并联负反馈使输入电阻减小模拟电子技术基础.pptx

模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系安徽理工大学电气工程系主讲：黄友锐第十二讲第十二讲 9.4 9.4 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响 负负反反馈馈是是改改善善放放大大电电路路性性能能的的重重要要技技术术措措施施，广广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。9.4.1 9.4.1 负反馈对增益稳定性的影响负反馈对增益稳定性的影响9.4.2 9.4.2 负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响9.4.3 9.4.3 负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响9.4.4 9.4.4 负反馈对通频带的影响负反馈对通频带的影响9.4.5 9.4.5 负反馈对非线性失真的影响负反馈对非线性失真的影响9.4.6 9.4.6 负反馈对噪声、干扰和温漂的影响负反馈对噪声、干扰和温漂的影响9.4.19.4.1负反馈对增益稳定性的影响负反馈对增益稳定性的影响 根根据据负负反反馈馈基基本本方方程程，不不论论何何种种负负反反馈馈，都都可可使使反反馈馈放放大大倍倍数数下下降降 1+AF 倍倍，只只不不过过不不同同的的反反馈馈组组态态A、F的的量量纲不同而已，但纲不同而已，但AF无量纲。无量纲。对电压串联负反馈对电压串联负反馈 在在负负反反馈馈条条件件下下增增益益的的稳稳定定性性也也得得到到了了提提高高，这这里里增增益应该与反馈组态相对应益应该与反馈组态相对应有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。倍。9.4.2 9.4.2 负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响式中式中Ri=rid。负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。图图09.10 串联负反馈对串联负反馈对 输入电阻的影响输入电阻的影响(1)(1)串联负反馈使输入电阻增加串联负反馈使输入电阻增加 串串联联负负反反馈馈输输入入端端电电路路结结构构形形式式如如图图09.10所所示示。对对串串联联电电压压负负反反馈馈和和串串联联电电流流负负反反馈馈效效果果相相同同。有有反反馈的输入电阻馈的输入电阻(2)(2)并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小 并联负反馈输入端的电路结构形式如图并联负反馈输入端的电路结构形式如图09.11所所示。对电压并联负示。对电压并联负反馈和电流并联负反馈和电流并联负反馈效果相同，只反馈效果相同，只要是并联负反馈就要是并联负反馈就可使输入电阻减小。可使输入电阻减小。有反馈的输入电阻有反馈的输入电阻为为:=+=+=oiifiiiif iVFIVIIVIVRiv&图图09.11 09.11 并联负反馈对并联负反馈对 输入电阻的影响输入电阻的影响9.4.3 9.4.3 负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响(1)(1)电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈使输出电阻减小图图09.11 电压负反馈电压负反馈对输出电阻影响对输出电阻影响 电电压压负负反反馈馈可可以以使使输输出出电电阻阻减减小小，这这与与电电压压负负反反馈馈可可以以使使输输出出电电压压稳稳定定相相一一致致。输输出出电电阻阻小小，带带负负载载能能力力强强，输输出出电电压压的的稳稳定定性性就就好好。以以串串联联电电压负反馈为例，有压负反馈为例，有 此此处处用用XS=0 是是因因为为考考虑虑到到电电压压并并联联负负反反馈馈时时，信信号号源源内内阻阻不不能能为为零零，否否则则反反馈馈信信号号将将被被信信号号源源旁路。旁路。XS=0，说明信号源内阻还存在。，说明信号源内阻还存在。负载开路负载开路 图图09.12为求输出电阻的等效电路，将负载电为求输出电阻的等效电路，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效电压阻开路，在输出端加入一个等效电压Vo，并将输，并将输入端接地。于是有入端接地。于是有式中式中 是负载开路时的电压放大倍数。是负载开路时的电压放大倍数。(2)(2)电流负反馈使输出电阻增加电流负反馈使输出电阻增加电流负反馈可以使输出电流负反馈可以使输出电阻增加电阻增加。式式中中Ais是是负负载载短短路路时时的的开开环环增增益益，即即将将负负载载短短路路，把把电电压压源源转转换换为为电电流流源源，再再将将负负载载开开路的增益。路的增益。这与电流负反馈可以使输这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳电流源的特性，输出电流的稳定性就好。定性就好。以以电电流流并并联联负负反反馈馈为为例例，图图09.13为为求求输输出出电电阻阻的的等等效效电电路路。将将负负载载电电阻阻开开路路，在在输输出出端端加加入入一一个个等等效效的的电电压压源源Vo，并并令令输输入入信信号号源源为为零，即零，即VS=0。可得。可得图图09.13 电流负反馈对输出电阻的影响电流负反馈对输出电阻的影响 因加入负反馈放大电路的输出幅度下降，因加入负反馈放大电路的输出幅度下降，不好比对，因此必须要加大输入信号，使加不好比对，因此必须要加大输入信号，使加入负反馈以后的输出幅度基本达到原来有失入负反馈以后的输出幅度基本达到原来有失真时的输出幅度才有意义。真时的输出幅度才有意义。9.4.5 9.4.5 负反馈对非线性失真的影响负反馈对非线性失真的影响 负负反反馈馈可可以以改改善善放放大大电电路路的的非非线线性性失失真真，但但是是只只能能改改善善反反馈馈环内产生的非线性失真。环内产生的非线性失真。加加入入负负反反馈馈后后能能改改善善非非线线性性失失真真，可可通通过过图图09.15来来加加以以说说明明。失失真真的的反反馈馈信信号号，使使净净输输入入产产生生相相反反的的失失真真，从从而而弥弥补补了了放放大大电电路本身的非线性失真路本身的非线性失真。图图09.15 09.15 负反馈对非线性负反馈对非线性失真的影响失真的影响9.4.6 9.4.6 负反馈对噪声、干扰和负反馈对噪声、干扰和 温漂的影响温漂的影响 原原理理同同负负反反馈馈对对放放大大电电路路非非线线性性失失真真的的改改善善。负负反反馈馈只只对对反反馈馈环环内内的的噪噪声声和和干干扰扰有有抑抑制制作作用用，且且必必须须加加大大输输入入信号后才使抑制作用有效信号后才使抑制作用有效。10.1 负反馈放大电路的自激条件10.2 用波特图判断负反馈放大电路的自激 负负反反馈馈可可以以改改善善放放大大电电路路的的性性能能指指标标，但但是是负负反反馈馈引引入入不不当当，会会引引起起放放大大电电路路自自激激。为为了了使使放放大大电电路路正正常常工工作作，必必须须要要研研究究放放大大电电路路产产生生自自激的原因和消除自激的有效方法。激的原因和消除自激的有效方法。10.1 10.1 负反馈放大电路的自激条件负反馈放大电路的自激条件相位条件相位条件又可写为又可写为 幅度条件幅度条件 AF=A+F=(2n+1)n=0,1,2,3将将 =0 0 改写为：改写为：FA&+1 =0=0 根根据据反反馈馈基基本本方方程程，可可知知当当 时时，相相当当放放大大倍倍数数无无穷穷大大，也也就就是是不不需需要要输输入入放放大大电电路就有输出，放大电路产生了自激。路就有输出，放大电路产生了自激。AF 是是放放大大电电路路和和反反馈馈电电路路的的总总附附加加相相移移，如如果果在在中中频频条条件件下下，放放大大电电路路有有180 的的相相移移。在在其其它它频频段段电电路路中中如如果果出出现现了了附附加加相相移移 AF，且且 AF 达达到到180，使使总总的的相相移移为为360，负负反反馈馈变变为为正正反反馈馈。如如果果幅幅度条件满足要求，放大电路产生自激。度条件满足要求，放大电路产生自激。在在许许多多情情况况下下反反馈馈电电路路是是由由电电阻阻构构成成的的，所所以以：F=0 ，AF=A+F=A。图图10.01是是一一个个同同相相比比例例放放大大电电路路，其其输输入入、反反馈馈、净净输输入入和和输输出出信信号号的的相相位位关关系系如如图图10.02所所示示。因因运运放放输输出出与与输输入入相相移移为为0，若若附附加加相相移移达达到到180 ，则可形成正反馈。，则可形成正反馈。图图10.02 10.02 同相比例运算电路矢量图同相比例运算电路矢量图图图10.01 10.01 同相比例运算电路同相比例运算电路10.2 10.2 用波特图判断负反馈用波特图判断负反馈 放大电路的自激放大电路的自激10.2.1 10.2.1 波特图的绘制波特图的绘制10.2.2 10.2.2 放大电路自激的判断放大电路自激的判断10.2.3 10.2.3 环路增益波特图的引入环路增益波特图的引入10.2.4 10.2.4 判断自激的条件判断自激的条件10.2.110.2.1波特图的绘制波特图的绘制 有有效效地地判判断断放放大大电电路路是是否否能能自自激激的的方方法法，是是用用波波特特图图。不不过过前前面面波波特特图图的的Y Y 轴轴坐坐标标是是20lg20lgA，单单位位是是分分贝贝，X 轴轴是是对对数数坐坐标标，单单位位是是赫赫兹兹。有有一一个个三三极极点点直直接接耦耦合合开开环环放放大大电电路路的的频频率率特特性性方方程程式如下式如下其波特图如图其波特图如图10.03所示，频率的单位为所示，频率的单位为Hz。图图10.03 10.03 以以20lg|Av|为为Y坐标的坐标的波特图波特图（动画动画10-110-1）相相频频特特性性曲曲线线的的Y坐坐标标是是附附加加相相移移 A。当当 A=180 时时，即即图图中中的的S点点对对应应的的频频率率称称为为临临界界频频率率fc。当当f=fc时时反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号同同相相，负负反反馈馈变变成成了了正正反反馈馈，只只要要信信号号幅幅度度满满足足要求，即可自激。要求，即可自激。根根据据给给定定的的频频率率特特性性方方程程，放放大大电电路路在在高高频频段段有有三三个个极极点点频频率率fp1、fp2和和fp3。105代代表表中中频频电电压压放放大大倍倍数数（100dB），于于是是可可画画出出幅幅度度频频率率特特性性曲曲线线和和相相位位频频率率特特性性曲曲线线。总总的的相相频频特特性性曲曲线线是是用用每每个个极极点点频频率率的的相相频频特特性性曲曲线线合合成成而而得得到的。到的。10.2.210.2.2放大电路自激的判断放大电路自激的判断 加加入入负负反反馈馈后后，放放大大倍倍数数降降低低，频频带带展展宽宽，设设反反馈馈系系数数F1=10-4，闭闭环环波波特特图图与与开开环环的的波波特特图图交交P点点，对对应应的的附附加加相相移移 A=90，不不满满足足相相位位条条件件，不自激。不自激。进进一一步步加加大大负负反反馈馈量量，设设反反馈馈系系 数数 F2=10-3，闭闭环环波波特特图图与与开开环环的的波波特特图图交交P点点，对对应应的的附附加加相相移移 A=135，不不满满足足相相位条件，不自激。位条件，不自激。此时此时 A虽不是虽不是180，但但反反馈馈信信号号的的矢矢量量方方向向已已经经基基本本与与输输入入信信号号相相同同，已已进进入入正正反反馈馈的的范范畴畴，因因此此当当信信 号号 频频 率率 接接 近近106Hz时时，即即 P点点时时，放放大大倍倍数数就就有有所提高所提高 再再进进一一步步加加大大反反馈馈量量，设设反反馈馈系系数数F3=10-2，闭闭环环波波特特图图与与开开环环波波特特图图交交P点点，对对应应的的附附加加相相移移 A=180。当当放放大大电电路路的的工工作作频频率率提提高高到到对对应应P点点处处的的频频率率时时，满足自激的满足自激的相位条件相位条件。此此时时放放大大电电路路有有 40 dB 的的 增增 益益，AF=10010-2=1，正正好好满满足足放放大大电电路路自自激激的的幅幅度度条条件件，放大电路产生自激。放大电路产生自激。10.2.310.2.3环路增益波特图的引入环路增益波特图的引入 由由于于负负反反馈馈的的自自激激条条件件是是 ，所所以以将将以以 20 为为Y坐坐标标的的波波特特图图改改变变为为以以20 为为Y坐坐标标的的波波特特图图，用用于于分分析析放放大大电电路路的的自自激激更更为为方方便便。由由于：于：对于幅度条件对于幅度条件 相当在相当在以以20 为为Y坐标的波特图上减去坐标的波特图上减去 即即可可到到以以环环路路增增益益20 为为Y坐坐标标的的 波特图了。如图波特图了。如图10.04所示。所示。在在图图10.04中中，当当F3=0.01时时，MN线线为为20lg =0 dB。20lg =0 dB这这条条线线与与幅幅频频特特性性的的交交点点称称为为切切割割频频率率f0。此时此时 =1，A=180，幅幅度度和和相相位位条条件件都都满满足足自自激激条条件件，所所以以20lg =0dB这这条线是条线是临界自激线临界自激线。图10.04 环路增益波特图 仅仅仅仅留留有有相相位位裕裕度度是是远远远远不不够够的的，也也就就是是说说，当当 A=180 时时，还还应应使使 f0,Gm0dB (b)自激自激:fc0dB (c)临界状态临界状态:fc=f0,Gm=0dB 图图10.05 10.05 判断自激的实用方法判断自激的实用方法判断自激的条件归纳如下：判断自激的条件归纳如下：fcf0,Gm 0 dB。从。从 A=180 出发，得到的出发，得到的Gm 0 dB，即，即AF 1，不满足幅度条件，不满足幅度条件。稳定状态：稳定状态：fc 0 dB。从。从 A=180 出发，得到的出发，得到的Gm 0 dB，即，即AF 1，满足幅度条件。，满足幅度条件。自激状态：自激状态：fc=f0,Gm=0 dB。从。从 A=180 出发，出发，得到的得到的Gm=0 dB，即，即AF=1。临界状态：临界状态：例例10.110.1：有一负反馈放大电路的频率特性表达式：有一负反馈放大电路的频率特性表达式如下：如下：1.1.试判断放大电路是否可能自激试判断放大电路是否可能自激,2.2.如果自激使用电容补偿消除之。如果自激使用电容补偿消除之。解解：先作出幅频特性曲线和相频特性曲线，先作出幅频特性曲线和相频特性曲线，如图如图10.06所示所示。图图10.06 10.06 利用电容补偿消除自激振荡利用电容补偿消除自激振荡（动画动画10-310-3）由由 A=180 可可确确定定临临界界自自激激线线，所所以以反反馈馈量量使使闭闭环环增增益益在在60dB以下时均可产生自激。以下时均可产生自激。加加电电容容补补偿偿，改改变变极极点点频频率率fp1的的位位置置至至102 Hz处处，从从新新的的相相频频特特性性曲曲线线可可知知，在在f 0处处有有45 的的相相位位裕裕量量。因因此此负负反反馈馈放放大大电电路路稳稳定定，可可消消除除原原来来的的自自激激。此此时时反反馈系数馈系数F=0.1。