负反馈放大电路的稳定性.ppt

第十九讲 负反馈放大电路的稳定性一、自激振荡产生的原因及条件二、负反馈放大电路稳定性的定性分析三、负反馈放大电路稳定性的判断四、消除自激振荡的方法一、自激振荡产生的原因及条件一、自激振荡产生的原因及条件1.现象：输入信号为现象：输入信号为0 0时，输出有一定幅值、一定时，输出有一定幅值、一定频率的信号，称电路产生了频率的信号，称电路产生了自激振荡自激振荡。一旦发生了。一旦发生了自激振荡自激振荡，放大电路将不能进行正常放大工作了。，放大电路将不能进行正常放大工作了。负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高频段。负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高频段。2.原因原因 在用瞬时极性法判断反馈极性时，都是基于放大在用瞬时极性法判断反馈极性时，都是基于放大电路在中频段附加相移为电路在中频段附加相移为0这一条件的。这一条件的。但在低频段但在低频段或高频段的某一频率或高频段的某一频率f0处，若附加相移为处，若附加相移为，则反则反馈量的极性将必然与中频时的相反，从而负反馈就馈量的极性将必然与中频时的相反，从而负反馈就变性为正反馈，变性为正反馈，可能可能就会产生自激振荡就会产生自激振荡。附加相移附加相移为为是放大电路产生自激振荡的一个重要条件和原是放大电路产生自激振荡的一个重要条件和原因。因。（1）电扰动下，如合闸通电，必含有频率为）电扰动下，如合闸通电，必含有频率为f0的信号；的信号；（2）热噪声；）热噪声；对对 f=f0的信号，若的信号，若附加相移为附加相移为，则则净输入量是输入量与净输入量是输入量与反馈量之和。反馈量之和。3.f0频率信号的来源频率信号的来源对于对于f=f0 的信号，产生正反馈过程的信号，产生正反馈过程输出量逐渐增大，直至达到动态平衡，电路产生了自激振荡。输出量逐渐增大，直至达到动态平衡，电路产生了自激振荡。（3）外来干扰。）外来干扰。在中频段，净输入量是输入量与反馈量之差：在中频段，净输入量是输入量与反馈量之差：由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的过程，由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的过程，起振条件为起振条件为4.自激振荡的条件自激振荡的条件负号表示相移附加负号表示相移附加180振荡频率振荡频率f0就是根据相位平衡条件计算得到的。就是根据相位平衡条件计算得到的。反馈深度反馈深度二、二、负反馈放大电路稳定性的定性分析负反馈放大电路稳定性的定性分析附加相移由放大电路决定附加相移由放大电路决定;振荡只可能产生在高频段。振荡只可能产生在高频段。设反馈网络为电阻网络，放大电路为设反馈网络为电阻网络，放大电路为直接耦合直接耦合形式。形式。对于产生对于产生180附加相移的信号频率附加相移的信号频率f0，有可能有可能满足满足起振条件，故引入负反馈后可能振荡。起振条件，故引入负反馈后可能振荡。对于对于单级单级放大电路放大电路:对于对于两级两级放大电路放大电路:对于对于三级三级放大电路放大电路:引入负反馈后引入负反馈后不可能振荡不可能振荡。引入负反馈后引入负反馈后不可能振荡不可能振荡。什么样的放大电路引入负反馈后容易产生自激振荡？什么样的放大电路引入负反馈后容易产生自激振荡？三级或三级以上的直接耦合放大电路引入负三级或三级以上的直接耦合放大电路引入负反馈后有可能产生高频振荡；同理，耦合电容、反馈后有可能产生高频振荡；同理，耦合电容、旁路电容等为三个或三个以上的放大电路，引旁路电容等为三个或三个以上的放大电路，引入负反馈后有可能产生低频振荡入负反馈后有可能产生低频振荡 放大电路的级数越多，耦合电容、旁路放大电路的级数越多，耦合电容、旁路电容越多，引入的负反馈越深，产生自激电容越多，引入的负反馈越深，产生自激振荡的可能性越大。振荡的可能性越大。环路放大倍数环路放大倍数AF越大，越容易满足起振条件，越大，越容易满足起振条件，闭合后越容易产生自激振荡。闭合后越容易产生自激振荡。fcfcf0f0 1.判断方法：判断方法：通过通过环路增益环路增益 的频率特性来的频率特性来判断闭环判断闭环后放大电路的稳定性。后放大电路的稳定性。三、负反馈放大电路稳定性的判断三、负反馈放大电路稳定性的判断电路不稳定电路不稳定电路稳定电路稳定设设结结论论：当当 fc f0时时，在在f=f0处处，电电路路同同时时满满足足自自激激振振荡的相位条件和幅度条件，将产生自激振荡。荡的相位条件和幅度条件，将产生自激振荡。fcf0电路稳定电路稳定电路稳定电路稳定Gm幅值裕度幅值裕度m相位裕度相位裕度工程上一般工程上一般Gm10dB，且，且m45，负反馈放大电路才具有可靠的稳定性。负反馈放大电路才具有可靠的稳定性。2.负反馈放大电路的稳定裕度负反馈放大电路的稳定裕度当当环环境境温温度度、电电路路参参数数及及电电源源电电压压等等在在一一定定范范围围内内变变化化时时，为为保保证证放放大大电电路路仍仍能能满满足足稳稳定定条条件件，要要求求放放大大电电路路要要有有一一定定的的稳定裕度稳定裕度。1.幅度裕度幅度裕度 Gm2.相位裕度相位裕度 m四、消除自激振荡的方法四、消除自激振荡的方法对对于于三三级级或或三三级级以以上上的的负负反反馈馈放放大大电电路路，如如果果产产生生了了自自激激振振荡荡，需需采采取取适适当当措措施施破破坏坏自自激激振振荡荡的的幅幅度度条条件件或或者者相相位位条条件件，以保证放大电路能稳定工作。以保证放大电路能稳定工作。设放大电路为直接耦合方式，反馈网络为电阻网络。常设放大电路为直接耦合方式，反馈网络为电阻网络。常用的校正方法有用的校正方法有减小反馈系数、减小反馈系数、滞后补偿和超前补偿滞后补偿和超前补偿等方法。等方法。最最简简单单的的校校正正方方法法是是减减小小反反馈馈系系数数，使使得得在在满满足足相相位条件的时候已经不再满足幅度条件。位条件的时候已经不再满足幅度条件。但但是是，减减小小反反馈馈系系数数，反反馈馈深深度度下下降降，不不利利于于放放大大电电路在中频区其他性能的改善，是一种消极的校正方法。路在中频区其他性能的改善，是一种消极的校正方法。1.减小反馈系数减小反馈系数减小减小F校正自激振荡校正自激振荡特点：通频带不变；特点：通频带不变；反馈深度减小。反馈深度减小。减小减小F校正自激振荡是以减小反馈深度、损失其他性能校正自激振荡是以减小反馈深度、损失其他性能为代价来消除自激振荡的，是一种消极的校正方法。为代价来消除自激振荡的，是一种消极的校正方法。fcfc减小反馈系数减小反馈系数校正自激振荡校正自激振荡的波特图：的波特图：不稳定不稳定 稳定稳定2.滞后补偿滞后补偿（主极点校正法）（主极点校正法）电容校正和电容校正和RC 校正校正（1）电电容容校校正正：比比较较简简单单的的消消振振措措施施是是在在负负反反馈馈放放大大电电路路的的适适当当地地方方接接入入一一个个电电容容。接接入入的的电电容容对对中中、低低频频信信号号基基本本不不起起作作用用；高高频频时时，容容抗抗减减小小，使使放放大大倍倍数数降降低低，从从而而破破坏坏自自激激振振荡荡的的条条件件，使电路稳定工作。使电路稳定工作。常用消振措施是在放大电路某个合适的位置并入电容或常用消振措施是在放大电路某个合适的位置并入电容或 RC 校正网络（构成滞后环节）校正网络（构成滞后环节），改变放大电路的主极点，以，改变放大电路的主极点，以消除自激振荡。所谓主极点，就是放大电路的若干个上限频率消除自激振荡。所谓主极点，就是放大电路的若干个上限频率中最低的那个上限频率。中最低的那个上限频率。在最低的上限频率所在回路加在最低的上限频率所在回路加补偿电容，这样使主极点左移。补偿电容，这样使主极点左移。补偿电容补偿电容滞后网络滞后网络主极点主极点左移主极点校正自激振荡左移主极点校正自激振荡特点：通频带减小；特点：通频带减小；反馈深度不变。反馈深度不变。40dB/40dB/十倍频十倍频60dB/60dB/十倍频十倍频20dB/20dB/十倍频十倍频补偿前补偿前补偿后补偿后最大附加相移为最大附加相移为-135o,具有具有45o的相位裕度，的相位裕度，故电路稳定故电路稳定滞后补偿法是以频带变窄为代价来消除自激振荡的。滞后补偿法是以频带变窄为代价来消除自激振荡的。fcfc密勒补偿本质上等同于密勒补偿本质上等同于简单电容补偿，只是在获得同简单电容补偿，只是在获得同样补偿的情况下，补偿电容比简单电容滞后校正的电样补偿的情况下，补偿电容比简单电容滞后校正的电容要小得多。容要小得多。在最低的上限频率放大级输入输在最低的上限频率放大级输入输出端之间加补偿电容出端之间加补偿电容(密勒电容密勒电容)。补偿前补偿前补偿后补偿后(2)密勒补偿密勒补偿闭环后只有两个极点，一定不会产生自激振荡，电路稳定。闭环后只有两个极点，一定不会产生自激振荡，电路稳定。（3）RC滞后校正（消除次极点）滞后校正（消除次极点）利利用用电电阻阻、电电容容元元件件串串联联组组成成的的RC校校正正网网络络加加在在产产生生最最低低的的上上限限频频率率放放大大级输出端进行补偿，这样不仅可以消除自激振荡，而且还可以改善通频带。级输出端进行补偿，这样不仅可以消除自激振荡，而且还可以改善通频带。一般一般C Ci2 ,R=Ro1/Ri2 R,则则设补偿前设补偿前则补偿后则补偿后Ri2CRRo1+-+-CRR+-+简单补偿后的简单补偿后的幅频特性幅频特性RC滞后补偿的滞后补偿的幅频特性幅频特性补偿前补偿前 滞后补偿法消振均以频带变窄为代价，滞后补偿法消振均以频带变窄为代价，RC滞后补偿较简滞后补偿较简单电容补偿使频带的变化小些。单电容补偿使频带的变化小些。为使消振后频带变化更小，可考虑采用超前补偿的方法。为使消振后频带变化更小，可考虑采用超前补偿的方法。RC 滞后补偿与简单滞后补偿比较滞后补偿与简单滞后补偿比较3.超前补偿超前补偿在放大电路在放大电路反馈网络加超前补偿电容反馈网络加超前补偿电容，也可以破坏自激振荡条件。，也可以破坏自激振荡条件。C如图是一个电压串联负反馈电路，如图是一个电压串联负反馈电路，反馈系数：反馈系数：加上补偿电容加上补偿电容(超前网络超前网络)后后,反馈系数：反馈系数：波特图：波特图：显然显然45o90o00ff考虑考虑f1和和f2的相对大小，的相对大小，F实际实际的波特图的波特图(虚线虚线)：在在f1和和f2的之间，反馈量超前于的之间，反馈量超前于输出量，最大相移为输出量，最大相移为90.可以在放大电路可以在放大电路反馈网络加超前补偿电容，反馈网络加超前补偿电容，合适的选择合适的选择电容电容C，使反馈放大电路的，使反馈放大电路的fc处于超前网络的处于超前网络的f1和和f2之间，之间，超前网络附加相移在超前网络附加相移在090o之间。这样就可以使相频特之间。这样就可以使相频特性的性的f0 fc，从而使放大电路消除自激振荡。，从而使放大电路消除自激振荡。fcf0f0若反馈放大电路的若反馈放大电路的f0 fc，则放大电路将产生自激振荡。，则放大电路将产生自激振荡。-90-180oofO20lg|AF|dBoOf270f0fcf0fc减小减小F电容校正电容校正主极点左移主极点左移RC校正校正消除次极点消除次极点超前校正超前校正总结：总结：无论是无论是修正放大电路修正放大电路-(滞后补偿包括简单电容滞后、米勒补偿、滞后补偿包括简单电容滞后、米勒补偿、RC滞后补偿滞后补偿)，或者是，或者是修正反馈网络修正反馈网络-(减小减小F补偿、超前补偿补偿、超前补偿)，都可，都可以用很简单的电路来实现。如果放大电路不稳定，只要以用很简单的电路来实现。如果放大电路不稳定，只要将将fc处理成小于处理成小于f0，都可以达到电路消除电路自激振荡的目的。本节重在理解掌握消除自激振都可以达到电路消除电路自激振荡的目的。本节重在理解掌握消除自激振荡的基本思路和不同方法的特点，不在于具体计算补偿元件的参数大小，荡的基本思路和不同方法的特点，不在于具体计算补偿元件的参数大小，实际工作中，都是通过实验获得理想的补偿效果。实际工作中，都是通过实验获得理想的补偿效果。消除自激方法比较：消除自激方法比较：解：解：由由20lg|AmF|=60dB，F，则，则Am=104,有三个极点频率有三个极点频率即即f0=105HZ fc（106）,电路电路产生自激振荡产生自激振荡.为了使电路不产生自激振荡，可为了使电路不产生自激振荡，可以减小以减小F，设相位裕度，设相位裕度 m45o，则选，则选择择fc105HZ，使，使 。fcfo则在中频区则在中频区fc所以所以讨论讨论1：如图，：如图，F，写出，写出A的表达式，的表达式，试问电路闭环后会产试问电路闭环后会产生自激振荡吗？若已知反馈网络为纯电阻网络，则使电路不生自激振荡吗？若已知反馈网络为纯电阻网络，则使电路不产生自激振荡的产生自激振荡的F的上限值为多少？的上限值为多少？当当f=105HZ时，时，讨论讨论2：如图，如图，试问电路闭环后会产生自激振荡吗？若自激试问电路闭环后会产生自激振荡吗？若自激振荡，则频率振荡，则频率f0=？若已知反馈网络为纯电阻网络，用减小若已知反馈网络为纯电阻网络，用减小F法，法，则使电路不产生自激振荡，则使电路不产生自激振荡，F应该减小为原来的多少倍？应该减小为原来的多少倍？fH10fH-60dB/十倍频十倍频60dB20dB40dBf解：解：三级放大。三级放大。补偿前补偿前会产生自激振荡会产生自激振荡f=10fH，f=fH，减小减小F为为kF五、放大电路中的正反馈五、放大电路中的正反馈 引入的正、负反馈目标是一致的引入的正、负反馈目标是一致的-增大输入电阻增大输入电阻。自举电路：通过引入正反馈，自举电路：通过引入正反馈，提高输入端电压的电路；提高输入端电压的电路；自举电路可以增大输入电阻。自举电路可以增大输入电阻。负反馈负反馈正反馈正反馈1.自举电路自举电路放大电路除了引入负反放大电路除了引入负反馈改善电路性能外，适馈改善电路性能外，适当的引入正反馈，也可当的引入正反馈，也可以改善电路性能。以改善电路性能。2.电压电流变换器电压电流变换器RL接在输出端接在输出端-电压并联负反馈电压并联负反馈-U/U变换器变换器RL接在输入端、输出端之间接在输入端、输出端之间-电流并联负反馈电流并联负反馈-U/I变换器变换器RL接有接地端接有接地端-豪兰德电流源电豪兰德电流源电路路-有正反馈有正反馈-U/I变换器变换器若若则则推导过程略，见教材推导过程略，见教材P305306.-恒流源特点。恒流源特点。