模電-電子線路線性部分第五版-主編-馮軍-謝嘉奎第五章

5.2負反饋對放大器性能的影響5.4深度負反饋*5.3負反饋放大器的性能分析5.1反饋放大器的基本概念第5章放大器中的負反饋5.5負反饋放大器的穩(wěn)定性2021/10/10星期日15.1反饋放大器的基本概念5.1.1反饋放大器的組成將放大器輸出信號的一部分或全部，通過反饋網(wǎng)絡回送到電路輸入端，并對輸入信號進行調整，所形成的閉合回路即反饋放大器。反饋放大器組成框圖基本放大器A反饋網(wǎng)絡kfxoxix

ixf凈輸入信號

輸入信號反饋信號輸出信號第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日2反饋放大器增益一般表達式基本放大器A反饋網(wǎng)絡kfxoxix

ixf開環(huán)增益反饋系數(shù)閉環(huán)增益反饋深度環(huán)路增益反饋深度

F(或環(huán)路增益T)是衡量反饋強弱的一項重要指標。其值直接影響電路性能。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日3反饋極性由于凈輸入信號若

xf

削弱了xi，使

x

i<xi負反饋若

xf

增強了xi，使

x

i>xi正反饋說明負反饋具有自動調整作用，可改善放大器性能。

例：某原因正反饋使放大器工作不穩(wěn)定，多用于振蕩器中。負反饋的自動調整作用是以犧牲增益為代價的。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日45.1.2四種類型負反饋放大器

根據(jù)輸出端連接方式電壓反饋AkfRL+-voxixfx

i在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡與基本放大器并接，反饋信號取自負載上輸出電壓的反饋稱為電壓反饋。輸出量xo=voxixfx

iAkfRLio在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡與基本放大器串接，反饋信號取自負載中輸出電流的反饋稱為電流反饋。電流反饋輸出量xo=io第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日5

根據(jù)輸入端連接方式串聯(lián)反饋在輸入端，反饋網(wǎng)絡與基本放大器串接，反饋信號以電壓vf

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進行電壓比較，即

v

i=vi

-

vf

。在輸入端，反饋網(wǎng)絡與基本放大器并接，反饋信號以電流if

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進行電流比較，即

ii

=ii

-

if

。并聯(lián)反饋AkfRS+-vs+-vivfv

i+-+-xoAkfRSiSiiifii

xo第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日6四種類型負反饋放大器增益表達式AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voArkfgRL+-voRSiSiiifii

電壓串聯(lián)負反饋開環(huán)電壓增益電壓反饋系數(shù)閉環(huán)電壓增益

電壓并聯(lián)負反饋開環(huán)互阻增益互導反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日7AgkfrRLioRS+-vs+-vivfv

i+-+-RSiSiiifii

AikfiRLio

電流串聯(lián)負反饋開環(huán)互導增益互阻反饋系數(shù)閉環(huán)互導增益

電流并聯(lián)負反饋開環(huán)電流增益電流反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益注意：不同反饋類型對應不同輸入、輸出電量，因此不同類型反饋電路的

A、kf、Af

含義不同。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日8Akfxoxixfx

i5.1.2反饋極性與類型的判別判斷是否為反饋電路看電路輸出與輸入之間是否接有元件，若有則為反饋電路，該元件即為反饋元件。例1Rf

為反饋元件。RE為反饋元件。第5章放大器中的負反饋viVCCRCRfvoviVCCRCvo+-+-RERB1RB2例22021/10/10星期日9

判斷反饋類型—采用短路法假設輸出端交流短路，若反饋信號消失，則為電壓反饋；反之為電流反饋。判斷電壓與電流反饋判斷串聯(lián)與并聯(lián)反饋假設輸入端交流短路，若反饋作用消失，則為并聯(lián)反饋；反之為串聯(lián)反饋。AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voiiii

ioRSiSifAikfiRL第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日10

判斷反饋極性—采用瞬時極性法Akfxoxixfxi

設vi

瞬時極性為用正負號表示電路中各點電壓的瞬時極性，或用箭頭表示各節(jié)點電流瞬時流向的方法稱瞬時極性法。

比較xf

與xi

的極性(

xi=

xi

-

xf

)若xf與xi同相，使xi

減小的，為負反饋；若xf

與xi

反相，使xi

增大的，為正反饋。經(jīng)A判斷vo？？經(jīng)kf判斷

xf？？第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日11說明用瞬時極性法比較xf

與xi

極性時：若是并聯(lián)反饋：則需根據(jù)電壓的瞬時極性，標出相關支路的電流流向，然后用電流進行比較(ii=

ii

-

if)。若是串聯(lián)反饋：則直接用電壓進行比較(vi=

vi

-

vf

)。按交、直流性質分：直流反饋：交流反饋：反饋信號為直流量，用于穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點。反饋信號為交流量，用于改善放大器動態(tài)性能。多級放大器中的反饋：局部反饋：越級反饋：反饋由本級輸出信號產(chǎn)生，可忽略。

輸出信號跨越一個以上放大級向輸入端傳送的稱為級間(或越級)反饋。

第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日12例1判斷電路的反饋極性和反饋類型。

假設輸出端交流短路，Rf

引入的反饋消失電壓反饋。

假設輸入端交流短路，Rf

的反饋作用消失并聯(lián)反饋。

分析：→則

vc

為○-

假設vi

瞬時極性為○+○+○-→形成的if

方向如圖示。iiifib因凈輸入電流ib=ii

-

if<ii負反饋。

結論：Rf

引入電壓并聯(lián)負反饋。第5章放大器中的負反饋viVCCRCRfvo+-+-2021/10/10星期日13例

2判斷圖示電路的反饋極性和反饋類型。

假設輸出端交流短路，RE

上的反饋依然存在電流反饋。

假設輸入端交流短路，RE

上的反饋沒有消失串聯(lián)反饋。

分析：

假設vi

瞬時極性為○+因凈輸入電壓vbe=vi

-

vf<vi負反饋。

結論：RE

引入電流串聯(lián)負反饋?！?→則ve(即vf)極性為○+○+第5章放大器中的負反饋viVCCRCvo+-+-RERB1RB2viRCvo+-+-RERB1RB22021/10/10星期日14例3判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

-+AR1Rf+-vsvo-+AR1Rf+-vsvo○+○-○-電流并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)正反饋○+○-○-○-○+○-電壓并聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋○+○+○+第5章放大器中的負反饋viVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2RfviVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2Rf2021/10/10星期日15viVCCRC1voVEERfRE2R1RC2RC3RST1T2T3例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

viVCCRC1voVEERER1RC2RC3RST1T2T3Rf○+○-○-○+○+○+電流串聯(lián)負反饋○+電流并聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日16例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

○+○+○+○+○-電壓并聯(lián)正反饋○-○+電壓串聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG12021/10/10星期日175.2.1降低增益5.2負反饋對放大器性能的影響反饋越深，電路增益越小。由得知：注：當取源增益時，上式依然成立，即5.2.2減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)

定義由得(2)

(1)得(1)(2)反饋越深，增益靈敏度越小。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日185.2.3改變輸入、輸出電阻輸入電阻串聯(lián)反饋+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益反饋電路輸入電阻：引入串聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越大。結論第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日19并聯(lián)反饋反饋電路輸入電阻：引入并聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越小。結論AkfRiRsisifii

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日20輸出電阻電壓反饋Ro：考慮反饋網(wǎng)絡負載效應后，基放輸出電阻。Ast：負載開路時，基本放大器源增益。i+-v基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡+-令xs=0由定義得Rof電路模型：由圖得引入電壓反饋，反饋越深，輸出電阻越小，vo

越穩(wěn)定。結論基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡+-RLxsvo+-第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日21電流反饋Ro：考慮反饋網(wǎng)絡負載效應后，基放輸出電阻。Asn：負載短路時，基本放大器源增益。由定義得Rof電路模型：由圖得引入電流反饋，反饋越深，輸出電阻越大，io

越穩(wěn)定。結論基放Roxsxfxs

ioAsnxs

RL反饋網(wǎng)絡令xs=0i+-v基放Roxfxs

Asnxs

反饋網(wǎng)絡第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日225.2.4減小頻率失真(或擴展通頻帶)

由于負反饋降低了電路增益靈敏度，因此放大器可在更寬的通頻帶范圍內維持增益不變。單極點系統(tǒng)引入負反饋后，反饋越深，上限角頻率越大,增益越小，但其增益帶寬積維持不變。設基放為單極點系統(tǒng)：則若反饋網(wǎng)絡反饋系數(shù)為：則閉環(huán)系統(tǒng)：其中：注意：通頻帶的擴展是以降低增益為代價的。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日235.2.5減小非線性失真基本放大器vovivfv

i例如：一基本放大器，引入負反饋反饋網(wǎng)絡注意：負反饋只能減小反饋環(huán)內的失真，若輸入信號本身產(chǎn)生失真，反饋電路無能為力。輸入正弦信號時，輸出產(chǎn)生失真。vo失真減小。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日245.2.6噪聲性能不變同減小非線性失真一樣，引入負反饋可減小噪聲。注意：負反饋在減小噪聲的同時，有用信號以同樣的倍數(shù)在減小，其信噪比不變。因此，引入負反饋放大器噪聲性能不變。綜上所述，負反饋對放大器性能影響主要表現(xiàn)為：降低增益減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)改變電路輸入、輸出電阻減小頻率失真(或擴展通頻帶)減小非線性失真噪聲性能不變第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日25在電路輸出端基本放大器引入負反饋的原則若要求電路vo

穩(wěn)定或Ro

小應引入電壓負反饋。若要求電路io

穩(wěn)定或Ro

大應引入電流負反饋。在電路輸入端若要求Ri

大或從信號源索取的電流小引入串聯(lián)負反饋。若要求Ri

小或從信號源索取的電流大引入并聯(lián)負反饋。反饋效果與信號源內阻RS

的關系若電路采用RS較小的電壓源激勵應引入串聯(lián)負反饋若電路采用RS較大的電流源激勵應引入并聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日26反饋效果與RS關系的說明：串聯(lián)負反饋采用電壓源激勵時，若RS

0則由于vS恒定，則vf的變化量全部轉化為vi

的變化量，此時反饋效果最強。采用電流源激勵時，若RS

由于iS恒定，vi

固定不變，結果導致反饋作用消失。+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-vixo(電壓源激勵)is+-AkfRiRs+-vfvi

+-vixo(電流源激勵)則恒定第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日27ii

iiifAkfRixoRsvs+-vi

+-(電壓源激勵)ifii

iiAkfRixoisRs(電流源激勵)并聯(lián)負反饋采用電壓源激勵時，若RS

0則由于iS恒定，則if的變化量全部轉化為ii

的變化量，此時反饋效果最強。采用電流源激勵時，若RS

由于vi

固定不變，結果導致反饋作用消失。則恒定第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日28深度負反饋條件5.4深度負反饋當電路滿足深度負反饋條件時：將T>>1或F>>1稱為深度負反饋條件。串聯(lián)反饋電路輸入電阻：并聯(lián)反饋電路輸入電阻：電壓反饋電路輸出電阻：電流反饋電路輸出電阻：增益：或第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日29深度負反饋條件下Avf

的估算根據(jù)反饋類型確定kf

含義，并計算kf分析步驟：

若并聯(lián)反饋：將輸入端交流短路若串聯(lián)反饋：將輸入端交流開路則反饋系數(shù)確定Afs(=xo/xs)含義，并計算Afs

=1

/kf

將Afs

轉換成Avfs=vo

/vskf=xf/xo計算此時xo產(chǎn)生的xf第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日30例1圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs。該電路為電壓串聯(lián)負反饋放大器。解：將輸入端交流開路，即將T1管射極斷開：則因此第5章放大器中的負反饋vsRC1vo+-+-RE1RLRC2RfRST1T2+-vf2021/10/10星期日31例2圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs。該電路為電流并聯(lián)負反饋放大器。解：將輸入端交流短路，即將T1

管基極交流接地：則因此第5章放大器中的負反饋isRC1vo+-RLRC2RfRST1T2ifRE2io2021/10/10星期日32例3圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs。該電路為電壓并聯(lián)負反饋。(1)解：將反相輸入端交流接地：則因此該電路為電壓串聯(lián)負反饋。(2)解：將反相輸入端交流開路：則因此-+AR1Rf+-vsvoif(圖1)-+AR1Rf+-vsvo-+vf(圖2)第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日335.5負反饋放大器的穩(wěn)定性實際上，放大器在中頻區(qū)施加負反饋時，有可能因Akf在高頻區(qū)的附加相移使負反饋變?yōu)檎答?，引起電路自激?.5.1判別穩(wěn)定性的準則反饋放大器頻率特性：若在某一頻率上T(j

)=-1放大器自激自激振幅條件自激相位條件說明自激時，即使xi=0，但由于xi

=xf，因此反饋電路在無輸入時，仍有信號輸出。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日34不自激條件當或時，或當時，或

注意：只要設法破壞自激的振幅條件或相位條件，放大器就不會產(chǎn)生自激。

穩(wěn)定裕量要保證負反饋放大器穩(wěn)定工作，還需使它遠離自激狀態(tài)，遠離程度可用穩(wěn)定裕量表示。當時，相位裕量當時，增益裕量

g—增益交界角頻率；

—相位交界角頻率。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日35相位裕量圖解分析法假設放大器施加的是電阻性反饋，kf

為實數(shù)：得由在A(

)或T(

)波特圖上找

g在A(

)波特圖上，作1/kf(dB)的水平線，交點即

g。在T(

)波特圖上，與水平軸[T(

)=0dB]的交點，即

g。根據(jù)

g

在相頻曲線上找

T(

g)

判斷相位裕量若放大器穩(wěn)定工作若放大器工作不穩(wěn)定注：1/kf(dB)的水平線稱增益線。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日36例1已知A(j

)波特圖，判斷電路是否自激。(1/kf)dB

g

T(

g)(1)在

A(

)波特圖上作1/kf(dB)的水平線。分析：(2)找出交點，即

g。(3)在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)

。(4)由于

>45

，因此電路穩(wěn)定工作，不自激。A(

)/dB

O

T(

)

O-180

-90

第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日37例2已知T(j

)波特圖，判斷電路是否自激。

T(

g)(1)由T(

)波特圖與橫軸的交點，找出

g。分析：(2)由

g

在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)。T(

)/dB

O

T(

)

O-180o

g

(3)由于

<0

，因此電路自激。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日38利用幅頻特性漸近波特圖判別穩(wěn)定性一無零三極系統(tǒng)波特圖如下，分析

g

落在何處系統(tǒng)穩(wěn)定。O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80放大器必穩(wěn)定工作?；?/p>

g

落在

P1

與

P2

之間，只要

g落在斜率為：(-20dB/10倍頻)的下降段內，

g則

>45

p2=10

p1，

p3=10

p2第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日39O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80

p2=10

p1，將

p3

靠近

p2。由于|

T(

p2)|

則

g

落在

p1

與

p2

之間時，放大器依然穩(wěn)定工作。

第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日40結論：在多極點的低通系統(tǒng)中，若

p310

p2，則只要

g

落在斜率為(-20dB/10倍頻)的下降段內，或

g

落在

p1與

p2

之間，放大器必穩(wěn)定工作。將

p2靠近

p1，由于|

T(

p2)|

上述結論不成立。

O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日415.5.2集成運放的相位補償技術解決方法：采用相位補償技術。在中頻區(qū)，反饋系數(shù)kf越大，反饋越深，電路性能越好。在高頻區(qū)，kf

越大，相位裕量越小，放大器工作越不穩(wěn)定。在中頻增益AI基本不變的前提下，設法拉長

p1

與

p2

之間的間距，或加長斜率為“-20dB/10倍頻”線段的長度，使得kf增大時，仍能獲得所需的相位裕量。相位補償基本思想：第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日42滯后補償技術簡單電容補償—降低

p1補償方法：將補償電容C

并接在集成運放產(chǎn)生第一個極點角頻率的節(jié)點上，使

p1

降低到

d。AdiRCC

p1

降低到

d反饋增益線下移穩(wěn)定工作允許的kf

增大。

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kf)第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日43

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kfv)

d

與kf

之間的關系：由圖十倍頻整理得

kfv

d

反饋電路穩(wěn)定性，但

H。

kfv

=1時，全補償(C

用CS

表示)

d0此時，kfv

無論取何值，電路均可穩(wěn)定工作。第5章放大器中的負反饋2021/10/10星期日44例1一集成運放AvdI=105，fp1=200Hz，fp2=2MHz，fp3=20MHz，產(chǎn)生fp1節(jié)點上等效電路R1=200k，接成同相放大器，采用簡單電容補償。試求：fp2fp1Avd

(f

)/dBfOfp310020406080解：(1)求未補償前，同相放大器提供的最小增益

？根據(jù)題意，可畫出運放的幅頻漸近波特圖。未補償前，為保證穩(wěn)定工作：1