第五章负反馈放大电路

第五章 负反馈放大电路

5.1 反馈的基本概念

5.1.1 反馈的定义

图 5 – 1 反馈放大器的方框图

定义： 叫开环放大倍数；

叫反馈系数；

叫闭环放大倍数。

因为

所以

5.1.2 反馈类型及其判定

1.

电压反馈与电流反馈

(1) 电压反馈：

图 5 – 2 电压反馈示意图

(2) 电流反馈：

图 5 – 3 电流反馈示意图

'o

i

X A X ='f o

X

F X =o f i

X

A X =''',

i i f i i

X X X X FAX =+=+1o f i X A A X FA

==

+

(3) 电压反馈和电流反馈的判定：

判定方法之一——输出短路法。将反馈放大器的输出端对交流短路, 若其反馈信号随之消失, 则为电压反馈, 否则为电流反馈。 因为输出端对交流短路后, 输出交变电压为零, 若反馈信号随之消失, 则说明反馈信号正比于输出电压, 故为电压反馈；若反馈信号依然存在, 则说明反馈信号不正比于输出电压, 故不是电压反馈, 而是电流反馈。

判定方法之二——按电路结构判定：在交流通路中,若放大器的输出端和反馈网络的取样端处在同一个放大器件的同一个电极上, 则为电压反馈； 否则是电流反馈。

图 5 – 4 反馈电路举例

2.

串联反馈和并联反馈 (1) 串联反馈：

图 5 – 5 串联反馈示意图

(2) 并联反馈：

图 5 – 6 并联反馈示意图

(3) 串联反馈和并联反馈的判定方法：对于交变分量而言, 若信号源的输出

(a )

(b

)

'i i f

U U U =-'i i f

I I I =-

端和反馈网络的比较端接于同一个放大器件的同一个电极上, 则为并联反馈；否则, 为串联反馈。

按此方法可以判定, 图 5 - 4(a )是并联反馈, 图 5 - 4(b )是串联反馈。

3.

直流反馈和交流反馈

(1) 直流反馈：若反馈环路内, 直流分量可以流通, 则该反馈环可以产生直流反馈。直流负反馈主要用于稳定静态工作点。

(2) 交流反馈： 若反馈环路内, 交流分量可以流通, 则该反馈环可以产生交流反馈。交流负反馈主要用来改善放大器的性能； 交流正反馈主要用来产生振荡。

若反馈环路内, 直流分量和交流分量均可以流通, 则该反馈环既可以产生直流反馈,又可以产生交流反馈。

图 5 - 4(a)中的R f 既可以引入直流反馈, 也可以引入交流反馈。

4.负反馈和正反馈

若反馈信号使净输入信号减弱, 则为负反馈；若反馈信号使净输入信号加强, 则为正反馈。负反馈多用于改善放大器的性能；正反馈多用于振荡电路。 反馈极性的判定多用瞬时极性法, 其步骤如下：

(1) 首先在基本放大器输入端设定一个递增(或递减)的净输入信号, 对并联反馈, 设定一个电流信号； 对串联反馈, 设定一个电压信号。

(2) 在上述设定下, 推演出反馈信号的变化极性。

(3) 判定在反馈信号的影响下, 净输入信号的变化极性。 若该极性与前面设定的变化极性相反, 则为负反馈；若相同, 则为正反馈。

按上述方法可以判定图 5- 4(a )是负反馈。判定过程如下：因为是并联反馈,

所以设定一个增大的i B , 则

由于在i f 的影响下, i B 的变化极性与原设定的变化极性相反,表明反馈信号使净输入信号减弱, 所以是负反馈。

5.1.3 负反馈放大器的四种基本组态 为了使闭环增益A f 与开环增益A 满足A f =A /(1+F A )的关系, 应作如下约定：

i B ↑→i C ↑→U C ↓→i f ↑

A A f F =

=

=

被取样的输出信号闭环增益参与比较的原始输入信号被取样的输出信号

开环增益比较后产生的净输入信号

反馈信号

反馈系数被取样的输出信号

1. 串联电压负反馈

称作闭环电压放大倍数,无量纲。

2.串联电流负反馈

(b) 方框图

(a) 电路图

2c

图 5 – 7 串联电压负反馈放大器电路

'

'

'

''1

o

u

i

f

u

o

o o

i i f

u i u

uf

i u u i u u

U

A

U

U

F

U

U U

U U U

A U A

A

U F A U F A

===

===

===

+

===

++

被取样的输出信号

开环放大倍数

比较后产生的净输入信号

反馈信号

反馈系数

被取样的输出信号

被取样的输出信号

闭合放大倍数

参与比较的原输入信号

'

'

'

''1

o

u

i

f

u

o

o o

i i f

u i u

uf

i u u i u u

U

A

U

U

F

U

U U

U U U

A U A

A

U F A U F A

===

===

===

+

===

++

被取样的输出信号

开环放大倍数

比较后产生的净输入信号

反馈信号

反馈系数

被取样的输出信号

被取样的输出信号

闭合放大倍数

参与比较的原输入信号

称作开环电压放大倍数, 无量纲。

称作互阻反馈系数, 无量纲。

2.

串联电流负反馈

图 5 – 8 串联电流负反馈放大器

3. 并联电压负反馈

图 5 – 9 并联电压负反馈放大器

称作闭环电压放大倍数,无量纲。 ''

1o o

g

i i f f

r

o o

g o o

gf

i i r g X I A X U X U F X I A X I A X U F A =

===

======+被取样的开环放大倍数比较产生的反馈信号反馈系数被取样的被取样的闭合放大倍数参与比较的称作开环互导放大倍数, 其量纲是电导。

称作互阻反馈系数, 其量纲是电阻。

称作闭环互导放大倍数, 其量纲是电导。

(b ) 方框图

(a ) 电路

反馈网络

(a ) 电路(b ) 方框图

4.

并联电流负反馈

图 5 – 10 并联电流负反馈放大器

5.2 负反馈对放大器性能的影响

5.2.1 使放大器的放大倍数下降

根据负反馈的定义可知, 负反馈总是使净输入信号减弱。所以, 对于负反馈

''

1o o

r i i f f g

o

o

o o r

rf

i i g r

X I A X U X U F X I X U A A X I F A =

====

==

===+被取样的开环放大倍数比较产生的反馈信号反馈系数被取样的被取样的闭合放大倍数参与比较的称作开环互阻放大倍数, 其量纲是电阻。

称作互导反馈系数, 其量纲是电导。

称作闭环互阻放大倍数, 其量纲是电阻。

(a ) 电路(b ) 方框图

c

2

''

1o o

i

i i f f

i

o o

o o r

if

i i i i

X I A X U X U F X I X I A A X I F A ====

===

===+被取样的开环放大倍数比较产生的反馈信号反馈系数被取样的被取样的闭合放大倍数参与比较的称作开环电流放大倍数, 无量纲。

称作电流反馈系数, 无量纲。 称作闭环电流放大倍数, 无量纲。

'

i i X X >

放大器而言,必有 所以

即

可见, 闭环放大倍数A f , 仅是开环放大倍数A 的(1+F A )分之一。 5.2.2 稳定被取样的输出信号

1.电压负反馈

对于图 5-7 所示的串联电压负反馈电路, 当某一因素使U o 增大时, 就会产生如下反馈过程：

U o ↑→U E1↑→U BE1↓→U C1↑→U B2↑ U o

↓

U C2↓←从而使U o 的变化量大大减小, U o 的稳定性大大提高。

对于图 5 - 9 所示的并联电压负反馈电路, 当某一因素使U o 增大时, 则

U o ↑→I f ↓→I B ↑→I C U o ↓ U C 结果使U o 的变化量减小, U o 的稳定性提高。

2.

电流负反馈

因为电流负反馈, 被取样的输出信号是输出电流, 所以, 凡是电流负反馈, 必然能稳定输出电流。

对于图 5 - 10 所示的并联电流负反馈电路, 当某一因素使I e2增大时, 则：

'

o o

i i X X X X <,1f f A

A A A FA

<=

+I e2↑→I f ↓→I b1↑→I c1↑→U c1↓→U b2

I e2 ↓ I b2↓

5.2.3 使放大倍数的稳定性提高

当ΔA 足够小时,ΔA f ≈dA f , 并且A 1≈A 2≈A , A f1≈A f2≈A f 。 此种情况下, 上式可写为：

5.2.4 可以展宽通频带

当反馈系数F 不随频率变化时, 引入负反馈后的高频特性为

按照通频带的定义：

开环放大器的通频带为： f bw =f h -f

l 闭环放大器的通频带为：f bwf =f hf -f

lf

由于f hf >>f h , f lf <>f l

21

2112121

211

(1)(1)(1)(1)

1111f f f f f f f A A A A A A

A FA FA FA FA A A A FA A A dA A FA A

?=--??==

++++??=

?

+?=

+把A f2=A 2/(1+F A 2)和A f1=A 1/(1+F A 1)代入上式得：

用A f1=A 1/(1+F A 1)除以上式两边得：

1f A A F A

????

=+1m h h A A f j f ?=+/(1/)1[/(1/)]1/1/(1)

1[/(1)]1[/(1)]m h m hf m h m h mf m m m h m h A jf f A A A F A jf f FA jf f F A A A FA j f FA f j f FA f ???

+===++++++==

++++(1)hf m h f FA f =+111

1f

m

f f FA =+

时, f bw =f h -f l ≈f h , 所以 f bwf =f hf -f lf ≈f hf =(1+F A m )f h ≈(1+F A m )f bw

5.2.5 对输入电阻的影响

1. 串联负反馈使输入电阻提高

图 5 - 11 串联负反馈方框图。

开环输入电阻：

闭环输入电阻：

2.

并联负反馈使输入电阻减小

图 5 - 12 并联负反馈的方框图

开环输入电阻：

闭环输入电阻：

r i

'''''(1)(1)i i i

i f

i i i i if i

i

i

i i

U r I U U U U FAU U r FA FA r I I I I =

++==

==+=+

'

i i i U r I =''''1111i i i if i i f i i i i

i U U U r I I I I FAI U r FA I FA

===++=

?=++

5.2.6 对输出电阻的影响

1.电压负反馈使输出电阻减小

可见, 引入电压负反馈后可使输出电阻减小到r o ／(1+A o F ) 。不同的反馈形式,其A 、F 的含义不同。串联电压负反馈F =F u =U f /U o , A =A u =U o /U i ′; 并联电压负反馈F =F g =I f /U o , A =A r =U o /I i ′。

2. 电流负反馈使输出电阻增大

图5 – 14 电流负反馈方框图

图5 – 13 电压负反馈方框图

''''''

'

''(1)1o i f o o o

o o i o o o o o o

o o o o o

of o o A X X A U FA U A X U U A F U A F I r r r U r r I A F

=-=--++===

==

+U ′o

5.2.7 减小非线性失真和抑制干扰、噪声

图 5 – 15 负反馈减小非线性失真

【例1】某放大器的A u =1000, r i =10k Ω, r o =10 k Ω,f h =100kHz,, f L =10kHz,在该电路中引入串联电压负反馈后, 当开环放大倍数变化±10%,

闭环放大倍数变化不超过±1%, 求A uf , r if , r of , f hf , f lf 。

解：

'''''

'''

''

''(1)(1)o

o

i

o i f o o

o o o o

o o o

of o

o

U I AX r AX AX FAI U I FAI r U AF I r U r AF r I =+

=-=-=-++===+(A 为R L =0 时的短路开环放大倍数)

/10

110

/199

0.009

u u u u uf uf u u u u

A A F A A A F A F A ?±+===?±===

5.3 负反馈放大器的指标计算

5.3.1

等效电路法

把反馈放大器中的非线性器件用线性电路等效, 然后根据电路理论来求解各项指标。其求解过程可借助计算机实现。

5.3.2

分离法

把负反馈放大器分离成基本放大器和反馈网络两部分, 然后分别求出基本放大器的各项指标和反馈网络的反馈系数, 再按上一节的有关公式, 分别求得A f , r if 、r of , f hf 等。

5.3.3 强负反馈放大器的增益估算法

1.

强负反馈的概念

若AF>>1, 则称之为强负反馈。通常, 只要是多级负反馈放大器, 我们就可以认为是强负反馈电路。因为多级负反馈放大器, 其开环增益很高, 都能满足AF >>1 的条件。

2.

估算依据 对于强负反馈放大器来说, 因为AF>>1, 所以

强负反馈条件下：

把A f =X o /X i , F =X f /X o 代入上式得

111000

100

110

(1)101010011

101110

(1)10100100011

101110

u uf u u if u u i of u u hf u u h f u u A A F A r F A r k r k F A r F A r kHz r f kHz

F A =

==+=+=?=Ω=

=?=Ω

+=+=?==

=?=+1

1f A A A FA AF F =≈=

+1f A F

≈

o o

i f

X X X X ≈i f

U U ≈

对于串联负反馈

对于并联负反馈

【例2】估算图5-16(a)所示串联电压负反馈放大器的闭环电压增益A uf=

。

解由于是串联电压负反馈, 故U i≈U f。由图5-16(b)可知, 输出电压U o

经R f和R e

1

分压后反馈至输入回路, 即

【例3】求图5-17(a)所示的串联电流负反馈电路的闭环电压增益A uf=U o/U i。

图5-17 串联电流负反馈电路

解因为是串联负反馈, 所以U i≈U f

i f

I I

≈

(a) 电路(b) 反馈网络

图5-16 串联电压负反馈电路

1

1

e

f o

e f

R

U U

R R

≈

+

1

11

1

1

e f f

o o

uf

f e e

R R R

U U

A

U U R R

+

=≈==+

(a) 电路(b) 反馈网络

I

e

I

【例4】 求图 5-18 所示的并联电压负反馈电路的源电压闭环增益

A usf =U o /U s 。

图 5– 18 并联电压负反馈电路

解

3

3

13

313

13

3333313

1331

1''

'1

''

(//)

e f e e f e e e f f e e e f e o c L L c L o

e c L

e e o

f f e f e L

e f e o uf L

i e e R I I R R R R R U I R I R R R U I R R R R U I I R R R U U U R R R R R R R U A R U R R =

++==

++=-=≈≈--=≈

?++++=≈?式中

(a ) 电路(b ) 反馈网络

s s

i s if s o

f f

s o s f f o usf

s s

U U

I R r R U I R U U R R R U A U R =

≈+=-

≈-=≈-

【例 5】 求图 5 - 19(a )所示并联电流负反馈电路的闭环源电压增益A usf 。

图 5 – 19 并联电流负反馈电路

解 由于是并联强负反馈, 所以I i ≈I f , 并且R s >>r if 。

5.4 负反馈放大电路的自激振荡

5.4.1 产生自激振荡的原因及条件

产生自激的条件为:负反馈变为正反馈;反馈信号要足够大公式

可写成

(b ) 反馈网络

(a ) 电路2

222

2

2

s s

i s if s

e e

f e c f e f e U U

I R r R R R I I I R R R R =≈+--=

≈

++2'o c L

U I R =-

2

22222

'

'

'e o

f f e L e s o

s f e L f e o usf

L s s e R U I R R R R U U R R R R R R U A R U R R =?+≈?++=≈?10A F ??

+=1

A F ??

=-

它含有幅值和相位两个条件 ： 5.4.2 自激振荡的判断方法

判断方法是, 首先看相位条件, 只有相位条件满足了, 绝大多数情况下, 只要 , 放大器将产生自激。如相位条件不满足, 则肯定不自激。

根据放大电路的 的频率特性, 即用波特图分析能否产生自激振荡。

由自激条件可知, 当相位条件满足附加相移φ=±180°, 时,即

时,电路稳定；否则不稳定, 将产生自激。图 5 - 20(a )和(b )分别表示不稳定与稳

定的两种情况。图中f c 为附加相移φ=180°的频率;f 0为

时的频率。

5.4.3 常用的消除自激的方法

1arg (21)A F A F n π

??

??

?=??

?

=±+?(n 为整数)

1A F ??

≥AF ??

1A F ??

<2010g A F dB ??

≤2010g A F dB ??

≤02040

606040

200

－－－(a ) 不稳定(b )

稳定..

(a )

(b )

(c )

图 5-21 常用的消振电路

2010g A F dB ??

≤2010g A F dB

??≤