模电课件4-刘润华.ppt

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Chapter4负反馈放大电路反馈的基本概念与增益的一般表达式负反馈放大电路的四种组态负反馈对放大电路的影响深度负反馈放大电路的增益计算负反馈对放大电路的稳定性分析1 Chapter4负反馈放大电路4.1反馈的基本概念与增益的一般表达式给定值调节器油井液面测量变频器抽油机油井输出抽油机自动控制系统2 4.1.1反馈的基本概念基本放大电路A反馈网络F+基本放大电路A开环放大器闭环放大器1、反馈的定义将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过反馈网络回送到输入端，与输入信号比较并影响放大电路净输入信号的过程称反馈。放大电路引入反馈后，组成反馈放大电路。3 基本放大电路A反馈网络F+输出信号反馈环：信号流向F—反馈系数输入信号反馈信号比较环节净输入信号其中：反馈放大电路的闭环增益：4 2、反馈的分类与判别正反馈与负反馈串联反馈与并联反馈电压反馈与电流反馈直流反馈与交流反馈本级反馈与级间反馈5 （1）正反馈与负反馈（反馈信号极性）a）正反馈引入反馈后，使输入信号加强的反馈为正反馈。即基本放大A反馈网络F+正反馈会使放大电路工作不稳定，容易产生自激振荡，即在无信号输入时，也会产生无关的信号输出。b）负反馈引入反馈后，使输入信号削弱的反馈为负反馈。即负反馈可在多方面改善放大电路的性能，但会使电路的增益下降。判断方法：瞬时极性法。6 瞬时极性法：首先假设输入信号为某一极性，一般为“＋”，然后按照信号传输的方向逐级向后推断，确定输出信号的极性，再由输出端通过反馈网络返回输入回路，确定反馈信号的极性，最后依照反馈的正负极性和上述定义作出结论。基本放大A反馈网络F+7 在输入端，输入信号与反馈信号以电压形式叠加为串联反馈。（2）串联反馈与并联反馈（反馈信号在入端的连接方式）a）串联反馈Ud=Ui-Uf8 b）并联反馈在输入端，输入信号与反馈信号以电流形式叠加为并联反馈。（2）串联反馈与并联反馈（反馈信号在入端的连接方式）Id=Ii-If9 串联反馈并联反馈10 （3）电压反馈与电流反馈（信号在输出端的取样方式）a）电压反馈在输出端，反馈信号的取样对象为输出电压时为电压反馈（即反馈信号正比于输出电压）。电压反馈11 b）电流反馈在输出端，反馈信号的取样对象为输出电流时为电流反馈（即反馈信号正比于输出电流）。（3）电压反馈与电流反馈（信号在输出端的取样方式）12 （4）直流反馈与交流反馈（信号性质）a）直流反馈影响电路直流性能的反馈称直流反馈。主要用于稳定静态工作点。b）交流反馈影响电路动态性能的反馈称交流反馈。主要用于改善放大电路的动态性能，如提高A的稳定性、增加ri，降低ro，增大BW，改善输出波形、抑制干扰等。判断方法：引入反馈的环路中，只要有一处有电容“隔直”，则为交流反馈。在直接耦合放大电路中，即可传输交流信号，也可传输直流信号，此时引入的反馈为交、直流反馈。13 交、直流反馈交流反馈直流通路交流通路交流通路直流负反馈14 （5）本级反馈与级间反馈a）本级反馈b）级间反馈若反馈网络连接在同一级放大电路的输出与输入之间，只能影响该级电路的性能，称本级反馈。若反馈网络连接多级放大电路的输出与输入之间，对多级放大电路的性能有影响，称级间反馈。15 3、反馈放大电路增益的一般表达式基本放大A反馈网络F+由方框图可得：闭环增益（1）闭环增益的一般表达式16 （2）闭环增益一般表达式的分析a）反馈深度开环增益与闭环增益之比，反映了反馈对放大电路的影响。若，则，即引入反馈后增益下降，这种反馈为负反馈。若，则，即引入反馈后增益增加，这种反馈为正反馈。若，则，说明放大电路没有输入信号时也有输出，此时电路处于自激振荡状态。17 b）环路增益c）深度负反馈时增益的近似表达式净输入量经基本放大电路和反馈网络巡环一周所具有的增益称环路增益。也是描述反馈放大电路性能的重要指标。当时，相应的负反馈称深度负反馈，则18 4.2负反馈放大电路的四种组态在输出回路中，按Xf的来源不同，有电压反馈和电流反馈；在输入回路中，按Xf的接入方式不同，又分串联反馈和并联反馈。它们的不同组合，使负反馈放大电路有以下四种组态：电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈19 1、电压串联负反馈1）用瞬时极性法判断正负反馈。负反馈2）由输出端判断电压或电流反馈。当时，故为电压反馈3）由输入端判断串联或并联反馈。电压比较，故为串联反馈又该电路为直接耦合，即为交直流反馈。电压串联交直流负反馈20 uoufuduo电压负反馈可以稳定输出电压21 1）用瞬时极性法判断正负反馈。负反馈2）由输出端判断电压或电流反馈。电压反馈3）由输入端判断串联或并联反馈。串联反馈4）由反馈信号判断直流或或交流反馈。交流反馈电压串联交流负反馈22 2、电流并联负反馈1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电流反馈3）判断串联或并联反馈。并联反馈4）判断直流或或交流反馈。交直流反馈电流并联交直流负反馈电流反馈能稳定输出电流。ioifi'iiouR323 1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电流反馈3）判断串联或并联反馈。并联反馈4）判断直流或或交流反馈。交直流反馈电流并联交直流负反馈24 3、电压并联负反馈1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电压反馈3）判断串联或并联反馈。并联反馈4）判断直流或或交流反馈。交直流反馈电压并联交直流负反馈电流比较电压反馈能稳定输出电压。uoifi'iuo25 1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电压反馈3）判断串联或并联反馈。并联反馈4）判断直流或或交流反馈。交直流反馈电压并联交直流负反馈26 4、电流串联负反馈1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电流反馈3）判断串联或并联反馈。串联反馈4）判断直流或交流反馈。电流串联交直流负反馈ILUfUdILU’f27 1）判断反馈极性。负反馈2）判断电压或电流反馈。电流反馈3）判断串联或并联反馈。串联反馈4）判断直流或或交流反馈。交直流反馈电流串联交直流负反馈28 4.3负反馈对放大电路的影响负反馈对增益的影响负反馈对非线性失真的影响负反馈对通频带的影响负反馈对输入电阻的影响负反馈对输出电阻的影响负反馈对噪声、干扰和温漂的影响引入负反馈后，虽然放大倍数降低了，但对电路的性能有多方面的改善，改善的程度都与反馈深度有关。29 4.3.1负反馈对增益的影响环境温度、电源电压的变化，电路元、器件参数和特性的变化都会使放大电路的增益发生变化。1、深度负反馈情况放大电路的增益与电路的性能无关。反馈网络一般由性能稳定的无源线性元件组成。2、一般情况负反馈对放大电路增益稳定性改善的程度通常用增益的相对变化率来衡量。30 在不考虑相位关系情况下有反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。31 4.3.2负反馈对非线性失真的影响失真的反馈信号，使净输入产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真。32 负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。在非线性失真不太严重时，输出波形中的非线性失真系数近似减小为原来的1/（1+AF）。33 4.3.3负反馈对通频带的影响无反馈时中频增益引入负反馈后闭环中频增益设纯阻性34 无反馈时引入负反馈后引入负反馈后通频带展宽为（1+AmF）倍，但中频增益下降为无反馈时的1/（1+AmF）。故增益带宽积基本不变。可见，负反馈的反馈深度愈深，通频带展得就愈宽，中频增益下降愈多。35 4.3.4负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关。(1)串联负反馈使输入电阻增加以电压串联负反馈为例：36 (2)并联负反馈使输入电阻减小以电压并联负反馈为例：37 4.3.5负反馈对输出电阻的影响(1)电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈可以使输出电阻减小，稳定输出电压。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。38 （2）电流负反馈使输出电阻增加电流负反馈可以使输出电阻增加，稳定输出电流。39 4.3.6负反馈对噪声、干扰和温漂的影响原理同负反馈对放大电路非线性失真的改善。负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用。40 结论：4、反馈信号与外加输入信号的求和方式不同，对放大电路的输入电阻产生的影响不同。串联负反馈使输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。但与反馈信号在输出端的采样方式无关。1、负反馈使电路增益下降，但提高了增益的稳定性。2、负反馈在牺牲增益的前提下，展宽了通频带，但闭环的增益带宽积AmfBWf与开环的增益带宽积AmBW近似相等。3、负反馈能改善环内的非线性失真，但对信号的失真无能为力。41 5、反馈信号在输出端采样方式不同，对放大电路的输出电阻产生的影响不同。电压负反馈使输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。但与反馈信号在输入端的比较方式无关。6、电压负反馈可稳定输出电压；电流负反馈可稳定输出电流。7、负反馈对放大电路的影响均与反馈深度（1+AF）有关。负反馈越深，改善的效果越显著，但放大倍数下降越多。42 4.4深度负反馈放大电路的增益计算利用公式根据不同的反馈阻态，其步骤为：电压串联：电压并联：电流串联：电流并联:Xi=Xd+Xf=Xd(1+AF)并联反馈时：串联反馈时：43 1.电压串联负反馈的计算串联反馈时：44 45 2.电流串联负反馈的计算串联反馈时：46 47 3.电压并联负反馈的计算虚短（虚地）并联反馈时：48 49 4.电流并联负反馈的计算虚短（虚地）并联反馈时：50 51 4.5负反馈放大电路的稳定性分析产生自激振荡的原因及条件稳定判据及稳定裕度稳定运行的频率补偿措施52 自激振荡：即使没有外加输入信号，放大电路仍有一定频率和幅度的输出信号。这就破坏了正常的放大功能。故放大电路应避免产生自激振荡。53 4.5.1产生自激振荡的原因及条件负反馈作用:在中频范围内，放大电路的输入信号与反馈信号一般是同相的，净输入信号的幅值小于输入信号的幅值。54 当信号频率超出了中频范围（频率超过了上限频率），放大电路中的电抗元件必然产生附加相移，如果附加相位差达到180度，那么原来的负反馈就变成了正反馈。55 放大电路内部的噪声信号在正反馈的作用下，多次循环放大，幅度越来越大，最后受器件非线性限制，变成等幅的振荡信号。即使没有输入信号照常有输出，即产生了自激振荡。56 1-=AF自激震荡条件57 相位平衡条件幅度平衡条件+=D+D1801)(2nFAojj=1||AF58 4.5.2稳定判据及稳定裕度一种方法1-=AF自激震荡条件稳定不稳定59 另一种方法稳定不稳定60 稳定不稳定61 负反馈放大电路的稳定裕度为了使设计的负反馈放大电路能稳定可靠地工作，不但要求在预定的工作条件下不产生自激振荡，而且当环境温度、电路参数及电源电压等因素在一定范围内变化时也能满足稳定条件，为此要求放大电路要有一定的稳定裕度。稳定裕度：放大电路远离自激的程度。增益裕度（幅度裕度）相位裕度62 （1）增益裕度GmAF=180时的偏离0dB的数值为增益裕度Gm，即对于稳定电路，Gm<0。Gm越负，电路越稳定。一般要求Gm<-10dB。（2）相位裕度m时，|AF|偏离180的数值为相位裕度m，对于稳定电路，m<180。m越大，电路越稳定。一般要求Gm≥45。即63 4.5.3负反馈放大电路的稳定性分析64 4.5.4常用的消振方法值越大（负反馈越强），相应越大，电路就越容易产生自激振荡。若为了使放大电路稳定，减小值，则反馈深度不够，对性能改善不利。如何才能两者兼顾？方法：相位补偿。基本思想：在基本放大电路或反馈网络中，添加由电容或RC元件组成的补偿电路，来改变放大电路的频率特性，以满足所要求的稳定裕度。65 66 本章内容的重点：1、正确判断反馈类型：2、了解负反馈对放大电路性能的影响3、深度负反馈放大电路的增益计算4、正确判断负反馈放大电路的稳定性67 例题分析Chapter468 例1设Aud=105，R1=2kΩ，R2=18kΩ1）试估算反馈系数F、反馈深度（1+AudF）；2）估算闭环增益Auf；3）若集成运放的开环增益Aud的相对变化量为±10%，求闭环增益Auf的相对变化量；解：1）反馈系数为：反馈深度为：1+AudFu=1+1050.1≈1044）若运放的fH=7Hz，fL=0，求闭环时的通频带。69 2）估算闭环增益Auf3）若开环增益Aud的相对变化量为±10%，则闭环增益Auf的相对变化量为：说明引入反馈深度为104的负反馈后，增益稳定性提高了104倍。4）若运放的fH=7Hz，fL=0，闭环时的通频带为：BWf=fHf=（1+AudFu）fH=1047=70kHZ70 例2试分别按下列要求将信号源us、电阻Rf正确接入该电路。71 1）引入电压串联负反馈72 例31）当ui=0时，UC1=UC2=？（设UBE=0.7V）2）要引入电压串联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？3）引入电压串联负反馈后，求闭环电压增益Auf。4）要引入电压并联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？Auf=？73 1）当ui=0时，UC1=UC2=？（设UBE=0.7V）解：74 2）要引入电压串联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？+75 3）引入电压串联负反馈后，求闭环电压增益Auf。串联反馈时：76 4）要引入电压并联负反馈，Rf应如何连接？运放输入端的正负极性如何标志？Auf=？+77 并联反馈时：78