第6章負反饋在放大器中的應(yīng)用

第6章負反饋在放大器中的應(yīng)用

內(nèi)容提要

本章從反饋的基本概念入手，抽象出反饋放大電路的方框圖，定性分析負反饋的概念、類型及負反饋對放大電路性能的影響。返回6.1反饋的基本概念6.2負反饋電路的類型6.3負反饋對放大器性能的影響

6.1.1反饋支路所謂反饋就是將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，經(jīng)過一定的電路（反饋電路）反向送回到輸入端，對輸入信號產(chǎn)生影響的過程。因此要判斷一個放大電路是否有反饋，只要看放大電路中是否存在把輸出端和輸入端聯(lián)系起來的支路，這條支路就是反饋支路。如圖6.1所示的集成運算放大器，不存在反饋支路，這種情況稱為開環(huán)；如圖6.2所示的集成運算放大器，存在反饋支路Rf

，它既有從輸入到輸出的正向傳輸信號，也有從輸出到輸入的反向傳輸信號，這種情況稱為閉環(huán)。

6.1反饋的基本概念

圖6.1開環(huán)放大器圖6.2閉環(huán)放大器

6.1.2反饋放大器的組成

帶有反饋環(huán)節(jié)的放大電路稱為反饋放大器。反饋放大器可用如圖6.3所示的方框圖來描述。圖中箭頭表示信號的傳輸方向，A表示基本放大器，F(xiàn)表示反饋網(wǎng)絡(luò)，這是一個閉環(huán)系統(tǒng)。X可以表示電壓，也可以表示電流。其中Xi，Xo，Xf和Xi′分別表示輸入信號、輸出信號、反饋信號和凈輸入信號，符號表示信號相疊加，輸入信號Xi和反饋信號Xf在此疊加，產(chǎn)生放大電路的凈輸入信號Xi′。

圖6.3反饋放大器方框圖

反饋有正反饋和負反饋兩種，如果反饋信號加強輸入信號，使凈輸入信號增加，稱為正反饋；如果反饋信號減弱輸入信號，使凈輸入信號減小，稱為負反饋。本章只討論負反饋。負反饋所確定的基本關(guān)系式有如下幾項。1．輸入端各量的關(guān)系式（6-1）2．開環(huán)增益

（6-2）3．反饋系數(shù)

（6-3）

4．閉環(huán)增益

經(jīng)推導，可得（6-4）上述各量中，當信號為正弦量時，,,和為相量，和為復數(shù)。在中頻段，為了使表達式簡明，均可用實數(shù)表示。由式（6-4）可知，閉環(huán)增益Af比開環(huán)增益A減小了1/（1+AF）倍，其中1+AF稱為反饋深度，它的大小反映了反饋的強弱，反饋放大器性能的改善與反饋深度有著密切的關(guān)系。返回

根據(jù)反饋電路跨接基本放大電路的級數(shù)不同，可以把反饋分為本級反饋和級間反饋。

6.2.1反饋極性通常采用“瞬時極性法”來判別反饋的極性。步驟如下：（1）將反饋支路與放大電路輸入端的連接斷開，假設(shè)輸入信號對地的瞬時極性為正，表明該點的瞬時電位升高，在圖中用“”表示；反之，瞬時電位降低，在圖中用“”表示。（2）沿閉環(huán)系統(tǒng)，逐級標出有關(guān)點的瞬時電位是升高還是降低，最后推出反饋信號的瞬時極性。（3）此時將反饋聯(lián)上，再判斷凈輸入信號是增強還是減弱，凈輸入信號增強的是正反饋，減弱的是負反饋。

6.2負反饋電路的類型上述判別方法可總結(jié)如下：（1）如果反饋信號與輸入信號加到輸入級的同一個電極上，則兩者極性相同為正反饋，極性相反為負反饋；如果兩個信號加到輸入級的兩個不同的電極上，則兩者極性相同為負反饋，相反為正反饋。（2）集成運放判別本級反饋的極性時，若反饋信號接回到反相輸入端，則為負反饋；接回到同相輸入端，則為正反饋。注意：對晶體管的3種組態(tài)：共射組態(tài)，輸入B與輸出C極性相反；共集組態(tài)，輸入B與輸出E極性相同；共基組態(tài)，輸入E與輸出C極性相同。

例6.1試判斷如圖6.4所示電路的反饋極性。解：（1）在如圖6.4（a）所示電路中，先斷開反饋支路，給反相輸入端加“+”瞬時信號，集成運放放大后為“-”信號（反相作用），經(jīng)反饋電阻Rf引回到同相輸入端為“-”，把反饋聯(lián)上，可以看出，反饋信號使凈輸入信號加強，因此Rf引入了正反饋。另外，根據(jù)上述判別法則可知，反饋信號接回到同相輸入端，故為正反饋。（2）判別過程的瞬時極性如圖6.4（b）所示，即ui經(jīng)兩級放大后，通過級間反饋元件Rf，Cf引回到VT1基極的瞬時極性為“-”，可以看出，反饋信號使凈輸入信號減小，因此Rf，Cf引入了負反饋。另外，根據(jù)上述判別法則可知，反饋信號和輸入信號加到輸入級的同一個電極上，且極性相反，故為負反饋。

圖6.4用瞬時極性法判別反饋極性

6.2.2直流反饋和交流反饋在放大電路中既有直流分量又有交流分量，如果電路引入的反饋量是直流成分，稱為直流反饋；如果電路引入的反饋量是交流成分，稱為交流反饋；如果電路引入的反饋量既有交流成分又有直流成分，稱為交直流反饋。判別方法如下：可以根據(jù)交流通路和直流通路來判別：若反饋通路存在于直流通路中，則為直流反饋；若反饋通路存在于交流通路中，則為交流反饋；若反饋通路既存在于交流通路中又存在于直流通路中，則為交直流反饋。

例6.2試判斷如圖6.4所示電路是直流反饋還是交流反饋。解：（1）為了判別圖6.4（a）所示電路引入的是直流反饋還是交流反饋，可畫出其直流通路如圖6.5（a）和交流通路如圖6.5（b）所示。從圖中可以看出，Rf僅存在于直流通路中，在交流通路中

Rf一端接“地”成了輸出端負載，因此Rf引入了直流反饋。（2）在圖6.4（b）中，由于Cf直流開路，因此Rf，Cf引入了交流反饋。圖6.5圖6.4（a）的直流通路和交流通路

6.2.3電壓反饋和電流反饋反饋是從輸出端取樣，若反饋信號與輸出電壓成正比，取樣的是電壓，稱為電壓反饋；若反饋信號與輸出電流成正比，取樣的是電流，稱為電流反饋。判別方法如下：（1）將負載短路，若反饋信號消失，則為電壓反饋；否則為電流反饋。（2）除公共地線外，若反饋線與輸出線接在同一點上，則為電壓反饋；若反饋線與輸出線接在不同點上，則為電流反饋。

例6.3試判斷圖6.4所示電路是電壓反饋還是電流反饋。解：（1）在圖6.4（a）中，將輸出電壓短路，可見，輸出端接地，反饋支路也接地，則反饋量消失，因此Rf引入了電壓反饋。另外可見，Rf構(gòu)成的反饋線與輸出端并接在一起，必然為電壓取樣，故為電壓反饋。（2）在圖6.4（b）中，將負載RL短路，則反饋信號仍然存在，故為電流反饋。另外可見，Rf，Cf形成的反饋線接在VT2的發(fā)射極，而輸出線接在VT2的集電極，兩者沒有以輸出端子為公共節(jié)點，故為電流負反饋。注意：電壓反饋和電流反饋的區(qū)分，只有在負載變化時才有意義。當負載不變時，若反饋信號與輸出電壓成正比，也可以視為與輸出電流成正比，此時電壓反饋與電流反饋具有相同的效果。只有當負載變化時，輸出電壓和輸出電流朝相反方向變化，才有可能區(qū)分反饋信號和哪一個輸出量成正比。

6.2.4串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)反饋在輸入端的連接方法，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。對于串聯(lián)反饋，其反饋信號和輸入信號是串聯(lián)的（即凈輸入電壓是由輸入信號和反饋信號相疊加）；對于并聯(lián)反饋，其反饋信號和輸入信號是并聯(lián)的（即凈輸入電流是由輸入電流和反饋電流相疊加）。判別方法如下：（1）將輸入回路的反饋節(jié)點對地短路，若輸入信號仍能送到開環(huán)放大電路中去，則為串聯(lián)反饋；否則為并聯(lián)反饋。（2）串聯(lián)反饋是輸入信號與反饋信號加在放大器的不同輸入端（對于晶體管來說一端為基極，另一端為發(fā)射極）；并聯(lián)反饋則是兩者并接在同一個輸入端上。

例6.4試判斷如圖6.4所示電路是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。解：（1）在圖6.4（a）中，，即反饋信號和輸入信號是串聯(lián)的。將輸入回路的反饋節(jié)點對地短路后，相當于運放反相輸入端接地，其短路后的等效電路如圖6.6所示。由于輸入信號加在反相端，故信號仍能送到開環(huán)放大電路，因此為串聯(lián)反饋。圖6.6圖6.4（a）輸入反饋節(jié)點短路后的等效電路

另外可見，輸入信號與反饋信號加在放大器的不同輸入端上，故為串聯(lián)反饋。（2）在圖6.4（b）中，，即反饋信號和輸入信號是并聯(lián)的。將輸入回路反饋節(jié)點對地短路后，晶體管VT1的基極接地，輸入信號無法送到開環(huán)放大電路中，故為并聯(lián)反饋。另外可見，Rf，Cf引入的反饋線與輸入信號線并接在一起，故可直接判定為并聯(lián)反饋。由于直流負反饋僅能穩(wěn)定靜態(tài)工作點，在此不做過多討論。對交流負反饋而言，綜合輸出端取樣對象的不同和輸入端的不同接法，可以組成４種類型的負反饋放大器：①電壓串聯(lián)負反饋；②電壓并聯(lián)負反饋；③電流串聯(lián)負反饋；④電流并聯(lián)負反饋。返回

6.3負反饋對放大器性能的影響放大電路引入負反饋后，可以使許多方面的性能變好，但是，所有性能的改善都是以降低放大倍數(shù)為代價的。

6.3.1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性當外界條件變化（如負載電阻、晶體管

值變化等），即使輸入信號一定，也會引起輸出信號變化，即放大倍數(shù)變化。

引入負反饋后，由于它的自動調(diào)節(jié)作用，使輸出信號的變化得到抑制，放大倍數(shù)趨于穩(wěn)定。當反饋深度（1+AF）>>1時，則稱為深度負反饋，此時（6-5）可見，在深度負反饋情況下，閉環(huán)增益Af僅取決于反饋系數(shù)F。而反饋系數(shù)F由反饋元件參數(shù)決定，比較穩(wěn)定，因此Af也比較穩(wěn)定。

6.3.2改善非線性失真由于晶體管（或場效應(yīng)管）的非線性特性，或靜態(tài)工作點選得不合適等，當輸入信號較大時，在其輸出端就產(chǎn)生了正半周幅值大、負半周幅值小的非線性失真信號，如圖6.7（a）所示。引入負反饋后，如圖6.7（b）所示，反饋信號來自輸出回路，其波形也是上大下小，將它送到輸入回路，使凈輸入信號（）變成上小下大，經(jīng)放大，輸出波形的失真獲得補償。從本質(zhì)上說，負反饋是利用了“預(yù)失真”的波形來改善波形的失真，因而不能完全消除失真，并且對輸入信號本身的失真不能減少。同樣道理，負反饋可以減小由于放大器本身所產(chǎn)生的干擾和噪聲（可看做與非線性失真類似的諧波）。

圖6.7減小非線性失真

6.3.3展寬通頻帶把放大器對不同頻率的正弦信號的放大效果稱為放大器的頻率響應(yīng)，其中放大倍數(shù)的大小與頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性。如圖6.8所示為阻容耦合放大電路開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性（在低頻段，因耦合電容隨頻率降低而容抗增大，使信號受到衰減，放大倍數(shù)減小；在高頻段，因頻率升高而使晶體管的極間電容容抗減小，使放大倍數(shù)減小）。規(guī)定當放大倍數(shù)下降為0.707Aum時所對應(yīng)的兩個頻率，分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH

，它們之間的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用BW表示，即BW=fH

-fL。通頻帶愈寬，表示放大器工作的頻率范圍愈寬。

圖6.8開環(huán)與閉環(huán)的幅頻特性

由于負反饋對任何原因引起的放大倍數(shù)的變化都有抑制能力，因此，對于因信號頻率升高或降低而產(chǎn)生的放大倍數(shù)的變化，可自動調(diào)節(jié)其變化，使得放大倍數(shù)幅頻特性平穩(wěn)的區(qū)間加大，即通頻帶加寬。反饋后的幅頻特性如圖6.8所示。分析可知，引入負反饋后