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朱振刚 日记

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负反馈放大电路  

2013-11-30 09:54:57|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第一节 学习要求

1.判断--在掌握反馈的基本概念和类型的基础上, 判断反馈组态及其作用。

2. 引入--在熟悉各种反馈对放大电路性能影响的基础上,按要求引入适当的负反馈。

3.计算--掌握深度负反馈电路交流性能指标的估算。

学习重点: 根据实际要求,引入适当的负反馈。

学习难点: 反馈组态的判别和性能指标的估算。

第二节反馈的基本概念与分类

一、反馈的基本概念

1. 开环放大器或基本放大器

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

图7.1是一个放大器电路,它具有单向性的特点,信号只有从输入到输出一条通路,不存在其它的通路, 特别是没有从输出到输入的通路。这种放大器叫做开环放大器或基本放大器

2、闭环放大器

为了改善基本放大器的性能, 从基本放大器的输出端到输入端引入一条反向的信号通路,构成这条通路的网络叫做反馈网络,这个反向传输的信号叫做反馈信号。由基本放大器和反馈网络构成的放大器叫做闭环放大器或反馈放大器。 所谓"反馈",就是通过一定的电路形式(反馈网络), 把放大电路输出信号的一部分或全部按一定的方式送回到放大电路的输入端, 并影响放大电路的输入信号。这样,电路输入端的实际信号不仅有信号源直接提供的信号, 还有输出端反馈回输入端的反馈信号。

3、反馈放大器一般模型

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

任何反馈放大器都可以抽象为一个模型来分析, 其基本放大器和反馈网络都具有单向性。图7.2中各函数之间的关系为:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式中负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记为基本放大电路的输入信号, 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记分别为反馈放大电路的输入、输出信号,负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记为反馈网络的输出信号, 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记为基本放大电路的增益, 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记为反馈网络的传输系数,负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记称为环路增益。若用负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记表示反馈放大电路的增益,则有

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式中负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记称为放大电路的反馈深度,它是衡量反馈程度的一个重要指标。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

即引入反馈后,增益减少了,这种反馈一般称为负反馈。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

即引入反馈后,增益增大了,这种反馈一般称为正反馈。正反馈虽然可以提高放大电路的增益,但性能不稳定,一般很少用。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

这就是说,放大电路在没有输入信号时,也有输出信号,叫做放大电路的自激。

4、反馈的类型

(1)正反馈与负反馈

(2)内部反馈与外部反馈

(3)交流反馈、直流反馈和交直流反馈

(4)电压反馈与电流反馈

(5)并联反馈与串联反馈

二、四种类型的负反馈组态

(1)电压串联负反馈

(2)电压并联负反馈

(3)电流串联负反馈

(4)电流并联负反馈

1. 电压串联负反馈

(1) 反馈极性的判别方法:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

电路如图7.3所示,基本放大电路就是一只集成运放, 用A表示;反馈网络是由R1和R2组成的分压器,用F表示。 下面用瞬时极性法判别电路的反馈极性,方法如下:

①断开反馈通路,给定原输入信号一个极性;

②根据该极性,逐步推断基本放大器中有关信号的相应极性;

③确定反馈信号vF的极性;

④根据vI与vF的极性,确定净输入信号vID与vI、vF之间的数值关系:负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

(2)电压反馈与电流反馈的判别方法:

①先区分基本放大器A和反馈网络F;

②判别F的输入端与A的输出端的连接方式:并联的称为电压反馈 ;串联的称为电流反馈。

(3)并联反馈与串联反馈的判别方法:

① 先区分基本放大器A和反馈网络F;

② 判别F的输出端与A的输入端的连接方式: 并联的称为并联反馈;串联的称为串联反馈。

(4)电压串联负反馈的特点:

① 反馈电压与输出电压成比例

② 稳定输出电压,降低输出电阻

③ Vid=Vi-Vf要求RS小,反馈效果明显

④ AVF指的是输出电压与输入电压之比

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

例题1:试分析图7.4所示电路存在的反馈,并判断其反馈组态。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

解:(1)采用瞬时极性法判断反馈极性。可得经反馈后的负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记减少,故为负反馈。

(2)反馈网络F是由R4、R5构成的,其输入端与RL并联, 所以为电压反馈;

(3)反馈网络F的输出电压VF与输入电压Vi串联, 故为串联反馈 。因此,该电路属于电压串联负反馈放大电路。

2. 电流并联负反馈

电路如图7.5所示 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

(1)用瞬时极性法判别反馈极性:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

(2)判别是电压反馈还是电流反馈:

因为F的输入端与A的输出端串联,所以为电流反馈。

(3) 判别是并联反馈还是串联反馈:

因为F的输出端与A的输入端并联,所以为并联反馈。

所以该电路反馈形式为电流并联负反馈

(4)电流并联负反馈特点:

① 反馈电流与输出电流成比例。

② 输出电流趋向于维持恒定。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

③ 因为负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记,所以要求RS大,反馈效果明显

④ AIF指的是输出电流与输入电流之比。即:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

例题2:由硅三极管T1、T2组成的反馈电路如图7.6所示,试分析电路结构和其中存在的反馈,并判断其反馈组态。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

解(1)电路结构分析该电路为2级直接耦合的共射极放大电路,它们之间通过Rf实现级间反馈。输入信号为电流源IS, 内阻RS的值很高而被忽略;输出量为电流IO,因此它是电流放大器。

解(2)直流反馈分析如果是直流负反馈, 那么其目的就是稳定电路的静态工作点。可以用瞬时极性法判别之。

解(3)交流反馈组态判别用瞬时极性法判别反馈极性可知, 由反馈网络Rf引入的反馈是负反馈。 电压或电流反馈:电流反馈串联或并联反馈:并联反馈

3、电压并联负反馈

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

电路如图7.7所示,该电路的反馈极性和反馈组态的判断与上述方法一样,下面只介绍该类型电路的特点:

① 输出电压趋向于维持恒定

② 因为负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记,所以要求RS大,反馈效果明显

③ ARF指的是输出电压输入电流之比,即:

其中

4、电流串联负反馈

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

电路如图7.8所示,该电路的反馈极性和反馈组态的判断与上述方法一样,下面只介绍该类型电路的特点:

① 输出电流趋向于维持恒定。

② 因为负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记,所以要求RS小,反馈效果明显

 AGF指的是输出电流输入电压之比,即:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

小结:反馈放大电路中的电压、电流信号及AF和F和含义,(见教材P290表7.3.1)

例题(P319 7.2.2)推导图7.9所示电路框图闭环增益的表达式。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

第三节负反馈对放大电路性能的改善

一、提高增益的稳定性

稳定性是放大电路的重要指标之一。在输入一定的情况下,放大电路由于各种因素的变化,输出电压或电流会随之变化,因而引起增益的改变。引入负反馈,可以稳定输出电压或电流,进而使增益稳定 。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式表明:引入深负反馈的情况下,负反馈放大器的增益只与反馈系数F有关,因此有很高的稳定性。 由于增益的稳定性是用其绝对值的相对变化来表示的,因此上式可以表示为:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式表明:引入负反馈以后,增益的稳定度提高了1+AF倍

二、扩展通频带

从本质上说,频带限制是由于放大电路对不同频率的信号呈现出不同的放大倍数而造成的。负反馈具有稳定闭环增益的作用,因而对于频率增大(或减小)引起的放大倍数下降,同样具有稳定作用。也就是说,它能减小频率变化对闭环增益的影响,从而展宽闭环增益的频率。

可以证明:引入负反馈后,放大器的通频带扩展了1+AF倍--见教材P293

注意:对于电压串联负反馈情况, 展宽的是电压增益的频带(1+ AF倍)。对于其它三种类型能否展宽电压增益的频带与其它条件有关。

三、对输入、输出电阻的影响

(1)串联负反馈使输入电阻增加

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

由于基本放大电路与反馈电路在输入回路串联,如图7.10所示。因为负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记削弱了负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记的作用,导致在同样的负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记下,负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记比无反馈时小,因此,串联负反馈具有提高输入电阻的作用。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式表明:串联负反馈使输入电阻增大负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记倍。

(2)并联负反馈使输入电阻减少

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

由于基本放大电路与反馈电路在输入回路中并联, 如图 7.11所示,由于负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记,在相同的Vi作用下,因If的存在而使Ii增加,因此,并联负反馈使输入电阻Rif=Vi/Ii减小。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

所以,并联负反馈使输入电阻减小负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记倍。

(3)电压负反馈使输出电阻减小

由于电压负反馈具有稳定输出V0的作用,即RL改变时,维持V0基本不变,相当于内阻很小的电流源。∴电压负反馈的引入,使R0比无反馈时小。可以证明:Rof= Ro /(1+AoF)

其中Ao:RL短路的开环放大倍数。

(4)电流负反馈使输出电阻增大

由于电流负反馈具有稳定输出I0的作用,即RL改变时,维持I0基本不变,相当于内阻很大的电流源。∴电流负反馈的引入,使R0比无反馈时大。可以证明:Rof=(1+AoF)Ro

其中Ao:RL开路的开环放大倍数。

四、减少非线性失真

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

由于放大器均存在非线性传输特性如图7.12所示,特别是输入信号幅度较大的情况下 , 放大器可能工作到它的传输特性的非线性部分,使输出波形产生非线性失真。引入负反馈后,可以使这种失真减少。

在深度负反馈的情况下:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

上式表明:负反馈放大器的增益与基本放大器的增益无关,所以电压放大器的闭环传输特性可以近似用一条直线表示,如图7.12中的曲线2。与曲线1相比,在同样输出电压幅度的情况下,斜率(即增益)下降了,但增益随输入信号的大小而改变的程度却大为减小,着说明输出与输入之间几乎呈线性关系,即减少了非线性失真。注意:负反馈减少非线性失真是指反馈环内的失真。

P295 表7.3.2负反馈对放大电路性能的影响负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

第四节深负反馈放大电路的分析方法

一、深负反馈条件下的近似估算

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

这就是说,只要求出F,AF的值也就确定。

例1(P296例7.4.1)

电路如图7.13所示,试近似计算放大电路的电压增益, 定性分析放大电路的输入输出电阻。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

在深负反馈条件下,放大电路的增益为:

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

根据电压反馈的特点,反馈放大器的输出电阻Rif远比运算放大器本身的输出电阻ro要小。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

二、虚短、虚断概念的运用

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

现在让我们利用虚短、虚断的概念重新解例1

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

例2 电路如图7.14所示,它是三极管射极偏置电路,其交流通路见图7.15,试近似电路的电压增益。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

将上式与第三章的计算结果 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记 作一比较可知,当电路处于深度负反馈,例如在β值甚大时, 负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记可以简化为负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记其物理意义是明显的。

根据电流串联负反馈的特点,图7.14(图7.15)所示电路的输人电阻提高很多; 而由于电流反馈的作用, BJT的恒流特性得到改善,故其输出电阻大为增加,但它作为电压放大电路使用时,其实际的输出电阻Rof≈Rc

电流串联负反馈电路一般用作电压-电流变换器。 因其输入电阻高的特点,有时亦可作为多级放大电路的输入级使用。

例3 电路如图7.16所示,请判断电路中存在的反馈组态,并导出电压增益表达式。设运放是理想的。

负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

(1)用瞬时极性法判别可知电路的反馈极性为负反馈; 由图中可知,运放A1和A2组成基本放大电路,输入电压为Vi, 输出电压为VO,属电压放大电路。反馈网络由分压器(R3、R4)、运放A3和(R5、R6)组成的同相放大电路以及第二分压电路组成(R7、R8)所组成,属有源反馈网络。

(2)求闭环增益负反馈放大电路 - zhuzhengang666 - 朱振刚日记 :由题意知,各运放都是理想的,由运放组成的电路均处于深度负反馈的情况,级间反馈也处于深度负反馈的状态;根据虚短和虚短的概念有:

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