第四章放大电路中的负反馈ppt课件.ppt

第四章 放大电路中的负反馈本章教学要求本章教学要求1掌握负反馈的概念和四种基本类型负反馈放大器的电路结构、工作原理、基本分析方法。2掌握四种负反馈放大器类型的判断。3掌握负反馈对放大器性能的影响，并能根据需要引入适当的负反馈。4掌握在深度负反馈条件下放大器电压增益的近似计算。5掌握利用波特图进行负反馈放大器稳定性分析的方法。了解相位补偿的原理。4-1 负反馈的基本概念 所谓反馈，就是将输出信号进行检测，以某种形式反馈到放大器的输入端，与输入信号相比较，对放大器的输入信号进行调整，达到减小输出误差，改善放大器性能指标的要求。4-1-1 放大器的反馈反馈网络B基本放大器A由图可知，基本放大器的净输入信号为若基本放大器的增益为A，反馈网络的反馈系数为B，则有因此可得反馈放大器的增益（又称闭环增益）Af 为通常定义为 反馈深度，这是一个很重要的指标 下面是具有反馈的放大器的一个实例 UfUR1RfUiUO基本放大器反馈网络反馈网络Rf和R1对输出电压信号Uo取样得到反馈信号Uf 在与输入信号Ui进行比较后得到放大器的净输入信号。然后送入放大器进行放大。根据反馈深度，我们可以判断反馈的性质和反馈的强弱 这时放大器增益减小，为负反馈；这时放大器增益增加，为正反馈；这时放大器增益为无穷大，放大器自激振荡。对于负反馈，总是大于1，而且，此值越大，说明负反馈越强，放大器的闭环增益下降得越多。4-1-2 负反馈的类型 根据反馈信号是对输出电压信号取样还是对输出电流信号取样，以及取样信号反馈到输入端后是与输入信号是串联比较还是并联比较可以对负反馈放大器进行分类。在输出端，如果反馈信号是对输出电压取样，也就是说反馈信号与输出电压有关，则称为电压反馈；如果反馈信号是对输出电流取样，也就是说反馈信号与输出电流有关，则称为电流反馈。在输入端，如果反馈到输入端的信号是以电压形式出现，与输入电压串联比较，则称为串联反馈；如果反馈到输入端的信号是以电流形式出现，与输入电流并联比较，则称为并联反馈。因此，一共可分为四种不同类型的负反馈，即：（1）电压串联负反馈（2）电压并联负反馈（3）电流并联负反馈（4）电流串联负反馈。四种不同类型的负反馈的方框图 UfUR LUoabUi Au Bu电压串联电压串联电流串联电流串联R LUoIoabUiUUf Ag BrR LI IfUoabIi Au Bu电压并联电压并联bIoR LI IfUoaIi Au Bu电流并联电流并联Uo各类反馈在电路连接形式上的一般区别。各类反馈在电路连接形式上的一般区别。R LbXfX Xi Au Bu电压反馈在输出端反馈网络的输入端与放大器的输出端是并联连接 将放大电路输出端短路，反馈网络输入端被短路，反馈网络取样信号为零。电流反馈R LUoIobXiX Xf Ag Br反馈网络的输入端与放大器的输出端是串联连接 将放大电路输出端短路，反馈网络输入端仍可获得输出电流信号。将放大电路输出端短路，反馈信号消失为电压反馈，否则为电流反馈各类反馈在电路连接形式上的一般区别。各类反馈在电路连接形式上的一般区别。在输入端串联反馈 UfU aUi Au Bu反馈信号与输入信号是串联电压比较将放大电路输入端对地短路，反馈信号仍能输入到基本放大器中并联反馈I IfaIi Au Bu反馈信号与输入信号是并联电流比较将放大电路输入端对地短路，网络输出端被短路，反馈信号不能输入到基本放大器中将放大电路输入端短路，反馈信号仍能输入到基本放大电路中为串联反馈，否则为并联反馈如果反馈回来的信号输入到基本放大电路的份量越多，则反馈效果就越好。对于串联反馈，电源内阻越小，反馈效果就越好；对于并联反馈，电源内阻越大，反馈效果就越好。4-1-3负反馈的判别1.1.反馈类型的判别反馈类型的判别在输出端，将输出端短路，使输出电压为0，若反馈网络输入端接地，反馈消失，即为电压反馈；否为电流反馈。在输入端，将放大器输入端对地短路，反馈网络输出端接地，即为并联反馈；否则为串联反馈。R1RLR fUiUoRsIoUiUsRRLR fUoRsUiUsRLR fUoRR fIoUoR1RLUi串联电压反馈 并联电流反馈 并联电压反馈 串联电流反馈 只要反馈网络连接在基本放大器的信号输入端就是并联反馈，否则就是串联反馈。只要反馈网络直接连接在放大电路输出端端就是电压反馈，否则就是电流反馈。也可从电路连接形式上来判别反馈类型bUCCUoUi2Ui1C2C1RBRCRLe2.2.正、负反馈的判别正、负反馈的判别1 1）等效放大器）等效放大器一个放大电路，不论是单级放大电路（包括单级运放电路）还是多级放大电路（包括多级运放电路）都可以等效为一个有两个输入端和一个输出端的放大器。这两个输入端也是一个同相输入端和一个反相输入端。单级晶体管放大电路 AuRLUi2Ui1Uobe信号电压从集电极输出时，当信号从基极输入时，输出电压与输入电压反相；当信号从发射极输入时，输出电压与输入电压同相。所以，基极为反相输入端，发射极为同相输入端。多级晶体管放大电路 e1 c2UCCRB1RE2RC2RC1UoRLV2V1C2b1C1Uic2b1Aue1RLUiUo 信号从第二极集电极输出，当信号从第一级晶体管基极输入时，经过两次反相，输出电压与输入电压同相；当信号从第一级晶体管发射极输入时，则输出电压与输入电压同相。所以b1为同相输入端，e1为反相输入端。2 2）正、负反馈的判别）正、负反馈的判别在得到等效放大器后，正、负反馈的判别一般采用瞬时极性判别法。IfIIiUiRsUsRLR fUo设在某一瞬间UI为正极性，即反相端电位比地高这时，电流Ii流向放大器放大器输出端电位为负，即比地低Rf两端电位左高右低，IF向上流所以，流进放大器的净输入电流为 I=Ii-If反馈使净输入信号减小。故为负反馈从电路连接形式上也可进行正、负反馈的判别对于电压反馈，如果反馈网络是无源网络（如电阻网络），反馈信号只有连接到放大电路的反相输入端才能使净输入信号减小，才是负反馈。R1RLR fUiUo对于电流反馈，则要分两种情况讨论（1）反馈网络是接入到输出回路的负载侧 RsIoUiUsRRLR fUoRR fIoUoR1RLUi反馈信号连接到放大电路的反相端为负反馈放大电路。一般来说，由集成运放组成的放大器，其反馈支路只能接入到放大器输出回路的负载侧，所以其电流反馈放大电路，反馈信号必须接入到放大器的反相输入端才是负反馈。（1）反馈网络没有接入到输出回路的负载侧 IoURE3IoV3RfRC3RE3UCCRB1RE2RC2RC1UoRLV2V1C2RE1C1Ui由图可知，信号从V1基极输入，经过三次反相从V3集电极输出，所以V1基极为反相输入端，射极为同相输入端。反馈电路连接到同相输入端，根据瞬时极性判别法可知，该电路为负反馈。对于电压反馈，反馈信号接入到放大器反相端为负反馈，否则为正反馈。对于电流反馈，如果反馈网络接到输出回路的负载侧，则反馈信号接入放大器反相端为负反馈，否则为正反馈；如果反馈网络没有接到输出回路的负载侧，则反馈信号接入放大器同相端为负反馈，否则为正反馈；4-2 负反馈对放大器性能的影响4-2-1 提高放大倍数的稳定放大倍数的稳定性是放大器的一个重要指标。我们一般用放大倍数的相对变化量来定义放大倍数的稳定性。根据有由于负反馈时F1，所以，闭环增益的相对变化量小于开环增益相对变化量。放大倍数的稳定性得以提高，而且，反馈越深，放大倍数的稳定性越好。对于深度负反馈，F1，则有可见，在深度负反馈下，闭环增益几乎与开环增益无关，也就是说，闭环增益几乎不受开环增益变化的影响，因而，增益稳定性得到了极大的提高。应当指出，对于不同类型的负反馈，由于取样信号、反馈信号不同，A、B、Af所表示的含义是不同的，它所稳定的对象也是不同的，串联电压电压负反馈，开环增益、反馈系数和闭环增益分别为Au、Bu、Auf。当负载电阻增大造成输出电压增大时，反馈电压也增加，而反馈电压的增加将使得净输入电压减小，最终使输出电压电压下降而保持基本稳定。串联电流电流负反馈，开环增益、反馈系数和闭环增益分别为Ag、Br、Agf。当负载电阻增大造成输出电流减小时，反馈电压也减小，而反馈电压的减小将使得净输入电压增加，最终使输出电流电流增加而保持基本稳定。并联电压电压负反馈，开环增益、反馈系数和闭环增益分别为Ar、Bg、Arf。当负载电阻增大造成输出电压增大时，反馈电流也增加，而反馈电流的增加将使得净输入电流减小，最终使输出电压电压下降而保持基本稳定。并联电流电流负反馈，开环增益、反馈系数和闭环增益分别为Ai、Bi、Aif。当负载电阻增大造成输出电流减小时，反馈电流也减小，而反馈电流的减小将使得净输入电流增加，最终使输出电流电流增加而保持基本稳定。由此可见，电压负反馈可以使输出电压稳定，电流负反馈可以使输出电流稳定。4-2-2 减小放大器非线性失真放大器在大信号工作时，不可避免地要产生非线性失真，引入负反馈以后，可以使这种非线性失真得到改善。基本放大器反馈网络基本放大器基本放大器产生失真基本放大器对信号负半周放大能力较小负反馈减小失真反馈信号与输入信号比较后产生预失真信号使输出信号较少了失真负反馈改善非线性失真实际上是通过负反馈先产生一个预失真信号来实现的，这种预失真信号来自于输出信号的失真，因此负反馈只能改善放大器的非线性失真，而不能消除失真。负反馈改善非线性失真的效果与反馈深度有关，反馈越深改善效果越好。在深度负反馈时，放大电路的输出几乎与基本放大电路无关，基本放大电路的非线性失真也就得到了抑制。4-2-3 扩展放大电路的通频带放大电路的通频带也是衡量放大电路性能的一个重要指标。引入负反馈以后，可以使放大电路的通频带得到展宽 下面以低通滤波器为例低通滤波器的开环频率特性为 引入负反馈以后，并假设反馈网络为纯电阻网络，B为实数，则闭环增益的频率特性为式中 为闭环增益 引入负反馈后闭环放大电路的带宽为应该指出，通频带的扩展是以放大器增益减小为代价的，实际上引入负反馈后，放大电路的带宽增益积是不变的。即4-2-4 改变输入、输出电阻1.1.对输入电阻的影响对输入电阻的影响对于负反馈，输入信号与净输入信号的关系为所以，对于串联负反馈有并联负反馈有 1）串联负反馈提高输入电阻）串联负反馈提高输入电阻 A B根据输入电阻的定义有式中所以，串联负反馈使输入电阻提高了F倍 反馈网络B基本放大器A2 2）并联负反馈降低输入电阻）并联负反馈降低输入电阻 A B同样根据输入电阻的定义有式中所以，并联负反馈使闭环输入电阻减小 到基本方大器输入电阻的1/F 由此可见，串联负反馈可以使输入电阻增大，而并联负反馈可以使输入电阻减小。所以引入负反馈是改变输入电阻的一个重要手段。2.2.对输出电阻的影响对输出电阻的影响1 1）电压负反馈）电压负反馈 A B开路 根据输出电阻的定义，将信号源置零（Xi=0），X=Xf，将外接负载电阻断开，外加电压，求出Uo与Io的约束关系 设反馈网络输入端开路，则有所以有可见，电压负反馈使输出电阻减小 为基本放大器的1/F。2 2）电流负反馈）电流负反馈A B短路 反馈网络只对电流取样，与电压无关，故认为反馈网络输入端短路。输入信号为零，X=Xf，则有所以有可见，电流负反馈使输出电阻增加F倍 由此可见，电流负反馈可以使输入电阻增大，而电压负反馈可以使输出电阻减小。所引入不同的负反馈可以使输出电阻增加或减小。4-3 深度负反馈的工程计算 负反馈放大电路可以采用等效电路的方法进行分析，但是其计算较为复杂。在工程上，对于深度负反馈，可用Af=1/B来近似计算。但要注意的是，对于不同类型的反馈，Af和B的含义是不同的，对于需要计算电压放大倍数时，要根据不同类型的负反馈进行不同的处理。1.1.串联电压负反馈串联电压负反馈例例4-14-1 串联电压负反馈放大器，在深度负反馈下，试计算其闭环电压增益。R1RLR fUiUo解解 在深度负反馈条件下，串联电压负反馈的闭环增益为由于串联负反馈使放大电路输入电阻增大，放大电路输入端可近似为“虚开”，所以有所以 2.2.并联电流负反馈并联电流负反馈例例 4-24-2 并联电流负反馈放大器，在深度负反馈下，试计算其闭环电压增益。RsIoUiUsRRLR fUo解解 在深度负反馈条件下，并联电流负反馈的闭环增益为由于并联负反馈使放大电路输入电阻减小，放大器输入端可近似为“虚短”。所以有所以 在输出端，在输入端，由于可近似为“虚短”，则有 。所以有其放大电路闭环电压增益为3.3.并联电压负反馈并联电压负反馈例例 4-34-3 并联电压负反馈放大器，在深度负反馈下，试计算其闭环电压增益。UiRsUsRLR fUo解解 在深度负反馈条件下，并联电压负反馈的闭环增益为由于并联负反馈使放大电路输入电阻减小，放大器输入端可近似为“虚短”。有所以 在输入端，由于可近似为“虚短”，则有 。所以其放大电路闭环电压增益为4.4.串联电流负反馈串联电流负反馈例例 4-44-4 串联电流负反馈放大器，在深度负反馈下，试计算其闭环电压增益。RR fIoUoR1RLUi解解 在深度负反馈条件下，串联电流负反馈的闭环增益为由于串联负反馈使放大电路输入电阻增大，放大电路输入端可近似为“虚开”，有所以 在输出端，所以有例例 4-54-5 由分立元件组成的带有反馈的放大电路，试判断其反馈类型，并近似计算其电压增益。UCCV1V2RsRC1RC2RfRE2IoIfIiusuo解解 根据三极管基极与集电极电压相位关系知，V1基极与放大电路输出端电压同相，故V1 基极是同相输入端，而发射极则是反相输入端。（2）确定反馈类型。在输入端由于反馈电阻接于放大器信号输入端，故为并联反馈；在输出端，由于反馈电阻没有接于放大电路输出端，故为电流反馈；由于反馈网络没有接到输出回路负载侧，而反馈网络接入到放大器的同相输入端，故为负反馈。所以该电路为并联电流负反馈电路（1）确定等效放大器同相输入端和反相输入端图一（3）按深度负反馈计算电压增益 放大器输入端可近似为“虚短”。所以有并联电流负反馈，其闭环增益为 所以 在输出端，在输入端，由于可近似为“虚短”，所以 。所以其放大电路闭环电压增益为UCCV1V2RsRC1RC2RfRE2IoIfIiusuoIoRERB1UCCRCUoVC2C1UiRB2Uf图二对于图二电路（1）确定等效放大器同相输入端和反相输入端 显然基极是反相输入端，发射极是同相输入端（2）确定反馈类型 可见反馈网络没有接到信号输入端，为串联反馈；同样反馈网络也没有接到信号输出端，为电流反馈。根据正负反馈判断规则，由于电流反馈的反馈网络没有接到输出回路的负载侧，而在放大器输入端，反馈网络接入到放大器同相端，故为负反馈。所以该电路为串联电流负反馈电路。（3）按深度负反馈计算电压增益 串联电流负反馈，有 在输出端，在输入端，由于可近似为“虚短”，所以 。故其放大电路闭环电压增益为IoRERB1UCCRCUoVC2C1UiRB2Uf在利用深度负反馈对电路进行近似计算中，在运用“虚短”“虚开”时要注意：（1）计算反馈电流If时，将输入端短路，计算反馈电压Uf时，将输入端开路；（2）在并联反馈中，如果输入信号是电流源，在将Ui（Us）用Ii表示时，应将放大电路输入端开路；如果输入信号是电压源，在Ui（Us）用Ii表示时，应将放大电路输入端短路；4-4 反馈放大电路的稳定性分析 引入负反馈以后，放大电路的许多性能都得以改善，而且反馈越深，性能改善越明显。但是负反馈的引入有可能使放大电路不能稳定地工作，即有可能引起放大电路自激振荡，而且反馈越深，这种可能性越大。4-4-1 反馈放大电路稳定性判据 判别稳定性的方法有根轨迹法、奈奎斯特图和波特图法。波特图法因操作方便而得到广泛应用。1.1.自激条件自激条件一个系统在中频段是负反馈。但电路中存在的储能元件（L、C）会使电路产生附加相移，如果一个反馈电路，在中频时是负反馈，但在某一个频点上产生的相移为180o，这样就变为正反馈，一旦反馈又足够强，就会产生自激振荡。负反馈电路的传输函数为 所以频率响应表达式为幅度平衡条件和相位平衡条件 当时闭环放大倍数为无穷大。这意味着，没有信号输入，仍然有信号输出，亦即电路产生自激振荡。所以电路自激的幅度平衡条件和相位平衡条件为 幅度平衡条件相位平衡条件一个负反馈系统，必须同时满足幅度平衡和相位平衡条件时，才可能自激。表示反馈电路的附加相移达到180O，变负反馈为正反馈。表示反馈量恰恰等于净输入量，也就是维持自激振荡的最小量。负反馈电路不自激的条件或或者或用波特图判断负反馈电路稳定的依据2.2.稳定性判别稳定性判别下面的讨论基于：反馈网络为纯电路网络，反馈系数相移为零 将负反馈电路不自激条件作一改写利用波特图的判别过程如下：第一步，画出基本放大器的幅频波特图和相频波特图 第二步，将反馈系数 的幅频特性画在同一坐标系中，并得到两条曲线的交点处的频率c 第三步，稳定性判断。如果 ，则系统稳定，否则，系统是不稳定的 稳定不稳定3.3.反馈放大电路的稳定裕度反馈放大电路的稳定裕度 对于一个稳定的负反馈系统，不仅要求不进入自激状态，而且要求远离自激状态，以保证在外界条件变化时也能使系统稳定地工作。稳定裕度是衡量稳定性能的好坏的质量指标。1）相位裕度相位裕度 。相位裕度定义为：当时 ，在-180o线上面与-180o线的距离。即：越大，系统稳定性越好。通常要求 2）增益裕度增益裕度 。增益裕度定义为：当 时，在 线之下与 的距离；或 在0dB线之下与0dB线的距离。即：对于稳定的系统，为负值，越负，系统越稳定 通常要求例例 4-64-6 一个负反馈电路，其基本放大器的频率特性为试判断反馈系数为B1=0.0001和B2=0.01时，负反馈是否稳定，如果系统稳定，试求稳定裕度。解解 先画出基本放大器的幅频特性和相频特性波特图，并画出B1=0.01和B2=0.0001时的幅频特性波特图于同一坐标系进而求得fc1、fc2和可见，当B1=0.0001时，系统稳定；当B2=0.01时，系统不稳定。由图可见，当B1=0.0001时，有相位裕度 增益裕度 多极点负反馈电路稳定性讨论（1）多极点的负反馈电路，反馈越深，系统就越不易稳定。（2）当 与 交点于 线的 线段时，系统是稳定的（3）当 与 交点于 线的 线段时，系统是不稳定的（4）当 与 交点于 线的 线段时，系统可能稳定可能不稳定 因此，单极点和双极点系统是稳定的，三极点系统有可能不稳定。从幅频特性上来看，相位补偿的目标就是要使 与 交点尽量在 线的 线段4-4-2反馈放大器的相位补偿引入负反馈可以改善放大器的性能，但是过深的负反馈却使系统可能不稳定，增加反馈深度往往受到稳定性的限制。采用相位补偿技术可以较好的解决这一问题。1.1.滞后补偿滞后补偿所谓滞后补偿，就是在基本放大电路中插入一个使其频率特性相位滞后的RC电路，达到稳定负反馈放大器的目的。1 1）主极点补偿）主极点补偿 主极点就是在放大器中时间常数最大的极点。主极点补偿，就是在时间常数最大的回路里并接电容，使其时间常数更大，这样主极点变得更低，结果使 与 交点尽量在 线的 线段，60dB/dec40dB/dec主极点补偿原理波特图表示主极点补偿原理波特图表示20dB/dec/(Hz)交点于60dB/dec系统不稳定补偿1补偿2补偿1对于特定的反馈系数B可以使系统稳定，补偿2则对于任何反馈系数可以使系统稳定，称为全补偿主极点补偿电路主极点补偿电路C AuUiUoCCUCCV1V2RC1RC2RE2补偿电容补偿电容补偿电容的计算补偿电容的计算设补偿后的主极点为fcfc这种补偿方法的缺点在于使系统通频带降低 RC2)2)极零点补偿极零点补偿主极点补偿是主极点下降太多，系统通频带降低太多。极零点补偿是对主极点补偿的同时，增加一个零点，这个零点的值尽量等于第二极点的值，如果相等，就相当于将第二个极点抵消了。极零点补偿原理波特图表示极零点补偿原理波特图表示40dB/dec20dB/dec/(Hz)抵消第二个基点抵消第二个极点后。三个极点的系统就变为双极点的系统，使系统稳定。极零点补偿电路极零点补偿电路UCCREV1V2RC1RC2RCR1C1UiUoCRUi AuUCCRCC1V1V2RC1RC2RE2补偿等效电路补偿等效电路补偿电路参数的计算补偿电路参数的计算RCR1C1Ui图中补偿电容为C，补偿电阻为R，C1、R1为主极点回路等效电容和电阻。适当地选择C，使C C1，则可得 Uo可见补偿后的主导极点对应的转折频率为新增的零点的转折频率为只要使fz等于第二个极点，就可以使三极点系统变为两极点系统，从而使系统稳定极零点也将使主导极点下降，但比主导极点补偿下降得少，也就是说在通频带损失不太多的情况下可使系统稳定。2.2.超前补偿超前补偿 超前补偿的指导思想是在第二个极点回路里引入一个零点，抵消第二个极点，使系统的稳定性得以改善。这时系统的主极点频率不受影响，故系统的通频带将不发生变化。补偿电路补偿电路RCCi2UCCV1V2RC1RC2RE2AR2RfR1CUiUoCi2CRUoRi2Ui三极管放大电路运算放大器放大电路补偿等效电路补偿电路参数计算补偿电路参数计算Ci2CRUoRi2Ui图示为三极管放大电路第二个极点回路等效电路，可得 当满足 ，上式可以简化为可见，A(s)与频率无关，即第二个极点被抵消了 对于运算放大器补偿电路AR2RfR1CUiUo可以得到可见，选择适合的 就可以抵消第二个极点 由于这种补偿是增加了一个零点，而零点在相位上是超前的，所以称为超前补偿。通常 ，使得零点转折频率小于极点转折频率，也就是说，零点在前，极点在后，故又称为零极点补偿。