第6章負(fù)反饋在放大器中的應(yīng)用

第6章負(fù)反饋在放大器中的應(yīng)用

內(nèi)容提要

本章從反饋的基本概念入手，抽象出反饋放大電路的方框圖，定性分析負(fù)反饋的概念、類型及負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響。返回6.1反饋的基本概念6.2負(fù)反饋電路的類型6.3負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響

6.1.1反饋支路所謂反饋就是將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，經(jīng)過一定的電路（反饋電路）反向送回到輸入端，對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生影響的過程。因此要判斷一個(gè)放大電路是否有反饋，只要看放大電路中是否存在把輸出端和輸入端聯(lián)系起來的支路，這條支路就是反饋支路。如圖6.1所示的集成運(yùn)算放大器，不存在反饋支路，這種情況稱為開環(huán)；如圖6.2所示的集成運(yùn)算放大器，存在反饋支路Rf

，它既有從輸入到輸出的正向傳輸信號(hào)，也有從輸出到輸入的反向傳輸信號(hào)，這種情況稱為閉環(huán)。

6.1反饋的基本概念

圖6.1開環(huán)放大器圖6.2閉環(huán)放大器

6.1.2反饋放大器的組成

帶有反饋環(huán)節(jié)的放大電路稱為反饋放大器。反饋放大器可用如圖6.3所示的方框圖來描述。圖中箭頭表示信號(hào)的傳輸方向，A表示基本放大器，F(xiàn)表示反饋網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。X可以表示電壓，也可以表示電流。其中Xi，Xo，Xf和Xi′分別表示輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、反饋信號(hào)和凈輸入信號(hào)，符號(hào)表示信號(hào)相疊加，輸入信號(hào)Xi和反饋信號(hào)Xf在此疊加，產(chǎn)生放大電路的凈輸入信號(hào)Xi′。

圖6.3反饋放大器方框圖

反饋有正反饋和負(fù)反饋兩種，如果反饋信號(hào)加強(qiáng)輸入信號(hào)，使凈輸入信號(hào)增加，稱為正反饋；如果反饋信號(hào)減弱輸入信號(hào)，使凈輸入信號(hào)減小，稱為負(fù)反饋。本章只討論負(fù)反饋。負(fù)反饋所確定的基本關(guān)系式有如下幾項(xiàng)。1．輸入端各量的關(guān)系式（6-1）2．開環(huán)增益

（6-2）3．反饋系數(shù)

（6-3）

4．閉環(huán)增益

經(jīng)推導(dǎo)，可得（6-4）上述各量中，當(dāng)信號(hào)為正弦量時(shí)，,,和為相量，和為復(fù)數(shù)。在中頻段，為了使表達(dá)式簡(jiǎn)明，均可用實(shí)數(shù)表示。由式（6-4）可知，閉環(huán)增益Af比開環(huán)增益A減小了1/（1+AF）倍，其中1+AF稱為反饋深度，它的大小反映了反饋的強(qiáng)弱，反饋放大器性能的改善與反饋深度有著密切的關(guān)系。返回

根據(jù)反饋電路跨接基本放大電路的級(jí)數(shù)不同，可以把反饋分為本級(jí)反饋和級(jí)間反饋。

6.2.1反饋極性通常采用“瞬時(shí)極性法”來判別反饋的極性。步驟如下：（1）將反饋支路與放大電路輸入端的連接斷開，假設(shè)輸入信號(hào)對(duì)地的瞬時(shí)極性為正，表明該點(diǎn)的瞬時(shí)電位升高，在圖中用“”表示；反之，瞬時(shí)電位降低，在圖中用“”表示。（2）沿閉環(huán)系統(tǒng)，逐級(jí)標(biāo)出有關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)電位是升高還是降低，最后推出反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性。（3）此時(shí)將反饋聯(lián)上，再判斷凈輸入信號(hào)是增強(qiáng)還是減弱，凈輸入信號(hào)增強(qiáng)的是正反饋，減弱的是負(fù)反饋。

6.2負(fù)反饋電路的類型上述判別方法可總結(jié)如下：（1）如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加到輸入級(jí)的同一個(gè)電極上，則兩者極性相同為正反饋，極性相反為負(fù)反饋；如果兩個(gè)信號(hào)加到輸入級(jí)的兩個(gè)不同的電極上，則兩者極性相同為負(fù)反饋，相反為正反饋。（2）集成運(yùn)放判別本級(jí)反饋的極性時(shí)，若反饋信號(hào)接回到反相輸入端，則為負(fù)反饋；接回到同相輸入端，則為正反饋。注意：對(duì)晶體管的3種組態(tài)：共射組態(tài)，輸入B與輸出C極性相反；共集組態(tài)，輸入B與輸出E極性相同；共基組態(tài)，輸入E與輸出C極性相同。

例6.1試判斷如圖6.4所示電路的反饋極性。解：（1）在如圖6.4（a）所示電路中，先斷開反饋支路，給反相輸入端加“+”瞬時(shí)信號(hào)，集成運(yùn)放放大后為“-”信號(hào)（反相作用），經(jīng)反饋電阻Rf引回到同相輸入端為“-”，把反饋聯(lián)上，可以看出，反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)加強(qiáng)，因此Rf引入了正反饋。另外，根據(jù)上述判別法則可知，反饋信號(hào)接回到同相輸入端，故為正反饋。（2）判別過程的瞬時(shí)極性如圖6.4（b）所示，即ui經(jīng)兩級(jí)放大后，通過級(jí)間反饋元件Rf，Cf引回到VT1基極的瞬時(shí)極性為“-”，可以看出，反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小，因此Rf，Cf引入了負(fù)反饋。另外，根據(jù)上述判別法則可知，反饋信號(hào)和輸入信號(hào)加到輸入級(jí)的同一個(gè)電極上，且極性相反，故為負(fù)反饋。

圖6.4用瞬時(shí)極性法判別反饋極性

6.2.2直流反饋和交流反饋在放大電路中既有直流分量又有交流分量，如果電路引入的反饋量是直流成分，稱為直流反饋；如果電路引入的反饋量是交流成分，稱為交流反饋；如果電路引入的反饋量既有交流成分又有直流成分，稱為交直流反饋。判別方法如下：可以根據(jù)交流通路和直流通路來判別：若反饋通路存在于直流通路中，則為直流反饋；若反饋通路存在于交流通路中，則為交流反饋；若反饋通路既存在于交流通路中又存在于直流通路中，則為交直流反饋。

例6.2試判斷如圖6.4所示電路是直流反饋還是交流反饋。解：（1）為了判別圖6.4（a）所示電路引入的是直流反饋還是交流反饋，可畫出其直流通路如圖6.5（a）和交流通路如圖6.5（b）所示。從圖中可以看出，Rf僅存在于直流通路中，在交流通路中

Rf一端接“地”成了輸出端負(fù)載，因此Rf引入了直流反饋。（2）在圖6.4（b）中，由于Cf直流開路，因此Rf，Cf引入了交流反饋。圖6.5圖6.4（a）的直流通路和交流通路

6.2.3電壓反饋和電流反饋反饋是從輸出端取樣，若反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，取樣的是電壓，稱為電壓反饋；若反饋信號(hào)與輸出電流成正比，取樣的是電流，稱為電流反饋。判別方法如下：（1）將負(fù)載短路，若反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋；否則為電流反饋。（2）除公共地線外，若反饋線與輸出線接在同一點(diǎn)上，則為電壓反饋；若反饋線與輸出線接在不同點(diǎn)上，則為電流反饋。

例6.3試判斷圖6.4所示電路是電壓反饋還是電流反饋。解：（1）在圖6.4（a）中，將輸出電壓短路，可見，輸出端接地，反饋支路也接地，則反饋量消失，因此Rf引入了電壓反饋。另外可見，Rf構(gòu)成的反饋線與輸出端并接在一起，必然為電壓取樣，故為電壓反饋。（2）在圖6.4（b）中，將負(fù)載RL短路，則反饋信號(hào)仍然存在，故為電流反饋。另外可見，Rf，Cf形成的反饋線接在VT2的發(fā)射極，而輸出線接在VT2的集電極，兩者沒有以輸出端子為公共節(jié)點(diǎn)，故為電流負(fù)反饋。注意：電壓反饋和電流反饋的區(qū)分，只有在負(fù)載變化時(shí)才有意義。當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，若反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，也可以視為與輸出電流成正比，此時(shí)電壓反饋與電流反饋具有相同的效果。只有當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓和輸出電流朝相反方向變化，才有可能區(qū)分反饋信號(hào)和哪一個(gè)輸出量成正比。

6.2.4串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)反饋在輸入端的連接方法，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。對(duì)于串聯(lián)反饋，其反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是串聯(lián)的（即凈輸入電壓是由輸入信號(hào)和反饋信號(hào)相疊加）；對(duì)于并聯(lián)反饋，其反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是并聯(lián)的（即凈輸入電流是由輸入電流和反饋電流相疊加）。判別方法如下：（1）將輸入回路的反饋節(jié)點(diǎn)對(duì)地短路，若輸入信號(hào)仍能送到開環(huán)放大電路中去，則為串聯(lián)反饋；否則為并聯(lián)反饋。（2）串聯(lián)反饋是輸入信號(hào)與反饋信號(hào)加在放大器的不同輸入端（對(duì)于晶體管來說一端為基極，另一端為發(fā)射極）；并聯(lián)反饋則是兩者并接在同一個(gè)輸入端上。

例6.4試判斷如圖6.4所示電路是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。解：（1）在圖6.4（a）中，，即反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是串聯(lián)的。將輸入回路的反饋節(jié)點(diǎn)對(duì)地短路后，相當(dāng)于運(yùn)放反相輸入端接地，其短路后的等效電路如圖6.6所示。由于輸入信號(hào)加在反相端，故信號(hào)仍能送到開環(huán)放大電路，因此為串聯(lián)反饋。圖6.6圖6.4（a）輸入反饋節(jié)點(diǎn)短路后的等效電路

另外可見，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)加在放大器的不同輸入端上，故為串聯(lián)反饋。（2）在圖6.4（b）中，，即反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是并聯(lián)的。將輸入回路反饋節(jié)點(diǎn)對(duì)地短路后，晶體管VT1的基極接地，輸入信號(hào)無法送到開環(huán)放大電路中，故為并聯(lián)反饋。另外可見，Rf，Cf引入的反饋線與輸入信號(hào)線并接在一起，故可直接判定為并聯(lián)反饋。由于直流負(fù)反饋僅能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，在此不做過多討論。對(duì)交流負(fù)反饋而言，綜合輸出端取樣對(duì)象的不同和輸入端的不同接法，可以組成４種類型的負(fù)反饋放大器：①電壓串聯(lián)負(fù)反饋；②電壓并聯(lián)負(fù)反饋；③電流串聯(lián)負(fù)反饋；④電流并聯(lián)負(fù)反饋。返回

6.3負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響放大電路引入負(fù)反饋后，可以使許多方面的性能變好，但是，所有性能的改善都是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)的。

6.3.1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性當(dāng)外界條件變化（如負(fù)載電阻、晶體管

值變化等），即使輸入信號(hào)一定，也會(huì)引起輸出信號(hào)變化，即放大倍數(shù)變化。

引入負(fù)反饋后，由于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，使輸出信號(hào)的變化得到抑制，放大倍數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)反饋深度（1+AF）>>1時(shí)，則稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)（6-5）可見，在深度負(fù)反饋情況下，閉環(huán)增益Af僅取決于反饋系數(shù)F。而反饋系數(shù)F由反饋元件參數(shù)決定，比較穩(wěn)定，因此Af也比較穩(wěn)定。

6.3.2改善非線性失真由于晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管）的非線性特性，或靜態(tài)工作點(diǎn)選得不合適等，當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，在其輸出端就產(chǎn)生了正半周幅值大、負(fù)半周幅值小的非線性失真信號(hào)，如圖6.7（a）所示。引入負(fù)反饋后，如圖6.7（b）所示，反饋信號(hào)來自輸出回路，其波形也是上大下小，將它送到輸入回路，使凈輸入信號(hào)（）變成上小下大，經(jīng)放大，輸出波形的失真獲得補(bǔ)償。從本質(zhì)上說，負(fù)反饋是利用了“預(yù)失真”的波形來改善波形的失真，因而不能完全消除失真，并且對(duì)輸入信號(hào)本身的失真不能減少。同樣道理，負(fù)反饋可以減小由于放大器本身所產(chǎn)生的干擾和噪聲（可看做與非線性失真類似的諧波）。

圖6.7減小非線性失真

6.3.3展寬通頻帶把放大器對(duì)不同頻率的正弦信號(hào)的放大效果稱為放大器的頻率響應(yīng)，其中放大倍數(shù)的大小與頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性。如圖6.8所示為阻容耦合放大電路開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性（在低頻段，因耦合電容隨頻率降低而容抗增大，使信號(hào)受到衰減，放大倍數(shù)減?。辉诟哳l段，因頻率升高而使晶體管的極間電容容抗減小，使放大倍數(shù)減?。Ｒ?guī)定當(dāng)放大倍數(shù)下降為0.707Aum時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率，分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH

，它們之間的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用BW表示，即BW=fH

-fL。通頻帶愈寬，表示放大器工作的頻率范圍愈寬。

圖6.8開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性

由于負(fù)反饋對(duì)任何原因引起的放大倍數(shù)的變化都有抑制能力，因此，對(duì)于因信號(hào)頻率升高或降低而產(chǎn)生的放大倍數(shù)的變化，可自動(dòng)調(diào)節(jié)其變化，使得放大倍數(shù)幅頻特性平穩(wěn)的區(qū)間加大，即通頻帶加寬。反饋后的幅頻特性如圖6.8所示。分析可知，引入負(fù)反饋后