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1、第第6章章 反馈反馈第1页，共96页，编辑于2022年，星期二61 反馈的基本概念及基本方程反馈的基本概念及基本方程 611 反馈的定义反馈的定义 反谓反馈，就是将放大器的输出量(电流或电压)，通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并与输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程。如RE对静态工作点稳定的过程即为负反馈。如图61所示.第2页，共96页，编辑于2022年，星期二 图61负反馈稳定工作点电路 第3页，共96页，编辑于2022年，星期二 612反馈放大器的基本框图反馈放大器的基本框图 如图62所示。图62反馈放大器基本框图 第4页，共96页，编辑于
2、2022年，星期二 613反馈放大器的基本方程反馈放大器的基本方程 基本放大器的传输增益(也称开环增益或开环放大倍数)反馈网络的传输系数(也称反馈系数)环路增益(回归比)由上述各式，可得反馈放大器的基本方程：Af为反馈放大器的传输增益（或闭环增益）第5页，共96页，编辑于2022年，星期二结论：结论：1.Af是A的 倍。（负反馈使基本放大器的净输入信号减小）2.令D=1+AF，称为“反馈深度”。表征反馈强弱的物理量。把D1或AF 1称为“深反馈条件”（或深度负反馈）。3.在深度负反馈条件下，在深度负反馈条件下，闭环增益主要决定于反馈系数，而与开环增益关系不大。4.正反馈，使放大器性能变差。第6
3、页，共96页，编辑于2022年，星期二62 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响 621负反馈使放大倍数稳定度提高负反馈使放大倍数稳定度提高 负反馈稳定放大器增益原理：负反馈的自动调节作用。当 不变时，若 AAfAf 放大器的稳定性通常用相对变化量来衡量。开环放大倍数相对稳定度为 闭环放大倍数相对稳定度为 第7页，共96页，编辑于2022年，星期二 可见，引入负反馈使放大倍数的相对变化量减小为原相对变化量的 ，即反馈越深，放大倍数的增益稳定性越好。在深度负反馈时，因此，只要F是稳定的，Af也将稳定。第8页，共96页，编辑于2022年，星期二 例例1设计一个负反馈放大器，要求闭环放大
4、倍数Af=100,当开环放大倍数A变化10%时，Af的相对变化量在0.5%以内，试确定开环放大倍数A及反馈系数F值。解解 因为 所以，反馈深度D必须满足因为 第9页，共96页，编辑于2022年，星期二所以 因为 第10页，共96页，编辑于2022年，星期二 显然，闭环中频放大倍数AIf，是开环中频放大倍数的1/(1+FAI)倍。而闭环放大倍数的上限频率fHf，是开环上限频率的(1+FAI)倍，但增益频带积为不变，即 因此，负反馈放大器的频带展宽是以增益下降为代价的。同理，可将 代入 并整理得 第12页，共96页，编辑于2022年，星期二 图63负反馈改善放大器频率响应的示意图 第13页，共96
5、页，编辑于2022年，星期二图64引起频率失真的因素必须包含在反馈环之内 负反馈展宽频带的前提是：引起高频段或低频段放大倍数下降的因素必须包含在反馈环路内，即频率影响放大倍数变化的信息必须反馈到放大器的输入端，否则负反馈不能改善频率响应。如图6-4中，取样点在A点和B点所引起的效果不相同。第14页，共96页，编辑于2022年，星期二623负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽 由图6-5可说明负反馈对非线性失真的减小 定义“全谐波失真率”（即非线性失真系数）的表达式为：设加负反馈后，输出谐波分量为Xnhf，则有Xnhf=Xnh-AFXnhf 如果增大输
6、入信号 ，而保持输出基波分量 不变，则有 可见负反馈使非线性失真减小了（1+AF）倍。第15页，共96页，编辑于2022年，星期二图65负反馈改善非线性失真的工作原理示意图(a)无反馈；(b)负反馈使非线性失真减小 第16页，共96页，编辑于2022年，星期二 6-2-4 负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响 利用负反馈抑制放大器内部噪声及干扰的机理与减小非线性失真是一样的。负反馈输出噪声下降(1+AF)倍。如果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大，输出信号分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高(1+AF)倍。第17页，共96页
7、，编辑于2022年，星期二 综上所述，负反馈有以下特点：(1)负反馈使放大器的放大倍数下降，但增益稳定度提高,频带展宽，非线性失真减小，内部噪声干扰得到抑制，且所有性能改善的程度均与反馈深度(1+AF)有关。(2)被改善的对象就是被取样的对象。(3)负反馈只能改善包含在负反馈环节以内的放大器性能，对反馈环以外的，与输入信号一起进来的失真、干扰、噪声及其它不稳定因素是无能为力的。第18页，共96页，编辑于2022年，星期二6-3 反馈放大器的分类及对输入、输出阻抗的影响反馈放大器的分类及对输入、输出阻抗的影响 v根据反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈两种。v根
8、据反馈网络与基本放大器输入端的连接方式不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈两种。v根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈。判断正负反馈的常用方法是瞬时极性法：假设输入信号向某一方向变化，沿闭环系统，逐级推出电路中其它各有关点信号的瞬时变化极性，最后看反馈到输入端信号的极性对原来的信号是增强还是削弱。增强则为正反馈，削弱则为负反馈。第19页，共96页，编辑于2022年，星期二第20页，共96页，编辑于2022年，星期二631电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈 电压反馈：反馈网络与基本放大器输出端并联连接，反馈信号直接取自于输出电压。如图6-6(a)所示。电流反馈：反馈网络与基本放大器输出端
9、串联连接，反馈信号直接取自于输出电流。如图6-6(b)所示。判断方法：采用“输输出出短短路路法法”。即将输出端短路，观察反馈信号是否还存在。如果反馈信号不存在，说明是电压反馈；反之，则说明是电流反馈。第21页，共96页，编辑于2022年，星期二图66电压反馈和电流反馈 第22页，共96页，编辑于2022年，星期二 632电压反馈和电流反馈对输出电阻的影响电压反馈和电流反馈对输出电阻的影响 电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。图67中，Ro为基本放大器的输出电阻(即开环输出电阻)，为等效路电压(A0为不计负载时的放大倍数)。反馈放大器的输出电阻定义为：1电压负反馈对输出电阻的影响
10、电压负反馈对输出电阻的影响 由图6-7可得 第23页，共96页，编辑于2022年，星期二 图67 电压负反馈放大器输出电阻的计算 可见，电压负反馈使放大器输出电阻减小为Ro的 倍。Ro 的稳定度。第24页，共96页，编辑于2022年，星期二图68电流负反馈放大器输出电阻的计算 2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 由图6-8可得 可见，电流负反馈使放大器输出电阻增大为Ro的（1+AoF）倍。Ro 的稳定度。第25页，共96页，编辑于2022年，星期二 633串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈 串联反馈：反馈网络串联在基本放大器的输入回路中，输入信号支路与反馈支路不接在同一节
11、点上，控制端的净输入电压 等于输入电压 和反馈电压 的矢量和。对负反馈，则有 如图69(a)所示第26页，共96页，编辑于2022年，星期二图69串联反馈和并联反馈框图 (a)串联反馈；(b)并联反馈 ii第27页，共96页，编辑于2022年，星期二并联反馈：反馈网络直接并联在基本放大器的输入端，输入信号支路与反馈信号支路接到基本放大器的同一节点上。放大器的净输入电流 等于输入电流 和反馈电流 的矢量和。对负反馈，则有图69(b)所示第28页，共96页，编辑于2022年，星期二图610放大器输入回路中引入串联反馈和并联反馈 (a)串联反馈；(b)并联反馈 第29页，共96页，编辑于2022年，
12、星期二图611差分放大器中引入串联反馈和并联反馈 (a)串联反馈；(b)并联反馈 第30页，共96页，编辑于2022年，星期二 634串联负反馈和并联负反馈对放大器输入电阻的影响串联负反馈和并联负反馈对放大器输入电阻的影响 串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。v如图69(a)所示，对串联负反馈有：可见，串联负反馈使放大器的输入阻抗增大为Ri的（1+AF）倍。第31页，共96页，编辑于2022年，星期二v由图6-9(b)，同样可得，并联负反馈时有：可见，并联负反馈使放大器的输入阻抗减小为Ri的 倍 第32页，共96页，编辑于2022年，星期二 图612四种典型的负反馈组态电路(a
13、)串联电压负反馈；(b)串联电流负反馈；(c)并联电压负反馈；(d)并联电流负反馈 第33页，共96页，编辑于2022年，星期二组态 电路图AFAf串联电压负反馈 图6-12(a)串联电流负反馈 图6-12(b)并联电压负反馈 图6-12(c)并联电流负反馈 图6-12(d)64 反馈放大器的分析和近似计算反馈放大器的分析和近似计算 6-4-1四种组态反馈放大器增益和反馈系数的定义及近似计算四种组态反馈放大器增益和反馈系数的定义及近似计算 第34页，共96页，编辑于2022年，星期二近似计算的条件：近似计算的条件：v放大器工作在深度负反馈条件下，即 v对串联反馈：对并联反馈：第35页，共96页
14、，编辑于2022年，星期二 642集成运算放大器的两种基本反馈阻态集成运算放大器的两种基本反馈阻态 一、集成运算放大器的开环传输特性一、集成运算放大器的开环传输特性 集成运算放大器是高增益的直接耦合放大器。其开环放大倍数非常大。开环传输特性如图6-13所示。集成运算放大器有两个输入端和一个输出端，输出电压正比于两个输入电压之差。第36页，共96页，编辑于2022年，星期二图613集成运算放大器开环传输特性 (a)运算符号；(b)开环传输特性 第37页，共96页，编辑于2022年，星期二二、并联电压负反馈二、并联电压负反馈反相比例放大器反相比例放大器如图614(a)所示 图614并联电压负反馈反
15、相比例放大器 (a)电路；(b)闭环传输特性 虚地：因为是深度负反馈，所以 ，则 的现象。注意：实质是指同相输入端和反相输入端电位相等，而同相输入端电位又等于零。第38页，共96页，编辑于2022年，星期二1.闭环增益闭环增益Auf根据深反馈条件 其传输特性如图6-14(b)所示，线性动态范围扩大了。第39页，共96页，编辑于2022年，星期二 2.闭环输入电阻闭环输入电阻Rif 运用密勒定理将图614(a)等效为图6-15，则等效阻抗Z1为：(646）(647)所以 3.闭环输出电阻闭环输出电阻Rof 理想运放的输出电阻Ro0，施加电压负反馈后的输出电阻进一步减小，所以(648)第40页，共
16、96页，编辑于2022年，星期二图615反相比例放大器的输入电阻 第41页，共96页，编辑于2022年，星期二三、串联电压负反馈三、串联电压负反馈同相比例放大器同相比例放大器如图616(a)所示 虚短：在深度负反馈条件下，集成运放的同相输入端与反相输入端电位相等。为了保证是负反馈，反馈信号必须引到运放的反相输入端。运放的差模输入信号为：因为是串联反馈，所以 闭环传输特性如图6-16(b)所示。第42页，共96页，编辑于2022年，星期二 图617 运放构成的电压跟随器 第43页，共96页，编辑于2022年，星期二特点特点：1.同相且成比例关系；2Auf1；3若R1开路（或R1）、R2=0，则A
17、uf=1，称为电压跟随器。如图6-17所示。4因为串联电压负反馈使输入电阻增大，输出电阻减小，所以闭环Rif=，Rof=0。第44页，共96页，编辑于2022年，星期二 643分立元件负反馈放大器的分析计算分立元件负反馈放大器的分析计算 一、单级负反馈放大器电路一、单级负反馈放大器电路 （一）（一）单级串联电压负反馈电路单级串联电压负反馈电路图618(a)为共集放大器，即射极跟随器。图618三种不同反馈组态的单级放大器第45页，共96页，编辑于2022年，星期二1.反馈网络：RE和RL2.反馈类型：串联电压负反馈 4.F：6.特点：放大倍数小，输入阻抗大，输出阻抗小，输出电压稳定，频带很宽。5
18、.Auf：在深度负反馈条件下，第46页，共96页，编辑于2022年，星期二（二）（二）单级串联电流负反馈电路单级串联电流负反馈电路 图618(b)电路是共射放大器。图618三种不同反馈组态的单级放大器1.反馈网络：RE2.反馈类型：串联电流负反馈 第47页，共96页，编辑于2022年，星期二5.Auf：在深度负反馈条件下，6.特点：RED=1+AFAu、RiBWIo稳定度、非线性失真。4.F：第48页，共96页，编辑于2022年，星期二（三）（三）单级并联电压负反馈电路单级并联电压负反馈电路图618(c)电路得图618三种不同反馈组态的单级放大器1.反馈网络：R1、R22.反馈类型：并联电压负
19、反馈 第49页，共96页，编辑于2022年，星期二4.F5.Auf：在深度负反馈条件下，6.特点：的稳定度，Ro，BW，非线性失真，Ri 第50页，共96页，编辑于2022年，星期二 二、多级反馈放大器电路二、多级反馈放大器电路 1.串联电压负反馈对串联电压负反馈对电路：如图6-19所示 反馈网络：R3和R4 反馈组态判断：正负反馈判断：反馈系数F：运用戴维南定理如图6-20，可得 Auf：在深度负反馈条件下，第51页，共96页，编辑于2022年，星期二 图619串联电压负反馈对 第52页，共96页，编辑于2022年，星期二图620等效到第一级射极的反馈电压(a)输入回路等效；(b)戴文宁等效
20、电路 第53页，共96页，编辑于2022年，星期二 2.并联电流负反馈对并联电流负反馈对 电路：如图6-21所示 反馈网络：R1、R5和R6 反馈组态判断：正负反馈判断：Auf：在深度负反馈条件下，(其中 )第54页，共96页，编辑于2022年，星期二 图621 并联电流负反馈对 第55页，共96页，编辑于2022年，星期二 3.串联电流负反馈电路串联电流负反馈电路电路：如图6-22所示 反馈网络：R3、R7和R8 反馈组态判断：正负反馈判断：Auf：在深度负反馈条件下，第56页，共96页，编辑于2022年，星期二 图622 串联电流负反馈电路 第57页，共96页，编辑于2022年，星期二 4
21、.并联电压负反馈电路并联电压负反馈电路电路：如图6-23所示 反馈网络：R1和R8 反馈组态判断：正负反馈判断：Auf：在深度负反馈条件下，第58页，共96页，编辑于2022年，星期二图623 三级并联电压负反馈电路 第59页，共96页，编辑于2022年，星期二 5.串联电流正反馈电路串联电流正反馈电路电路：如图6-24所示 反馈网络：R1和R8 反馈组态判断：正负反馈判断：下一节讨论其性能。第60页，共96页，编辑于2022年，星期二图624 串联电流正反馈电路 第61页，共96页，编辑于2022年，星期二 6.复反馈放大器复反馈放大器定义：F是频率的函数的放大器。图6-25电路：RE1、C
22、E1构成串联电流负反馈 CE1：容量很小。对低、中频相当于开路；在高频时，f容抗负反馈AuHAuIBW。CE1太小，欠补偿；太大，过补偿。RE2、CE2（容量很大）构成直流负反馈，稳定直流工作点。第62页，共96页，编辑于2022年，星期二 图625电流复反馈电路及高频响应的补偿(a)电流复反馈电路；(b)复反馈补偿电流高频响应 第63页，共96页，编辑于2022年，星期二 图625电流复反馈电路及高频响应的补偿(a)电流复反馈电路；(b)复反馈补偿电流高频响应 第64页，共96页，编辑于2022年，星期二高频补偿电容二级间并联电流复反馈三级间串联电压复反馈第65页，共96页，编辑于2022年
23、，星期二 三、反馈放大器例题分析三、反馈放大器例题分析 例例例例2 2电路如图627所示。这是一个两级放大器，第一级为场效应管差分放大器，第二级为运放构成的反相比例放大器。(1)为进一步提高输出电压稳定度，试正确引入反馈。(2)计算开环放大倍数 (3)计算引入反馈后的闭环放大倍数Auf=?(4)若一定要求引入并联电压负反馈，电路应如何改接?第66页，共96页，编辑于2022年，星期二 图627 例2电路 第67页，共96页，编辑于2022年，星期二 解(1)为进一步提高输出电压稳定度，必须引入电压负反馈，如图6-27虚线所示。这有两种可能：一种是将反馈引至V1管栅极(开关Sb)构成并联反馈；另
24、一种是将反馈引至V2栅极(开关Sa)构成串联反馈。问题的关键是哪一种能保证是“负反馈”。根据瞬时极性判别法，我们将各点信号的极性标于图6-27中。判断结果，开关S接a点，构成了串联电压负反馈，而接b点则为正反馈，所以电路应将开关S接a点。第68页，共96页，编辑于2022年，星期二(2)开环增益。若将S接c点，则没有引入反馈，此时其中:第69页，共96页，编辑于2022年，星期二 (3)引入串联电压负反馈后的闭环增益Auf为 (4)若一定要求引入并联电压负反馈，最简单的办法是将第一级输出由V1管漏极改为V2管的漏极。课本习题课本习题6-15，6-16第70页，共96页，编辑于2022年，星期二
25、65 反馈放大器稳定性讨论反馈放大器稳定性讨论 651负反馈放大器稳定工作的条件负反馈放大器稳定工作的条件 负反馈放大器的基本方程：第71页，共96页，编辑于2022年，星期二振荡的振幅条件振荡的相位条件产生自激振荡利用Bode图判别放大器稳定性：当 时，-1800。即对数幅频特性过横轴时，相频特性所对应的相位小于-1800。图6-28中，A曲线稳定，而B曲线不稳定 第72页，共96页，编辑于2022年，星期二图628用环路增益来判断稳定性 第73页，共96页，编辑于2022年，星期二稳定裕度 1幅度裕度 当相频特性的相位为-1800时，对数幅频特性所对应的增益值。一般要小于-10dB。2相位
26、裕度 对数幅频特性过横轴（即环路增益等于1）时，相频特性所对应的相位。一般要大于450。结束第74页，共96页，编辑于2022年，星期二 652利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定性利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定性 如果反馈网络F为常数，则我们可以用开环增益A(j)直接来判断放大器是否能稳定工作。我们以集成运算放大器为例来说明该问题。某运算放大器的开环特性A(j)为一个三极点放大器，即(675)第75页，共96页，编辑于2022年，星期二图629用开环特性波特图来判断放大器的稳定性 第76页，共96页，编辑于2022年，星期二(676)(677)(678)第77页，共96页，编辑于2
27、022年，星期二 653常用的消振方法常用的消振方法相位补偿法相位补偿法 一、电容滞后补偿一、电容滞后补偿 这种补偿方法是在放大器时常数最大的那一级里并接补偿电容C，以高频增益下降更多来换取稳定工作之目的。如图630所示。第78页，共96页，编辑于2022年，星期二图630电容滞后补偿的开环频率特性波特图 第79页，共96页，编辑于2022年，星期二 二、零极点对消二、零极点对消RC滞后补偿滞后补偿 与单纯的电容滞后补偿不同，RC滞后补偿可在A(j)中引入一个零点。(679)第80页，共96页，编辑于2022年，星期二图631零极点相消RC滞后补偿(a)RC串联补偿网络电路；(b)输出等效电路
28、；(c)简化等效电路 第81页，共96页，编辑于2022年，星期二(680)(681)(682)(683)(684)第82页，共96页，编辑于2022年，星期二图632零极点相消RC滞后补偿的开环频率响应波特图 第83页，共96页，编辑于2022年，星期二 三、密勒效应补偿三、密勒效应补偿 利用密勒效应进行补偿，可大大减小补偿电容的容量。如图633所示.(685)若C=30pF，|A2|=1000,则C=30000pF。密勒效应补偿在集成电路中有着广泛的应用。因为集成电路工艺不宜制作大容量电容，密勒效应补偿使小电容发挥大电容的作用。第84页，共96页，编辑于2022年，星期二图633 密勒电容
29、补偿 第85页，共96页，编辑于2022年，星期二 四、导前补偿四、导前补偿 负反馈自激振荡的条件为环路增益|A(j)F(j)|=1,相移=A+F=-180。前面分析中，我们设F不是频率的函数，用校正和补偿A(j)的办法来消振。如果我们设计成F是频率的函数，而且在F(j)的表达式中引入一“导前相移”，与A(j)的“滞后相移”相抵消，而使总相移小于-180，那么，同样可以达到消振的目的(如图634所示)。(686)第86页，共96页，编辑于2022年，星期二式中，R=R1Rf。记(687)第87页，共96页，编辑于2022年，星期二66运算放大器的小信号闭环带宽、运算放大器的小信号闭环带宽、压摆
30、率及功率带宽压摆率及功率带宽 661运算放大器的小信号闭环带宽运算放大器的小信号闭环带宽 我们知道，通用运算放大器的开环增益很大，而-3dB带宽BW很窄。引入深度负反馈后的闭环增益减小，频带展宽。通常用单位增益带宽BWG来表征运算放大器的频率特性参数。如图635所示，F007(A741)的开环带宽仅为7Hz左右，而接成跟随器(Auf=1)时，其单位增益带宽BWG展宽为1MHz。第88页，共96页，编辑于2022年，星期二图635 运算放大器单位增益带宽BWG 第89页，共96页，编辑于2022年，星期二 662 大信号工作下的压摆率和全功率带宽大信号工作下的压摆率和全功率带宽 以上频带展宽是在
31、小信号工作状态下，因为高频时输出电压减小，反馈信号也减小，加到运放的净输入反而增大了，从而展宽了频带。但在大信号状态下，运放已进入非线性区，净输入增大的余地很小，所以在大信号工作下，负反馈并不能如愿地展宽频带。通常用全功率频带和压摆率来表征大信号工作时的频率特征。实际上全功率频带总是远小于小信号带宽的。第90页，共96页，编辑于2022年，星期二 一、压摆率一、压摆率SR 压摆率SR的定义为 在有相位补偿电容的情况下，压摆率主要取决于相位补偿电容充放电的快慢。如图6-36所示，输出电压变化率受到uC电压变化率的限制：(6-88)第91页，共96页，编辑于2022年，星期二图636 压摆率计算框
32、图 第92页，共96页，编辑于2022年，星期二(689)(690)如果放大器压摆率不够，就会产生输出波形失真。若输入为方波，则输出建立时间增大，若输入为正弦波，则边缘被拉直，甚至有变成三角波的可能，如图637所示。第93页，共96页，编辑于2022年，星期二图637压摆率不够时出现的波形失真(a)运放接成跟随器；(b)输入为方波时出现的失真；(c)输入为正弦波时出现的失真第94页，共96页，编辑于2022年，星期二 二、全功率带宽二、全功率带宽 压摆率与全功率带宽有什么关系呢?假设输入为正弦波，输出不失真电压也为正弦波，即(691)(692)第95页，共96页，编辑于2022年，星期二 式中Umo为低频时的最大不失真输出电压振幅，它受到电源电压的限制。全功率摆幅频率响应如图638所示。图638 全功率摆幅频率特性 第96页，共96页，编辑于2022年，星期二