西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第5章.pptx

1.什么是反馈5.1.1 反馈的基本概念直流电流负反馈电路反馈过程输出电流ICQ发生变化在RE上产生压降UEQ ICQ RE的变化TVCC+RB1I+_UB_RB2RCREICIEIB+UE输入回路输出回路反馈网络第1页/共165页使放大元件的输入UBE产生变化抑制输出电流ICQ的变化直流电流负反馈可以稳定输出电流ICQTVCC+RB1I+_UB_RB2RCREICIEIB+UE输入回路输出回路反馈网络第2页/共165页以影响放大电路性能。反馈的定义把放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，经过反馈网络，返送到输入回路一个反馈量（电压或电流），反馈量与原来的外加输入量进行比较，得到一个净输入量加到某一放大器件的真正的输入端，第3页/共165页双极型晶体管 B、E单极型晶体管 G、S双极型晶体管组成的差分放大电路 B1、B2运算放大器 同相、反相输入端放大元件的输入端第4页/共165页基本放大电路反馈网络A.F.Xo.+XidXiXf.反馈信号输入信号输出信号净输入信号比较环节X电压或电流信号图中反馈电路方框图第5页/共165页开环放大电路闭环放大电路闭合环路基本放大电路反馈网络A.F.Xo.+XidXiXf.第6页/共165页2交流反馈与直流反馈(1)直流反馈反馈作用仅在直流通路中存在直流通路反馈网络T+VCCRB1I+_UBQ_RB2RCREICQIEQIBQ+UEQ+_T+_+第7页/共165页(2)交流反馈 在交流通路中存在的反馈交流通路输入回路输出回路反馈网络+_T+_+_第8页/共165页(1)正反馈反馈信号加强输入信号的作用，使净输入信号大于原输入信号。3.正反馈与负反馈正反馈往往把放大器转变为振荡器反馈网络基本放大电路A.F.Xo.+XidXiXf.第9页/共165页(2)负反馈反馈信号削弱输入信号的作用，使净输入信号小于原输入信号。负反馈改善放大电路的性能负反馈广泛应用于电子技术、自控等领域之中。基本放大电路A.F.Xo.+XidXiXf.第10页/共165页a.在输入端加入对地瞬时极性为正的电压uI。判断方法4.瞬时极性法判断正负反馈b.根据放大电路的工作原理，标出电路中各点电压 的 瞬时极性。c.判断反馈信号是增强还是削弱输入信号。A.F.+uIuIduOuF反馈网络基本放大电路第11页/共165页d.反馈信号削弱了输入信号(uId uI)为正反馈。A.F.+uIuIduOuF反馈网络基本放大电路第12页/共165页净输入信号小于输入信号，所以为负反馈。uI例1 判断图示电路反馈的极性。解 假设uI的瞬时极性为正。即uI0那么uO0uF0uO+_R1R2+_+uFuIdFA第13页/共165页净输入信号大于输入信号，所以为正反馈。例2 判断图示电路反馈的极性。解假设 uI0那么uO0uF0时uO0uF0uId=uI uF0时uO0时uO0uF0uId=uI uF0时uO0削弱了输入信号负反馈反馈信号极性为负RL+A+uOuI+R1R2R3_iO第42页/共165页c.负反馈的组态判断(a)令uO=0，iF 0，属电流反馈。(b)iF 与iI并联作用于运放的输入回路，属并联反馈。电流并联负反馈+A+uOuI+R1R2R3_iO第43页/共165页稳定输出电流的机理d.电流并联负反馈的作用Io If Iid 稳定输出电流Io +A+uOuI+R1R2R3_iO第44页/共165页图中开环增益A=Xo/Xid闭环增益Af=Xo/Xi反馈系数F=Xf/Xo净输入信号Xid=XiXf5.1.4 负反馈放大电路的一般表达式+A.F.Xo.+XidXiXf._方框图第45页/共165页由以上各式得将 Xf=FXo 代入上式得Xo=A(XiXf)Xo=AXi1+AF 闭环增益Af=XoXiA1+AF=Xo=A(XiFXo)AF环路增益+A.F.Xo.+XidXiXf._第46页/共165页在图示电路中环路增益AF 的意义Xo=A XidXf=AF Xid 即反馈信号是净输入信号的AF倍+A.F.Xo.+XidXiXf._第47页/共165页即 电路的闭环放大倍数是开环放大倍数的1/(1+AF)倍。D=1+AF 称为反馈深度Af=A1+AF 负反馈放大电路的放大倍数的一般表达式中频时Af=11+AF第48页/共165页a.放大倍数下降的原因Xf=FXo=FAXid Xid=Xi1+AF 即引入负反馈之后，电路的净输入信号降为原输入信号的1/(1+AF)。由于Xid=XiXf故第49页/共165页b.对负反馈放大电路放大倍数的一般表达式讨论 Af 1 时1+AF 电路引入负反馈第50页/共165页Af Ab.当1 时，称为深反馈。1+AF F1Af=A1+AF 此时闭环放大倍数Af只取决于反馈系数Fa.便于设计、分析和计算放大电路b.提高了闭环放大倍数的稳定性主要特点第52页/共165页即电路没有输入，但仍有一定的输出。XoXi=A1+AF Af=e.当=0 时1+AF 上式成立的条件Xi=0Xo 0电路产生了自激振荡第53页/共165页5.2 负反馈对放大电路性能的负反馈对放大电路性能的影响影响由负反馈放大电路的一般表示式对A求微分得5.2.1 提高放大倍数的稳定性第54页/共165页或其相对变化量为即 Af相对变化量，仅为A的相对变化量的1/(1+AF)。第55页/共165页Am 中频区的开环放大倍数 fH 上限截止频率式中已知高频区电路开环放大倍数5.2.2 扩展通频带第56页/共165页引入负反馈后高频区闭环放大倍数为设反馈系数为实数F（为分析方便）将代入上式得第57页/共165页第58页/共165页式中fHf为引入负反馈后的电路上限截止频率第59页/共165页同理可证，引入负反馈后的电路下限截止频率引入负反馈后电路的通频带第60页/共165页由于开环电路的通频带故常数放大电路通频带的扩展是以牺牲放大倍数来换取的但增益带宽积（注：上式只适合一阶惯性环节的放大电路）第61页/共165页5.2.3 减小非线性失真输入信号输出信号开环放大电路减小非线性失真原理0iB的波形图非线性失真A第62页/共165页xI闭环放大电路xOxId=xI信号传输方向反馈信号xOxIdxIxF+AF_xId=xI xF第63页/共165页5.2.4 抑制反馈环内的干扰和噪声tuoO无反馈时信号与噪声的输出波形tOuo提高输入信号幅度后的输出波形tOuo有反馈 时信号与噪声的输出波形第64页/共165页1对输入电阻的影响(1)串联负反馈基本放大电路的输入电阻负反馈放大电路的输入电阻5.2.5 对输入电阻和输出电阻的影响方框图Ii+Uid+-Ri+-RifAUiXo F第65页/共165页由于故 输入电阻Ii+Uid+-Ri+-RifAUiXo F第66页/共165页串联负反馈增大输入电阻Ii+Uid+-Ri+-RifAUiXo F第67页/共165页(2)并联负反馈基本放大电路的输入电阻负反馈放大电路输入电阻方框图+-UsR1RifUi+-RiAXoIiIidIfF第68页/共165页由于故+-UsR1RifUi+-RiAXoIiIidIfF第69页/共165页并联负反馈使输入电阻减小+-UsR1RifUi+-RiAXoIiIidIfF第70页/共165页2对输出电阻的影响(1)电压负反馈根据输出电阻的定义画出求输出电阻的等效电路方框图第71页/共165页图中+-IAoXid+-UARofF=0Ro+-XidXiXfI1第72页/共165页由图可知+-IAoXid+-UARofF=0Ro+-XidXiXfI1忽略电流I1第73页/共165页由以上各式得故输出电阻电压负反馈使输出电阻减小+-IAoXid+-UARofF=0Ro+-XidXiXfI1第74页/共165页(2)电流负反馈求输出电阻的等效电路图中+-Rof=0RO+-XidXiXfIAoXidUAF+-U1第75页/共165页那么+-Rof=0RO+-XidXiXfIAoXidUAF+-U1忽略电压U1第76页/共165页由此可得+-Rof=0RO+-XidXiXfIAoXidUAF+-U1第77页/共165页故电流负反馈使输出电阻增大+-Rof=0RO+-XidXiXfIAoXidUAF+-U1第78页/共165页5.2.6 正确引入反馈减小信号源的负载、提高输出端的负载能力。正确引入应考虑的两个主要问题a.选择合适的负反馈类型选择负反馈类型应该考虑b.正确选用各元件参数第79页/共165页对于电压 电流变换器对于电流 电压变换器对于电压放大器对于电流放大器选择电压串联负反馈选择电流并联负反馈选择电流串联负反馈选择电压并联负反馈第80页/共165页选择元件参数的依据反馈深度（1+AF）设计放大电路大多都选用集成运算放大器，在运放选定后，Au、Ro、Ri即被确定，剩下的工作就是估算反馈系数F。正确选用各元件参数第81页/共165页1.对于高内阻、低内阻的信号源，应该分别选择何种类型的负反馈电路？思 考 题2.由于负反馈可以展宽频带，所以只要反馈深度足够深，就可以用低频管代替高频管组成放大电路来放大高频信号。这种说法是否正确？第82页/共165页负反馈放大电路的分析计算常用方法a.等效电路法5.3 负反馈放大电路的分析及近似负反馈放大电路的分析及近似计算计算等效电路法分离法近似计算法把放大器中的非线性器件用线性电路等效，然后根据电路理论求解各项指标。第83页/共165页(b)分别求出基本放大电路的A、Ri、Ro、fH 和fL等指 标及反馈网络的反馈系数F。(c)分别求出Af、Rid、Rof、fHf 和fLf等指标。(a)分负反馈放大电路为基本放大电路和反馈网络 两部分。分离法的基本思想b.分离法第84页/共165页由于集成运算放大器和多级放大电路的放大倍数一般都比较大，很容易使放大电路满足深度负反馈的条件。放大电路满足深度负反馈的条件5.3.1 深度负反馈放大电路近似计算的一般方法1.采用近似计算的条件第85页/共165页在深度负反馈（AF 1）的条件下XoXiXoXfF1Af=A1+AF F=XfXo代入上式得将XoXiAf=3.近似计算的原理第86页/共165页Xid0XoXiXoXf由得(1)当电路引入串联负反馈时UfUiUid0(称为虚短)XfXi第87页/共165页(2)当电路引入并联负反馈时IfIiIid0(称为虚断）由于基本放大电路的电压放大倍数也很大，条件Uid0也同时成立。第88页/共165页1电压串联负反馈（同相输入比例放大器）5.3.2 电压模运放组成的反馈电路+A+Uid+F+UfUiUoRLR2R1_第89页/共165页根据电路在深度负反馈条件下的分析依据有Uid0 (虚短)U+U+A+Uid+F+UfUiUoRLR2R1_第90页/共165页由于U+Ui+A+Uid+F+UfUiUoRLR2R1_第91页/共165页故 电路的闭环电压放大倍数+A+Uid+F+UfUiUoRLR2R1_第92页/共165页Rif 闭环输入电阻 Rof 0闭环输出电阻RifRof+A+Uid+F+UfUiUoRLR2R1_第93页/共165页2电压并联负反馈（反相输入比例放大器）在深度负反馈条件下RL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第94页/共165页由Iid0(虚断)知Ii IfRL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第95页/共165页由Uid0(虚短)知RL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第96页/共165页而RL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第97页/共165页故 闭环互阻增益RL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第98页/共165页闭环电压放大倍数RL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第99页/共165页输入电阻RifRL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第100页/共165页输出电阻RofRL+A+UoUsF+R1R2IiIidIf_第101页/共165页3电流串联负反馈 电压电流变换器由于+A+Uid+UfUiUoRLRIoF_第102页/共165页故电路的闭环互导增益+A+Uid+UfUiUoRLRIoF_第103页/共165页闭环电压放大倍数+A+Uid+UfUiUoRLRIoF_第104页/共165页输入、输出电阻RifRof+A+Uid+UfUiUoRLRIoF_第105页/共165页4电流并联负反馈 电流放大器在深度负反馈的条件下Ii IfUi 0+A+UoUi+F+R1R2R3_RL第106页/共165页输入电流反馈电流+A+UoUi+F+R1R2R3_RL第107页/共165页闭环电流放大倍数+A+UoUi+F+R1R2R3_RL第108页/共165页闭环电压放大倍数+A+UoUi+F+R1R2R3_RL第109页/共165页输入、输出电阻RifRof+A+UoUi+F+R1R2R3_RL第110页/共165页1电压串联负反馈5.3.3 分立元件组成的反馈电路F+VCCT1+T2+第111页/共165页(1)负反馈的判断F+VCCT1+T2+第112页/共165页(2)闭环电压放大倍数由于F+VCCT1+T2+第113页/共165页F+VCCT1+T2+第114页/共165页(3)输入电阻RifF+VCCT1+T2+第115页/共165页(4)输出电阻RofF+VCCT1+T2+第116页/共165页2电流并联负反馈+VCCT1+T2+F+第117页/共165页(1)负反馈的判断+VCCT1+T2+F+第118页/共165页由于反馈电流iF来自于输出级晶体管T2集电极电流iC2故 电路稳定的是iC2，而不是负载电流iOiC2iE2iO+VCCT1+T2+F+第119页/共165页(2)闭环电流放大倍数FiC2iE2iO+VCCT1+T2+第120页/共165页(3)闭环电压放大倍数iC2iE2iO+VCCT1+T2+F+第121页/共165页(4)输入电阻RifRifiC2iE2iO+VCCT1+T2+F+第122页/共165页(5)输出电阻从T2集电极看进去的闭环输出电阻从负载看进去的输出电阻RofRofiC2iE2iO+VCCT1+T2+F+第123页/共165页5.3.4 电流模运放的闭环特性电流模运放同相输入放大电路Ui+1RiIiRZCZ+1IiUoR1R2I2Uf+第124页/共165页低频闭环电压放大倍数在深度负反馈的条件下Ui+1RiIiRZCZ+1IiUoR1R2I2Uf+第125页/共165页分析电路的高频特性Ui+1RiIiRZCZ+1IiUoR1R2I2Uf+第126页/共165页由图可知Ui+1RiIiRZCZ+1IiUoR1R2I2Uf+第127页/共165页Ui+1RiIiRZCZ+1IiUoR1R2I2Uf+第128页/共165页由以上各式得电路的高频闭环特性由于当Auf0 RiR2时第129页/共165页由式得电路的闭环上限截止频率为结论(1)fHf仅与CZ、R2有关，而与R1无关。(2)电流模运放的闭环电压放大倍数增大时，带宽增益积有所增加。第130页/共165页电流模运放幅频特性.dB/|lg20fuAlg20R1R2R1+OfHfflg20R2+第131页/共165页电压模运放幅频特性电压模运放带宽增益积等于常数.dB/|lg20fuAlg20R1R2R1+0fHfflg20R2+第132页/共165页5.4.1 负反馈放大电路的自激振荡条件 即 将上式写成5.4 负反馈放大电路的自激振荡及负反馈放大电路的自激振荡及消除消除相位条件幅度条件第133页/共165页基本放大电路在高频或低频区内产生的 附加相移反馈网络高频或低频区内产生的附加相移式中相位条件幅度条件第134页/共165页对于负反馈电路1.在中频区，反馈信号与输入信号反相，即2.高频或低频区，放大电路与反馈网络，因电路 中的电容而产生附加相位移 A、F。反馈电压信号和输入电压信号同相当时负反馈变为正反馈第135页/共165页(1)这时如果AF1，产生自激振荡。电路中存在b.放大电路内部元器件的热噪声电压a.开启电源时的瞬间冲击电压由于噪声和冲击电压具有很宽的频谱，其中必有某一种频率分量满足自激振荡的条件，即使无输入信号，也有一定的信号输出。第136页/共165页输出信号在不断的减小,不会产生自激振荡。(2)如果AF 45要求要求O0-90-180 mGmf0fffcf0fc第144页/共165页在放大电路中加入RC相位补偿网络，使其具有足够的幅度裕度Gm和相位裕度m。相位补偿的思想：相位补偿方法5.4.3 消除自激振荡的方法 相位补偿滞后补偿超前补偿第145页/共165页1滞后补偿在多级放大电路中的上限截止频率最低的一级放大电路中加入RC相位补偿网络。R+CC1C+RCREC1VCC(1)补偿方法补偿电容C补偿网络等效电路第146页/共165页补偿后补偿前(2)补偿前后，该级电路的上限截止频率C+RCREC1VCCR+CC1第147页/共165页由于电容的并入使滞后的附加相移更加滞后，所以称为滞后补偿。(3)补偿效果幅频特性补偿前补偿后不稳定稳定2040600fH3f0ffH2fH1/dBlg20A第148页/共165页2.超前补偿在反馈网络中加入补偿电容C，使 F0，以补偿滞后附加相移 A(A0)。使(1)补偿方法第149页/共165页(2)补偿电路(3)反馈系数&补偿电路+A+uI+uF+uOR1R2CRL第150页/共165页由于式中反馈放大电路具有超前附加相移+A+uI+uF+uOR1R2CRL第151页/共165页练 习 题例1 某一负反馈放大电路的开环电压放大倍数|A|=300，反馈系数|F|=0.01。试问(1)闭环电压放大倍数|Af|为多少？(2)如果|A|发生20%的变化，则|Af|的相对变化为多少？解 (1)闭环电压放大倍数第152页/共165页(2)当已知A的相对变化率来计算Af的相对变化率时，应根据A的相对变化率的大小采用不同的方法。本例中A已有20%的变化，应采用后一种方法。b.当A的相对变化率较大时，应通过|A|/|A|计算出|Af|后再计算|Af|/|Af|。a.当A的相对变化率较小时，可对|Af|=|A|/(1+|AF|)求导,推出d|Af|/|Af|与d|A|/|A|的关系式后再计算。第153页/共165页当A变化20%时则|Af|的相对变化率为第154页/共165页当A变化 20%时那么，|Af|的相对变化率为第155页/共165页例2 某负反馈放大电路的组成框图如图所示，试求电路的总闭环增益 。+XiA1A2F1F2+Xo 解 该负反馈放大电路有两个反馈环，F1构成外环，F2构成内环。第156页/共165页 内环的闭环增益为外环的开环增益为+XiA1A2F1F2+Xo第157页/共165页因而该电路的闭环增益为 +XiA1A2F1F2+Xo第158页/共165页例3 一反馈放大电路在F=0.1时的幅频特性如图所示。(1)试求基本放大电路的放大倍数|A|及闭环放大倍数|Af|。(2)试写出基本放大电路的放大倍数 的频率特性表达式。|A|2040060dB/20-80dBFA/lg20&10102103十倍频dB/40-f/Hz十倍频第159页/共165页(3)已知AF在低频时为正数，当电路按负反馈连接时，若不加校正环节是否会产生自激？为什么？2040060dB/20-80dBFA/lg20&10102103十倍频dB/40-f/Hz十倍频 解 (1)由图可知，该放大电路是一个直接耦合放大电路。在低频范围内，放大电路的环路增益|AF|等于80dB。第160页/共165页故即 第161页/共165页(2)由图可见，该放大电路环路增益的幅频特性有2个转折点（即2个极点f1=10Hz和f2=103Hz）。因反馈系数等于常数，故基本放大电路的放大倍数 A的幅频特性与AF的幅频特性相似，两者的区别仅在它们的模不同。2040060dB/20-80dBFA/lg20&10102103十倍频dB/40-f/Hz十倍频第162页/共165页 2040060dB/20-80dBFA/lg20&10102103十倍频dB/40-f/Hz十倍频由图可写出A 的频率特性表达式 第163页/共165页 (3)不会产生自激。2040060dB/20-80dBFA/lg20&10102103十倍频dB/40-f/Hz十倍频 因为环路增益函数在整个频域内只有两个极点，其最大附加相移为180。当附加相移为180时，|AF|1，不满足自激振荡的幅度条件。第164页/共165页感谢您的观看！第165页/共165页