模擬電子技術-反饋放大電路

反饋放大電路學習目標理解并掌握反饋的類型與判別方法掌握深度負反饋條件下放大電路的估算了解負反饋對放大電路性能的影響了解正弦波振蕩電路的組成原理5.1

反饋的類型與判別方法5.2

負反饋放大電路的四種組態(tài)5.3

深度負反饋放大電路的估算5.4

負反饋對放大電路性能的改善5.5

負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題*5.6正反饋電路——正弦信號產(chǎn)生電路*5.7電路仿真實例5.1反饋的類型與判別方法其中

為放大電路的環(huán)路增益，

為放大電路的反饋深度。5.1.1反饋的基本概念反饋——將一個系統(tǒng)的輸出量（電壓或電流）的全部或一部分，通過反饋網(wǎng)絡引回到系統(tǒng)的輸入端，與原輸入信號共同控制該系統(tǒng)的過程。工廠用戶銷售員信息員實際問題舉例

反饋深度反映了反饋對放大電路影響的程度。分為下列三種情況：當

時，

，為負反饋；當

時，

，為正反饋；當

時，

，此時，會出現(xiàn)即使沒有輸入信號，也會有輸出的情形，這種情況稱之為“自激”。5.1.2反饋的組態(tài)及判別方法1.判斷有無反饋

首先要看電路的輸出端和輸入端之間有無起連接作用的元件。若有反饋元件則有反饋，若無反饋元件則無反饋。2.反饋組態(tài)及判別方法

反饋放大電路按反饋信號是交流信號還是直流信號分為直流反饋和交流反饋；按反饋的效果分為正反饋和負反饋。負反饋中按反饋信號和輸入信號的連接關系分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋；按反饋信號取自輸出電壓還是輸出電流分為電壓反饋和電流反饋。1）直流反饋和交流反饋

若反饋信號只有直流成分時為直流反饋；若反饋信號只有交流成分時為交流反饋；若反饋信號中既有交流成分又有直流成分，則為交直流反饋。【例5.1】判斷圖5.2所示各電路中是否存在反饋？若有反饋，是直流反饋，交流反饋，還是交直流反饋？2）正反饋和負反饋

如果反饋信號使輸入信號增強，即加入反饋后，凈輸入信號大于輸入信號，這種反饋稱為正反饋；反之，如果反饋信號使輸入信號減弱，即加入反饋后，凈輸入信號小于輸入信號，這種反饋稱為負反饋。

瞬時極性法——首先假設輸入信號的瞬時極性為“”（也可以為“”），然后按照信號的傳輸方向依次判斷出各相關點的瞬時極性，直至最后判斷出反饋信號的瞬時極性。按照式(5.1.1)如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入信號減小，則為負反饋，反之則為正反饋?！纠?.2】判斷圖5.3所示各電路中是否存在反饋？若有反饋，是正反饋，還是負反饋？【例5.3】判斷圖5.4所示各分立元件電路中是否存在反饋？若有反饋，是正反饋，還是負反饋？3）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

從輸入端看，若反饋信號與輸入信號是串聯(lián)分壓的關系，則該反饋為串聯(lián)反饋；若反饋信號與輸入信號是并聯(lián)分流的關系，則該反饋為并聯(lián)反饋。判別方法：若反饋信號與信號源接在不同的端子上,即反饋信號與輸入信號是串聯(lián)分壓的關系，則為串聯(lián)反饋；若兩者接在同一個端子上,即反饋信號與輸入信號是并聯(lián)分流的關系，則為并聯(lián)反饋。【例5.4】判斷圖5.5所示各電路中是否存在反饋？若有反饋，是串聯(lián)反饋，還是并聯(lián)反饋？

【例5.5】判斷圖5.6所示各分立元件電路中是否存在反饋?若有反饋，是串聯(lián)反饋，還是并聯(lián)反饋？4）電壓反饋和電流反饋

從輸出端看,若反饋信號取自輸出電壓,則為電壓反饋；若反饋信號取自輸出電流,則為電流反饋。輸出短路法——將輸出端短路，即使輸出電壓為0，若反饋信號也隨之為0，則為電壓反饋；反之，若反饋信號仍然存在，則為電流反饋。簡單地，我們還可以這樣來判別電壓反饋和電流反饋：若反饋量引自端，則為電壓反饋；若反饋量引自非端，則為電流反饋?！纠?.6】判斷圖5.7所示各電路中的反饋是電壓反饋，還是電流反饋？【例5.7】判斷圖5.8所示各分立元件電路中的反饋是電壓反饋，還是電流反饋？5.2負反饋放大電路的四種組態(tài)四種交流負反饋組態(tài)：電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋

正確判斷反饋組態(tài)主要包括三個部分的內(nèi)容，即為電壓或電流反饋，串聯(lián)或并聯(lián)反饋，正反饋或負反饋。只有三個部分全部判斷正確，才能正確判斷出反饋組態(tài)。四種反饋組態(tài)系統(tǒng)框圖（a）電壓串聯(lián)負反饋（b）電流串聯(lián)負反饋（c）電壓并聯(lián)負反饋（d）電流并聯(lián)負反饋【例5.8】判斷圖5.10所示各電路中的反饋組態(tài)?！纠?.9】判斷圖5.11所示各分立元件電路中的反饋組態(tài)。

5.3深度負反饋放大電路的估算前面學習了如何正確判斷反饋組態(tài)，這是對反饋放大電路的定性分析。這一節(jié)將對負反饋放大電路進行定量的分析。定量分析就是對負反饋放大電路的閉環(huán)增益、輸入電阻和輸出電阻等動態(tài)指標進行估算。在一般情況下，負反饋放大電路的分析計算方法都比較復雜，現(xiàn)有的方法不是很理想。但有一種分析方法在工程實際中非常有用，特別是在應用廣泛的集成運放負反饋電路和多級分立元件負反饋電路中，這就是滿足深度負反饋條件下的電路分析。此時，分析計算將大為簡化，并且具有明確的物理意義。本教材之所以討論這種方法就是因為其普遍性和實用性，對于由集成運放構成的負反饋放大器，由于集成運放的開環(huán)增益極高，一般都滿足深度負反饋的條件；另外對于分立元件的多級負反饋放大電路，大多數(shù)也都近似滿足深度負反饋的條件。5.3.1深度負反饋放大電路的實質(zhì)在反饋的基本概念中，當反饋深度時，為負反饋。當反饋深度時，稱為深度負反饋。

此時，閉環(huán)增益也就是說：在深度負反饋條件下，閉環(huán)增益只取決于反饋系數(shù)，而與基本放大電路幾乎無關。

即深度負反饋條件下，忽略凈輸入信號的作用。在分析具體電路時，可以將其具體化。

對于深度串聯(lián)負反饋電路，對應有

，

，此時集成運放的同相輸入端和反相輸入端之間的凈輸入電壓

近似為0V，兩輸入端接近于短路，但又不是真正的短路，這一狀態(tài)稱為“虛短”。同樣，在多級分立元件電路中，深度串聯(lián)負反饋條件下，第一級放大電路的晶體管的基極與發(fā)射極(或

管的柵極和源極)之間的凈輸入電壓也約為0V。

對于深度并聯(lián)負反饋電路，對應有

，

，此時流經(jīng)集成運放的同相輸入端和反相輸入端的電流幾乎為

，這種狀態(tài)稱為“虛斷”。同理，在深度并聯(lián)負反饋的條件下，多級分立元件電路第一級放大電路的晶體管的凈輸入電流也近似為

。5.3.2深度負反饋放大電路的分析估算 深度負反饋放大電路的分析估算主要是對電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻的估算。其中電壓放大倍數(shù)的估算主要有兩種方法： 1.從深度負反饋的基本關系式

出發(fā)，計算電壓放大倍數(shù) 2.從深度負反饋的實質(zhì)

出發(fā)，直接計算電壓放大倍數(shù)

具體步驟：（1）找出級間交流反饋網(wǎng)絡。有的電路雖然有本級反饋，但決定整個反饋放大電路性能的通?？偸羌夐g反饋。（2）分析反饋組態(tài)，并求出相應的電壓放大倍數(shù)： 對于深度串聯(lián)負反饋有

，則

；

對于深度并聯(lián)負反饋有

，可得

則

式中，

是信號源與基本放大電路輸入端之

間的等效電阻?！纠?.10】設圖5.10中各電路均滿足深度負反饋條件，試估算各電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)?！纠?.11】設圖5.12中各電路均滿足深度負反饋條件，試估算各電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。5.4負反饋對放大電路工作性能的改善5.4.1提高增益的穩(wěn)定性

為簡化分析過程，設信號的頻率為中頻，則開環(huán)增益

為實數(shù)，反饋系數(shù)

也為實數(shù)。相應的閉環(huán)增益當然也是

實數(shù)，因此

可寫成： 求

對

的導數(shù)，即

，再寫出

與

的關系，就有：

表明，引入負反饋，增益的穩(wěn)定性比無反饋時提高了

倍。5.4.2展寬通頻帶在無反饋的情況下，通頻帶因此，在引入負反饋的情況下，通頻帶

負反饋放大電路擴展頻帶寬度是以閉環(huán)增益下降為代價的，這一結論可以由一重要特性來證明，即中頻增益與帶寬積為常數(shù)。

5.4.3減少非線性失真應當注意，負反饋只能改善反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真，不能改善輸入信號本身存在的非線性失真，也不能改善由于靜態(tài)工作點不合適產(chǎn)生的飽和失真和截止失真。

干擾和噪聲對放大電路的影響，也可以看成是在輸出信號中出現(xiàn)了新的頻率分量。負反饋可以抑制和減弱這些新的頻率分量，其機理與減小非線性失真是一樣的。引入反饋之后，干擾和噪聲電壓與有用信號一同衰減，信噪比沒有改變。為了改善信噪比，必須提高輸入信號的幅度，信號本身不攜帶干擾和噪聲，則把信號提高

倍，使輸出信號維持引入反饋

前的值，放大電路的信噪比因此提高

倍。

應當指出的是，負反饋對反饋環(huán)以外的干擾和噪聲也是無能為力的。因此若輸入信號本身存在干擾和噪聲，即使引入負反饋，也是無濟于事的。5.4.4抑制環(huán)內(nèi)噪聲與干擾1.串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加

倍5.4.5對輸入電阻和輸出電阻的影響表明，引入串聯(lián)負反饋后，閉環(huán)輸入電阻是開環(huán)輸入電阻的

倍。2.并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小

倍表明，引入并聯(lián)負反饋后，閉環(huán)輸入電阻比開環(huán)輸入電阻減小了

倍。3.電壓負反饋使輸出電阻減小

倍

從輸出端看進去,等效的輸出電阻相當于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡的電阻并聯(lián),其結果必然使輸出電阻減小。經(jīng)分析,兩者的關系為:4.電流負反饋使輸出電阻增加

倍

從輸出端看進去,等效的輸出電阻相當于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡的電阻串聯(lián),其結果必然使輸出電阻增大。經(jīng)分析,兩者的關系為5.5負反饋放大電路的穩(wěn)定性問題

1.負反饋放大電路的自激振蕩

實際上，放大電路在高頻區(qū)或低頻區(qū)將產(chǎn)生附加相移，如果附加相移達

或

，則此時負反饋變?yōu)檎答仯@時只要反饋信號足夠大，就會產(chǎn)生自激振蕩，而與是否有外加輸入信號無關。所以負反饋放大電路自激振蕩的根本原因是電路中的附加相移。 2.負反饋放大電路穩(wěn)定工作的條件 當

時，

，會出現(xiàn)

，

即“自激”。所以負反饋放大電路的自激條件是：

也可以寫成

實際上，

為自激振蕩建立后的振幅條件，稱為平衡條件；而在自激振蕩的起始階段，振幅條件是

，稱為起振條件。

為使負反饋放大電路能穩(wěn)定工作，必須滿足在

時，

這就是判別負反饋放大電路穩(wěn)定工作的條件。*5.6正反饋電路——正弦信號產(chǎn)生電路

信號產(chǎn)生電路（也稱振蕩器）用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的交流周期信號，它是在基本放大電路的基礎上加正反饋網(wǎng)絡構成的。就其產(chǎn)生的波形來說可以分為兩大類：正弦波振蕩器（包括、和石英晶體振蕩器）和非正弦波信號發(fā)生器（包括方波、矩形波、三角波和鋸齒波等）。本章只簡要介紹正弦波振蕩器，非正弦波信號發(fā)生器將在第6章作介紹。正弦波振蕩器是電氣工程和電子信息工程中主要使用的信號源之一，在測控、無線電通信、廣播電視、儀器儀表，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領域都有著廣泛的應用。5.6.1正弦波產(chǎn)生的條件

振蕩電路由自行起振到進入穩(wěn)定狀態(tài)需要一個建立過程。在電源接通時，噪聲和干擾信號會使電路產(chǎn)生微弱的輸出信號，該信號經(jīng)正反饋和基本放大電路多次循環(huán)放大，輸出信號的幅度由小到大，最后達到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)定后，電路需要穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（通常采用負反饋電路來自動完成）使放大器的放大倍數(shù)下降，滿足的幅度條件，穩(wěn)定輸出一個正弦波信號。正弦波產(chǎn)生的條件為：

因此為了保證電路能自行起振，要求

即：5.6.2

正弦波振蕩電路通常選取

,

于是有 放大電路的增益為：

式中的

，又當

時，

滿足相位條件要滿足幅值條件，只

要

即可。當

，或者

時電路起振。最后由負反饋使振蕩幅度自動穩(wěn)定下來。在實際應用中，負反饋支路常利用二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻和場效應管等元件的非線性特性來自動穩(wěn)定振蕩幅度。5.6.3

正弦波振蕩電路

正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，可以達到幾十兆赫茲以上。

正弦波振蕩電路按照反饋方式的不同，可分為變壓器反饋式、電容三點式、電感三點式等幾種類型。1.

諧振回路

正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡采用

諧振回路，有兩種形式：串聯(lián)和并聯(lián)。

振蕩器常采用

并聯(lián)諧振回路，該電路的諧振頻率為：

如果考慮電感線圈的損耗，并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)為：

2.變壓器反饋式振蕩電路

根據(jù)瞬時極性法，可知電路此時引入正反饋，滿足振蕩的相位條件。只要適當選取放大期間和電路參數(shù)，一般都能滿足起振條件

電路的振蕩頻率近似等于并聯(lián)回路的振蕩頻率，即

振幅的穩(wěn)定是利用三極管的非線性特性來實現(xiàn)的。特點——電路容易起振，改變電容使頻率可調(diào)，但輸出波形不好，所以該電路常用于對波形要求不高的設備。3.三點式振蕩電路

三點式振蕩電路分為電感三點式正弦振蕩電路（也稱哈特萊電路）和電容三點式正弦振蕩電路（也稱考畢茲電路）兩種。電感三點式正弦振蕩電路

利用瞬時極性法判斷出共基放大電路中引入正反饋，所以它滿足了相位條件。只要三極管具有一定的放大倍數(shù)，并且調(diào)節(jié)電感線圈抽頭的位置，就能滿足幅度條件。其振蕩頻率為：

該電路的特點是，由于互感的存在使電路容易起振，頻率調(diào)節(jié)范圍寬。缺點是反饋電壓取自電感線圈，輸出波形不夠理想。為了獲得較好的輸出波形，可采用電容三點式正弦振蕩電路。電容三點式正弦振蕩電路利用瞬時極性法判斷出電路中引入正反饋，故滿足了相位條件。只要調(diào)節(jié)的大小，就可滿足幅度起振條件。其振蕩頻率為：這種電路的特點是，由于反饋電壓從電容器兩端取出，所以輸出波形較好。如果要求振蕩頻率十分穩(wěn)定，可以采用石英晶體振蕩電路，如通信系統(tǒng)中的射頻振蕩器、數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘發(fā)生器等，可使振蕩頻率的穩(wěn)定度提高幾個數(shù)量級。石英晶體振蕩電路是利用石英晶體的壓電效應制成的，基本分為串聯(lián)型晶體振蕩電路和并聯(lián)型晶體振蕩電路兩種。

*5.7電路仿真實例【例5.12】分析電壓串聯(lián)負反饋放大電路解：利用Multisim仿真如圖5.27所示電路。圖5.27步驟1、首先進入Multisim10.0軟件開發(fā)界面，然后按圖5.27畫出電路，得到如圖5.28的電路圖，調(diào)整R4的電阻值，使萬用表的讀數(shù)為2V左右。【仿真圖】圖5.28步驟2、接上函數(shù)信號發(fā)生器如圖5.27所示，調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器使其產(chǎn)生40mV的正弦信號，最后進行仿真，得到如圖5.29的分析結果?！痉抡鎴D】圖5.29【例5.13】分析RC正弦波產(chǎn)生電路解：利用Multisim仿真如圖5.30所示電路。首先進入Multisim10.0軟件開發(fā)界面，然后按圖5.30