放大電路中的反饋.ppt

制作 路勇 第四章放大電路中的反饋 第一節(jié)負(fù)反饋的基本概念第二節(jié)負(fù)反饋放大器的分類第三節(jié)負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響第四節(jié)負(fù)反饋放大器的方框圖分析法 一反饋的定義二單環(huán)反饋放大器的理想模型三基本反饋方程式 第一節(jié)反饋的概念 一反饋的定義 反饋 是將輸出信號(hào)的一部分或全部通過(guò)一定的絡(luò)送回到放大電路的輸入端 并對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生影響 開(kāi)環(huán) 放大電路無(wú)反饋也稱開(kāi)環(huán) 閉環(huán) 放大電路有反饋也稱閉環(huán) 第一節(jié)反饋的基本概念 正向傳輸 反向傳輸 圖4 01反饋概念方框圖 圖中 Xi 是輸入信號(hào) Xf 是反饋信號(hào) Xdi 為凈輸入信號(hào) 所以有Xdi Xi Xf 二 負(fù)反饋和正反饋 負(fù)反饋 加入反饋后 凈輸入信號(hào) Xdi Xi 輸出幅度增加 正反饋和負(fù)反饋的判斷法之一 瞬時(shí)極性法 1 在放大電路的輸入端 假設(shè)輸入信號(hào)的電壓極性 可用 或 表示 2 按信號(hào)傳輸方向依次判斷相關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)極性 從而判斷出反饋信號(hào)的瞬時(shí)電壓極性 3 如果反饋信號(hào)使凈輸入減小 則為負(fù)反饋 反之為正反饋 正反饋和負(fù)反饋可用下列規(guī)則來(lái)判斷 反饋信號(hào)和輸入信號(hào)加于輸入回路一點(diǎn)時(shí) 1 瞬時(shí)極性相同的為正反饋 2 瞬時(shí)極性相反的是負(fù)反饋 反饋信號(hào)和輸入信號(hào)加于輸入回路兩點(diǎn)時(shí) 1 瞬時(shí)極性相同的為負(fù)反饋 2 瞬時(shí)極性相反的是正反饋 對(duì)三極管來(lái)說(shuō)這兩點(diǎn)是基極和發(fā)射極 對(duì)運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)是同相輸入端和反相輸入端 正反饋和負(fù)反饋的判斷法之二 1 將輸出電壓 短路 若反饋信號(hào)為零則為電壓反饋 2 若反饋信號(hào)仍然存在 則為電流反饋 電壓反饋 反饋信號(hào)的大小與輸出電壓成比例的反饋 稱為電壓反饋 電流反饋 反饋信號(hào)的大小與輸出電流成比例的反饋 稱為電流反饋 電壓反饋與電流反饋的判斷 三 電壓反饋和電流反饋 四 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在放大電路輸入回路的同一個(gè)電極 則為并聯(lián)反饋 反之加在放大電路輸入回路的兩個(gè)電極 則為串聯(lián)反饋 此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是電流相加減的關(guān)系 此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是電壓相加減的關(guān)系 1 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同時(shí)加在輸入三極管的基極或發(fā)射極 則為并聯(lián)反饋 2 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)一個(gè)加在基極 一個(gè)加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋 對(duì)于三極管來(lái)說(shuō) 對(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō) 1 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同時(shí)加在反相輸入端 則為并聯(lián)反饋 2 一個(gè)加在同相輸入端 一個(gè)加在反相輸入端則為串聯(lián)反饋 五 交流反饋和直流反饋 1 反饋信號(hào)中只有交流成分時(shí)為交流反饋 3 反饋信號(hào)只有直流成分時(shí)為直流反饋 2 反饋信號(hào)中既有交流成分又有直流成分時(shí)為交直流反饋 二 單環(huán)反饋放大器的理想模型 如圖所示反饋電路可分為兩部分 圖4 03 a 簡(jiǎn)化的反饋電路 1 基本放大器A 可由單級(jí)或多級(jí)放大器組成 2 反饋網(wǎng)絡(luò)B 一般由無(wú)源純電阻網(wǎng)絡(luò)組成 上述反饋放大器的一般形式可由方框圖來(lái)概括 A 基本放大器 所以有 Xdi Xi Xf 圖4 03 b 反饋電路的方框圖 反饋環(huán) 由基本放大器A和反饋網(wǎng)絡(luò)B構(gòu)成的閉合環(huán)路 如圖所示為一單環(huán)反饋放大器的方框圖 B 反饋網(wǎng)絡(luò) 比較器 相加點(diǎn) Xi 是輸入信號(hào) Xf 是反饋信號(hào) Xdi 為凈輸入信號(hào) X 廣義信號(hào)量 帶傳輸方向的支路 正向傳輸 反向傳輸 理想模型的假定 1 正向傳輸 由輸入到輸出 只經(jīng)過(guò)基本放大器 而不經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò) 2 反向傳輸 由輸出到輸入 只經(jīng)過(guò)基本放大器 而不經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò) 結(jié)論 在一定條件下實(shí)際的反饋放大器可以用理想模型來(lái)近似分析 三 基本反饋方程式 基本反饋方程式 為分析反饋放大器的基本公式 1 放大電路的開(kāi)環(huán)增益 2 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 3 基本反饋方程式 A Xo Xdi B Xf Xo Af A 1 AB 推導(dǎo)過(guò)程 Af Xo Xi Xdi Xi Xf Af Xo Xi AXdi Xdi ABXdi 因此 Af A 1 AB 此式為基本反饋方程式 上式反映了反饋放大器的基本性能 上式是在負(fù)反饋條件下導(dǎo)出的 只適合于分析負(fù)反饋放大器 AXdi Xdi Xi 索引 4 反饋深度 1 AB越大 閉環(huán)增益Af越小反饋越明顯 它反映了反饋對(duì)放大電路影響的程度 1 AB越大 反饋程度越深 稱為反饋深度 所以 F 1 AB 閉環(huán)增益 Af A 1 AB 因?yàn)閷?duì)于負(fù)反饋1 AB 1時(shí) Af A 5 環(huán)路增益AB 環(huán)路增益AB 是指放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)所形成環(huán)路的增益 當(dāng)AB 1時(shí)稱為深度負(fù)反饋 于是閉環(huán)增益為 Af A 1 AB 1 B 在深度負(fù)反饋條件下 閉環(huán)增益近似等于反饋系數(shù)的倒數(shù) 與有源器件的參數(shù)基本無(wú)關(guān) 反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無(wú)源元件構(gòu)成的 其穩(wěn)定性優(yōu)于有源器件 因此深度負(fù)反饋時(shí)的增益比較穩(wěn)定 索引 要注意的是 Xi Xf和Xo是廣義信號(hào)量 因此閉環(huán)增益可以為不同的物理含義 索引 1 當(dāng)它們都是電壓信號(hào)時(shí) A Af F無(wú)量綱 A和Af是電壓放大倍數(shù) 2 當(dāng)它們都是電流信號(hào)時(shí) A Af B無(wú)量綱 A和Af是電流放大倍數(shù) 3 當(dāng)它們既有電壓信號(hào)也有電流信號(hào)時(shí) A Af B有量綱 A和Af也有專門(mén)的增益稱謂 第二節(jié)負(fù)反饋的分類 負(fù)反饋類型有四種 一電流串聯(lián)負(fù)反饋二電壓串聯(lián)負(fù)反饋三電流并聯(lián)負(fù)反饋四電壓并聯(lián)負(fù)反饋 分析反饋的屬性 求電壓增益等動(dòng)態(tài)參數(shù) 一電流串聯(lián)負(fù)反饋 一 判斷反饋類型 步驟 1 找反饋網(wǎng)絡(luò) 看是否存在反向傳輸渠道 Re 2 電壓與電流反饋 采用前述的兩種方法判斷 電流反饋 3 串聯(lián)與并聯(lián)反饋 采用前述的兩種方法判斷 串聯(lián)反饋 4 反饋極性 采用瞬時(shí)極性法判斷 負(fù)反饋 結(jié)論 此電路為電流串聯(lián)負(fù)反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路圖 動(dòng)畫(huà)9 1 動(dòng)畫(huà)9 2 電流串聯(lián)負(fù)反饋的一般形式 可將電流串聯(lián)負(fù)反饋電路寫(xiě)成一般形式 二 增益和反饋系數(shù)的表示方法 對(duì)于電流串聯(lián)負(fù)反饋 Xo Io Xf Uf 以Io和Uf描述反饋組態(tài)更為確切 互導(dǎo)增益AG AG 輸出電流 輸入電壓 mA v 具有電導(dǎo)量綱 1 開(kāi)環(huán)互導(dǎo)增益 2 閉環(huán)互導(dǎo)增益 3 反饋系數(shù) AG Io Udi AGf Io Ui BR Uf Io 以Io起反饋?zhàn)饔?而以Uf體現(xiàn)出來(lái) 二 增益和反饋系數(shù)的表示方法 5 反饋深度 4 基本反饋方程式 本例中 F 1 BRAG AGf Io Ui AGUdi Udi Uf BR Uf Io IoRe Io Re AG 1 BRIo Udi AG 1 BRAG 無(wú)量綱 若等效電阻為定值時(shí) 電壓增益為 AUf Uo Ui IoRc Ui AGfRc 結(jié)論 1 在理想模型中導(dǎo)出的各參數(shù)的公式 與具體反饋電路的分析結(jié)果是一致的 2 它跟具反饋組態(tài)的不同各代表不同的量綱和不同的物理意義 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路 二電壓串聯(lián)負(fù)反饋 一 判斷反饋類型 步驟 1 找反饋網(wǎng)絡(luò) 看是否存在反向傳輸渠道 Re Rf 2 電壓與電流反饋 用兩種方法判斷 電壓反饋 3 串聯(lián)與并聯(lián)反饋 用兩種方法判斷 串聯(lián)反饋 4 反饋極性 用瞬時(shí)極性法判斷 負(fù)反饋 結(jié)論 此電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的一般形式 可將電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路寫(xiě)成一般形式 二 增益和反饋系數(shù)的表示方法 對(duì)于電壓串聯(lián)負(fù)反饋 Xo Uo Xf Uf 以Uo和Uf描述反饋組態(tài)更為確切 電壓增益AU AU 輸出電壓 輸入電壓 無(wú)量綱 1 開(kāi)環(huán)電壓增益 2 閉環(huán)電壓增益 3 反饋系數(shù) AU Uo Udi AUf Uo Ui BU Uf Uo 以Uo起反饋?zhàn)饔?而以Uf體現(xiàn)出來(lái) 無(wú)量綱 二 增益和反饋系數(shù)的表示方法 5 反饋深度 4 基本反饋方程式 本例中 F 1 BUAU AUf Uo Ui AUUdi Udi Uf BU Uf Uo Re1 Re1 Rf AU 1 BUAU 無(wú)量綱 第三節(jié)負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響 一 負(fù)反饋對(duì)增益的影響二 負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響三 負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響四 負(fù)反饋對(duì)通頻帶的影響五 負(fù)反饋對(duì)非線性失真的影響六 負(fù)反饋對(duì)噪聲 干擾和溫漂的影響 一負(fù)反饋可提高增益的穩(wěn)定性 根據(jù)負(fù)反饋基本方程 無(wú)論何種負(fù)反饋 反饋增益都比開(kāi)環(huán)增益下降1 AB倍 但不同的反饋組態(tài)AB的量綱不同 對(duì)電壓串聯(lián)負(fù)反饋 1 定性分析 由于各種因素的影響 A Xo Xf Xdi Xo 2 定量分析 對(duì)于一定的Xi 輸出Xo穩(wěn)定則增益Af穩(wěn)定 在負(fù)反饋條件下增益的穩(wěn)定性也得到了提高 這里增益應(yīng)該與反饋組態(tài)相對(duì)應(yīng) 有反饋時(shí)增益的穩(wěn)定性比無(wú)反饋時(shí)提高了 1 AB 倍 二負(fù)反饋對(duì)通頻帶的影響 放大電路加入負(fù)反饋后增益下降 但通頻帶卻加寬了 圖04 14負(fù)反饋對(duì)通頻帶的影響 無(wú)反饋時(shí)的通頻帶 f fH fL fH fH 有反饋時(shí)的通頻帶 fF 1 AB fH fF 有反饋時(shí)的通頻帶 fF 1 AB fH負(fù)反饋放大電路擴(kuò)展通頻帶有一個(gè)重要的特性 即增益與通頻帶之積為常數(shù) 有反饋時(shí)高頻段的增益為 輸入正常信號(hào) 輸出失真的信號(hào) 失真的反饋信號(hào) 使凈輸入產(chǎn)生相反的失真 從而彌補(bǔ)了放大電路本身的非線性失真 三負(fù)反饋對(duì)非線性失真的影響 負(fù)反饋可以改善放大電路的非線性失真 但是只能改善反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真 圖04 15負(fù)反饋對(duì)非線性失真的影響 四負(fù)反饋對(duì)噪聲 干擾和溫漂的影響 原理同負(fù)反饋對(duì)放大電路非線性失真的改善 負(fù)反饋只對(duì)反饋環(huán)內(nèi)的噪聲和干擾有抑制作用 且必須加大輸入信號(hào)才使抑制作用有效 五負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響 1 串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增加串聯(lián)負(fù)反饋輸入端形式如圖 串聯(lián)電壓 串聯(lián)電流 式中ri rdi為無(wú)反饋時(shí)的電阻 圖04 10串聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響 負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響與反饋加入的方式有關(guān) 與串聯(lián)或并聯(lián)反饋有關(guān) 而與電壓或電流反饋無(wú)關(guān) 有反饋的輸入電阻 則有 rif r i 電流串聯(lián)也滿足同樣關(guān)系 并聯(lián)負(fù)反饋輸入端的形式如圖 圖04 11并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響 2 并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小 對(duì)電壓并聯(lián)和電流并聯(lián)負(fù)反饋效果相同 只要是并聯(lián)負(fù)反饋就可使輸入電阻減小 有反饋的輸入電阻 滿足rif ri關(guān)系 1 加入負(fù)反饋后 放大器輸入阻抗的變化只取決于反饋方式 串聯(lián) 并聯(lián) 2 引入串聯(lián)反饋 使輸入電阻增大 3 引入并聯(lián)反饋 使輸入電阻減小 4 增大或減小的倍數(shù)為反饋深度 1 AB 六負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響 電壓負(fù)反饋可使輸出電阻減小 與電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定是一致的 1 電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小 圖04 12電壓負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響 求輸出電阻的等效電路 1 將輸入端短路 2 將負(fù)載電阻開(kāi)路 在輸出端加一個(gè)等效電壓Uo 輸出電阻小 帶負(fù)載能力強(qiáng) 輸出電壓的降落小 穩(wěn)定性就好 式中 AUo是負(fù)載開(kāi)路時(shí)的放大倍數(shù) 于是有 滿足rof ro關(guān)系即 使輸出電阻減小 求輸出電阻等效電路1 將負(fù)載開(kāi)路 輸出端加一等效的電壓Uo 2 將輸入端接地 2 電流負(fù)反饋使輸出電阻增加 電流負(fù)反饋可以使輸出電阻增加 圖04 13電流負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響 與電流負(fù)反饋可使輸出電流穩(wěn)定是一致的 輸出電阻大 負(fù)反饋放大器接近電流源特性 使輸出電流穩(wěn)定性好 式中Ais是負(fù)載短路時(shí)的開(kāi)環(huán)增益 即將負(fù)載短路 把電壓源轉(zhuǎn)換為電流源 再將負(fù)載開(kāi)路的增益 滿足rof ro關(guān)系即 使輸出電阻增加 1 加入負(fù)反饋后 對(duì)放大器輸出阻抗的影響只取決于采樣內(nèi)容 電流 電壓 2 引入電壓負(fù)反饋 使輸出電阻減小 意味著放大器輸出等效為一低阻電壓源 3 引入電流負(fù)反饋 使輸出電阻增加 意味著放大器輸出等效為一高阻電流源 七信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)反饋放大器的影響 1 串聯(lián)反饋 信號(hào)源須采用低內(nèi)阻Rs 才能得到反饋效果 2 并聯(lián)反饋 信號(hào)源須采用高內(nèi)阻Rs 才能得到反饋效果 Ausf Aus 1 AusBu Aus Auri Rs ri AIsf AIs 1 AIsBI AIs AIRs Rs ri 第四節(jié)負(fù)反饋放大器的方框圖分析法 一方框圖分析法二電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器的計(jì)算三電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器的計(jì)算四電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器的計(jì)算五電流并聯(lián)負(fù)反饋放大器的計(jì)算 圖04 18電壓并聯(lián)負(fù)反饋方框圖 原網(wǎng)絡(luò) 一 方框圖分析法 以電壓負(fù)反饋為例 介紹方框圖法的一般原則 從四端網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)看 電壓并聯(lián)反饋組態(tài)用導(dǎo)納Y參數(shù)來(lái)描述極為方便 A網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)定義為 B網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)定義為 考慮到B網(wǎng)絡(luò)對(duì)A網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用 可將YiB YoB歸入A網(wǎng)絡(luò) AU Ui Gs Uo AR Ui GL A Is Yi YfA 0 Yo 圖04 18電壓并聯(lián)負(fù)反饋方框圖 A B網(wǎng)分開(kāi) Yi YiA YiB Y0 Y0A Y0B 反向傳輸信號(hào)不經(jīng)過(guò)A網(wǎng)絡(luò)YrA可忽略 正向傳輸信號(hào)不經(jīng)過(guò)B網(wǎng)絡(luò)YfB可忽略 此時(shí)A B網(wǎng)絡(luò)可分開(kāi) B網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用作用已歸入A網(wǎng)絡(luò) 計(jì)算時(shí) 考慮反饋元件對(duì)基本放大器輸入 輸出回路的負(fù)載作用可遵循以下規(guī)則進(jìn)行 1 求B網(wǎng)絡(luò)對(duì)基本放大器輸入回路的負(fù)載作用時(shí) 凡電壓反饋 令Uo 0 從輸入端看反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用 凡電流反饋 令I(lǐng)o 0 從輸入端看反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用 2 求B網(wǎng)絡(luò)對(duì)基本放大器輸出回路的負(fù)載作用時(shí) 凡串聯(lián)反饋 令I(lǐng)i 0 從輸出端看反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用 凡電流反饋 令Ui 0 從輸出端看反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載作用 利用上述規(guī)則分別計(jì)算四種基本反饋組態(tài) 圖04 19電壓并聯(lián)負(fù)反饋 a電路圖 二 電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器的計(jì)算 電壓并聯(lián)負(fù)反饋的一個(gè)原理圖 一 判別反饋類型 屬電壓并聯(lián)負(fù)反饋 故采用電流源信號(hào) 二 畫(huà)基本放大電路 1 畫(huà)出交流路 圖04 19電壓并聯(lián)負(fù)反饋 b交流通路 2 求輸入電路 按上述原則可得 3 求輸出電路 按上述原則可得 4 求出拆除反饋網(wǎng)絡(luò)后等效電路 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 輸入電路 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 輸出電路 拆除反饋網(wǎng)絡(luò)后等效電路 三 基本放大電路計(jì)算 1 輸入電阻 ri Rf hie 2 輸出電阻 ro Rf 1 hie 3 開(kāi)環(huán)互阻增益 由于 則 四