模擬電子技術(shù)（第四版）課件：負(fù)反饋放大器

負(fù)反饋放大器5.1反饋的基本概念

5.2負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響

5.3深度負(fù)反饋放大電路的分析

本章小結(jié)

習(xí)題

5.1反饋的基本概念

1.什么是反饋將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部,通過(guò)某些元件或網(wǎng)絡(luò)（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)）,反向送回到輸入端,來(lái)影響原輸入量（電壓或電流）的過(guò)程稱為反饋。有反饋的放大電路稱為反饋放大電路,其組成框圖如圖5.1（a）所示。圖中A代表沒有反饋的放大電路,F代表反饋網(wǎng)絡(luò),符號(hào)代表信號(hào)的比較環(huán)節(jié)。xi、xf、xid和xo分別表示電路的輸入量、反饋量、凈輸入量和輸出量,它們可以是電壓,也可以是電流。圖5.1反饋放大電路組成（a）

反饋放大電路組成框圖;（b）反饋放大電路

圖5.1(b)是一個(gè)具體的反饋放大電路。圖中除了基本放大電路外,還有一條由Rf和R1組成的電路接在輸入端和輸出端之間,由于它將輸出量反送到放大器輸入端,因此稱為反饋元件,或稱反饋網(wǎng)絡(luò)。ui、uf、uid和uo分別表示電路的輸入電壓、反饋電壓、凈輸入電壓和輸出電壓。

2．反饋極性（正、負(fù)反饋）在反饋放大電路中,反饋量使放大器凈輸入量得到增強(qiáng)的反饋稱為正反饋,使凈輸入量減弱的反饋稱為負(fù)反饋。通常采用“瞬時(shí)極性法”來(lái)區(qū)別是正反饋還是負(fù)反饋,具體方法如下:

(1）假設(shè)輸入信號(hào)某一瞬時(shí)的極性。

(2）根據(jù)輸入與輸出信號(hào)的相位關(guān)系,確定輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性。

(3）再根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的連接情況,分析凈輸入量的變化,如果反饋信號(hào)使凈輸入量增強(qiáng),即為正反饋,反之為負(fù)反饋。

現(xiàn)以圖5.2（a）所示電路為例。首先假定輸入信號(hào)電壓對(duì)地瞬時(shí)極性為正,在圖中用“⊕”表示,這個(gè)電壓使同相輸入端的電壓瞬時(shí)極性為正。由于輸出端與同相輸入端的極性是相同的,因而此時(shí)輸出電壓的瞬時(shí)極性為正,故標(biāo)“⊕”。通過(guò)反饋支路將輸出電壓反送到反相輸入端,用uf表示,且瞬時(shí)極性為正。由于uid=ui-uf,uf的正極性會(huì)使凈輸入量uid減小,因此這個(gè)電路的反饋是負(fù)反饋。圖

5.2用瞬時(shí)極性法判斷反饋極性的幾個(gè)例子

通過(guò)以上的分析可以總結(jié)出如下的結(jié)論:對(duì)于由運(yùn)算放大器組成的反饋電路,對(duì)于本級(jí)反饋,若反饋支路接在反相輸入端,則為負(fù)反饋;若接在同相輸入端,則為正反饋。但對(duì)于級(jí)間反饋則不能這樣判斷。

3．交流反饋與直流反饋在放大電路中存在有直流分量和交流分量,若反饋信號(hào)是交流量，則稱為交流反饋,它影響電路的交流性能;若反饋信號(hào)是直流量,則稱為直流反饋,它影響電路的直流性能,如靜態(tài)工作點(diǎn)。若反饋信號(hào)中既有交流量又有直流量,則反饋對(duì)電路的交流性能和直流性能都有影響。

例如,在圖5.3（a）所示電路中,有兩條反饋支路。一條是從輸出端接到反相輸入端的反饋支路,很容易分析出這是交、直流都有的負(fù)反饋。另一條由C2、R1、R2形成的反饋網(wǎng)絡(luò)是正反饋。由于C2的隔直作用,這個(gè)反饋只引入交流反饋。從電路的交、直流通路中可以看得更清楚,如圖5.3（b）、(c)所示。

圖5.3具有不同反饋的電路（a）

原電路;（b）

直流通路;（c）交流通路

4．

反饋電路的類型

1）反饋在輸出端的取樣方式從輸出端看,若反饋信號(hào)取自輸出電壓,則為電壓反饋；若取自輸出電流,則為電流反饋。

(1）電壓反饋?，F(xiàn)將圖5.1（b）所示電路改為圖5.4,從電路的輸出端看,反饋電壓uf是經(jīng)Rf和R1組成的分壓器由輸出電壓取樣得來(lái)的,反饋電壓uf是uo的一部分,即反饋電壓與輸出電壓成比例,故是電壓反饋。很明顯,一旦放大器的輸出電壓消失（將RL短路）,反饋信號(hào)也就不存在了。

圖

5.4電壓反饋

在判斷電壓反饋時(shí),根據(jù)電壓反饋的定義——反饋信號(hào)與輸出電壓成比例,可以假設(shè)將負(fù)載RL兩端短路（uo=0,但io≠0）,判斷反饋量是否為零,如果是零,就是電壓反饋。圖5.4所示電壓反饋電路正是如此：RL短路 uo=0

uf=0。

電壓反饋的重要特性是能穩(wěn)定輸出電壓。無(wú)論反饋信號(hào)是以何種方式引回到輸入端,實(shí)際上都是利用輸出電壓本身通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)放大電路起自動(dòng)調(diào)整作用的,這是電壓反饋的實(shí)質(zhì)。

在圖5.4電路中,若負(fù)載電阻增加引起uo的增加,則電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如下:uo

uf

uid

uo

（2）電流反饋。電路如圖5.5所示。從電路的輸出端看,反饋電壓uf為io流過(guò)R產(chǎn)生的電壓,即uf=ioR,可以看出,反饋電壓是與輸出電流成比例的,故是電流反饋。顯然,一旦放大器無(wú)輸出電流（ＲL開路）,則反饋信號(hào)隨之消失。在判斷電流反饋時(shí),根據(jù)電流反饋的定義——反饋信號(hào)與輸出電流成比例,可以假設(shè)將負(fù)載ＲL兩端開路（io=0,但uo≠0）,判斷反饋量是零,就是電流反饋。圖5.5所示電路正是如此,RL開路io=0

if=0

uf=0。

圖

5.5電流反饋

電流反饋的重要特點(diǎn)是能穩(wěn)定輸出電流。無(wú)論反饋信號(hào)是以何種方式引回到輸入端,實(shí)際都是利用輸出電流io本身通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)放大器起自動(dòng)調(diào)整作用的,這就是電流反饋的實(shí)質(zhì)。圖5.5電路穩(wěn)流的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如下:io

uf

uid

io

由上述分析可知,判斷電壓反饋、電流反饋的簡(jiǎn)便方法是用負(fù)載短路法和負(fù)載開路法。由于輸出信號(hào)只有電壓和電流兩種,輸出端的取樣不是取自輸出電壓便是輸出電流,因此可利用其中一種方法就能判定。常用的方法是負(fù)載短路法,具體表述為:假設(shè)將負(fù)載ＲL短路,即uo=0,此時(shí)若反饋量為零,就是電壓反饋,否則為電流反饋。

2）反饋在輸入端的連接方式電路如圖5.6（a）所示,反饋網(wǎng)絡(luò)的出口與信號(hào)源串聯(lián),因此稱為串聯(lián)反饋。在圖5.6（b）中,反饋網(wǎng)絡(luò)的出口與信號(hào)源并聯(lián),因此稱為并聯(lián)反饋。

由上述分析可以看出,若反饋信號(hào)與信號(hào)源接在不同的端子上,即為串聯(lián)反饋。若接在同一個(gè)端子上,則為并聯(lián)反饋。

根據(jù)輸出端的取樣方式和輸入端的連接方式,可以組成四種不同類型的負(fù)反饋電路:(1)電壓串聯(lián)負(fù)反饋;(2)電壓并聯(lián)負(fù)反饋;(3)電流串聯(lián)負(fù)反饋;(4)電流并聯(lián)負(fù)反饋。

圖5.6串聯(lián)接法和并聯(lián)接法（a）

串聯(lián)負(fù)反饋;（b）并聯(lián)負(fù)反饋

5．負(fù)反饋放大器的基本關(guān)系式由圖5.7所示負(fù)反饋放大器的方框圖可得各信號(hào)量之間的基本關(guān)系式:（5.1）（5.２）（5.３）（5.４）式（5.4）表明閉環(huán)增益Af是開環(huán)增益A的 ,小于A。其中,（1+AF）稱為反饋深度,它的大小反映了反饋的強(qiáng)弱;乘積AF常稱為環(huán)路增益。

圖

5.7負(fù)反饋放大器的方框圖

思

考

題

1．什么是反饋?如何判斷一個(gè)電路是否有反饋？2.如何判斷正反饋和負(fù)反饋?3.如何判斷電壓反饋和電流反饋？4.如何判斷并聯(lián)反饋和串聯(lián)反饋？5.什么是反饋信號(hào)？

反饋信號(hào)與輸出信號(hào)的類型是否一定相同?5.2負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響

1．減小非線性失真我們可以通過(guò)一個(gè)具體的電路演示來(lái)說(shuō)明此問題。1）

演示電路演示電路如圖5.8所示。

圖

5.8演示電路

2）演示內(nèi)容（1）由信號(hào)發(fā)生器輸入一頻率為1kHz,峰-峰值為1V的正弦波。（2）將開關(guān)S斷開,用示波器觀察輸出波形,可看到輸出波形明顯地失真,如圖5.8中的輸出波形（a）。（3）將開關(guān)S閉合,觀察輸出波形,可看到失真波形明顯地改善,如圖5.8中的輸出波形（b）。

3）演示現(xiàn)象分析在開環(huán)放大器中,由于開環(huán)增益很大,使放大器工作在非線性區(qū),輸出波形為雙向失真波形。開關(guān)閉合后,電路加上了負(fù)反饋,電路增益減小,放大器工作在線性區(qū),輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

即負(fù)反饋能減小非線性失真。

2．提高增益的穩(wěn)定性放大器的放大倍數(shù)是由電路元件的參數(shù)決定的。若元件老化或更換,負(fù)載變化或環(huán)境溫度變化,則可能引起放大器放大倍數(shù)的變化,為此通常都要在放大器中引入負(fù)反饋,用以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。放大倍數(shù)的穩(wěn)定性可用放大倍數(shù)的相對(duì)變化量來(lái)衡量。

根據(jù)閉環(huán)增益方程

求Af對(duì)A的導(dǎo)數(shù)，得

即微分

閉環(huán)增益的相對(duì)變化量為

（5.5）

上式表明,閉環(huán)增益的相對(duì)變化只有開環(huán)增益相對(duì)變化量的1/(1+AF)。也就是說(shuō),引入負(fù)反饋后,雖然放大倍數(shù)下降到了A的1/(1+AF),但其穩(wěn)定性卻提高到原來(lái)的(1+AF)

倍。

3．?dāng)U展通頻帶利用負(fù)反饋能使放大倍數(shù)穩(wěn)定的概念很容易說(shuō)明負(fù)反饋具有展寬頻帶的作用。我們知道,在阻容耦合放大電路中,當(dāng)信號(hào)在低頻區(qū)和高頻區(qū)時(shí),其放大倍數(shù)均要下降,如圖5.9所示。由于負(fù)反饋具有穩(wěn)定放大倍數(shù)的作用,因此在低頻區(qū)和高頻區(qū)的放大倍數(shù)下降的速度減慢,相當(dāng)于通頻帶展寬了。

在通常情況下,放大電路的增益帶寬積為一常數(shù),即

Af(fHf－fLf)=A(fH-fL)（5.6）

一般情況下,fH＞＞fL,所以AffHf≈AfH,這表明,引入負(fù)反饋后,電壓放大倍數(shù)下降為幾分之一,通頻帶就擴(kuò)展幾倍?？梢?引入負(fù)反饋能擴(kuò)展通頻帶,但這是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)的。

圖

5.9開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性

4．負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響

負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響,取決于反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入端的連接方式。

1）串聯(lián)負(fù)反饋圖5.10（a）是串聯(lián)負(fù)反饋電路的方框圖。

由圖可知,開環(huán)放大器的輸入電阻為

引入負(fù)反饋后,閉環(huán)輸入電阻rif為

（5.7）

2）并聯(lián)負(fù)反饋圖5.10(b)是并聯(lián)負(fù)反饋電路的方框圖。由圖可知,開環(huán)放大器的輸入電阻為ri=ui/iid。引入負(fù)反饋后,閉環(huán)輸入電阻rif為

（5.8）

上式表明,引入并聯(lián)反饋后,輸入電阻是無(wú)反饋時(shí)輸入電阻的1/(1+AF)。這是由于引入反饋后,輸入信號(hào)與反饋信號(hào)并聯(lián)連接,從圖中可以看出,等效的輸入電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路輸入電阻與反饋回路的反饋電阻并聯(lián),其結(jié)果必然是減小了，因此并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。

圖5.10負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響（a）

串聯(lián)負(fù)反饋框圖;（b）

并聯(lián)負(fù)反饋框圖

5．負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響,取決于反饋網(wǎng)絡(luò)在輸出端的取樣量。

1）電壓負(fù)反饋圖5.11（a）是電壓負(fù)反饋的方框圖。從放大器的輸出端看進(jìn)去,等效的輸出電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻并聯(lián),其結(jié)果必然使輸出電阻減小。經(jīng)分析,兩者的關(guān)系為

（5.9）

圖5.11負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響（a）

電壓負(fù)反饋方框圖;（b）

電流負(fù)反饋方框圖

即引入電壓負(fù)反饋后的輸出電阻是開環(huán)輸出電阻的1/（1+AF）。

2）電流負(fù)反饋圖5.11（b）是電流負(fù)反饋的方框圖。從放大器的輸出端看進(jìn)去,等效的輸出電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻串聯(lián),其結(jié)果必然使輸出電阻增大。經(jīng)分析,兩者的關(guān)系為

rof=(1+AF)ro

即引入電流負(fù)反饋后的輸出電阻是開環(huán)輸出電阻的（1+AF）倍。需要注意的是,在討論負(fù)反饋放大電路的輸入電阻和輸出電阻時(shí),還要考慮反饋環(huán)節(jié)以外的電阻。

以上分析說(shuō)明:引入負(fù)反饋能改善放大器的性能。那么,在實(shí)際電路中如何引入負(fù)反饋呢？可歸納為三點(diǎn)：（1）要穩(wěn)定交流性能,應(yīng)引入交流負(fù)反饋;要穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn),應(yīng)引入直流負(fù)反饋;（2）要穩(wěn)定輸出電壓,應(yīng)引入電壓負(fù)反饋;要穩(wěn)定輸出電流,應(yīng)引入電流負(fù)反饋;（3）

要提高輸入電阻,應(yīng)引入串聯(lián)負(fù)反饋;要減小輸入電阻,應(yīng)引入并聯(lián)負(fù)反饋。

思

考

題

1．負(fù)反饋可以改善放大器的哪些性能？所付出的代價(jià)是什么？

2．一個(gè)放大電路只要接成負(fù)反饋,就一定能改善性能嗎？

3．有人認(rèn)為電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓,流過(guò)負(fù)載的電流也就必然穩(wěn)定，因此電壓負(fù)反饋和電流負(fù)反饋都可以穩(wěn)定輸出電流,在這一點(diǎn)上電壓負(fù)反饋和電流負(fù)反饋沒有區(qū)別。你是怎樣分析的？

5.3深度負(fù)反饋放大電路的分析

1．深度負(fù)反饋的特點(diǎn)在負(fù)反饋放大電路中,當(dāng)反饋深度1+AF1時(shí)的反饋,稱為深度負(fù)反饋。一般在1+AF≥10時(shí),就可以認(rèn)為是深度負(fù)反饋。

此時(shí),由于1+AF≈AF,因此有

（5.11）

由上式得出:

(1）

深度負(fù)反饋的閉環(huán)增益Af

只由反饋系數(shù)F來(lái)決定,而與開環(huán)增益幾乎無(wú)關(guān)。

(2)外加輸入信號(hào)近似等于反饋信號(hào),由式（5.11）可知

即

xi≈xf上式表明,在深度負(fù)反饋條件下,由于xi≈xf,則有xid≈0,即凈輸入量近似為零。

2．深度負(fù)反饋放大電路的參數(shù)估算

電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路

圖5.12是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路,其輸入量為ui,輸出量為uo,反饋量為uf,凈輸入量為uid。由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益很高，很容易實(shí)現(xiàn)深度負(fù)反饋，即容易滿足式（5.12）的條件，此時(shí)，uid≈0，這叫做運(yùn)放兩輸入端的虛假短接或稱之為“虛短”；同時(shí)，因運(yùn)放的輸入電阻很高（1MΩ以上），則有iid≈0，這叫做運(yùn)放兩輸入端的虛假斷路或稱之為“虛斷”。運(yùn)用“虛短”和“虛斷”的概念，

由圖5.12可得

即

在深度負(fù)反饋條件下,已知F值則可估算出Auf值

（5.13）

也可利用在深度負(fù)反饋條件下xf≈xi的結(jié)論,在這里uf≈ui,同樣可得

“虛短”和“虛斷”的概念是兩個(gè)非常重要的概念，它滿足所有深度負(fù)反饋放大電路，運(yùn)用“虛短”和“虛斷”的概念分析電路，可以使分析過(guò)程大為簡(jiǎn)便。

圖5.12電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路

2)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路圖5.13是電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路,由于輸入端的連接為并聯(lián)負(fù)反饋,因而其輸入量為ii,反饋量為if,凈輸入量為iid。根據(jù)“虛斷”的概念，iid≈0,因而有ii≈if

再根據(jù)“虛短”的概念，uid≈0,可知u-≈0,則有

因此

(5.14)圖

5.13電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路

3)電流串聯(lián)負(fù)反饋電路圖5.14是電流串聯(lián)負(fù)反饋電路,由“虛短”和“虛斷”的概念可得

因此,電壓放大倍數(shù)為

(5.15)圖

5.14電流串聯(lián)負(fù)反饋電路

4)電流并聯(lián)負(fù)反饋電路圖5.15是電流并聯(lián)負(fù)反饋電路,根據(jù)“虛斷”的概念，iid≈0,因而有

根據(jù)uid≈0,可知u-≈0,則有

ui≈iiR1

因此

（5.16）

圖5.15電流并聯(lián)負(fù)反饋電路思

考

題

1．既然在深度負(fù)反饋的條件下,放大倍數(shù)只與反饋系數(shù)F有關(guān),那么是不是可以說(shuō):“放大器件的參數(shù)就沒有什么實(shí)用意義了,隨便取一個(gè)管子或組件,只要F不變,都能得到同樣的放大倍數(shù)?！边@種說(shuō)法對(duì)嗎?

2．

如何理解在深度負(fù)反饋的條件下,凈輸入量為零的概念？

本

章

小

結(jié)

本章主要討論了正、負(fù)反饋的判斷,負(fù)反饋類型的判別,負(fù)反饋放大電路的性能以及深度負(fù)反饋放大電路的分析方法。

(1)反饋的實(shí)質(zhì)是輸出量參與控制,反饋使凈輸入量減弱的為負(fù)反饋,使凈輸入量增強(qiáng)的為正反饋。常用“瞬時(shí)極性法”來(lái)判斷反饋的極性。

(2)反饋的類型按輸出端的取樣方式分為電壓反饋和電流反饋,常用負(fù)載短路法判別;按輸入端的連接方式分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋,常用觀察法判別。

(3)負(fù)反饋的重要特性是能穩(wěn)定輸出端的取樣對(duì)象,從而使放大器的性能得到改善,包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。改善動(dòng)態(tài)性能是以犧牲放大倍數(shù)為代價(jià)的。反饋愈深,愈有益。但也不能夠無(wú)限制地加深反饋,否則易引起電路的不穩(wěn)定。這在以后章節(jié)中討論。

(4)當(dāng)電路為深度負(fù)反饋時(shí),反饋量近似等于外加的輸入信號(hào),利用這個(gè)結(jié)論可以簡(jiǎn)便地計(jì)算出電壓放大倍數(shù)。

習(xí)