第六章 放大电路中的反馈.doc

第六章 放大电路中的反馈1.理解反馈的概念,了解负反馈对放大电路性能的影响。2.了解负反馈的类型。3.掌握负反馈的分析的方法。第一节 基本概念1.反馈的基本概念反馈是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。2.反馈的类型2.1正反馈和负反馈若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。 这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。加强输入信号 正反馈 用于振荡器削弱输入信号 负反馈 用于放大器正反馈虽能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性，主要用于振荡电路；负反馈虽降低了放大倍数，但却换来了放大电路性能的改善，负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻，扩展通频带2.2直流反馈和交流反馈实际上，反馈的概念在讨论静态工作点稳定的电路时已经运用过了。在分压式电流负反馈偏置电路中，通过射极电阻Re，将输出回路中的直流电流IE以VE = IERe的形式回送到了输入回路，使三极管发射结两端的电压VBE = VB IERe ，受到输出电流的影响，从而使输出电流趋于稳定。这种输出电量影响输入电量的方式就是反馈。不过这里的反馈仅仅是直流电量的反馈（交流量被Ce旁路），称为直流反馈。直流反馈主要用于稳定静态工作点。如果将Ce去掉，这时输出回路中的交流信号也将反馈到输入回路，并使放大电路的性能发生一系列的改变，这种交流信号的反馈称为交流反馈，实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈，本单元主要讨论交流反馈对放大电路性能的影响。 在放大电路技术中，除了有目的地引入某种反馈（称为人工反馈）外，有时因为某种杂散参数（杂散电容和杂散电感）的存在，将输出信号反馈到输入端从而产生所谓的寄生反馈。寄生反馈是有害的，严重时可使放大电路不能正常工作，在实践中，应当竭力避免和消除。2.3电压反馈和电流反馈根据反馈信号从输出端的取样对象来分类。如果反馈信号取自电压，即反馈信号与输出电压成正比，称为电压反馈。如果反馈信号取自电流，即反馈信号与输出电流成正比，称为电流反馈。电压反馈 稳定输出电压 减小输出电阻电路电流 稳定输出电流 增大输出电阻2.4串联反馈和并联反馈根据反馈信号与外加输入信号在放大电路输入回路的连接方式来分类。如果在放大电路的输入回路中，反馈信号与外加输入信号以电压的形式相叠加，也就是说反馈信号与外加输入信号二者相互串联，则称为串联反馈。反馈信号与外加输入信号以电流的形式相叠加，也就是说反馈信号与外加输入信号二者相互并联，则称为并联反馈。3.反馈的判别（重点 难点）3.1正负反馈判断负反馈，加入反馈后，净输入信号 ，输出幅度下降。正反馈，加入反馈后，净输入信号 ，输出幅度增加方法一(瞬时极性法,动画在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，可用+、或、表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时电压极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。方法二正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端。 注意：推断反馈信号瞬时极性时，应遵从放大电路的放大原理，对单级放大电路而言,共射电路输出电压与输入电压反相、共集电路和共基电路输出电压与输入电压同相。3.2电压反馈和电流反馈将输出电压短路，若反馈回来的反馈信号为零，则为电压反馈；反馈信号仍然存在，则为电流反馈。 输出端与反馈输入端同点相连，则为电压反馈；否则，为电流反馈。3.3串联反馈与并联反馈反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极上，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；反之，加在放大电路输入回路的两个电极上，则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；一个加在基极，另一个加在发射极则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。 对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。输入端与反馈输出端同点相连，则为并联反馈；否则，为串联反馈。3.4直流反馈和交流反馈反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。若在反馈网络中串联隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。3.5反馈组态的判断(动画一(动画二例题7 试判断图所示电路的反馈组态解: 根据瞬时极性法，见图中的红色“”、“”号，可知经电阻R1加在基极B1上的是直流并联负反馈。因反馈信号与输出电流成比例，故为电流反馈。结论是直流电流并联负反馈。 经Rf 加在E1上的是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在三极管两个输入电极，故为串联反馈。结论：交流电压串联负反馈。4.反馈放大电路的一般表达式4.1方框图表示法这一过程可用图所示方框图来表示。引入反馈后的放大电路称为反馈放大电路。图中 是输入信号， 是反馈信号， 称为净输入信号。所以有 4.2反馈的基本关系式反馈放大电路是由基本放大电路和反馈网路构成的一个闭环系统，故常称反馈放大电路为闭环放大电路，相应地称未引入反馈的放大电路为开环放大电路。图中比较与取样都是通过反馈网络与基本放大电路的特定连接方式实现的。要注意的是，这里的基本放大电路是指考虑了反馈网络对放大电路输入和输出回路的负载效应，但又将反馈网络分离出去后的电路，它可以是单级或多级电路，而且往往还存在着局部反馈。基本放大电路的放大倍数 反馈网络通常为一线性网络，由一些电阻、电容等组成，其传输系数定义为常称为反馈系数。为了突出反馈的实质，忽略次要因素，简化分析过程，通常又假定： （1）信号从输入端到输出端的传输只通过基本放大电路，而不通过反馈网络；（2）信号从输出端反馈到输入端只通过反馈网络而不通过基本放大电路。也就是说，信号传输具有单向性。实践表明，这种假定是合理而有效的，符合这种假定的方框图称为理想方框图。对图所示单一环路反馈的理想方框图有如下关系：由此可得反馈放大电路的闭环放大倍数为：这是反馈放大电路的基本关系式，也是分析闭环反馈放大电路的重要公式。这里 可以是电压也可以是电流， 的具体含义由反馈类型决定。在上式中，称为闭环放大倍数，它表示了反馈放大电路的基本关系，是分析反馈问题的出发点。称为反馈深度，是一个反映反馈强弱的物理量，也是反馈电路定量分析的基础。为了分析方便，在以后讨论反馈放大电路性能时，除频率特性外，均假定工作信号在中频范围，且反馈网络具有纯电阻性质，因此，均可用实数表示。于是上式变为：关于负反馈的一般关系式，下面进行几点讨论：(1) 当时，为负反馈；当时，为正反馈；当时，反馈效果为；当时，即使放大电路没有外加输入信号，但却有一定的输出信号。这种情况称为自激振荡。这是正反馈的一种特殊情况。(2)如果1，亦即1，称为深度负反馈。此时则有： (3)对于负反馈放大电路，放大的概念是广义的。引入不同类型负反馈的放大电路，放大倍数的物理意义不同，电路的功能也不同，见表。不同方式负反馈放大电路的Af及功能比较反馈方式iXoF （量纲）Af （量纲）电路功能电压串联负反馈UiUo（无量纲）（无量纲）放大电压电压并联负反馈IiUo（电导）（电阻）将输入电流变换为输出电压电流串联负反馈UiIo（电阻）（电导）将输入电压变换为输出电流电流并联负反馈IiIo（无量纲）（无量纲）放大电流从表中不难看出，Af除可能是通常意义的电压放大倍数或电流放大倍数外，还可能表明电流电压转换关系或电压电流转换关系。反馈系数是只决定于反馈网络而与负载无关的物理量。因此，在深度负反馈条件下，Af，表明f也是与负载无关的物理量。此时o， 可以认为o是i的受控源。当反馈网络参数确定后，o唯一地受i的控制。第二节 负反馈对放大电路的影响（了解结论）1. 降低放大倍数由负反馈放大电路的一般表达式 可知，闭环放大倍数仅是开环放大倍数的分之一，因为负反馈，故，引入负反馈后，放大电路的放大倍数降低。负反馈虽使闭环放大倍数降低，但却换来了其他性能的改善。2. 提高放大倍数的稳定性我们知道，放大电路放大倍数的数值取决于电路中元器件的参数。而晶体管的更换，电源电压的不稳，温度及负载的变化等都将使放大倍数发生变化，因此，一般情况下，放大倍数是不稳定的。利用负反馈的自动调节原理，可以抑制放大倍数的变化，从而提高其稳定性。放大倍数的稳定性可用它的相对变化量来表示。3. 减小非线性失真以及抑制干扰和噪声（动画放大电路中，由于晶体管等器件的非线性，当输入信号幅度较大时，放大电路的输出波形将产生失真，如图所示。设反馈为电压串联负反馈，输入信号vi（Xi）为正弦波，输出信号vo（Xo）变成了上大下小的失真波形。引人负反馈后，输出波形将得到改善。以电压串联负反馈为例，由于反馈网络是线性网络，所以，反馈电压波形与输出电压波形一样，也是上大下小。该波形与原输入波形（正弦波）迭加，结果使净输入电压波形产生了“预失真”即vbe（Xi）变成了上小下大。“预失真”正好抵消了部分因晶体管特性引起的非线性失真，从而使输出波形基本上是正弦波。需要指出的是，由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度，而且对输入信号的固有失真，负反馈是无能为力的。4. 展宽频带由于晶体管某些参数随频率而变化，电路中又总是存在一些电抗性元件，因而使放大倍数也随频率而变，放大电路通频带比较窄。而引入负反馈是展宽通频带的有效措施之一。由于在深度负反馈时，显然，此时放大器的放大倍数只与反馈网络参数有关。如果反馈网络里不含L、C等电抗元件，是一个纯电阻电路，则可近似认为反馈放大器的放大倍数为一常数，即可使频带增宽。5. 改变输入输出电阻5.1对输入电阻的影响输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻。因为反馈放大电路输入端的反馈方式有串联和并联之分，故负反馈对放大电路输入电阻的影响与串联反馈还是并联反馈直接有关。（1）串联负反馈使输入电阻增大在串联负反馈电路中，由于Vf和Vi串联作用于输入端，Vf抵消了Vi的一部分，因此，在Vi 相同的情况下，输入电流Ii比没有反馈时减小，故输入电阻rif = ViIi 增大了。分析表明，串联负反馈使闭环输入电阻增加到开环输入电阻的（1FA）倍。（2）并联负反馈使输入电阻减小在并联负反馈电路中，由于If对Ii有分流作用，因此，在Ib一定时，If的出现将使Ii 增大。也就是说，引入并联负反馈后使得闭环输入电阻减小，故Ii 增大。 可以证明，引入并联负反馈后，使闭环输入电阻rif降到开环输入电阻ri的 1 /（1+FA）。5.1.2对输出电阻的影响放大电路对负载而言，可等效为一个信号源。这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。由于输出有电压反馈与电流反馈两种方式，故输出电阻的变化趋势就与电压反馈还是电流反馈直接有关。（1） 电压负反馈使放大电路的输出电阻减小在负反馈电路中，由于电压负反馈能够稳定输出电压，即使RL发生变化，也能保持输出电压稳定，放大电路近似于恒压源，其效果相当于减小了电路的输出电阻。分析表明，电压负反馈使放大电路闭环输出电阻减小到开环输出电阻的（2）电流负反馈使放大电路的输出电阻增大当引入电流负反馈后，电路具有稳定输出电流的作用，即使RL发生变化，也能保持输出电流基本稳定，放大电路近似于恒流源，其效果相当于增大了电路的输出电阻。引入电流负反馈后，电路的闭环输出电阻增加到开环输出电阻的（1AF）倍。综上所述，负反馈对放大电路输入和输出电阻的影响，可归纳以下两点： 放大电路引入负反馈后，输入电阻的改变取决于输入端的联接方式，而与输出端的取样对象（电压或电流）无直接关系（取样对象将决定AF的含义），串联负反馈使输入电阻增加，并联负反馈使输入电阻减小，增加和减小的程度取决于反馈深度。 放大电路引入负反馈以后，输出电阻的改变取决于输出端的取样对象，而与输入端的联接方式无直接关系，电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增加，增加和减小的程度决定于反馈深度凡是串联负反馈，都使输入电阻提高，即凡是并联负反馈，都使输入电阻降低，即凡是电压负反馈，都能稳定输出电压，使输出电阻降低，即凡是电流负反馈，都能稳定输出电流，使输出电阻增大，即第三节 深度负反馈放大电路的计算多级负反馈放大电路的应用十分广泛，其开环放大倍数一般很大，容易满足（AF）的深负反馈条件，多数可以作为深负反馈放大电路来处理。因此这种估算方法有很大的实用意义。本节将着重讨论这种方法。根据前面的讨论可知：在反馈放大电路中 在深度负反馈条件下 由以上几式可得 即 XiXf凡是串联负反馈 fUi凡是并联负反馈 IfIi利用上述概念就可方便地估算出闭环电压放大倍数，下面举例说明。图15 例电路 图16 例电路例 估算图15所示深负反馈放大电路的电压放大倍数uf 。解 分析可知，图15为电压串联负反馈电路反馈电压 深度负反馈条件下 UiUf电压放大倍数 即 例 估算图16所示深负反馈放大电路的源电压放大倍数usf、。解 图16所示是电压并联负反馈电路。深负反馈时 IiIf故 Ii（sRf）UoUs 又由于引入并联负反馈后输入电阻if很小所以 将以上两式合并整理得源电压放大倍数从以上两例中可以看出，放大电路引入深度电压负反馈后，电压放大倍数与负载电阻无关，说明输出电压稳定近似于恒压源。例中，如果信号源无内阻，即Us直接加在发射结上，显然反馈电阻的大小不会影响Ib的大小，即反馈是不起作用的。由此可见，电路引入并联负反馈时，只有存在电阻Rs，反馈才起作用，而且Rs愈大，反馈的影响愈明显。例 求解图17所示深负反馈放大电路的电压放大倍数Auf 。 图17 例电路 解 由于电路引入了电流串联负反馈，故有 UiUf 由电路可知 UfIeeIcReUi 其中 电压放大倍数 可见，当电路引入深度电流负反馈时，电压放大倍数和负载电阻RL有关。这是因为，电流负反馈使输出电流稳定，即RL变化时，输出电流不变，而输出电压随RL的变化而变化。只有当RL保持不变时，才能使输出电压稳定。例 设图18所示电路满足深度负反馈条件，试估算电路的电压放大倍数Auf？已知R1100k，R2 = 100 * Arabic 100k，R3 = 50 * Arabic 50k。图18 例电路解 由电路可判断其反馈组态为电压串联负反馈，故有1.5 三、深度负反馈条件下输入、输出电阻的估算 在深度负反馈条件下，估算输入、输出电阻的方法是将反馈环所包括的电路按理想情况处理，即可以认为：对于串联负反馈： Rif对于并联负反馈： Rif0对于电压负反馈： Rof0对于电流负反馈： Rof例 电路如图19所示，估算深负反馈时电路的输入、输出电阻。解 由图分析可知，Rf引入了级间电流串联负反馈，所以在输入端，Rb不在反馈环内，故闭环输入电阻为 Rif电路总的输入电阻 = 560 k在输出回路，由于Rc3不在反馈环内。故闭环输出电阻 Rof,电路总的输出电阻3k23