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1、篇4章负反馈新 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 反馈放大器结构框图反馈放大器结构框图 反馈网络功能反馈网络功能1.反反馈馈网网络络首首先先应应完完成成向向放放大大器器输输出出取取样样电电量量的的功功能能,检检测测出出输输出出电电压压的的一一部部分分或或是是输输出出电电流流的的一一部分;部分;2.将将取取样样电电压压或或电电流流送送回回到到放放大大器器的的输输入入回回路路,与与输输入入信信号号进进行行比比较较求求和和,这这是是反反馈馈网网络络的的第第
2、二二个个功能。功能。电压取样电压取样电压反馈电压反馈 取样电路的二种型式取样电路的二种型式 电流取样电流取样电流反馈电流反馈 2.2.电压、电流反馈和串联、并联反馈电压、电流反馈和串联、并联反馈电压比较求和电压比较求和串联反馈串联反馈 比较求和的二种型式比较求和的二种型式 电流比较求和电流比较求和并联反馈并联反馈 3.3.正、负反馈和有无反馈正、负反馈和有无反馈若比较求和后使基本放大器的净输入量增大(因而若比较求和后使基本放大器的净输入量增大(因而输出量也增大),称之为正反馈;反之,若比较求输出量也增大),称之为正反馈;反之,若比较求和的结果使和的结果使净输入量净输入量和和输出量输出量都减小,
3、则为负反馈。都减小,则为负反馈。判断一个放大电路是否存在反馈判断一个放大电路是否存在反馈,首先应检查各,首先应检查各级放大电路的净输入回路,特别是第一级放大电级放大电路的净输入回路,特别是第一级放大电路的净输入路的净输入(如双极型管放大级中,净输入回路为如双极型管放大级中,净输入回路为三极管的三极管的b-eb-e之间;差分放大级的净输入回路为两之间;差分放大级的净输入回路为两个三极管的基极之间;运放的净输入回路为同相个三极管的基极之间;运放的净输入回路为同相与反相输入端之间与反相输入端之间),检查净输入回路与输出回路,检查净输入回路与输出回路之间是否存在反馈网络。之间是否存在反馈网络。【例】【
4、例】试判断图所示的各电路中是否存在反馈。试判断图所示的各电路中是否存在反馈。(a)(b)(c)(d)(a)没有引入反馈。)没有引入反馈。(b)引入了反馈。)引入了反馈。(c)、()、(d)电路中都没有引入反馈。)电路中都没有引入反馈。解解负反馈放大器方框图负反馈放大器方框图是开环放大器的增益,是开环放大器的增益,是反馈网络的反馈系数是反馈网络的反馈系数二、反馈放大器的增益函数二、反馈放大器的增益函数 是是 回路回路(或环路或环路)增益增益 称为称为反馈深度反馈深度如果如果 1 时,闭环增益时,闭环增益 ,说明,说明所引入的反馈是所引入的反馈是负反馈负反馈,并使闭环增益下降为开环,并使闭环增益下
5、降为开环时的时的1/。若。若 1,则为,则为深度负反深度负反馈馈。可见根据可见根据净输入量的变化净输入量的变化来判断正负反馈和根据来判断正负反馈和根据闭环闭环增益的变化增益的变化来判断正负反馈其实是一致的。来判断正负反馈其实是一致的。净输入量减小净输入量减小 时:时:如果如果 1 时,闭环增益时,闭环增益 ,说明,说明所引入的反馈是所引入的反馈是负反馈负反馈,并使闭环增益下降为开环,并使闭环增益下降为开环时的时的1/。若若 1,则,则 ,表示放大电路中引入了表示放大电路中引入了正反馈正反馈。若若 =0,这是正反馈中的极端情况,此时,这是正反馈中的极端情况,此时 ,此时,输入即使为零,此时,输入
6、即使为零(=0),也有一,也有一 定大小的输出产生定大小的输出产生(0),说明在无输入的条件,说明在无输入的条件下,放大器也有输出,此时放大器产生了下,放大器也有输出,此时放大器产生了自激振自激振荡荡。净输入量增大净输入量增大 时:时:+自激振荡的产生自激振荡的产生+_因为这时因为这时 输入端输入端 即反馈信号即反馈信号 在大小和相位上恰好能取代在大小和相位上恰好能取代 ,从而维持一定,从而维持一定的输出,此时的放大器已变成了自激振荡器,这是正反馈的特的输出,此时的放大器已变成了自激振荡器,这是正反馈的特殊情况。殊情况。按反馈的按反馈的极性极性来分:来分:若输入反馈后,使净输入增加,则为若输入
7、反馈后,使净输入增加,则为正反馈正反馈;若输入反馈后,使净输入减小,则为若输入反馈后,使净输入减小,则为负反馈负反馈。按反馈信号对按反馈信号对输出回路输出回路的取样对象来分:的取样对象来分:若反馈量正比于输出电压时为若反馈量正比于输出电压时为电压反馈电压反馈;若反馈量正比于输出电流时为若反馈量正比于输出电流时为电流反馈电流反馈。三、负反馈放大器三、负反馈放大器的四种基本组态的四种基本组态按反馈按反馈通路通路分:分:如果反馈量只含有直流量则称为如果反馈量只含有直流量则称为直流反馈直流反馈;如果反馈量只含有交流量,则为如果反馈量只含有交流量,则为交流反馈交流反馈。或者说,或者说,仅在直流通路中存在
8、的反馈称为直流反馈,仅在直流通路中存在的反馈称为直流反馈,仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。按反馈信号在按反馈信号在输入回路输入回路中叠加的方式来分中叠加的方式来分:若按电流比较求和,则为若按电流比较求和,则为并联反馈并联反馈;若按电压比较求和,则为若按电压比较求和,则为串联反馈串联反馈。综上所述,负反馈分四种组态:综上所述,负反馈分四种组态:电压串联负反馈、电压并电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈1.1.电压串联负反馈电压串联负反馈 输入回路中,外加输入信号和反馈信号分别加在基本输入
9、回路中,外加输入信号和反馈信号分别加在基本放大器的两个净输入端上,构成串联接入方式。放大器的两个净输入端上,构成串联接入方式。输出回路中,反馈网络对输出负载输出回路中,反馈网络对输出负载RL上的电压上的电压 取样。取样。电压串联负反馈放大器的方框图电压串联负反馈放大器的方框图 电压反馈系数电压反馈系数 开环电压增益开环电压增益 闭环电压增益闭环电压增益 电压串联负反馈典型电路电压串联负反馈典型电路 按瞬时极性判断反馈极性:按瞬时极性判断反馈极性:电压反馈电压反馈和和 分别加在运放的两个不同输入端上分别加在运放的两个不同输入端上 串联反馈串联反馈 净输入电压比无反馈时减小,净输入电压比无反馈时减
10、小,负反馈负反馈 运放的运放的“虚短虚短”和和“虚断虚断”A+vId_(+)(-)vO因为理想运放的因为理想运放的A很大,在线性工作范围内,很大,在线性工作范围内,;称为;称为“虚短虚短”又理想运放的输入电阻又理想运放的输入电阻 很大,所以输入电流很大,所以输入电流 ;称为;称为“虚断虚断”分析负反馈运算电路时要经常利用运放的分析负反馈运算电路时要经常利用运放的“虚短虚短”和和“虚断虚断”2.电压并联负反馈放大器电压并联负反馈放大器电压并联负反馈放大器的方框图电压并联负反馈放大器的方框图互导反馈系数互导反馈系数 开环互阻增益开环互阻增益 闭环互阻增益闭环互阻增益 电压并联负反馈典型电路电压并联
11、负反馈典型电路 解:解:瞬时极性法判断正负反馈瞬时极性法判断正负反馈。3.电流串联负反馈放大器电流串联负反馈放大器电流串联负反馈放大器的方框图电流串联负反馈放大器的方框图 闭环互导增益闭环互导增益 开环互导增益开环互导增益 互阻反馈系数互阻反馈系数 电流串联负反馈典型电路电流串联负反馈典型电路 4.4.电流并联负反馈电流并联负反馈闭环电流增益闭环电流增益 开环电流增益开环电流增益 电流反馈系数电流反馈系数 电流并联负反馈放大器的方框图电流并联负反馈放大器的方框图 电流并联负反馈电流并联负反馈A和和Rf1构构成成单单级级电电压压串串联联负负反反馈馈。第第二二级级反反馈馈由由A1、A2和和Rf2构
12、构成成,输输出出电电压压经经反反馈馈电电阻阻Rf2把把反反馈馈电电压引回至压引回至A1输入端,形成输入端,形成电压并联负反馈电压并联负反馈。图图(c)电电压压负负反反馈馈与与电电流流负负反反馈馈在在负负载载RL变变化化时时其其效效果果完完全全相相反反。如如例例中中,当当输输入入信信号号不不变变时时,设设RL减减小小,则则电电压压负负反反馈馈的的调调节过程为:节过程为:电压负反馈电压负反馈的作用是的作用是稳定输出电压稳定输出电压;电流负反馈电流负反馈的作用是的作用是稳定输出电流稳定输出电流。结结果果是是 趋趋于于稳稳定定(略略有有减减小小),因因而而电电压压负负反反馈馈的的结结果果是是稳稳定定输
13、输出出电压电压。|Vo|RL负反馈调节负反馈调节。|Vo|。|I f|Iid|。电电流流负负反反馈馈能能稳稳定定输输出出电电流流,如如例例中中,假假定定在在输输入入信信号号不不变变的的条条件件下下,负负载载RL减减小小,则则 增增大大,增增大大,但但由由于于运运放放输输出出电电阻阻RO的的影影响响,此此时时输输出出电压电压 必定减小,由此将引起负反馈调节过程为:必定减小,由此将引起负反馈调节过程为:因因Ro RL负反馈调节负反馈调节|Io|。|Vo|。|Vf|。|Vo|。|Vid|。|Io|。结结果果是是输输出出电电流流趋趋于于稳稳定定,而而输输出出电电压压非非但但不不能能稳稳定定,反反而而更
14、更加加减减小小,因因而而电电流流负负反反馈馈的的结结果果是是稳稳定定输输出出电电流流。分析由分立元件组成的反馈放大电路的组态。分析由分立元件组成的反馈放大电路的组态。(a)电压串联负反馈电压串联负反馈【例】【例】解解:【例】【例】(b)电压并联负反馈电压并联负反馈解解:电电压压反反馈馈还还是是电电流流反反馈馈,取取决决于于反反馈馈量量对对输输出出量量的的取取样样,即即Xf与与输输出出电电压压还还是是输输出出电电流流成成正正比比。所所以以,只只要要将将输输出出端端对对地地短短路路如如Xf=0,则则为为电电压压反反馈馈;如如Xf 0则为电流反馈。则为电流反馈。串串联联反反馈馈还还是是并并联联反反馈
15、馈,取取决决于于反反馈馈网网络络与与输输入入信信号号的的连连接接方方式式。如如果果反反馈馈量量与与输输入入量量均均为为电电压压则则它它们们是是串串联联比比较较求求和和,因因而而一一定定为为串串联联反反馈馈;反反之之,如如果果反反馈馈量量与与输输入入量量均均为为电电流流,它它们们是是并并联联比比较较求求和,则为并联反馈。和,则为并联反馈。正正 反反 馈馈 和和 负负 反反 馈馈(一一 般般 指指 在在 中中 频频 段段)可可采采用用瞬瞬时时极极性性法法。如如果果引引入入反反馈馈后后使使净净输输入入信信号号减小,则为负反馈;如果净输入增加,则为正反馈。减小,则为负反馈;如果净输入增加,则为正反馈。
16、分析反馈放大器的几条规律:分析反馈放大器的几条规律:一、提高闭环增益的稳定性一、提高闭环增益的稳定性放放大大器器引引入入了了负负反反馈馈后后,增增益益的的相相对对变变化化量量dAf/Af是无反馈时是无反馈时 的的1/(1+AF)。2.4.2 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响二、改善放大电路的非线性二、改善放大电路的非线性假设基本放大器的正半周假设基本放大器的正半周略大于负半周,则经负反略大于负半周,则经负反馈后,反馈信号正半周也馈后,反馈信号正半周也大,使净输入信号正半周大,使净输入信号正半周略小,从而弥补基本放大略小,从而弥补基本放大器的失真。器的失真。信号幅度大时,失真也较
17、明显,所以图中将失真信号加在第信号幅度大时,失真也较明显,所以图中将失真信号加在第二级前。二级前。开环时开环时闭环后,输出闭环后,输出为了在同一个输出幅度下比较反馈引入的效果,把输入信为了在同一个输出幅度下比较反馈引入的效果,把输入信号扩大(号扩大()倍。)倍。可见在输出幅度相同的情况下,失真减小为原来的可见在输出幅度相同的情况下,失真减小为原来的三、抑制放大电路内部的温漂,噪声及干扰三、抑制放大电路内部的温漂,噪声及干扰 引入负反馈后,干扰和噪声都减小为原来的引入负反馈后,干扰和噪声都减小为原来的1/(1+AF)。为了弥补有用信号,应加大。为了弥补有用信号,应加大Xs。负反馈对输入信号中的噪
18、声不起作用负反馈对输入信号中的噪声不起作用。负反馈只能抑制环路范围内的扰动负反馈只能抑制环路范围内的扰动四、扩展通频带四、扩展通频带闭闭环环时时中中频频增增益益Amf=Am/(1+AmF),闭闭环环时时上上限限频频率率fHf=(1+AmF)fH。同理得闭环时下限频率为开环时的同理得闭环时下限频率为开环时的1/(1+AmF)。可可见见放放大大器器引引入入负负反反馈馈后后,上上限限频频率率升升高高了了,下下限限频频率降低了,因而使放大器的通频带率降低了,因而使放大器的通频带fbw扩展了。扩展了。增益带宽积近似为一常数增益带宽积近似为一常数:电电压压负负反反馈馈的的结结果果是是稳稳定定输输出出电电压
19、压,相相当当于于输输出出电电阻阻减减小小了了。引引入入电电压压负负反反馈馈后后,闭闭环环输输出出电电阻阻Rof为为开开环环输输出出电电阻阻Ro的的1/(1+AF)。在在深深度度电电压压负负反反馈下,馈下,Rof0(从取样点看进去从取样点看进去)。)。五、负反馈对输出电阻的影响五、负反馈对输出电阻的影响电电流流负负反反馈馈的的结结果果是是稳稳定定输输出出电电流流,相相当当于于输输出出电电阻阻增增大大了了。引引入入电电流流负负反反馈馈后后,闭闭环环输输出出电电阻阻Rof为为开开环环输输出出电电阻阻Ro的的(1+AF)倍倍。在在深深度度电电流流负负反馈下,反馈下,Rof(从取样点看进去从取样点看进去
20、)。)。VoIo Ro小小Ro大大VooRo=0六、负反馈对输入电阻的影响六、负反馈对输入电阻的影响 并并联联负负反反馈馈后后的的输输入入电电阻阻是是减减小小的的,Rif=Ri/(1+AF)。在深度负反馈条件下,在深度负反馈条件下,Rif 0(从求和点看进去从求和点看进去)。串串联联负负反反馈馈后后的的输输入入电电阻阻是是增增大大的的,Rif=(1+AF)Ri。在深度负反馈条件下,在深度负反馈条件下,Rif (从求和点看进去从求和点看进去)。对于深度负反馈对于深度负反馈()净输入净输入:对于串联负反馈,对于串联负反馈,称为,称为“虚短虚短”。2.4.3 负反馈放大电路的计算负反馈放大电路的计算
21、对于并联负反馈,对于并联负反馈,称为,称为“虚断虚断”。比例运算电路比例运算电路 一、由集成运放构成的各种运算电路一、由集成运放构成的各种运算电路有反相输入,同相输入和差分输入三种形式。有反相输入,同相输入和差分输入三种形式。反相输入方式反相输入方式电压并联负反馈电压并联负反馈*计算前提是运放工作在计算前提是运放工作在负反馈放大状态负反馈放大状态*同相输入方式同相输入方式 当当R1开路时,开路时,vO=vS,又称又称电压跟随器电压跟随器。电压串联电压串联负反馈负反馈 差分输入方式差分输入方式当当 ,时,时,反相输入反相输入 求和运算电路求和运算电路也分为反相输入,同相输入和差分输入三种形式。也
22、分为反相输入,同相输入和差分输入三种形式。同相输入同相输入 双端输入双端输入 时:时:时:时:积分运算积分运算 积分和微分运算积分和微分运算设设vC(0)=0若输入阶跃信号,则若输入阶跃信号,则 微分运算微分运算 对数和指数运算电路对数和指数运算电路 对数运算对数运算 指数运算指数运算 电流电流-电压变换电路电压变换电路与负载与负载RL无关。无关。负载不接地负载不接地 电压电压-电流变换电路电流变换电路与负载与负载RL无关。无关。负载接地负载接地 当当R2/R1R3/R4时,时,与负载与负载RL无关。无关。2.4.4 由分立元件构成的负反馈放大电路由分立元件构成的负反馈放大电路 假假设设电电路
23、路满满足足深深度度反反馈馈的的条条件件,计计算算Avf、Rif和和Rof。【例【例】电压串联电压串联负反馈负反馈解:解:分析分立元件构成的反馈放大电路,分析分立元件构成的反馈放大电路,应应考虑交流通路考虑交流通路,并找出,并找出反馈信号反馈信号和和净输入信号净输入信号。差差放放输输入入级级构构成成的的多多级级负负反反馈馈放放大大器器如如图图所所示示(交交流流通通路路),假假设设电电路路能能满满足足深深度度负负反反馈馈的的条条件,试分析计算件,试分析计算 。【例【例】电压并联负反馈电压并联负反馈解解:从信号源从信号源看入:看入:RC1RLRfRe2Rb2vs+_Rif电流并联负反馈电流并联负反馈RC1RLRfRe2Rb2vs+VCCRb1Rb3CfRb3Rb1Rof以以反反相相比比例例运运算算电电路路为为例例,由由近近似似计计算算可可得得Avf=-R2/R1。设。设R2=20k,R1=10k,则,则Avf=-2。三、三、应用应用PSPICE分析实际运算电路的误差分析实际运算电路的误差PSPICE仿真结果:|Avf|1.99994
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