第四章 負(fù)反饋放大電路與基本運(yùn)算電路

1、第四章 負(fù)反饋放大電路與基本運(yùn)算電路內(nèi)容簡介  本章先討論負(fù)反饋放大電路的基本類型及負(fù)反饋對放大電路性能的影響，然后介紹由集成運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路，最后介紹集成運(yùn)算放大電路的調(diào)整與測試方法。本章所分析的反饋是指人為通過外部元件的正確連接所產(chǎn)生的反饋，不討論在放大電路中諸如三極管的內(nèi)反饋所形成的寄生反饋。知識教學(xué)目標(biāo)1、熟悉反饋電路的組成結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋幾種類型；2、掌握反饋的極性、類型判斷方法，了解負(fù)反饋對放大電路性能的影響；了解深度負(fù)反饋放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能估算方法。3、掌握通過集成運(yùn)算放大電路進(jìn)行幾種基本運(yùn)算的方法。技能教學(xué)目標(biāo)1、會測通過集成運(yùn)算放大器作函數(shù)運(yùn)算、負(fù)反饋電路、

2、多級放大電路的分析和測試。本章重點(diǎn)1、反饋極性、類型判斷；2、集成運(yùn)算放大電路進(jìn)行幾種運(yùn)算的方法。本章難點(diǎn)1、反饋極性、類型判斷，深度負(fù)反饋放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能估算方法。2、集成運(yùn)算放大電路進(jìn)行幾種運(yùn)算的方法。4.1 負(fù)反饋放大電路的組成與基本類型一反饋放大電路的組成    放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定的電路（反饋網(wǎng)絡(luò)），再送回到輸入回路，這一過程稱反饋。其組 成框圖如圖4.1.1所示。   識別一個電路是否存在反饋，只要分析放大電路的輸出回路與輸入回路之間是否存在起聯(lián)系作用的反饋網(wǎng)絡(luò)（亦稱反 饋通路）。

3、反饋網(wǎng)絡(luò)通常由一個純電阻或串、并聯(lián)電容無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，也可以由有源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其功能是將取自輸出回路的電量（電壓或電流 ），變換成與原輸入相同量綱的電量，送到輸入回路。   二、負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式   負(fù)反饋放大電路可用圖4.1.1所示的方框圖表示。圖中A表示基本放大電路的增益，F(xiàn)表示反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。AF 表 示具有負(fù)反饋放大電路的增益。負(fù)反饋放大電路的輸入量、凈輸入量、反饋量和輸出量分別用Xi 、Xid 、 Xf 和Xo 表示，它們可以表示電壓，也可以表示電流。分析放大電路時，常用正弦量作為輸入信號，因此信號常使用相量來表示。 

4、60;4.1.2 負(fù)反饋放大電路的極性與基本類型   一、反饋極性與判斷 1、正、負(fù)反饋判斷   根據(jù)反饋極性的不同,可將反饋分為正反饋和負(fù)反饋。   如果引入反饋信號后，放大電路的凈輸入信號增強(qiáng)，使電路增益增加，這種反饋稱正反饋；反之，反饋信號使放大電路的 凈輸入信號減小，電路增益降低，則為負(fù)反饋。  通常，可采用瞬時極性法來判斷反饋極性。先假定輸入信號在某一瞬間對地的極性為（+），然后根據(jù)各級電路輸出端與輸入端信 號的相位關(guān)系，標(biāo)出電路各點(diǎn)的瞬時極性，得到反饋信號的極性（與輸出信號的極性相同），最后判斷反饋的極

5、性是增強(qiáng)還是消弱凈輸入信號 ，如果是消弱，便可判定是負(fù)反饋，反之則為正反饋。  在圖4.1.2所示電路中，假定 瞬時極性為(+)極性,，由于運(yùn)放輸出電壓與輸入電壓反相，所以輸出端電壓 也為（）極性。即反 饋信號與輸入電壓極性相反，使凈輸入信號減小，所以該電路構(gòu)成負(fù)反饋。  由圖4.1.2分析說明，當(dāng)輸入信號與反饋信號在不同端子引入時，反饋信號與輸入信號極性相同，為負(fù)反饋；若兩者極性相反，為 正反饋。               

6、;       例:分析圖4.1.2所示電路中有哪些反饋通路，是正反饋還是負(fù)反饋。 解：圖4.1.2所示電路中，共有三條反饋。運(yùn)放A1的輸出端與它的反相輸入端接有元件 ，屬于本級反饋；運(yùn)放 的輸出端 與它的同相端有元件 相連，也屬于本級反饋。運(yùn)放 的輸出端與運(yùn)放 的同相輸入端之間接有元件 ，屬于級間反饋。其三條反饋極性分析如下 ：1）設(shè) A1反相輸入端信號極性為正，用(+) 表示，則A1輸出信號極性為(-) ，反饋信號作用于輸入回路節(jié)點(diǎn)處 ，極性為負(fù)，由于輸入信號與反饋信號在同一節(jié)點(diǎn)引入，兩者極性相反，使凈輸入信號減弱，則

7、的本級反饋為負(fù)反饋。2）設(shè) A2反相輸入端信號極性為正時，用 (+)表示，其輸出端信號為(-) ，反饋信號作用于輸入回路端點(diǎn)，極性也為負(fù)， 由于輸入信號與反饋信號在不同節(jié)點(diǎn)引入，兩者極性相反，使凈輸入信號增大，則A2 的本級反饋為正反饋。3）當(dāng)圖4.1.2所示電路輸入端Ui 在某一瞬間為正極性時，用(+) 表示，uo1 為(-) ，uo2 為(+) ， 通過反饋電阻R4將反饋信號引入但端點(diǎn)，極性也為(+) ，輸入信號ui 從運(yùn)放A1 反相端引入，而反饋信 號從A1 的同相端引入，兩者極性相同，凈輸入信號減弱，故級間反饋是負(fù)反饋。 2.直流反饋與交流反饋  

8、0; 我們知道，在放大電路同時存在直流分量和交流分量，分析直流分量，首先要畫出直流通路，分析交流分量，則需畫出交流通路。 如果直流通路中存在反饋通路，則表明該電路有直流反饋，若交流通路中有反饋通路，則存在交流反饋。   例如圖4.1.3(a)電路中,對直流來講,電容C相當(dāng)于開路,R2、R3串接在反相輸入端和輸出端之間，所以存在 直流反饋。對于交流而言，電容C相當(dāng)于短路，交流通路中不存在反饋,故這個電路不存在交流反饋。   在圖4.1.3(c)電路中,有兩個級間反饋通路, Rf1和C2-Rf2 。從圖中可看出, Rf1 通路同時有交流和直流反饋,而 C2-

9、Rf2通路中,只有交流反饋。 如圖4.1.4所示放大電路中,由Rf1 、Re1 構(gòu)成第二級對第一級的交、直流反饋，Re1  構(gòu)成對第一級的交、直反饋，Re2 構(gòu)成對第二級 的交、直流反饋，R1 、R2 兩端并聯(lián)電容 Ce構(gòu)成對第二級的直流反饋，而R1 、 R2 、Ce 、Rf2 構(gòu)成第二級對第一級的直流反饋。  綜上所述，當(dāng)發(fā)射極電阻兩端電容時，只存在直流反饋；而反饋回路中存在電容時，只存在交流反饋。 3.電壓反饋和電流反饋    判斷電壓反饋和電流反饋，主要看從輸出回路取樣的對象是輸出電壓還是輸出電流。若反饋取樣對象是輸出

10、電壓， 則稱為電壓反饋，其反饋信號（電壓或電流）正比于輸出電壓。當(dāng)取樣對象是輸出電流，則稱為電流反饋，其反饋信號（電壓或電流）與輸出 電流成正比。   在實(shí)際判斷中，只要假設(shè)輸出電壓uo=0 ，即輸出負(fù)載短路，若反饋不存在，則為電壓反饋；如果反饋仍存在，則為電 流反饋。 在圖4.1.3(c)所示電路中，通過反饋元件Rf2 引入的反饋信號 uf2正比于io ，如果令 uo=0  ，反饋信號消失，說明它屬于電壓反饋；而反饋信號if1 正比于電流io ，如果令 uo=0 ，if1仍存在，所以通過Rf1 引入的反饋是電流反饋。  &

11、#160; 電壓反饋和電流反饋的判斷還可以用簡易方法判斷：反饋信號通過元件從輸出端取出為電壓反饋；反饋信號與輸出 端無聯(lián)系為電流反饋. 4.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋    串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋是以反饋信號與輸入信號在輸入回路相比較的方式來區(qū)分的。反饋信號和輸入信號以電壓形式出現(xiàn)，故在輸 入回路中兩者是以串聯(lián)相比較的反饋是串聯(lián)反饋。這時，反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點(diǎn)引入，如圖4.1.4電路所示.若兩信號以電流形式出 現(xiàn)，故在輸入節(jié)點(diǎn)并聯(lián)相比較的是并聯(lián)反饋。這時的反饋信號和輸入信號通常在同一節(jié)點(diǎn)引入，如圖4.1.3(c)電路所示。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷還可以用簡

12、易方法判斷：輸入信號和反饋信號在不同的節(jié)點(diǎn)引入，如三極管的b級和c級，或運(yùn)算放大器的的同 相端和反相端，為串聯(lián)反饋；輸入信號和反饋信號在不同的節(jié)點(diǎn)引入，如三極管的b，或運(yùn)算放大器的反相端，為并聯(lián)反饋。 4.1.3 負(fù)反饋放大電路分析 下面通過例題介紹幾種常用的負(fù)反饋放大電路，并通過對這些電路的討論介紹反饋放大電路的基本分析方法。 一、電壓串聯(lián)負(fù)反饋   圖4.1.5所示為同相比例運(yùn)算電路，其直流通路和交流通路中，均有反饋存在，所以交、直流反饋同時存在于圖4.1.5所示電路中 。  用瞬時極性法判斷，從圖4.1.5所標(biāo)極性可知，該電路是

13、負(fù)反饋。由于反饋量uf 與輸入量ui在輸入回路 是串聯(lián)形式，所以是串聯(lián)反饋。若設(shè)uo=0 ，則uf=0 ，反饋不存在，這類反饋屬于電壓反饋。故圖4.1.5所 示稱為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。  圖4.1.6所示電路的直流通路和交流通路可知，Rf 反饋支路既存在交流反饋又存在直流反饋。   在輸入端引入交流信號ui ，并設(shè)某一瞬時極性(+) ，根據(jù)瞬時極性法，可以看到，引回到輸入回路的反饋信 號uf極性為 (+)，使凈輸入信號減弱，所以是負(fù)反饋電路。 當(dāng)輸出電壓uo=0 時，ui 也為零，屬于電壓反饋。 反饋信號uf 從T1 管子的

14、發(fā)射極引入，而輸入信號從T1管子的基極輸入，它們以電壓形式在 輸入回路相比較，所以為串聯(lián)反饋，因此 圖4.1.6所示是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。    電路特點(diǎn)：二、電壓并聯(lián)負(fù)反饋    圖 4.1.7所示為反相比例運(yùn)算電路，其輸入量與反饋量均從運(yùn)放反相輸入端引入，它們以電流形式在輸入回路相比較，所以屬于 并聯(lián)反饋。當(dāng)uo=0 時，反饋量不存在，證明該電路為電壓反饋。從圖中極性表明，電路為負(fù)反饋。故圖4.1.7所示為電壓并 聯(lián)負(fù)反饋電路。用同樣的方法可以證明圖4.1.8所示電路也為電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。  但必須注意的是，

15、并聯(lián)負(fù)反饋要求信號源內(nèi)阻RS不為零。  圖4.1.8所示電路中若RS 不為零，ii 只由ui=us 決定，反饋對iid 不起作用，因而iid 保持不變。只有當(dāng)Rs 不為零時， iid 的值才能受到if 的調(diào)節(jié)。 當(dāng) if 減小時，ii  減小，在Rs 上壓降減小，則ui增大，使 iid 增 大；反之使iid減小，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的作用， RS越大，并聯(lián)負(fù)反饋的效果也越顯著。    電路特點(diǎn)：三、電流串聯(lián)負(fù)反饋   圖4.1.9所示為電壓電流變換器。   當(dāng)uo=0 時，圖4.1.9電路的反饋量uf

16、 依然存在，故為電流反饋；反饋量uf與輸入量ui 不在同一節(jié)點(diǎn)引入，故為串聯(lián)反饋。在輸入端引入一個交流信號，并設(shè)某一瞬時極性為(+) ，根據(jù)瞬時極性法推得，uf 極 性為(+) ，故為負(fù)反饋。所以該電路為電流串聯(lián)負(fù)反饋電路。   圖4.1.10所示電路是由分立元件組成的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，當(dāng)輸入端引入信號時，若某一瞬時極性為正，則uf 極 性為正，電路屬于負(fù)反饋。用上述方法分析可知，圖4.1.10所示電路也為電流串聯(lián)負(fù)反饋。電路特點(diǎn)：四、電流并聯(lián)負(fù)反饋   圖4.1.11和圖4.1.12所示電路都是電流并聯(lián)負(fù)反饋電路。   在這里我們

17、用簡易方法來判斷下面兩個電路的反饋方式。   圖4.1.11所示的運(yùn)算電路的反饋信號與輸出端無聯(lián)系，屬電流反饋；而其在輸入端反饋信號從運(yùn)放的反相輸入端引入，故為并聯(lián)反 饋；在輸入端引入交流信號，并設(shè)某一瞬間極性為(+) ，根據(jù)瞬時極性法從圖中可看出為負(fù)反饋。所以該電路為電流并聯(lián)負(fù)反饋。 同理，圖4.1.12所示分立元件組成的電路也是電流并聯(lián)負(fù)反饋。反饋信號與輸出端無聯(lián)系，屬于電流反饋；反饋信號直接和 T1管的b 相連，屬于并聯(lián)反饋；從圖中看出此電路為負(fù)反饋。故為電流并聯(lián)負(fù)反饋。電路特點(diǎn)：4.2 負(fù)反饋對放大電路性能的影響 負(fù)反饋雖然使放大電路的增益下降，

18、但是可以改善放大電路的性能，下面分析負(fù)反饋對放大電路主要性能的影響。 4.2.1 提高放大電路增益的穩(wěn)定性  由于負(fù)載和環(huán)境溫度的變化、電源電壓的波動和器件老化等因素，放大電路的放大倍數(shù)會發(fā)生變化。通常用放大倍數(shù)相對變化量的大小來表示放大倍數(shù)穩(wěn)定性的優(yōu)劣，相對變化量越小，則穩(wěn)定性越好。  由于負(fù)載、環(huán)境溫度的變化，器件老化等原因，使電路元件參數(shù)和放大器件的特性參數(shù)發(fā)生變化，因而導(dǎo)致放大電路增益的改變，引入負(fù)反饋，特別是深度負(fù)反饋     這時，Af只決定于反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)，而與基本放大電路的增益幾乎無關(guān)。反饋網(wǎng)絡(luò)一般選用性能比較穩(wěn)定

19、的無源線性元件組成，因此引入負(fù)反饋后，增益是比較穩(wěn)定的。 4.2.2、減小非線性失真和擴(kuò)展通頻帶 一、減小放大電路引起的非線性失真  由于放大電路采用非線性放大，當(dāng)輸入信號的幅度較大，放大器件可能工作在特性曲線的非線性部分（如BJT的輸入特性），而使輸出波形失真，這種失真稱非線性失真。  當(dāng)放大電路開環(huán)時，假設(shè)正弦信號xi經(jīng)過放大器A后，變成了正半周幅度大、負(fù)半周幅度小的輸出波形，如圖4.2.1(a)所示。這時引入負(fù)反饋，如圖4.2.1(b)所示,并假定反饋網(wǎng)絡(luò)是不會引起失真的純電阻網(wǎng)絡(luò)，這時將得到正半周幅度大、負(fù)半周幅度小的反饋信號 。凈輸入信號 ，由

20、此得到的凈輸入信號 則是正半周幅度小、負(fù)半周幅度大的失真波形，經(jīng)過基本放大電路放大后，就使輸出波形趨于正弦波，減小了非線性失真。  引入負(fù)反饋也可以抑制電路內(nèi)部的干擾和噪聲，其原理與改善非線性失真相似。二、擴(kuò)展通頻帶    在阻容耦合放大電路中，信號頻率在低頻區(qū)和高頻區(qū)時，其放大倍數(shù)均要下降，由于負(fù)反饋放大電路具有穩(wěn)定放大倍數(shù)作用，因此，放大倍數(shù)在高、低頻區(qū)的下降速率減慢，即相當(dāng)于通頻帶展寬。如圖4.2.2所示為放大電路在無負(fù)反饋和有負(fù)反饋時的幅頻特性A(f) 和Af(f) ，圖中Am,fL,fH,BW和Amf,fLf,fHf,BWf分別為無、有反饋時的

21、中頻放大倍數(shù)、下限頻率、上限頻率和通頻帶寬度?？梢?，加負(fù)反饋后的通頻帶寬度比無負(fù)反饋時的大。擴(kuò)展通頻帶的原理如下：當(dāng)輸入等幅不同頻率的信號時，高頻段和低頻段的輸出信號比中頻段的小，因此反饋信號也小，對凈輸入信號的削弱作用小，所以高、低頻段的放大倍數(shù)減小程度比中頻段的小，從而擴(kuò)展了通頻帶。  4.2.3 對輸入電阻和輸出電阻的影響 一、對輸入電阻的影響     負(fù)反饋放大電路對輸入電阻的影響，主要取決于串、并聯(lián)反饋的類型，而與輸出端取樣方式無關(guān)。在串聯(lián)負(fù)反饋電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路的輸入電阻串聯(lián)，如圖4.2.3所示，故串聯(lián)負(fù)反饋放

22、大電路的輸入電阻是增加的 。 其中Ri是基本放大電路的輸入電阻。  在并聯(lián)負(fù)反饋中，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路的輸入電阻為并聯(lián)，并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入電阻是減小的，這時的輸入電阻為 二、對輸出電阻的影響   負(fù)反饋對放大電路輸出電阻的影響主要取決于反饋取樣方式，即與電壓或電流反饋類型有關(guān)，而與輸入端連接方式無關(guān)。   電壓負(fù)反饋取樣于輸出電壓，它能維持輸出電壓恒定。換句話說，即輸入信號一定時，電壓負(fù)反饋的輸出趨于一恒壓源，其輸出電阻很小?？梢宰C明，有電壓負(fù)反饋時的輸出電阻Rof 減小為無反饋時Ro 的1/（1+ AoF）。反饋

23、深度越深，輸出電阻越小。其中 Ao為負(fù)載開路增益。    電流負(fù)反饋取樣于輸出電流，它能維持輸出電流的恒定。也就是說，當(dāng)輸入信號一定時，電流負(fù)反饋趨于一恒流源，其輸出電阻很大?？梢宰C明，有電流負(fù)反饋的輸出電阻Rof 增大為無反饋時Ro 的 1+ AoF倍。這時的Ao為輸出端短路時的開環(huán)增益。且反饋深度越深，輸出電阻越大。  必須指出，引入負(fù)反饋后，對輸入電阻、輸出電阻的影響都是指反饋環(huán)內(nèi)的輸入電阻和輸出電阻的影響。反饋對反饋環(huán)外的電阻沒有影響。例如引入串聯(lián)反饋時，偏置電路中的偏置電阻Rb 不在反饋內(nèi)。故不受影響。4.3 負(fù)反饋放大電路應(yīng)用中的幾個問題(1

24、+AF)>>1時的反饋放大電路稱為深度負(fù)反饋放大電路。  在深度負(fù)反饋放大電路中，閉環(huán)放大倍數(shù)由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；反饋信號Xf 近似等于輸入信號Xi ；凈輸入信號 Xid近似為零。這是深度負(fù)反饋放大電路的重要特點(diǎn)。此外，由于負(fù)反饋對輸入、輸出電阻的影響，深度負(fù)反饋放大電路還有以下特點(diǎn)：串聯(lián)反饋輸入電阻 Rif非常大，并聯(lián)反饋Rif非常小；電壓反饋輸出電阻 Rof 非常小，電流反饋Rof 非常大。工程估算時，常把負(fù)反饋放大電路的輸入電阻和輸出電阻理想化，即認(rèn)為：深度串聯(lián)負(fù)反饋的輸入電阻 ；深度并聯(lián)負(fù)反饋的 ；深度電壓負(fù)反饋的輸出電阻 ；深度電流負(fù)反饋的 。 

25、4.4 基本運(yùn)算電路集成運(yùn)算放大電路是目前通用的模擬集成器件，可以將它看成一個高電壓放大倍數(shù)、低零漂的雙端輸入單端輸出式差分放大器， 其符號如圖4.4.1所示，圖中“ ”表示運(yùn)算放大器，“”表示開環(huán)增 益極高。它有兩個輸入端，標(biāo)“+”的為同相輸入端，標(biāo)“的為反相輸入端。采用集成運(yùn)算放大器接入適當(dāng)?shù)姆答侂娐肪涂蓸?gòu)成各種運(yùn)算電 路，主要有比例運(yùn)算電路、加減法運(yùn)算電路和積分運(yùn)算電路等。4.4.1集成運(yùn)放在線性區(qū)的分析方法 一、 理想集成運(yùn)放的特性     理想集成運(yùn)放具有以下特點(diǎn)：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) A0d ；1.   

26、; 輸入阻抗：           Rid ； 2.    輸出阻抗：           R。 ；3.    帶寬：               BW   ,轉(zhuǎn)換速率SR ；4. 

27、;   共模抑制比：         KCMR   .二、 線性區(qū)集成運(yùn)放的兩個重要條件1、“虛短”條件：  這就是“ 虛短”條件；其實(shí)，并非反相端與同相端真正短路。  2、“虛斷”條件：   因 故      這就是是“ 虛斷”條件，其實(shí)反相端與同相端的電流并非真正為零。4.4.2 比例運(yùn)算電路 一、反相比例運(yùn)算電路        &#

28、160;   圖4.4.4為反相比例運(yùn)放電路，信號從反相端輸入，同相端接地。反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋，因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷：     u+ =0   u=u+=0（虛地）   由 i1=iF  （虛斷）平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R=R1/RF                   

29、0;        二、同相比例運(yùn)算電路     如圖4.4.5所示，信號從同相端輸入。反饋形式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。  RP=R1/Rf      特例：當(dāng)Rf0時，為電壓跟隨器。符號如圖 4.4.6所示。   此時 u。ui  ，此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中 作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。    &#

30、160;4.4.3加法、減法運(yùn)算電路  一、加法運(yùn)算電路   1反相加法運(yùn)算：    u。= Rf（ui1/R1+ui2/R2），當(dāng) R1=R2=Rf時，平衡電阻：R=R1 R2Rf2. 同相加法運(yùn)算                     圖4.4.9減法運(yùn)算電路 二、減法運(yùn)算電路         4.4.4積分和微分運(yùn)算電路 一、積分運(yùn)算電路       二、微分運(yùn)算電路             4.5 集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路的測試4.5.1 集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路的測試   運(yùn)算放大器是一種放大倍數(shù)很大的多級直接偶合