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1、第五章放大电路中的第五章放大电路中的反馈反馈第1页，共114页，编辑于2022年，星期三61 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 什么是反馈什么是反馈 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，并同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。第2页，共114页，编辑于2022年，星期三反馈电路我们并不陌生。在第二章，曾经讨论过的电流负反馈稳定工作点偏置电路，就是一个很好的例子。如图61所示.第3页，共114页，编辑于2022年，星期三图61负反馈稳定工作点电路第4页，共114页，编辑于2022
2、年，星期三612反馈放大器的基本框图反馈放大器的基本框图 为了使问题的讨论更具普遍性，我们将反馈放大器抽象为如图62所示的方框图。图中虚线表示反馈放大器，其输入信号为，输出信号为。反馈放大器包含两部分，即基本放大器和反馈网络。基本放大器的传输方向为输入到输出；反馈网络的传输方向为输出到输入(图中箭头方向就是信号的传输方向)。第5页，共114页，编辑于2022年，星期三图62反馈放大器基本框图第6页，共114页，编辑于2022年，星期三613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)(61)(62)(63)(64)反馈网络的传输系数(也称反馈系数)
3、环路增益(回归比)第7页，共114页，编辑于2022年，星期三现在，我们来推导闭环增益Af与开环增益以及反馈系数之间的关系。由图6-2可见(65)(66)(67)(68)(69)第8页，共114页，编辑于2022年，星期三62 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的原理是因为负反馈有自动调节作用。工作环境变化(如温度、湿度)、器件更换或老化、电源电压不稳等诸因素会导致基本放大器的放大倍数不稳定。第9页，共114页，编辑于2022年，星期三通常用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性。开环放大倍数相对稳
4、定度为闭环放大倍数相对稳定度为(613)(614)第10页，共114页，编辑于2022年，星期三例例1设计一个负反馈放大器，要求闭环放大倍数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11页，共114页，编辑于2022年，星期三所以因为第12页，共114页，编辑于2022年，星期三622负反馈使放大器通频带展宽，线性失真减小负反馈使放大器通频带展宽，线性失真减小简单的数学分析将告诉我们，频带展宽的程度与反馈深度有关。设开环增益的高频响应具有一阶极点，即(615)(616)(617)第13页
5、，共114页，编辑于2022年，星期三(618a)(618b)(619)第14页，共114页，编辑于2022年，星期三显然，AIf是闭环中频放大倍数，它比开环中频放大倍数减小了(1+FAI)倍。fHf是闭环放大倍数的上限频率，它比开环上限频率展宽了(1+FAI)倍。定义增益频带积为中频增益与上限频率的乘积，即有(620)(621)第15页，共114页，编辑于2022年，星期三图63负反馈改善放大器频率响应的示意图第16页，共114页，编辑于2022年，星期三图64引起频率失真的因素必须包含在反馈环之内第17页，共114页，编辑于2022年，星期三623负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展负反
6、馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽宽 负反馈减小非线性失真的原理可以用图65简要说明。若输入信号为单一频率的正弦波，由于放大器内部器件(如晶体管)的非线性，使输出信号产生了非线性失真，如图65(a)所示，将输出信号形象地描述为“上长下短”的非正弦波。引入负反馈后(如图65(b)第18页，共114页，编辑于2022年，星期三图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19页，共114页，编辑于2022年，星期三(622)(623)(624)(625)第20页，共114页，编辑于2022年，星期三624 负负反反馈馈可可以以减减小小放放大大器器内内部部产
7、产生生的的噪噪声声与与干扰的影响干扰的影响 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21页，共114页，编辑于2022年，星期三综上所述，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。例如，反馈取样的是输出电流，则有关输出电流的性能得到改善；反之，取样对象是输出电
8、压，则有关输出电压的性能得到改善。(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22页，共114页，编辑于2022年，星期三63 反馈放大器的分类及对输入、反馈放大器的分类及对输入、输出阻抗的影响输出阻抗的影响 631电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈按反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同，反馈分为电压反馈和电流反馈两种类型。如图66(a)所示，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，且与输出电压成正比。若令，则反馈信号立即为零，我们将这种反馈称之为电压反馈。第23页，共1
9、14页，编辑于2022年，星期三图66电压反馈和电流反馈第24页，共114页，编辑于2022年，星期三632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反馈与电流反馈对放大器输出电阻的影响极为不同，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给出分析电压负反馈输出电阻的等效电路。其中，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第25页，共114页，编辑于2022年，星期三图67电压负反馈放大器输出电阻的计算第26页，共114页，编辑于2022年，星期三(626)(627)(628
10、)第27页，共114页，编辑于2022年，星期三式(628)表明，电压负反馈使放大器输出电阻减少了(1+A0F)倍。输出电阻减小，意味着负载RL变化时，输出电压的稳定度提高了。这与上一节的分析结果是完全一致的。对于电流负反馈，由于反馈信号与输出电流成正比，所以我们采用恒流源等效电路，如图68所示。输出电阻Rof为第28页，共114页，编辑于2022年，星期三图68电流负反馈放大器输出电阻的计算第29页，共114页，编辑于2022年，星期三(630)(629)第30页，共114页，编辑于2022年，星期三式(630)表明，电流负反馈使放大器的输出电阻增大为Ro的(1+AF)倍。输出电阻增大，意味
11、着负载变化时，输出电流稳定。这一点和上一节的分析结果也是完全一致的。第31页，共114页，编辑于2022年，星期三633串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈 根据反馈网络和基本放大器输入端的连接方式不同，反馈有串联反馈和并联反馈之分。如图69(a)所示，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。如果是负反馈，则有(631)第32页，共114页，编辑于2022年，星期三图69串联反馈和并联反馈框图(a)串联反馈；(b)并联反馈第33页，共114页，编辑于2022年，星期三图69(b)所示电路中，反馈网络直接并联
12、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。在这种反馈方式中，用节点电流描述较为方便、直观，即放大器的净输入电流等于输入电流和反馈电流的矢量和。如果是负反馈，则有(632)第34页，共114页，编辑于2022年，星期三图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)并联反馈反馈输入端信号输入端信号输入端反馈输入端第35页，共114页，编辑于2022年，星期三图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36页，共114页，编辑于2022年，星期三634串串联联负负反反馈馈和和并并联联负负反反馈馈对对放放大大器器输输
13、入入电电阻阻的的影影响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。如图69(a)所示，输入电阻Rif为(633)第37页，共114页，编辑于2022年，星期三(634)(635)(636)(637)第38页，共114页，编辑于2022年，星期三图612四种典型的负反馈组态电路(a)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39页，共114页，编辑于2022年，星期三64 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 641四四种种组组态态反反馈馈放放大大器器增增益益和和反反馈馈系系数数的的定定义义及及近近似计算似计算为了分析计算公式的一
14、致性和反映四种反馈组态的特点，定义不同的增益和反馈系数。一、串联电压负反馈一、串联电压负反馈 如图612(a)所示，串联电压负反馈的增益和反馈系数的定义为第40页，共114页，编辑于2022年，星期三二、串联电流负反馈二、串联电流负反馈如图612(b)所示，电流反馈的反馈信号正比于输出电流，故串联电流负反馈的增益和反馈系数的定义为(638)第41页，共114页，编辑于2022年，星期三(639)第42页，共114页，编辑于2022年，星期三三、并联电压负反馈三、并联电压负反馈如图612(c)所示，并联反馈的输入量取电流，反馈量也为电流，而输出量是电压，故并联电压负反馈的增益和反馈系数的定义(6
15、40)第43页，共114页，编辑于2022年，星期三四、并联电流负反馈四、并联电流负反馈如图612(d)所示，并联电流负反馈的输入量、反馈量及输出量均取电流，故增益和反馈系数定义为(641)可见，Ai、Aif及Fi都是无量纲的。(642)(643)第44页，共114页，编辑于2022年，星期三642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。在集成运算放大器中施加深度负反馈，就可以得到性能十分优异的放大电路。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
16、入电压之差。第45页，共114页，编辑于2022年，星期三图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46页，共114页，编辑于2022年，星期三二、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)所示第47页，共114页，编辑于2022年，星期三图614并 联 电 压 负 反 馈反 相 比 例 放 大 器 (a)电路；(b)闭环传输特性第48页，共114页，编辑于2022年，星期三1.闭环增益闭环增益Auf根据深反馈条件(644)(645)第49页，共114页，编辑于2022年，星期三2.闭环输入电阻闭环输入电阻Rif 由图614(a)可
17、见，反馈电阻R2跨接在运放的输入端和输出端，应用密勒定理，将R2等效到运放的输入端，则等效阻抗Z1为(646）(647)第50页，共114页，编辑于2022年，星期三图615反相比例放大器的输入电阻第51页，共114页，编辑于2022年，星期三3.闭环输出电阻闭环输出电阻Rof 因为理想运算放大器的输出电阻Ro0，施加电压负反馈后的输出电阻进一步减小，所以(648)第52页，共114页，编辑于2022年，星期三三、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(649)(650)(651)第53页，共114页，编辑于2022年，星期三图6-16串联电压负反馈同
18、相比例放大器（a)电路（b)闭环传输特性第54页，共114页，编辑于2022年，星期三图6-16串联电压负反馈同相比例放大器（a)电路（b)闭环传输特性第55页，共114页，编辑于2022年，星期三图617运放构成的电压跟随器第56页，共114页，编辑于2022年，星期三理想运算放大器开环输入阻抗Ri,输出电阻Ro0,串联电压负反馈又使输入阻抗增大，输出电阻减小,所以，闭环输入电阻Rif=,闭环输出电阻Rof=0。第57页，共114页，编辑于2022年，星期三643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 图618给出了三个
19、单级放大器电路。这三个电路是大家十分熟识的电路，其放大倍数、输入电阻、输出电阻在第二章用等效电路方法已经计算过，这里我们仅从负反馈的角度进一步认识它们。第58页，共114页，编辑于2022年，星期三1.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。第59页，共114页，编辑于2022年，星期三图618三种不同反馈组态的单级放大器第60页，共114页，编辑于2022年，星期三图618三种不同反馈组态的单级放大器第61页，共114页，编辑于2022年，星期三2.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)电路是一个基极输入、集电极输出的共射
20、放大器。(655)(656)第62页，共114页，编辑于2022年，星期三该电路的输出电阻可视为集电极负载电阻RC与管子支路的等效输出电阻Rof并联。因为电流反馈使管子支路的输出电阻增大了，所以总的输出电阻Rof为(657)第63页，共114页，编辑于2022年，星期三3.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(658)(659a)(659b)(659c)(660)第64页，共114页，编辑于2022年，星期三二、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 图619给出一个二级级联的共射共射放大电路。观察该电路，发现R4将输出电压反
21、馈到第一级发射极，所以R4和R3组成两级间的大闭环反馈网络。(661)第65页，共114页，编辑于2022年，星期三图619串联电压负反馈对第66页，共114页，编辑于2022年，星期三图620等效到第一级射极的反馈电压(a)输入回路等效；(b)戴文宁等效电路第67页，共114页，编辑于2022年，星期三(662)(663)第68页，共114页，编辑于2022年，星期三2.并联电流负反馈对并联电流负反馈对如图621所示，R6将第二级射极和第一级基极连在一起，R1、R6和R5构成了两级间的反馈网络。(664)(665)(666)第69页，共114页，编辑于2022年，星期三图621并联电流负反馈
22、对第70页，共114页，编辑于2022年，星期三3.串联电流负反馈电路串联电流负反馈电路 图622是一个三级串联电流负反馈放大器。其中，R8将V3射极电压反馈到V1的射极，信号从V3集电极输出，所以该电路是一个三级串联电流反馈电路。第71页，共114页，编辑于2022年，星期三图622串联电流负反馈电路第72页，共114页，编辑于2022年，星期三(667)(668)(669)第73页，共114页，编辑于2022年，星期三4.并联电压负反馈电路并联电压负反馈电路图623是一个三级并联电压负反馈放大器。第74页，共114页，编辑于2022年，星期三图623三级并联电压负反馈电路第75页，共114
23、页，编辑于2022年，星期三(670)第76页，共114页，编辑于2022年，星期三5.串联电流正反馈电路串联电流正反馈电路前面讨论的都是负反馈电路。但如果将第二级的射极电压反馈到第一级源极，则电路将引进正反馈。如图624所示。(671)第77页，共114页，编辑于2022年，星期三图624串联电流正反馈电路第78页，共114页，编辑于2022年，星期三6.复反馈放大器复反馈放大器以上讨论的电路，其反馈系数F都是常数，与频率无关。所谓复反馈，就是反馈网络引入电抗元件(电容或电感等)，以致于反馈系数F成为频率的函数。如图625(a)所示，图626(a),(b)分别给出两个单片集成宽带放大器电路，
24、其中图(a)中的C1,C2就是高频补偿电容(即复反馈电容)，R4,R5,C1引入三级间的串联电压复反馈，R3,R6,C2引入了两级间的并联电流复反馈。第79页，共114页，编辑于2022年，星期三图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80页，共114页，编辑于2022年，星期三图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81页，共114页，编辑于2022年，星期三图626单片集成宽带放大器电路第82页，共114页，编辑于2022年，星期三图626单片集成宽带放大器电路第83页，共114页，编辑于2
25、022年，星期三三、反馈放大器例题分析三、反馈放大器例题分析 例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84页，共114页，编辑于2022年，星期三图627例2电路第85页，共114页，编辑于2022年，星期三解解(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；另一种是将
26、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86页，共114页，编辑于2022年，星期三(2)开环增益。若将S接c点，则没有引入反馈，此时其中:第87页，共114页，编辑于2022年，星期三(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。第88页，共114页，编辑于2022年，星期三65 反馈放大器稳定性讨论反馈放大器稳定
27、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如式(672)所示：(673a)(672)第89页，共114页，编辑于2022年，星期三(673b)(673c)(674)第90页，共114页，编辑于2022年，星期三图628用环路增益来判断稳定性第91页，共114页，编辑于2022年，星期三652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
28、)第92页，共114页，编辑于2022年，星期三图629用开环特性波特图来判断放大器的稳定性第93页，共114页，编辑于2022年，星期三(676)(677)(678)第94页，共114页，编辑于2022年，星期三653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95页，共114页，编辑于2022年，星期三图630电容滞后补偿的开环频率特性波特图第96页，共114页，编辑于2022年，星期三二、零极点对消二、零极点对消RC滞后补偿滞后补偿
29、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97页，共114页，编辑于2022年，星期三图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；(c)简化等效电路第98页，共114页，编辑于2022年，星期三(680)(681)(682)(683)(684)第99页，共114页，编辑于2022年，星期三图632零极点相消RC滞后补偿的开环频率响应波特图第100页，共114页，编辑于2022年，星期三三、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,
30、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101页，共114页，编辑于2022年，星期三图633密勒电容补偿第102页，共114页，编辑于2022年，星期三四、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
31、)。(686)第103页，共114页，编辑于2022年，星期三图6-34导前补偿电路第104页，共114页，编辑于2022年，星期三式中，R=R1Rf。记(687)第105页，共114页，编辑于2022年，星期三66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
32、器(Auf=1)时，其单位增益带宽BWG展宽为1MHz。第106页，共114页，编辑于2022年，星期三图635运算放大器单位增益带宽BWG第107页，共114页，编辑于2022年，星期三662 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108页，共114
33、页，编辑于2022年，星期三 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109页，共114页，编辑于2022年，星期三图636压摆率计算框图第110页，共114页，编辑于2022年，星期三(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111页，共114页，编辑于2022年，星期三图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112页，共114页，编辑于2022年，星期三 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113页，共114页，编辑于2022年，星期三式中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114页，共114页，编辑于2022年，星期三