）交流負反饋可以減小對信號放大的非線性失真D=1+AF=101，=±10%=（±10%）≈±0.1%，由于三極管本身是非線性器件，所以放大器對信號進行放大時產(chǎn)生了非線性失真是不可避免的，問題是如何盡量減小非線性失真。給三極管設置合適的工作點是減小非線性失真的首選方法。然而當輸入信號的幅度較大時，盡管三極管的工作點合適，也會導致三極管工作在特性曲線的非線性部分，從而使輸出波形失真，這是用合理設置工作點也解決不了的問題。而用交流負反饋就可以在很大程度上解決這個問題。假設正弦信號xi經(jīng)過開環(huán)放大電路后，變成了正半周幅度大、負半周幅度小的輸出波形，如圖15.12（a）所示。這時在電路中引入負反饋，如圖15.12（b）所示，并假定反饋網(wǎng)絡是不會引起失真的純電阻網(wǎng)絡，則在輸入端將得到正半周幅度大、負半周幅度小的反饋信號xf。兩者疊加后，由此得到的凈輸入信號xid則是正半周幅度小、負半周幅度大的波形，即引入了失真（稱預失真），再經(jīng)過基本放大電路放大后，就會使輸出波形趨于正負對稱的正弦波，從而減小了非線性失真。需要注意的是，對輸入信號本身固有的失真，負反饋是無能為力的。圖15.12非線性失真的改善（3）交流負反饋可以抑制電路內部產(chǎn)生的干擾和噪聲對于三極管內部由于載流子的熱運動而引起的干擾和噪聲，負反饋也可以對其進行抑制，其原理與改善信號的非線性失真相同。（4）交流負反饋可以擴展放大器的通頻帶從上面的分析中已經(jīng)可以看出，負反饋的作用就是對電路輸出的任何變化都有反向的糾正作用，所以放大電路在高頻區(qū)及低頻區(qū)放大倍數(shù)的下降，必然會引起反饋量的減小，從而使凈輸入量增加，放大倍數(shù)隨頻率的變化減小，幅頻特性變得平坦，使上限截止頻率升高，下限截止頻率下降，從而放大器的通頻帶被展寬了，如圖15.13所示?？梢娊柚谪摲答伒淖詣诱{節(jié)作用，放大器的幅頻特性得以改善，其改善程度與反饋深度有關，（1+AF）愈大，負反饋越強，通頻帶就越寬。計算表明，負反饋使放大電路的通頻帶展寬了