模塊四負反饋放大電路

模塊四負反饋放大電路【教學(xué)聚焦】一、知識目標：1、正確理解反饋的概念、分類和一般表達式；2、實際反饋放大電路的類型和判斷方法；3、負反饋對放大電路性能的影響；4、深度負反饋條件下放大電路增益的計算；5、負反饋放大電路的自激及消除。二、技能目標：1、掌握放大電路反饋類型的判斷方法；2、掌握負反饋對放大電路性能的影響；3、掌握深度負反饋條件下閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的估算方法；項目1負反饋放大電路4.1.1反饋的基本概念4.1.2反饋的類型及判斷4.1.3負反饋放大電路的分析4.1.4負反饋對放大電路性能的影響項目1負反饋放大電路1．反饋的概念反饋是指把放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定的電路形式（反饋網(wǎng)絡(luò)）送回到放大電路的輸入回路，與輸入信號串聯(lián)或并聯(lián)，以使放大電路某些性能獲得改善的過程。項目1負反饋放大電路2．反饋放大電路的一般表達式上式稱為反饋放大電路的一般表達式，它表明了閉環(huán)放大倍數(shù)與開環(huán)放大倍數(shù)、反饋系數(shù)之間的關(guān)系。1+AF稱為反饋深度。項目1負反饋放大電路4.1.2 反饋的類型及判斷按反饋信號的作用效果來劃分，放大電路的反饋可分為正反饋和負反饋；按反饋信號的頻率或交直流性質(zhì)來劃分，可分為直流反饋和交流反饋；按照反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出端的取樣對象來劃分，可分為電壓反饋和電流反饋；按照反饋信號Xf與輸入信號Xi的疊加方式來劃分，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。項目1負反饋放大電路1．正反饋與負反饋反饋有正反饋、負反饋之分。如果引入反饋信號后，放大電路的凈輸入信號增強(Xid＞Xi)，使電路增益增加(Af＞A)，這種反饋叫做正反饋，此時反饋深度(1+AF)＜1；反之，引入反饋信號后使放大電路的凈輸入信號減小(Xid＜Xi)，使電路增益減小(Af＜A)，則叫做負反饋，此時反饋深度(1+AF)＞1。這兩種反饋有著截然不同的作用。負反饋具有自動調(diào)節(jié)作用，利用這種作用，可以在很大程度上克服外界各種不穩(wěn)定的因素(如環(huán)境、溫度、電源、電壓等變化)對放大電路增益的影響，自動且穩(wěn)定地輸出信號，此外，還可以有效改善放大電路的頻率響應(yīng)和減小非線性失真，并能夠按要求改變放大電路的輸入和輸出電阻等。負反饋技術(shù)對于改善放大電路的性能是必不可少的。項目1負反饋放大電路4.1.2 反饋的類型及判斷方法判斷—個放大電路中引入的反饋是正反饋還是負反饋，最常用的判斷方法是瞬時極性法，步驟如下。（1）按中頻段考慮，即不考慮電路中所有電抗元件的影響。（2）先假定放大電路輸入端的信號處于某一瞬時極性（用“+”、“-”號表示該點瞬時信號極性的正和負，即該點瞬時信號的變化為升高或降低），然后按照先放大電路、后反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸順序，逐級推出電路中有關(guān)各點的瞬時極性。（3）最后判斷反饋信號Xf的瞬時極性是增強還是削弱了原來的輸入信號Xi，繼而判斷是正反饋還是負反饋。項目1負反饋放大電路4.1.2 反饋的類型及判斷例4.1

采用瞬時極性法判斷圖4.2所示反饋電路是正反饋還是負反饋。

(a)負反饋(b)正反饋圖4.2瞬時極性法判斷正、負反饋項目1負反饋放大電路2．直流反饋與交流反饋按交、直流的性質(zhì)，可將反饋分為直流反饋和交流反饋。若反饋網(wǎng)絡(luò)僅能反饋直流信號，即反饋回來的信號是直流量，則為直流反饋，直流反饋多用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點。若反饋網(wǎng)絡(luò)僅能反饋交流信號，即反饋回來的信號是交流量，則為交流反饋，交流反饋多用于改善放大電路的動態(tài)性能。當引入反饋的電路是由運放或其他形式的直接耦合放大電路組成、反饋網(wǎng)絡(luò)可以同時反饋直流及交流信號到輸入回路，則稱為交直流反饋。交直流反饋既能穩(wěn)定靜態(tài)工作點，又能改善放大電路的動態(tài)性能。項目1負反饋放大電路區(qū)分直流反饋還是交流反饋的方法：區(qū)分直流反饋還是交流反饋，可以通過察看反饋通路(或元件)所反映的變化是直流量還是交流量來辨認，也可以通過畫出整個反饋電路的交、直流通路來判定，輸出、輸入間構(gòu)成直流通路則為直流反饋，輸出、輸入間構(gòu)成交流通路則為交流反饋。反饋元件出現(xiàn)于直流通路中則為直流反饋，反饋元件出現(xiàn)于交流通路中則為交流反饋。既能構(gòu)成交流通路又能構(gòu)成直流通路，反饋元件既存在于直流通路中，又包含于交流通路中，為交、直流反饋。項目1負反饋放大電路4.1.2 反饋的類型及判斷例4.2

判斷圖4.3所示的各電路中引入的是交流反饋還是直流反饋？并判斷其反饋極性。對于交流信號而言，電路中的耦合電容的容量足夠大。(a)交、直流負反饋與交流正反饋(b)交、直流負反饋電路(c)直流負反饋電路項目1負反饋放大電路3．電壓反饋與電流反饋在反饋放大電路中按照反饋網(wǎng)絡(luò)從放大電路輸出端取樣對象不同來劃分，可分為電壓反饋和電流反饋兩種。電壓反饋。對交流信號而言，反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路及負載是并聯(lián)連接，如圖4.4(a)所示。在這種取樣方式下，Xf正比于輸出電壓，它反映的是輸出電壓的變化，故稱之為電壓反饋。電流反饋。其連接方式為：反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路、負載三者為串聯(lián)連接，如圖4.4(b)所示。在此方式下，Xf正比于輸出電流，它反映的是輸出電流的變化，故稱之為電流反饋。項目1負反饋放大電路

(a)電壓反饋示意圖（b）電流反饋示意圖圖4.4

放大電路的電壓反饋與電流反饋方框圖(a)電壓反饋(b)電流反饋3．電壓反饋與電流反饋項目1負反饋放大電路4．串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋在反饋放大電路中按照輸入信號與反饋信號是串聯(lián)連接還是并聯(lián)連接，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋兩種。串聯(lián)反饋。如圖4.6(a)所示，在串聯(lián)反饋電路中，反饋信號和原始輸入信號以電壓的形式進行疊加，產(chǎn)生凈輸入電壓信號，即：uid＝ui－uf。并聯(lián)反饋。如圖4.6(b)所示。在并聯(lián)反饋電路中，反饋信號和原始輸入信號以電流的形式進行疊加，產(chǎn)生凈輸入電流信號，即：iid=ii－if。

（a）串聯(lián)反饋示意圖（b）并聯(lián)反饋示意圖圖4.6

放大電路的串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋方框圖項目1負反饋放大電路4.1.3 負反饋放大電路的分析 前面已經(jīng)介紹了根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)對輸出信號的采樣方式不同，可分為電壓反饋和電流反饋；根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的反饋信號與輸入信號的疊加方式不同，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。實際電路中遇到的負反饋電路形式是多種多樣的，但就基本連接方式來說，可以歸結(jié)為以下四種類型：電壓串聯(lián)負反饋、電壓并聯(lián)負反饋、電流串聯(lián)負反饋和電流并聯(lián)負反饋。項目1負反饋放大電路四種反饋類型下A、F和AF的不同含義項目1負反饋放大電路uoufuid(=ui－uf)uo1.電壓串聯(lián)負反饋（1）電路組成在圖4.7(a)中，輸入電壓ui經(jīng)運放放大輸出電壓uo，輸出電壓uo由Rf，R1送回輸入端，即uf=R1/(R1+Rf)uo。很顯然，反饋電壓uf取自于輸出電壓uo，所以是電壓反饋。在輸入回路中，反饋電壓與輸入電壓串聯(lián)后加到運放兩輸入端間，即uid=ui-uf，屬串聯(lián)反饋。因此圖4.7(a)所示電路為電壓串聯(lián)負反饋運放電路，圖4.7(b)所示電路為分立元件構(gòu)成的電壓串聯(lián)負反饋放大電路。（2）反饋的特點電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用。當ui一定時，無論何種原因引起輸出電壓的變化，電路將進行如下的自動調(diào)節(jié)過程：(a)運放電路(b)分立元件電路圖4.7

電壓串聯(lián)負反饋電路可見，電壓負反饋具有恒壓源輸出特性，輸出電阻小，帶負載能力強。此外，在串聯(lián)負反饋中，由于uid=ui－uf，要有較好的反饋效果，就應(yīng)使ui一定，當信號源us的內(nèi)阻Rs小時，其內(nèi)阻壓降對ui的影響就小。所以，信號源內(nèi)阻越小，串聯(lián)負反饋的效果越好。項目1負反饋放大電路2.電壓并聯(lián)負反饋（1）電路組成在圖4.8(a)中，輸入電壓ui經(jīng)運放放大輸出電壓uo，輸出電壓uo由Rf送回輸入端，反饋電流if取自于輸出電壓uo，所以是電壓反饋。在輸入回路中，輸入電流與反饋電流if相減后，再送到運放的輸入端，即iid=ii－if，屬并聯(lián)反饋。用瞬時極性法可知，圖4.8(a)所示電路為電壓并聯(lián)負反饋運放電路，圖4.8(b)所示電路為分立元件構(gòu)成的電壓并聯(lián)負反饋放大電路。（2）反饋的特點電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，不再敘述。在并聯(lián)負反饋中，由于iid=ii－if，則只有信號源內(nèi)阻Rs很大時，ii基本恒定，才能做到if減少時iid增大，或if增大時iid減小，以實現(xiàn)負反饋作用。而且Rs愈大，并聯(lián)負反饋的效果也愈顯著，因此，在并聯(lián)負反饋放大電路中要使負反饋作用顯著，信號源應(yīng)選用電流源。

項目1負反饋放大電路(a)運放電路(b)分立元件電路圖4.8

電壓并聯(lián)負反饋電路

項目1負反饋放大電路3.電流串聯(lián)負反饋（1）電路組成在圖4.9(a)中，令uo=0，反饋電壓uf=ioR1仍存在，故為電流反饋；在輸入回路中，uid=ui-uf，故為串聯(lián)反饋；由瞬時極性法判別可知，是負反饋。所以圖4.9(a)所示電路為電流串聯(lián)負反饋運放電路，圖4.9(b)所示電路為分立元件構(gòu)成的電流串聯(lián)負反饋放大電路。(a)運放電路(b)分立元件電路圖4.9

電流串聯(lián)負反饋電路(2）反饋的特點由于引入了電流負反饋，所以能夠穩(wěn)定輸出電流。無論何種原因引起輸出電流io的變化，電路將進行如下自動調(diào)節(jié)過程。項目1負反饋放大電路4.電流并聯(lián)負反饋（1）電路組成在圖4.10(a)中，R2，R3將輸出電流io的一部分反饋到輸入回路，令uo=0，反饋信號仍存在，故為電流反饋；在輸入回路，因有iid=ii-if，故電路為并聯(lián)反饋；由瞬時極性法判別可知，是負反饋。所以圖4.10(a)所示電路為電流并聯(lián)負反饋運放電路，圖4.10(b)所示電路為分立元件構(gòu)成的電流并聯(lián)負反饋放大電。（2）反饋的特點電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的特性。由于是并聯(lián)反饋，宜采用高內(nèi)阻的信號源。(a)運放電路(b)分立元件電路圖4.10

電流并聯(lián)負反饋電路項目1負反饋放大電路4.1.4負反饋對放大電路性能的影響1.降低放大倍數(shù)，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性上式表明，閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化量僅為開環(huán)放大倍數(shù)相對變化量的（1＋AF）分之一。也就是說閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性比開環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了（1＋AF）倍。項目1負反饋放大電路2.擴展頻帶圖4.11開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性通過負反饋的自動調(diào)節(jié)作用，幅頻特性得以改善。其改善程度與反饋深度有關(guān)，反饋深度越大，即負反饋越強，通頻帶越寬，不過中頻區(qū)的放大倍數(shù)就下降的越多。項目1負反饋放大電路3.減少非線性失真

Axixo

A

F×××xixidxidxfxfxof(a)無反饋時的信號波形(b)有反饋時的信號波形圖4.12負反饋改善非線性失真減小非線性失真的程度也與反饋深度有關(guān)。項目1負反饋放大電路4.抵制放大電路內(nèi)部的干擾和噪聲引入負反饋后，有用信號功率和噪聲功率同時減小，信噪比并沒有改變。但是，有用信號的減小可以通過增大有用輸入信號來補償，而噪聲的幅度是固定的，從而使整個電路的信噪比增大，減小了干擾和噪聲的影響，即哪一級有內(nèi)部干擾，就在哪一級引入深度負反饋。項目1負反饋放大電路5.改變輸入電阻⑴串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大引入串聯(lián)負反饋后，輸入電阻是無反饋時的（1+AF）倍。所以串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大。⑵并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小引入并聯(lián)負反饋后，輸入電阻是無反饋時的1/(1+AF)倍,所以并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。項目1負反饋放大電路6.改變輸出電阻（1）電壓負反饋放大電路的輸出電阻減小在負反饋放大電路中，由于電壓負反饋能夠穩(wěn)定輸出電壓，即使輸出電阻RL發(fā)生變化，也能保持輸出電壓穩(wěn)定，放大電路近似于恒壓源，其效果相當于減小了電路的輸出電阻。分析表明，電壓負反饋使放大電路閉環(huán)輸出電阻減小到開環(huán)輸出電阻的1/(1+AF)。（2）電流負反饋使放大電路的輸出電阻增大當引入電流負反饋后，電路具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即使輸出電阻RL發(fā)生變化，也能保持輸出電流基本穩(wěn)定，放大電路近似于恒流源，其效果相當于增大了電路的輸出電阻。引入電流負反饋后，電路的閉環(huán)輸出電阻增加到開環(huán)輸出電阻的（1＋AF）倍。項目2負反饋放大電路增益分析方法4.2.1深度負反饋的特點4.2.2深度負反饋條件下增益的計算項目2負反饋放大電路增益分析方法4.2.1

深度負反饋的特點

在深度負反饋的條件下，即（1十AF）>>1時，負反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)可簡化為：上式表明，深度負反饋時放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)近似等于反饋系數(shù)的倒數(shù)，只要知道了反饋系數(shù)就可以直接求閉環(huán)增益Af。需要說明的是，對于不同的反該類型，反饋系數(shù)的物理意義不同，也就是量綱不同，相應(yīng)地閉環(huán)放大倍數(shù)Af也是我們所說的廣義放大倍數(shù)，不一定是電壓放大倍數(shù)，其量綱可能是電阻，也可能是電導(dǎo)等。只有電壓串聯(lián)負反饋時，才可以利用上式直接估算電壓放大倍數(shù)。項目2負反饋放大電路增益分析方法3．電壓反饋與電流反饋在反饋放大電路中按照反饋網(wǎng)絡(luò)從放大電路輸出端取樣對象不同來劃分，可分為電壓反饋和電流反饋兩種。電壓反饋。對交流信號而言，反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路及負載是并聯(lián)連接，如圖4.4(a)所示。在這種取樣方式下，Xf正比于輸出電壓，它反映的是輸出電壓的變化，故稱之為電壓反饋。電流反饋。其連接方式為：反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路、負載三者為串聯(lián)連接，如圖4.4(b)所示。在此方式下，Xf正比于輸出電流，它反映的是輸出電流的變化，故稱之為電流反饋。項目2負反饋放大電路增益分析方法3．電壓反饋與電流反饋在反饋放大電路中按照反饋網(wǎng)絡(luò)從放大電路輸出端取樣對象不同來劃分，可分為電壓反饋和電流反饋兩種。電壓反饋。對交流信號而言，反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路及負載是并聯(lián)連接，如圖4.4(a)所示。在這種取樣方式下，Xf正比于輸出電壓，它反映的是輸出電壓的變化，故稱之為電壓反饋。電流反饋。其連接方式為：反饋網(wǎng)絡(luò)、基本放大電路、負載三者為串聯(lián)連接，如圖4.4(b)所示。在此方式下，Xf正比于輸出電流，它反映的是輸出電流的變化，故稱之為電流反饋。項目2負反饋放大電路增益分析方法對于其他類型的負反饋放大電路，可以采用下面的方法估算電壓放大倍數(shù)。1．外加輸入信號近似等于反饋信號，凈輸入信號近似為零因此Xi＝Xf，即凈輸入信號Xid＝Xi—Xf≈0。當電路引入深度串聯(lián)負反饋時，Xi＝ui，Xf

＝uf，所以ui

≈uf

；當電路引入深度并聯(lián)負反饋時，Xi＝ii；，Xf＝if，所以ii

≈if。4.2.2深度負反饋條件下增益的計算在對深度負反饋電路的分析中，主要應(yīng)抓住基本放大電路凈輸入信號近似為零這一特點，即基本放大電路的凈輸入電壓和凈輸入電流都近似為零。對于運算放大電路來說，兩個輸入端的電位近似相等（虛短），兩個輸入端的電流近似為零（虛斷）。項目2負反饋放大電路增益分析方法項目2負反饋放大電路增益分析方法1.電壓串聯(lián)負反饋放大電路圖4.14所示為電壓串聯(lián)負反饋放大電路。其中電阻Rf對輸出電壓uo采樣后，通過與電阻R1串聯(lián)對輸出電壓分壓，在電阻R1上形成反饋電壓uf。根據(jù)反饋系數(shù)的定義，有式中，Auf與負載電阻RL無關(guān)，表明引入深度電壓負反饋后，電路的輸出可近似為受控恒壓源。圖4.14電壓串聯(lián)負反饋電路項目2負反饋放大電路增益分析方法2.電壓并聯(lián)負反饋放大電路圖4.15所示為電壓并聯(lián)負反饋電路。閉環(huán)輸入電阻可近似看作零。則由于對深度并聯(lián)負反饋電路，凈輸入電流為零，ii=if。圖4.15電壓并聯(lián)負反饋電路項目2負反饋放大電路增益分析方法3．電流串聯(lián)負反饋放大電路圖4.16所示為電流串聯(lián)負反饋放大電路。從圖中可得因此，電壓放大倍數(shù)為圖4.16電流串聯(lián)負反饋電路項目2負反饋放大電路增益分析方法4．電流并聯(lián)負反饋放大電路圖4.17所示為電流并聯(lián)負反饋放大電路。圖4.17電流并聯(lián)負反饋電路項目2負反饋放大電路增益分析方法從圖中可得，，，根據(jù)4．電流并聯(lián)負反饋放大電路項目3負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題4.3.1產(chǎn)生自激振蕩的原因和條件4.3.2消除自激振蕩的方法項目3負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題4.3.1產(chǎn)生自激振蕩的原因和條件1．產(chǎn)生自激振蕩的原因在負反饋放大電路中，在信號的中頻段，放大電路輸入信號Xi與反饋信號Xf一般是同相的，因此凈輸入信號Xid的幅值必然小于輸入信號Xi的幅值，放大電路的輸出信號減小，正常地體現(xiàn)出負反饋作用。然而，當信號頻率超出了中頻范圍，特別是信號頻率超過了上、下限頻率時，放大電路中的電抗元件必然產(chǎn)生附加相移，如果附加相移達到1800，那么原來的負反饋就變成了正反饋。放大電路的凈輸入信號變成凈輸入信號Xid的幅值將大于輸入信號Xi的幅值。在這種情況下，即使沒有輸入信號，由于電路中內(nèi)部噪聲中總會有某一頻率成分的信號，加在放大電路的輸入端，經(jīng)放大、正反饋多次循環(huán)，幅度越來越大，最后受器件非線性限制，變成等幅振蕩信號。這就是負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的根本原因。項目3負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題2．產(chǎn)生自激振蕩的條件因此，負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件為上式中，AF為負反饋放大電路的環(huán)路增益。在整個頻率范圍內(nèi)，它是一個復(fù)數(shù)，將分解成幅值和相位兩部分，有下列關(guān)系：

（4.6）

n=0,1,2,…（4.7）式中n為整數(shù)，ΦA(chǔ)和ΦF為放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移。式（4.6）和（4.7）分別稱為負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的幅值平衡條件和相位平衡條件。項目3負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題4.3.2消除自激振蕩的方法放大電路產(chǎn)生自激振蕩是非常有害的，必須設(shè)法消除，可通過以下方法防止和消除自激振蕩。1．降低負反饋深度負反饋深度降低到一定的程度，限制了自激振蕩產(chǎn)生的幅值條件，繼而防止自激振蕩現(xiàn)象。2．控制負反饋級數(shù)由于附加相移是每級放大電路相位偏移之和，而每一級的相移不會達到900，若要有1800的相移，至少必須有三級放大電路。所以，將負反饋放大電路的級數(shù)降到三級以下，即可控制自激振蕩的相位條件，從而避免自激振蕩現(xiàn)象。項目3負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題4.3.2消除自激振蕩的方法3．加“電源去耦”電路放大電路產(chǎn)生低頻自激振蕩一般是直流電源內(nèi)阻耦合引起的。由于直流電源對各級放大電路供電，各級放大電路的交流電流在電源內(nèi)阻上產(chǎn)生的電壓降自然會隨電源而相互影響，因此通過供電電源