模拟电路系列课件第8章.ppt

第第8 8章章 集成运放负反馈放大电路集成运放负反馈放大电路 1.反馈电路类型判断方法反馈电路类型判断方法2.负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响3.深度负反馈电路放大倍数近似估算深度负反馈电路放大倍数近似估算4.自激条件自激条件8.1 8.1 反馈的基本概念反馈的基本概念 8.1.1 8.1.1 什么叫反馈什么叫反馈 所谓所谓反馈反馈：把输出信号的一部分或全部引：把输出信号的一部分或全部引回到输入回路，与输入信号作比较（相加回到输入回路，与输入信号作比较（相加或相减），然后用比较所得的偏差信号去或相减），然后用比较所得的偏差信号去控制输出信号。控制输出信号。XoXiXdXfAF-+比较环比较环节节偏差信号偏差信号 基本放基本放大器大器输入信号输入信号 反馈信号反馈信号输出输出信号信号 反馈网络反馈网络负反馈放大器方框图负反馈放大器方框图 图图8.1 8.1 射极输出器射极输出器 UbeRbReRLUiUo+VCCT射极输出器的电路如图射极输出器的电路如图8.1所示。所示。Uf8.1.2 8.1.2 反馈放大电路的分类反馈放大电路的分类 不同类型的反馈具有不同的特点和规律，不同类型的反馈具有不同的特点和规律，对放大器性能指标有不同的影响。对放大器性能指标有不同的影响。1.1.按反馈的极性分按反馈的极性分按照反馈的极性，可以分为正反馈和负反按照反馈的极性，可以分为正反馈和负反馈两大类。馈两大类。正反馈正反馈:反馈信号增强输入信号（反馈信号增强输入信号（相加相加）。）。负反馈负反馈:反馈信号削弱输入信号（反馈信号削弱输入信号（相减相减）。）。瞬时极性法瞬时极性法判断步骤：判断步骤：假设输入量的瞬时极性。假设输入量的瞬时极性。根据电路输出量与输入量的根据电路输出量与输入量的相位相位关系，决定输关系，决定输出量和反馈量的瞬时极性。出量和反馈量的瞬时极性。根据反馈量与输入量的关系判断是正反馈还是根据反馈量与输入量的关系判断是正反馈还是负反馈。若比较后，加强了输入信号则为正反负反馈。若比较后，加强了输入信号则为正反馈；若比较后，削弱了输入信号则是负反馈。馈；若比较后，削弱了输入信号则是负反馈。判断判断图图8.28.2所示电路的反馈极性所示电路的反馈极性 只考虑只考虑由由 引起的电压，用引起的电压，用 表示，表示，图图8.2 8.2 负反馈放大电路负反馈放大电路+_+Ui+_ _Uo+RLRfR1_(+)(+)(+)Uid+_Uf判断判断图图8.38.3所示电路的反馈极性所示电路的反馈极性图中用括号标出极性为电压的图中用括号标出极性为电压的瞬时极性瞬时极性。RfR1+图图8.3 8.3 正反馈放大电路正反馈放大电路+Ui_+A_Uz_Uo-UidUf(+)(-)(-)2.2.按反馈信号交直流成分划分按反馈信号交直流成分划分 按反馈信号的变直流成分可以分为按反馈信号的变直流成分可以分为直流直流（静态）反馈（静态）反馈和和交流（动态）反馈交流（动态）反馈。直流反馈直流反馈:反馈信号是反馈信号是直流量直流量。影响电路的。影响电路的直流性能，直流负反馈的目的是稳定静态工直流性能，直流负反馈的目的是稳定静态工作点。作点。交流反馈交流反馈:反馈回来的信号是反馈回来的信号是交流量交流量。影响。影响电路的交流性能，交流负反馈的目的是为电路的交流性能，交流负反馈的目的是为了改善放大器的性能指标。了改善放大器的性能指标。具有交直流反馈信号的电路具有交直流反馈信号的电路图图8.48.4具有两条反馈通路的电路具有两条反馈通路的电路Ui_+C1_+UoC2R1R23.3.按反馈和输出信号关系划分按反馈和输出信号关系划分 按反馈信号和输出信号的关系，分为按反馈信号和输出信号的关系，分为电电压反馈压反馈和和电流反馈电流反馈两类。两类。电压反馈电压反馈：取自输出电压与之成正比，取自输出电压与之成正比，稳定输出电压。稳定输出电压。判定方法：判定方法：输出端短接法输出端短接法。RL=0，若若电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈：取自输出电流与之成正比。取自输出电流与之成正比。稳定输出电流。稳定输出电流。图图8.5 电流负反馈放大电路电流负反馈放大电路_+RLUf+RfUid_Uo(+)R(+)R1(+)UiIo+_电流反馈电流反馈4.4.按反馈和输入信号关系划分按反馈和输入信号关系划分 按按照照反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号的的关关系系，可可以以分成分成串联反馈串联反馈和和并联反馈并联反馈两类。两类。n 串联反馈串联反馈：在输入回路中，输入信号：在输入回路中，输入信号 、反馈信号反馈信号 和偏差信号和偏差信号 串联连接。以电串联连接。以电压形式相加减压形式相加减n并并联反馈联反馈：在输入回路中，输入信号：在输入回路中，输入信号 、反馈信号、反馈信号 和偏差信号和偏差信号 并联连接。以并联连接。以电流形式相加减电流形式相加减IidRL(-)+_UsIsUid+_+IfRbRfR1rid+(+)_图图8.6 并联负反馈电路并联负反馈电路-(+)_+RLUf+RfUidUoR(+)R1(+)UiIo+_+负反馈的四种组态：负反馈的四种组态：电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈多多个个反反馈馈环环，以以整整个个放放大大器器的的反反馈馈为为主主的反馈环，级间局部反馈，单级反馈。的反馈环，级间局部反馈，单级反馈。例例8.18.1判断图判断图8.78.7所示电路的反馈类型。所示电路的反馈类型。UidRLRbRf 2Rf 1R2R1_+图图8.7 负反馈放大电路负反馈放大电路A1A2Is(+)(+)(-)(+)UsIidIfUo1Uo+例例8.28.2判断图判断图8.88.8所示电路的反馈类型。所示电路的反馈类型。Uo(+)Uid(-)(+)(+)UiRe1RfCf图图8.8 分分立立元元件件两两级级负负反反馈馈放放大大电电路路Uf+Vcc+Vcc各种负反馈放大器方块图，各种负反馈放大器方块图，如图所示如图所示。8.28.2 负反馈放大器的基本关系式负反馈放大器的基本关系式 负反馈放大器的方块图负反馈放大器的方块图开环放大开环放大倍数倍数 反馈系反馈系数数 比较环节比较环节 XoXiXdXfAF-+8.2.2 8.2.2 负反馈放大器基本关系式负反馈放大器基本关系式 负反馈放大器的基本关系式负反馈放大器的基本关系式,如图所示如图所示。XoXiXdXfAF-+反映了反馈对放大器性能指标的影响程度，反映了反馈对放大器性能指标的影响程度，称为称为反馈深度反馈深度。幅值的大小幅值的大小为：为：闭环放大倍数为：闭环放大倍数为：反馈深度反馈深度:基本关系式基本关系式 反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号实实际际上上是是相相减减的的结结果，所以这种情况属于果，所以这种情况属于负反馈负反馈。反馈信号和输入信号实际上是相加的反馈信号和输入信号实际上是相加的结果，属于结果，属于正反馈正反馈。则则当当当当则则当当n无反馈无反馈则则属属于于正正反反馈馈，不不过过这这是是正正反反馈馈中中的的一一个个特特殊殊情情况况，这这时时没没有有输输入入就就有有输输出出，这这种种现现象象称称为为自激自激。为为深深度度负负反反馈馈(With Strong Negative Feedback)则则有有 放大倍数近放大倍数近似估算公式似估算公式 当当则则 是反馈放大器的一个重要指标。是反馈放大器的一个重要指标。对不同类型的反馈电路具有对不同类型的反馈电路具有不同的量纲。不同的量纲。电压串联电压串联：电压并联电压并联：电流串联电流串联：电流并联电流并联：由由于于负负反反馈馈的的自自动动调调节节作作用用，在在输输入入信信号号不不变变的的情情况况下下，输输出出信信号号也也趋趋于于保保持持不不变变。负负反反馈馈放放大大器器闭闭环环放放大大倍倍数数的的稳稳定性是比较高的定性是比较高的。在深度负反馈条件下，有在深度负反馈条件下，有 反馈网络一般反馈网络一般是由电阻电容是由电阻电容等无源元件组等无源元件组成的，成的，比比较稳定。较稳定。8.3.1 8.3.1 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性8.38.3 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 加加了了负负反反馈馈以以后后放放大大倍倍数数的的稳稳定定性性到到底底提高了多少呢提高了多少呢?就就中频区中频区的情况作些分析。的情况作些分析。此时此时均为实数均为实数 假定开环放大倍数变化了假定开环放大倍数变化了dA，即即开开环环放放大大倍倍数数变变化化了了dA时时，闭闭环环放放大大倍数相应变化倍数相应变化dA/(l十十AF)2。dA/A来来表表示示开开环环放放大大倍倍数数的的相相对对不不稳稳定定程程度度，用用dAf/Af来来表表示示闭闭环环放放大大倍倍数数的的相相对对不不稳稳定定程程度度。这这两两个个相相对对不不稳稳定定程程度度之间的关系可以计算如下：之间的关系可以计算如下：例：设计一个放大倍数的例：设计一个放大倍数的不稳定程度不稳定程度0.1%的放大器，但是只有放大倍数的的放大器，但是只有放大倍数的不不稳定程度稳定程度20%的放大器，的放大器，可以采用负反馈来解决这个问题。可以采用负反馈来解决这个问题。但是，加多深的负反馈才合适呢？但是，加多深的负反馈才合适呢？所以反馈深度所以反馈深度(1+AF)=200。如如果果现现有有的的放放大大器器的的放放大大倍倍数数为为10000倍，那么求得此时的闭环放大倍数为：倍，那么求得此时的闭环放大倍数为：如果如果只需要只需要10倍倍的放大倍数，那么还可以的放大倍数，那么还可以加深反馈深度。加深反馈深度。即应用反馈放大器的基本关系式来决即应用反馈放大器的基本关系式来决定定反馈深度反馈深度：8.3.2 8.3.2 扩展放大器的通频带扩展放大器的通频带负负反反馈馈降降低低了了由由于于信信号号频频率率变变化化而而引引起起的的放放大大倍倍数数的的不不稳稳定定程程度度，结结果果就就表表现现为扩展了放大器的通频带。为扩展了放大器的通频带。中频区，输入信号被削减较多；中频区，输入信号被削减较多；低频和高频区，输入信号被削减较少。低频和高频区，输入信号被削减较少。f开环带宽开环带宽闭环带宽闭环带宽20lg|A|图图8.8 8.8 放大器的幅频特性放大器的幅频特性n加反馈后的关系：加反馈后的关系：n加加反反馈馈前前后后的高频关系：的高频关系：放放大大器器的的通通频频带带可可以以近近似似认认为为通通频频带带的的数值就等于上限频率的数值。数值就等于上限频率的数值。集集成成运运放放下下限限频频率率为为0，集集成成运运放放的的通通频频带带就就是是上上限限频频率率。这这样样，就就可可以以说说加加了了反馈以后放大器的通频带为加反馈前的反馈以后放大器的通频带为加反馈前的倍。倍。中频放大倍数和带宽的乘积为一常数中频放大倍数和带宽的乘积为一常数。这这说说明明负负反反馈馈放放大大器器扩扩展展带带宽宽是是靠靠牺牺牲牲中中频放大倍数而得到的。频放大倍数而得到的。8.3.3 8.3.3 减小放大器非线性和内部噪声的影响减小放大器非线性和内部噪声的影响 放放大大器器的的非非线线性性：就就是是放放大大倍倍数数随随信信号号的的大大小小而而变变化化。会会把把输输入入的的正正弦弦信信号号变变成成一一个个非非正正弦弦的的输输出出信信号号，即即产产生生非非线线性失真性失真。非非正正弦弦信信号号是是很很多多不不同同频频率率的的正正弦弦波波的的和。和。非非线线性性失失真真，就就是是电电路路在在传传输输信信号号的的过过程中产生了新的频率成分程中产生了新的频率成分(即所谓谐波即所谓谐波)。放放大大器器的的一一种种典典型型的的开开环环传传输输特特性性如如图图所所示示；它它表表明明了了Uo与与Ui之之间间的的非非线线性性关关系。系。图图8.9放大器的传输特性放大器的传输特性UiUo1开环特性2闭环特性即深度负反馈，闭即深度负反馈，闭环放大倍数近似为环放大倍数近似为 如果是如果是 定量分析定量分析XoXiXdXfAF-+Xh-AFXhXh负负反反馈馈放放大大器器只只能能削削弱弱放放大大器器内内部部产产生生的的谐谐波波，对对于于混混在在输输入入信信号号中中的的谐谐波波，负负反反馈馈放放大大器器将将会会把把它它和和有有用用信信号号一一样样放大。放大。对对于于放放大大器器内内部部产产生生的的噪噪声声，负负反反馈馈也也同同样样可可以以削削弱弱它它们们，道道理理和和削削弱弱放放大大器器内部产生的谐波完全一样。内部产生的谐波完全一样。8.3.4 8.3.4 对输入电阻和输出电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响 在在放放大大器器中中引引入入负负反反馈馈以以后后，它它的的输输入入电阻和输出电阻会有很大的变化。电阻和输出电阻会有很大的变化。对对输输入入电电阻阻的的影影响响决决定定于于引引入入的的反反馈馈是是串串联联还还是是并并联联，与与引引入入的的是是电电压压还还是是电电流反馈关系不大；流反馈关系不大；对对输输出出电电阻阻的的影影响响则则决决定定于于引引入入的的是是电电压压反反馈馈还还是是电电流流反反馈馈，与与引引入入的的是是串串联联反馈还是并联反馈关系不大。反馈还是并联反馈关系不大。UidAIiUfXo8.10串联负反馈方块图串联负反馈方块图RiUiF对输入电阻的影响对输入电阻的影响串联负反馈串联负反馈 开环放大器开环放大器的输入电阻的输入电阻UiRiIiAFUsIfXo8.11 并联负反馈方块图并联负反馈方块图Id并联负反馈并联负反馈开环放大器开环放大器的输入电阻的输入电阻对输出电阻的影响对输出电阻的影响电压负反馈电压负反馈将电压负反馈开环放大器输出用电压源等将电压负反馈开环放大器输出用电压源等效，如图效，如图8.128.12所示。所示。+UoFIoXfXi=0Xd图图8.12 电压负反馈方块图电压负反馈方块图AoXdRo_电流负反馈电流负反馈 将将开开环环放放大大器器输输出出电电流源等效如图流源等效如图8.13所示。所示。Io+Uo_FXfXi=0Xd图图8.13 电流负反馈方块图电流负反馈方块图ASXdRo开环放大器开环放大器的短路输出的短路输出电流电流开环放开环放大器输大器输出电阻出电阻RoIo+Uo_FXfXi=0Xd图图8.13 电流负反馈方块图电流负反馈方块图ASXdRo电流串联负反馈时输出电阻为电流串联负反馈时输出电阻为电流并联负反馈时的输出电阻为电流并联负反馈时的输出电阻为 结论结论串串联联负负反反馈馈增增大大放放大大器器的的输输入入电电阻阻；并并联联负负反反馈馈减减小小放放大大器器的的输输入入电电阻阻。电电压压负负反反馈馈，稳稳定定输输出出电电压压，减减小小输输出出电电阻阻；电电流流负负反反馈馈，稳稳定定输输出出电电流流，增增大大输输出出电阻。电阻。输输入入电电阻阻、输输出出电电阻阻增增大大和和减减小小的的数数量量都与反馈深度都与反馈深度 有关。有关。8.4.1 深度负反馈条件下放大倍数的近似计算深度负反馈条件下放大倍数的近似计算在深度负反馈条件下，在深度负反馈条件下，8.4 负反馈放大电路的计算负反馈放大电路的计算电压串联负反馈电压串联负反馈+_Uo电压串联负反馈放大电路电压串联负反馈放大电路Ui+U+U-_UidUfRfR1RLIid集成运放的输入集成运放的输入电阻电阻rid很大，所以很大，所以Iid0。用用U+、U-分分别表示运放同相端、别表示运放同相端、反相端对地电位，反相端对地电位，则有则有 U+U-电压串联负反馈放大电路电压串联负反馈放大电路Ui+U+U-_UidUfRfR1RLIid电压并联负反馈电压并联负反馈 IsIfIidUsUidUoRbRLRfR1+U-U+_电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路IsIfIidUsUidUoRbRLRfR1+U-U+_电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路电流串联负反馈电流串联负反馈+_UiUidUoRRLUfR1Io+_电流串联负反馈电路电流串联负反馈电路所以有所以有 所以所以+_UiUidUoRRLUfR1Io+_电流串联负反馈电路电流串联负反馈电路电流并联负反馈电流并联负反馈所以有所以有 IiIfIidUsUidUoRbRLRfR1R+_电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路IoIiIfIidUsUidUoRbRLRfR1R+_电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路Io 分立元件负反馈放大电路计算举例分立元件负反馈放大电路计算举例u如图所示是单管电如图所示是单管电流串联负反馈放大电流串联负反馈放大电路，路，+VCCRcRb1Rb2C1C2+_+_R e电流串联负反馈放大电路电流串联负反馈放大电路UiUoUidUfIoRL+_u如图所示是多级电如图所示是多级电流并联负反馈放大电流并联负反馈放大电路，路，UsRs+VCCCfRfUoIfIi电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路RLRe2Ic2Id8.5 反馈放大器的自激反馈放大器的自激前前面面讨讨论论了了负负反反馈馈能能改改善善放放大大器器的的性性能能，而而且且反反馈馈深深度度 愈愈大大，改改善善的的效效果果愈好。愈好。但但是是实实践践表表明明，在在一一定定条条件件下下，当当反反馈馈放放大大器器出出现现 的的情情况况时时，闭闭环环放放大大倍倍数数 就就趋趋于于无无穷穷大大，产产生生称称为为自自激激的的现象。现象。8.5.1 8.5.1 自激的表现自激的表现 自自激激时时的的基基本本表表现现，就就是是没没有有信信号号输输入入时也会有信号输出。时也会有信号输出。没没有有输输入入时时就就有有输输出出这这一一现现象象，在在理理论论上来说，就是放大倍数为无穷大，上来说，就是放大倍数为无穷大，XoXd+_AXi=0FXf8.14 8.14 反馈放大器方框图反馈放大器方框图8.5.2 自激振荡平衡条件自激振荡平衡条件 8.5.2 8.5.2 自激振荡平衡条件自激振荡平衡条件 自激振荡的振幅平自激振荡的振幅平衡条件衡条件 自激振荡的相位平自激振荡的相位平衡条件衡条件 自激振荡平衡条件自激振荡平衡条件 自激振荡的自激振荡的振幅平衡条振幅平衡条件件 自激振荡的相位平自激振荡的相位平衡条件衡条件 XoXd+_AXi=0FXf在频率在频率f处同时满足，处同时满足，因而这个负反馈放大因而这个负反馈放大器是要产生自激的。器是要产生自激的。20lg|AF|ffGf008.15 8.15 产生自激的情况产生自激的情况arg|AF|f负反馈时负反馈时自激振荡及消除的方法自激振荡及消除的方法 GmffffGm008.168.16不产生自激的情况不产生自激的情况20lg|AF|arg|AF|G Gm m为幅度裕度为幅度裕度 (Gain Margin)(Gain Margin)称为相位裕度称为相位裕度(Phase Margin)自激振荡及消除的方法自激振荡及消除的方法 自激振荡及消除的方法自激振荡及消除的方法 消除自激，就是要破坏自激条件，即消除自激，就是要破坏自激条件，即改变放大器的幅频特性和相频特性使改变放大器的幅频特性和相频特性使为此，可以将补偿网络接在运放电路为此，可以将补偿网络接在运放电路的反馈回路或输入回路中。的反馈回路或输入回路中。n几种常用的补偿方法几种常用的补偿方法(Compensation Method)。1.简单电容补偿简单电容补偿 2.RC串联补偿串联补偿 3.密勒电容补偿密勒电容补偿