模擬電子技術(西電第三版)第3章 放大電路中的負反饋

實訓3負反響放大器的性能3.1反響的根本概念3.2反響的類型與判別3.3負反響對放大器性能的影響3.4深度負反響放大器的估算*3.5負反響放大器的穩(wěn)定問題第3章放大電路中的負反響實訓3負反響放大器的性能

(一)實訓目的

(1)初步接觸負反響放大器，通過對有負反響和無負反響放大器性能的比較，體會負反響改善放大器性能的作用。

(2)進一步提高焊接電路的水平。

(3)進一步熟悉幾種常用測量儀器的使用。

(4)進一步掌握放大器性能的測試方法。(二)預習要求

(1)復習單級和多級放大器原理。

(2)課下在萬能實驗板上按實訓電路圖焊好電路。焊接時注意為改變元器件位置或用儀器測量留有足夠的空間。(教師做重點指導)

(3)預習信號發(fā)生器、示波器、萬用表的使用方法。(三)實訓原理

1.反響的概念

在放大器電路中，所謂反響，就是把局部或全部輸出信號經過一定的反響網絡引回到輸入端形成反響信號，與原輸入信號疊加后作為輸入信號去控制輸出。這樣做使得輸出信號不僅與輸入信號有關，還與輸出信號有關。即所謂“輸出本身影響輸出〞。

按照反響的極性劃分，反響可分為正反響和負反響。在正反響中，反響信號和輸入信號在輸入端相加；在負反響中，反響信號和輸入信號在輸入端相減。這里我們首先接觸負反響電路，暫不涉及正反響電路。2.無負反響放大器的缺乏

前面兩章中所講的根本放大器中一般沒有負反響，因而放大的性能指標不夠理想。主要表現(xiàn)在放大倍數不穩(wěn)、輸入電阻不符合要求、輸出信號受負載變化的影響、非線性失真較大等。這些缺乏限制了根本放大器的使用。3.負反響放大器改善電路性能

引入負反響的放大器稱為負反響放大器。引入了負反響后，可使放大器的很多性能得到改善,主要是提高電路的穩(wěn)定性，改變電路的輸入、輸出電阻，改善電路的非線性失真，改善電路的頻率特性等。因此，負反響在各種放大器電路中應用十分廣泛。4.實訓電路

實訓電路如實圖3.1所示。實訓中通過測量兩級根本阻容放大器和負反響放大器，對其性能參數進行比較，初步體會負反響對于改善放大器各項性能所起的作用。為后面的理論課學習打下實際操作的根底。實圖3.1負反響放大電路(四)實訓內容

將實圖3.1電路接上+12V直流穩(wěn)壓電源。

1.測量電路的靜態(tài)工作點

令輸入信號為零，用萬用表測量出V1與V2的基極、集電極、發(fā)射極電位UB1、UC1、UE1、UB2、UC2、UE2值的大小，記錄于自擬的數據表格中。調節(jié)RP使V1的集電極靜態(tài)電流IC1為1mA左右。2.測量根本放大器的放大倍數、輸入電阻和輸出電阻

(1)開關S1置“1〞位置，把反響網絡從A點斷開，在輸入端接低頻信號發(fā)生器，輸入頻率為f=1kHz、電壓為Ui=10mV的正弦信號，從輸出端分別測量不接負載電阻RL和接負載電阻RL兩種情況下的輸出電壓Uo、UoL，計算出電壓放大倍數Au、輸出電阻ro(=(Uo－UoL)RL/UoL)，填入實表3.1中。

(2)S1置“2〞位置，將Rs=4.7kΩ接入回路，調節(jié)信號源電壓，同時保持Ui=10mV不變，測出此時信號源電壓Us值的大小，計算出輸入電阻ri(=UiRs/(Us－Ui))值，填入實表3.1中。3.測量電壓串聯(lián)負反響放大器的放大倍數、輸入電阻和輸出電阻

S1置“1〞位，將反響網絡從A點接上，S2置“2〞位，便構成電壓串聯(lián)負反響。使輸入信號仍為f=1kHz、Ui=10mV，按實訓內容2.測量加了負反響后的輸入電壓、無負載輸出電壓、有負載輸出電壓及信號源電壓Uif、Uof、Uolf、Us，并計算出有負反響后的電壓放大倍數、輸出電阻及輸入電阻Auf、rof、rif，填入實表3.1中。4.測量根本放大電路與負反響放大電路的頻率特性

1)根本放大電路形式(S1置“1〞，S2置“1〞)

輸入端輸入f=1kHz、Ui=10mV正弦信號，接上負載RL=4.7kΩ，當輸出波形不失真時測出輸出電壓UoL的大小。調高輸入信號頻率，觀測輸出電壓，當輸出電壓降為

0.707UoL時，記下所對應的上限頻率fH；調低輸入信號頻率，觀測輸出電壓，當輸出電壓降為0.707UoL時，記下所對應的下限頻率fL，填入實表3.1中。2)負反響放大電路形式(S1置“1〞，S2置“2〞)

重復步驟1)中根本放大電路的測量內容，即測出上限頻率fHf和下限頻率fLf，填入實表3.1中。5.觀察負反響對放大器非線性失真的改善

將放大器處于根本放大電路形式，輸入信號頻率不變，增大幅度，使放大器輸出波形產生明顯的非線性失真時，畫出此失真波形；保持輸入不變，將放大器處于負反響形式，描下此時的輸出波形，再適當增大輸入信號，而維持輸出電壓幅值不變，以此分析非線性失真的改善程度。(五)實訓報告

(1)整理數據，完成表格。

(2)畫出無反響和有負反響兩種情況下的頻率響應特性曲線。

(3)根據測量、觀察的結果，總結出負反響對放大器的哪些性能有影響，各是如何影響的。(六)思考題

經過實訓，你是否產生了以下待解答的問題：

(1)負反響分為哪些類型？如何劃分和判斷不同類型的負反響？不同類型負反響對放大器性能的影響是否相同？

(2)負反響對放大器性能產生影響的具體原理是什么？如何進行分析？

(3)欲增大(或減小)放大器的輸入電阻，應引入何種負反響？欲增大(或減小)放大器的輸出電阻，應引入何種負反響？如何按要求在放大器中正確引入負反響？3.1反響的根本概念

集成運算放大器簡介

集成運放的內部電路隨型號不同而不同，但其根本電路結構卻有共同之處。集成運放的符號如下圖，它有兩個輸入端：一個稱為同相輸入端，在符號圖中標以“+〞號；另一個稱為反相輸入端，在符號圖中標以“－〞號。圖集成運算放大器(a)以往用過的圖形符號；(b)新標準的圖形符號在理想情況下，運放的輸出電壓與輸入端的電壓之差成正比，即反響的根本概念

所謂反響，就是將放大電路輸出回路信號的一局部或全部，通過反響網絡回送到輸入回路從而影響(增強或削弱)凈輸入信號的過程。使凈輸入信號增強的為正反響，使凈輸入信號削弱的為負反響。這樣，在反響電路中，電路的輸出不僅取決于輸入，而且還取決于輸出本身，因而就有可能使電路根據輸出狀況自動地對輸出進行調節(jié)，到達改善電路性能的目的。圖兩種放大電路(a)射極輸出器；(b)靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路負反響放大器的根本關系式

為了研究各種形式負反響放大器的共同特點，我們可以把負反響放大器抽象為圖3.1.3所示的方框圖形式。圖負反響放大器的方框圖圖中，分別表示放大器的輸入量、輸出量、反響量及凈輸入量。這些量均為一般化的信號，它們可以是電壓，也可以是電流。為了適用于更一般的情況，這里都用相量形式表示。是放大器的開環(huán)放大倍數，為

(3.1.1)是反響網絡的反響系數，為

(3.1.2)

符號表示輸入量與反響量的疊加，其中+、－號表示疊加關系，為

(3.1.3)我們稱輸出量與輸入量之比為該放大器的閉環(huán)放大倍數，用表示，即

(3.1.4)由(3.1.1)~(3.1.4)式可得

即

(3.1.5)在(3.1.5)式中，量是開環(huán)放大倍數與閉環(huán)放大倍數幅值之比，它反映了反響對放大電路的影響程度，稱做反響深度，后面將要看到，反響放大器的很多性能的變化都與反響深度有關。關于(3.1.5)式及反響深度，分下面幾種情況予以討論。(1)假設說明引入反響后，放大倍數減小了。這種情況為負反響。由(3.1.1)～(3.1.3)式有

即

(3.1.6)(2)假設這種情況為正反響，反響的引入加強了凈輸入信號。

(3)假設這就是說，即使沒有輸入信號，放大電路也有信號輸出，這時的放大電路處于“自激〞狀態(tài)。除振蕩電路外，自激狀態(tài)一般情況下是應當防止或消除的。(4)假設那么

(3.1.7)3.2反響的類型與判別

1.正反響與負反響

這是按照反響的極性來分的。當輸入量不變時，假設輸出量比沒有反響時變大了，即反響信號加強了凈輸入信號，這種情況稱為正反響；反之，假設輸出量比沒有反響時變小了，

即反響信號削弱了凈輸入信號，這種情況稱為負反響。正反響多用于振蕩電路和脈沖電路，而負反響多用于改善放大電路的性能。

圖為幾個反響電路，我們現(xiàn)在用瞬時極性法來判別它們反響的極性。圖反響極性的判別2.交流反響與直流反響

圖中，(a)圖中反響信號的交流成分被Ce旁路掉，在Re上產生的反響信號只有直流成分，因此是直流反響。(b)圖中反響信號通道僅通交流，不通直流，因而為交流反響。假設將(a)圖中電容Ce去掉，即Re不再并聯(lián)旁路電容，那么Re兩端的壓降既有直流成分，又有交流成分，因而是交直流反響。圖交流反響與直流反響3.電壓反響與電流反響

判斷是電壓反響還是電流反響的常用方法是負載電阻短路法(亦稱輸出短路法)。這種方法是假設將負載電阻RL短路，也就是使輸出電壓為零。此時假設原來是電壓反響，那么反響信號一定隨輸出電壓為零而消失；假設電路中仍然有反響存在，那么原來的反響應該是電流反響。我們用這個方法判斷圖所示電路為何種反響。圖電壓反響與電流反響4.串聯(lián)反響與并聯(lián)反響

這是按照反響信號在輸入回路中與輸入信號相疊加的方式不同來分類的。反響信號反響至輸入回路，與輸入信號有兩種疊加方式：串聯(lián)和并聯(lián)。如果反響信號與輸入信號是串聯(lián)接在根本放大器的輸入回路中,那么為串聯(lián)反響；如果反響信號與輸入信號是并聯(lián)接在根本放大器的輸入回路中,那么為并聯(lián)反響。在串聯(lián)反響中，反響信號與輸入信號在輸入回路中是以電壓的形式相疊加的，而并聯(lián)反響中，反響信號與輸入信號那么是以電流的形式相疊加的。因此，是以電壓形式還是以電流形式相疊加,也是區(qū)分串聯(lián)反響與并聯(lián)反響的依據。四種根本負反響類型

1.電壓串聯(lián)負反響

電壓串聯(lián)負反響的實際電路和連接方框圖分別如圖中(a)圖與(b)圖所示。圖電壓串聯(lián)負反響(a)電路圖；(b)方框圖電壓負反響具有穩(wěn)定輸出電壓的作用。設輸入信號Ui不變，假設負載電阻RL因某種原因減小使輸出電壓Uo減少，那么經Rf、R1分壓所得反響信號Uf亦減小，結果使凈輸入信號Ud增大(Ud=Ui－Uf)，使Uo增大，即抑制了Uo的減少。這個穩(wěn)壓過程可表示如下：2.電壓并聯(lián)負反響

電壓并聯(lián)負反響的實際電路和連接方框圖，分別如圖3.2.5(a)和(b)所示。圖電壓并聯(lián)負反響(a)電路圖；(b)方框圖3.電流串聯(lián)負反響

電流串聯(lián)負反響的實際電路和連接方框圖分別如圖3.2.6(a)與(b)所示。圖電流串聯(lián)負反響(a)電路圖；(b)方框圖電流負反響具有穩(wěn)定輸出電流的作用。在輸入電壓Ui一定時，假設因某種原因(如負載電阻變小)使輸出電流Io增大，那么反響信號Uf增大，從而使運放的凈輸入信號Ud減小，使輸出電壓Uo減小，使Io減小，從而抑制了Io的增大。其穩(wěn)流過程可表示如下：4.電流并聯(lián)負反響

電流并聯(lián)負反響的實際電路和連接方框圖分別如圖3.2.7(a)和(b)所示。圖電流并聯(lián)負反響(a)電路圖；(b)方框圖3.3負反響對放大器性能的影響

提高放大倍數的穩(wěn)定性

放大器的放大倍數是由電路元件的參數決定的。假設元件老化或更換、電源不穩(wěn)、負載變化或環(huán)境溫度變化，那么可能引起放大器的放大倍數變化。為此，通常都要在放大器中引入負反響，用以提高放大倍數的穩(wěn)定性。為了從數量上分析負反響對放大倍數穩(wěn)定性的奉獻，我們將(3.1.5)式對A求導，有

即兩邊除以(3.1.5)式，得

(3.3.1)例如，某負反響放大器的A=104，反響系數F=0.01，那么可求出其閉環(huán)放大倍數假設因參數變化使A變化±10%，即A的變化范圍為9000～11000，那么由(3.3.1)式可求出Af的相對變化量為

即Af的變化范圍為99.9～100.1。顯然，Af的穩(wěn)定性比A的穩(wěn)定性提高了約100倍(由10%變到0.1%)。負反響越深，穩(wěn)定性越高。展寬通頻帶

無反響時，由于電路中電抗元件的存在，以及寄生電容和晶體管結電容的存在，會造成放大器放大倍數隨頻率而變，使中頻段放大倍數較大，而高頻段和低頻段放大倍數較小，放大電路的幅頻特性如下圖。圖中fH、fL分別為上限頻率和下限頻率，其通頻帶fBW=fH－fL較窄。圖負反響展寬通頻帶以上對負反響展寬通頻帶的原理作了定性分析。下面我們以一個單級阻容耦合放大器為例，來對頻帶展寬進行定量分析。

第2章講述放大電路的頻率特性時曾推導出單級阻容耦合放大器在高頻段的放大倍數表達式(式2.7.23)為下面的形式：

(3.3.2)

這是未引入反響時的表達式，式中fH為無反響時的上限頻率，為無反響時中頻段的放大倍數。引入負反響后(設反響系數不隨頻率而變)，放大器在高頻段的放大倍數為

(3.3.3)將上式與(3.3.2)式比較，可以看出，加反響后上限頻率變?yōu)?/p>

(3.3.4)

這就說明，加反響后，放大器的上限頻率為未加反響時的

類似地，由式(2.7.18)，無反響時的低頻放大倍數為

(3.3.5)引入負反響后，低頻段放大倍數變?yōu)?/p>

(3.3.6)將上式與(3.3.5)式比較，可以看出，加反響后下限頻率變?yōu)?/p>

(3.3.7)

這就說明，加反響后，放大器的下限頻率為未加反響時的

一般來說，放大器的上限頻率遠大于其下限頻率，因而其通頻帶(等于上限頻率與下限頻率之差)就近似等于其上限頻率的數值,那么加反響后的通頻帶為

(3.3.8)

可見，加了負反響以后，放大器的通頻帶展寬為原來的

減小非線性失真

由于放大電路中元件(如晶體管)具有非線性，因而會引起非線性失真。一個無反響的放大器，即使設置了適宜的靜態(tài)工作點，但當輸入信號較大時，仍會使輸出信號波形產生非線性失真。引入負反響后，這種失真可以減小。

圖為負反響減小非線性失真示意圖。圖負反響減小非線性失真(a)無反響；(b)有反響改變輸入電阻和輸出電阻

1.對輸入電阻的影響

1)串聯(lián)負反響

圖是串聯(lián)負反響方框圖。由圖可知，開環(huán)放大器的輸入電阻為圖串聯(lián)負反響方框圖反響放大器的輸入電阻為

(3.3.9)2)并聯(lián)負反響

圖為并聯(lián)負反響方框圖。由圖可知，開環(huán)放大器的輸入電阻為

反響放大器的輸入電阻為

(3.3.10)圖并聯(lián)負反響方框圖2.對輸出電阻的影響

1)電壓負反響

圖3.3.5(a)是電壓負反響的方框圖。按照輸出電阻的定義，求輸出電阻rof時應去掉輸入信號(即令)，斷開負載電阻(即令RL=∞)，在輸出端向放大器施加一個電壓，那么與它為放大器所提供的電流的比值就是輸出電阻rof。在圖3.3.5(b)等效電路的輸入端，

在等效電路的輸出端，有

所以

(3.3.11)圖電壓負反響輸出電阻的計算(a)方框圖；(b)(a)的等效電路2)電流負反響

圖3.3.6(a)是電流負反響的方框圖。

圖電流負反響輸出電阻的計算(a)方框圖；(b)(a)的等效電路在圖3.3.6(b)等效電路的輸入端，有

在其輸出端，有

所以

(3.3.12)3.4深度負反響放大器的估算

由深度負反響的條件：有

(3.4.1)

(3.4.2)

(3.4.3)1.電壓串聯(lián)負反響

圖為電壓串聯(lián)深度負反響電路。其中(a)圖由集成運放組成，(b)圖由分立元件組成。圖電壓串聯(lián)負反響電路在圖3.4.1(a)中，輸出電壓Uo經Rf、R1分壓后加到輸入回路上，因流入運放反相輸入端的電流一般極小，可以忽略，故有

反響系數為因滿足深度負反響，故閉環(huán)放大倍數為

由表知，電壓串聯(lián)負反響閉環(huán)放大倍數就是閉環(huán)電壓放大倍數，所以閉環(huán)電壓放大倍數為

(3.4.4)圖3.4.1(b)中，輸出電壓Uo經Rf、Re1分壓后加到第一級的輸入回路，作為整個放大器的反響電壓，忽略V1的發(fā)射極電流在Re1上的壓降(這個壓降屬于第一級的局部反響電壓，相對整個放大器的反響來說一般可以忽略)，有

反響系數為因滿足深度負反響，故閉環(huán)放大倍數為

同樣，其閉環(huán)電壓放大倍數即為其閉環(huán)放大倍數，即

(3.4.5)2.電壓并聯(lián)負反響

圖為兩個電壓并聯(lián)深度負反響電路。圖電壓并聯(lián)負反響電路圖3.4.2(a)為集成運放組成的電路，因流入反相輸入端的電流很小，可以忽略，即Id≈0，Ii≈If。

因Id≈0，故有U－=Idri≈0，有

即閉環(huán)放大倍數為在深度并聯(lián)負反響時，放大器的輸入電阻rif→0，故

所以，閉環(huán)電壓放大倍數為

(3.4.6)圖3.4.2(b)所示為分立元件組成的單級放大電路。通常

Ib<<If，故有Ii≈If。通常Ub<<Uo，故有

閉環(huán)放大倍數為由于滿足深度負反響，晶體管放大器的輸入電阻近似為0，故

因此，閉環(huán)電壓放大倍數為

(3.4.7)3.電流串聯(lián)負反響

圖為電流串聯(lián)深度負反響放大電路。圖電流串聯(lián)負反響電路圖(a)的集成運放電路滿足深度負反響，那么有

而閉環(huán)放大倍數為

又

故閉環(huán)電壓放大倍數為

(3.4.8)圖3.4.3(b)為分立元件組成的放大器，輸出量Io≈Ie，而Uf=IeRe，所以

滿足深度負反響，Ui≈Uf，故

故閉環(huán)放大倍數為閉環(huán)電壓放大倍數那么為

(3.4.9)

式中，RL′=RL∥Rc。4.電流并聯(lián)負反響