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负反馈放大电路
负反馈放大电路
第三章负反馈放大电路
一、教学要求
1.重点掌握的内容
(1)反馈的概念和种类,反馈的类型和极性的判断方法;
(2)电压串联负反馈电路在深度负反馈条件下,电压放大倍数的估算方法。
2.一般掌握的内容
(1)电压并联、电流并联和电流串联负反馈电路在深度负反馈条件下电压放大倍数Auf,(Ausf)的估算方法;
(2)引入负反馈后对放大电路性能的影响,负反馈放大电路放大倍数一般表达式
的意义;
(3)负反馈放大电路产生自激振荡的条件。
3.一般了解的内容
(1)根据要求在放大电路中引入适当的反馈;
(2)反馈放大电路自激振荡的消振措施。
二、内容提要
本章包括以下几方面的内容:
1.反馈概念的建立
什么是反馈和为什么要在放大电路中引入反馈,是本章首先要解决的问题。
将放大电路输出信号的一部分或全部通过某种电路形式馈送回电路的输入回路称为反馈。
2.反馈的分类
根据电路要求不同,引入的反馈类型也不同。
反馈的分类方法是本章的主要内容之一。
根据极性,可将反馈分为正反馈和负反馈;根据交直流性质,可将反馈分为交流反馈和互流反馈;根据反馈信号从输出端取样对象的不同,可将反馈分为电压反馈和电流反馈;根据反馈信号回送到输入端与输入信号连接方式的不同,可将反馈分为串联反馈和并联反馈。
3.负反馈对放大电路性能的影响
引入负反馈后,虽然电路的放大倍数降低了,但放大器的一些性能却得到了改善。
如提高放大倍数的稳定性、改善非线性失真、展宽频带、改变输入输出电阻等。
4.深度负反馈条件下,放大电路电压放大倍数的估算方法
在反馈的一般表达式中(
),已知
为闭环放大倍数,
为开放大倍数,
为反馈深度。
当
时,
,称为电路满足深度负反馈条件。
此时,可利用关系式Xi≈Xf估算电路的(电压)放大倍数。
5.负反馈放大电路的自激振荡及消振措施
负反馈放大电路的增益和相位都是频率的函数。
在某些频率范围(高频或低频),由于反馈信号附加相移,有可能使原来的负反馈变成正反馈,产生自激振荡。
常用的消除自激振荡的方法有电容较正和电阻——电容校正。
三、重要概念
1.放大电路中的反馈
将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部,通过某种电路形式(反馈网络)馈送回电路的输入回路并影响输入信号,这种电压或电流的回送过程称为反馈。
例如在图1(a)所示的工作点稳定电路中,Ic在Re上的压降把输出量的一部分(
)反送回输入回路,使(
),见图(b)。
另外可看出,Rc是输入回路和输出回路的公共电阻,称之为反馈元件。
Ic在Re上产生的压降UF叫反馈电压。
图1放大电路中的反馈
2.开环和闭环
图2反馈放大电路框图
在图2中,把输入信号经基本放大器放大后输出,称做正向传输;输出信号经反馈网络回送到输入端,称做反向传输。
既有正向传输,又有反向传输的电路称为闭环系统或闭环放大器。
一般引入反馈的放大电路为闭环放大电路。
3.放大倍数A
根据电路组态的不同,放大倍数A的含义是不同的。
在电压串联负反馈电路中,定义为输出电压UO与净输入电压Ui之比,表示为
的下标分别表示输出电压和输入电压。
在电压并联负反馈电路中,定义为输出电压UO与净输入电流Ii之比,表示为
的下标分别表示输出电压和输入电流,单位为欧姆。
在电流串联负反馈电路中,定义为输出电流Io与净输入电压Ui之比,表示为
的下标分别表示输出电流和输入电压,单位为西门子。
在电流并联负反馈电路中,定义为输出电流Io与净输入电流Ii’之比,表示为
的下标分别表示输出电流和输入电流。
由上所述可以看出:
放大倍数A并不完全表示电压放大倍数。
在电压并联负反馈电路中,它表示转移电阻;在电流串联负反馈电路中,它表示转移电导;在电流并联负反馈电路中,它表示电流放大倍数。
因此,要求电路的电压放大倍数,在求出放大倍数A后,要经过一定的转换,求出其输出电压与输入电压之比。
四、解题指导
例1电路如图3所示。
试判断各放大电路的级间反馈是正反馈还是负反馈?
解本题练习用瞬时极性法判断反馈放大电路的正负极性。
图(a)电路中,设Ui的瞬时极性为正,T1共射接法集电极瞬时极性为负,T2射极跟随,发射极瞬时极性为负,馈送回T1发射极瞬时极性为负,使净输入电压
增加,增强了原来输入信号的作用,为正反馈。
图(b)电路中,各点电压的瞬时极性如图中所示。
反馈电压从T2集电极引回,
瞬时极性为正,使净输入电压
减小,为负反馈。
图(c)电路中,设输入信号的瞬时极性为正,因为输入信号送至集成运放的反相输入端,输出端电压瞬时极性为负,反送回输入端,使净输入电流
减小,为负反馈。
图(d)电路中,设输入信号的瞬时极性为正,同相输入端输入,输出端信号瞬时极性为正,使净输入电流
增加,为正反馈。
图3
例2试判断图3电路中的反馈(包括本级反馈和级间反馈)有那些?
各属于直流反馈还是交流反馈和级馈?
解本题练习本级反间反债的区分方法及交直流反馈的判断方法。
图3(b)电路中,Re1’,Re1”和Re2分别构成第一级和第二级放大电路的本级反馈,RF,CF构成电路的级间反馈。
从包含的交直流成分来看,Re1’,Re2构成交直流两种性质的反馈,RF,CF仅构成交流反馈,因为CF直流开路,Re1”,Ce1仅构成直流反馈,因为Ce1交流短路。
例3试判断图4电路是电压反馈还是电流反馈。
图4
解本题练习用输出短路法判断电压反馈还是电流反馈的方法。
若将两电路输出端短路,见图5所示。
图5
由图可以看出:
图(a)电路反馈信号依然存在,故为电流反馈。
图(b)电路反馈信号不复存在,为电压反馈。
例4试判断图6电路的反馈类型和极性。
图6
解本题练习反馈类型和极性的综合判断方法。
用瞬时极性法标注出有关各点电压的瞬时极性,如图中所示。
图(a)电路为负反馈,又因反馈信号取自输出电压,且
,故为电压串联负反馈。
图(b)电路为负反馈,又因反馈信号取自输出电流,且
,故为电流
串联负反馈。
图(c)电路为负反馈,又因反馈信号取自输出电压,且
,故为电压并联负反馈。
图(d)电路为负反馈,又因反馈信号取自输出电压,且
,故为电压串联负反馈。
图(e)电路为负反馈,又因反馈信号取自输出电流,且
,故为电流并联负反馈。
例5在图7电路中,要求达到以下效果,应该引入什么反馈?
将答案写在括弧内。
图7
(1)提高从b1端看进去的输入电阻:
(接RF从____到____)
(2)减少输出电阻:
(接RF从____到____)
(3)希望Rc3改变时Io(在给定Ui情况下的交流电流有效值)基本不变:
(接RF从____到____)
(4)希望各级静态工作点基本稳定:
(接RF从____到____)
(5)希望在输出端接上负载电阻RL后,Uo(在给定Ui情况下的输出交流电压有效值)基本不变:
(接RF从____到____)
解本题练习根据要求引入适当负反馈的方法。
要改变放大器的性能应引入负反馈。
各点电压的瞬时极性标注在图7中。
(1)提高输入电阻,应引入串联负反馈。
故接RF从e3到e1。
(2)减小输出电阻,应引入电压负反馈。
故接RF从c3到b1。
(3)稳定输出电流,应引入电流负反馈。
故接RF从e3到e1。
(4)稳定静态工作点,应引入直流负反馈。
故接RF从e3到e1。
(5)稳定输出电压,应引入电压负反馈。
故接RF从c3到b1。
综上所述,在图8电路中,引入两条反馈支路:
一条是接RF从e3到e1,一条是接RF从c3到b1即可实现所提要求的功能。
例6设图9各电路均满足深度负反馈条件,试计算各电路的电压放大倍数
已知R1=100KΩ、R2=100KΩ、R3=50KΩ。
解本题练习深度负反馈放大电路电压放大倍数的计算方法。
首先判断两电路的极性和组态。
分析可知,图(a)为电压并联负反馈电路,图(b)为电压串联负反馈电路
图9
放大电路负反馈的原理特点
一、提高放大倍数的稳定性
引入负反馈以后,放大电路放大倍数稳定性的提高通常用相对变化量来衡量。
因为:
所以求导得:
即:
二、减小非线性失真和抑制噪声
由于电路中存在非线性器件,会导致输出波形产生一定的非线性失真。
如果在放大电路中引入负反馈后,其非线性失真就可以减小。
需要指出的是:
负反馈只能减小放大电路自身产生的非线性失真,而对输入信号的非线性失真,负反馈是无能为力的。
放大电路的噪声是由放大电路中各元器件内部载流子不规则的热运动引起的。
而干扰来自于外界因素的影响,如高压电网、雷电等的影响。
负反馈的引入可以减小噪声和干扰,但输出端的信号也将按同样规律减小,结果输出端的信号与噪声的比值(称为信噪比)并没有提高。
三、负反馈对输入电阻的影响
由于负反馈可以提高放大倍数的稳定性,所以引入负反馈后,在低频区和高频区放大倍数的下降程度将减小,从而使通频带展宽。
引入负反馈后,可使通频带展宽约(1+AF)倍。
四、负反馈对输入电阻的影响
(a)串联反馈 (b)并联反馈
图1求输入电阻
1、串联负反馈使输入电阻提高
引入串联负反馈后,输入电阻可以提高(1+AF)倍。
即:
式中:
ri为开环输入电阻
rif为闭环输入电阻
2、并连负反馈使输入电阻减小引入并联负反馈后,输入电阻减小为开环输入电阻的1/(1+AF)倍。
即:
五、负反馈对输出电阻的影响
1、电压负反馈使输出电阻减小
放大电路引入电压负反馈后,输出电压的稳定性提高了,即电路具有恒压特性。
引入电压负反馈后,输出电阻rof减小到原来的1/(1+AF)倍。
2、电流负反馈使输出电阻增大
放大电路引入电流负反馈后,输出电流的稳定性提高了,即电路具有恒流特性。
引入电流负反馈后,使输出电阻rof增大到原来的(1+AF)倍。
3、负反馈选取的原则
(1)要稳定静态工作点,应引入直流负反馈。
(2)要改善交流性能,应引入交流负反馈。
(3)要稳定输出电压,应引入电压负反馈;
要稳定输出电流,应引入电流负反馈。
(4)要提高输入电阻,应引入串联负反馈;
要减小输入电阻,应引入并联负反馈。
六、深度负反馈的特点
1、串联负反馈的估算条件
反馈深度(1+AF)>>1的负反馈,称为深度负反馈。
通常,只要是多级负反馈放大电路,都可以认为是深度负反馈.此时有:
因为:
,
所以:
xi≈xf
估算条件:
(1)对于深度串联负反馈有:
ui≈uf (称之为“虚短”)
(2)由于串联负反馈的闭环输入电阻增大,在深度负反馈条件下:
ii≈0(称之为“虚断”)
2、并联负反馈的估算条件
因为深度负反馈有:
xi≈xf
(1)对于深度并联负反馈有:
ii≈if(或称之为“虚断”)
(2)并联负反馈的闭环输入电阻减小,在深度负反馈条件下:
ui≈0(称之为“虚短”)
七、深度负反馈放大倍数的估算
例1估算图2所示反馈放大电路的电压放大倍数Auf。
(a) (b)
图2 电压串联负反馈电路和电流串联负反馈电路
解:
(1)在图2(a)所示放大电路中,可以判断Rf构成越级电压串联负反馈,因而可认为是深度负反馈,即有ui≈uf。
。
因而其反馈系数为:
所以闭环电压放大倍数为:
另外,从电路结构上可以认为,反馈电压是输出电压经电阻Rf和Re1串联分压后得到的,所以:
仍可得:
(2)在图2(b)所示放大电路中,可以判断
构成电流串联负反馈。
所以在深度负反馈条件下,有ui≈uf。
因为uf=ie×
,uo=-io×Rc≈ie×Rc,所以其反馈系数为:
所以闭环电压放大倍数为:
例2 估算图3所示反馈放大电路的源电压放大倍数Ausf。
(a) (b)
图3 电压并联负反馈电路和电流并联负反馈电路
解:
(1)在图3(a)所示放大电路中,Rb构成电压并联负反馈。
在深度负反馈条件下,由式(4—16)可知ii≈if(
或——虚断),而且还有ui≈0(虚短)。
由图3(a)的输入回路可得:
所以,闭环源电压放大倍数为:
(2)在图3(b)所示放大电路中,Rf构成越级电压并联负反馈。
在深度负反馈条件下,ii≈if(虚断),并且有ui≈0(虚短),所以有:
又从图3(b)的输出端可知:
所以闭环源电压放大倍数为:
从以上分析过程可以看到,在深度负反馈条件下,放大倍数仅由一些电阻来决定,几乎与放大电路无关。
若不是深度负反馈,则用上述方法计算出来的结果误差较大,此时应采用其他方法分析。
放大电路负反馈的判断
一.反馈回路的判断
电路的放大部分就是晶体管或运算放大器的基本电路。
而反馈是把放大电路输出端信号的一部分或全部引回到输入端的电路,则反馈回路就应该是从放大电路的输出端引回到输入端的一条回路。
这条回路通常是由电阻和电容构成。
寻找这条回路时,要特别注意不能直接经过电源端和接地端,这是初学者最容易犯的问题。
例如图5如果只考虑极间反馈则放大通路是由T1的基极到T1的集电极再经过T2的基极到T2的集电极;而反馈回路是由T2的集电极经Rf至T1的发射极。
反馈信号uf=ve1影响净输入电压信号ube1。
图4 电压串联负反馈
二.交直流的判断
根据电容“隔直通交”的特点,我们可以判断出反馈的交直流特性。
如果反馈回路中有电容接地,则为直流反馈,其作用为稳定静态工作点;如果回路中串连电容,则为交流反馈,改善放大电路的动态特性;如果反馈回路中只有电阻或只有导线,则反馈为交直流共存。
图1种的反馈即为交直流共存。
三.正负反馈的判断
正负反馈的判断使用瞬时极性法。
瞬时极性是一种假设的状态,它假设在放大电路的输入端引入一瞬时增加的信号。
这个信号通过放大电路和反馈回路回到输入端。
反馈回来的信号如果使引入的信号增加则为正反馈,否则为负反馈。
在这一步要搞清楚放大电路的组态,什发射极、共集电极还什基极放大。
每一种组态放大电路的信号输入点和输出点都不一样,其瞬时极性也不一样。
如图5所示。
相位差180°则瞬时极性相反,相位差0°则瞬时极性相同。
运算放大器电路也同样存在反馈问题。
运算放大器的输出端和同相输入端的瞬时极性相同,和反相输入端的瞬时极性相反。
电路类型
输入极
公共极
输出极
相位差
共发射极放大电路
基极
发射极
集电极
180°
共集电极放大电路
基极
集电极
发射极
0°
共基极放大电路
发射极
基极
集电极
0°
表2 不同组态放大电路的相位差
依据以上瞬时极性判别方法,从放大电路的输入端开始用瞬时极性标识,沿放大电路、反馈回路再回到输入端。
这时再依据负反馈总是减弱净输入信号,正反馈总是增强净输入信号的原则判断出反馈的正负。
在晶体管放大电路中,若反馈信号回到输入极的瞬时极性与原处的瞬时极性相同则为正反馈,相反则为负反馈。
其中注意共发射极放大电路的反馈有时回到公共极——发射极,此时反馈回到发射极的瞬时极性与基极的瞬时极性相同则为负反馈,相反则为正反馈。
图4中的瞬时极性判断顺序如下:
T1基极(+)→T1集电极(-)→T2基极(-)→T2集电极(+)→经Rf至T1发射极(+),此时反馈回到发射极的瞬时极性与基极的瞬时极性相同所以电路为负反馈。
在运算放大器反馈电路中,若反馈回来的瞬时极性与同一端的原瞬时极性相同则为正反馈,相反则为负反馈;若反馈回来的瞬时极性与另一端的原瞬时极性相同则为负反馈,相反则为正反馈。
四.反馈类型的判断
反馈类型是特指电路中交流负反馈的类型,所以只有判断电路中存在交流负反馈才判断反馈的类型。
反馈是取出输出信号(电压或电流)的全部或一部分送回到输入端并以某种形式(电压或电流)影响输入信号。
所以反馈依据取自输出信号的形式的不同分为电压反馈和电流反馈。
依据它影响输入信号的形式分为串联反馈和并联反馈。
图5 电流并联负反馈
(1)串联并联的判断
反馈的串并联类型是指反馈信号影响输入信号的方式即在输入端的连接方式。
串联反馈是指净输入电压和反馈电压在输入回路中的连接形式为串联,如图1中的净输入电压信号ube1和反馈信号uf=ue1;而并联反馈是指的净输入电流和反馈电流在输入回路中并联,如图4中的净输入电流ib1和if的连接形式。
综合一下就是反馈信号如果引回到输入回路的发射极即为串联反馈,引回到基极即为并联反馈。
而在运算放大器负反馈电路中,反馈引回到输入另一端则为串联反馈如图6,图中uD与uF串联连接;如果引回到输入另一端则为串联反馈如图7,图中iD与iF并联连接。
图6 电压串联负反馈 图7 电流并联负反馈
(2)电压电流的判断
电压电流反馈是指反馈信号取自输出信号(电压或电流)的形式。
电压反馈以图6为例,反馈电压uF是经R1、R2组成的分压器由输出电压uO取样得来。
反馈电压是输出电压的一部分,故是电压反馈。
在判断电压反馈时,可以采用一种简便的方法,即根据电压反馈的定义——反馈信号与输出电压成比例,设想将放大电路的负载RL两端短路,短路后如使uF=0(或IF=0),就是电压反馈。
电流反馈以图7为例,图中反馈电流iF为电阻R1和R2对输出电流iO的分流,所以是电流反馈。
另一种简便方法就是将负载RL开路(RL=∞),致使iO=0,从而使iF=0,即由输出引起的反馈信号消失了,从而确定为电流反馈。
电压并联负反馈
电压并联负反馈的电路如图8所示。
因反馈信号与输入信号在一点相加,为并联反馈。
根据瞬时极性法判断,为负反馈,且为电压负反馈。
因为并联反馈,在输入端采用电流相加减。
即。
图8电压并联负反馈
具有电阻的量纲
具有电阻的量纲
具有电导的量纲
称为互阻增益,
称为互导反馈系数,
相乘无量纲。
对于深度负反馈,互阻增益为
而电压增益为:
电压串联负反馈
(a)分立元件放大电路 (b)集成运放放大电路
图9电压串联负反馈
(1)判断方法
对图9(a)所示电路,根据瞬时极性法判断,经Rf加在发射极E1上的反馈电压为‘+’,与输入电压极性相同,且加在输入回路的两点,故为串联负反馈。
反馈信号与输出电压成比例,是电压反馈。
后级对前级的这一反馈是交流反馈,同时Re1上还有第一级本身的负反馈,这将在下面分析。
对图(b),因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端,故为串联反馈,根据瞬时极性判断是负反馈,且为电压负反馈。
结论是交直流串联电压负反馈。
电流串联负反馈
电流串联负反馈电路如图7-7所示。
图10(a)是基本放大电路将Ce去掉而构成,
图10(b)是由集成运放构成。
对图10(a),反馈电压从Re上取出,根据瞬时极性和反馈电压接入方式,可判断为串联负反馈。
因输出电压短路,反馈电压仍然存在,故为串联电流负反馈。
(a) (b)
图10电流串联负反馈
对图10(b)的电路,求其互导增益
于是1/R,这里忽略了Rf的分流作用。
电压增益为
电流并联负反馈
电流并联负反馈的电路如图11(a)、(b)所示。
对于图(a)电路,反馈节点与输入点相同,所以是电流并联负反馈。
对于图(b)电路,也为电流并联负反馈。
(a) (b)
图11并联电流负反馈
电流反馈系数是
,以图11(b)为例
电流放大倍数
显然,电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关,与运放内部参数无关。
电压放大倍数为
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