《模擬電子技術及應用》課件第3章

3.1.1反饋的定義

反饋也稱“回授”，廣泛應用于各個領域。在電子線路中，將放大電路的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，通過一定的方式送回到放大電路輸入端的過程稱為反饋。我們把引入反饋的放大電路稱為閉環(huán)放大電路(反饋放大電路)，沒有引入反饋的放大電路稱為開環(huán)放大電路。在放大電路中引入反饋是為了將反饋信號與原輸入信號進行疊加，以改變放大電路的凈輸入信號，最終達到改變放大電路性能參數(shù)的目的。3.1反饋的基本概念

反饋放大電路的框圖如圖3-1所示，圖中標有的方框表示基本放大電路，標有的方框表示反饋網(wǎng)絡，表示原輸入信號，表示反饋信號，表示凈輸入信號，表示輸出信號，符號表示信號

與

疊加。在圖3-1中， 。通常把從輸出信號中取出反饋信號的過程稱為“取樣”；把原輸入信號與反饋信號的疊加過程稱為“比較”。

這里定義幾個新的參數(shù)： 稱為開環(huán)放大倍數(shù)，其為無反饋時放大電路的放大倍數(shù)； 稱為反饋系數(shù)； 稱為閉環(huán)放大倍數(shù)。

圖3-13.1.2反饋的類型及判別

1.直流反饋與交流反饋

如果反饋量f中僅含有直流成分，則稱為直流反饋。在圖2-22(b)中的RE上只有直流電流，且UBE＜UB，所以，引入的是直流負反饋。如果反饋量f中僅含有交流成分，則稱為交流反饋。

在放大電路中引入直流負反饋的目的是為了穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點，引入交流負反饋的主要目的是為了改善放大電路的交流性能參數(shù)。本章主要討論交流負反饋。

直流反饋與交流反饋的判別方法是：根據(jù)定義觀察反饋信號是直流成分還是交流成分。在有些電路中，直流反饋與交流反饋同時存在。

2.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋

串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋是按輸入回路中原輸入信號與反饋信號

的比較方式來定義的。原輸入信號無非是電壓

或電流，反饋信號也分為電壓和電流

。若反饋信號使輸入電壓發(fā)生變化，則為串聯(lián)反饋；若反饋信號使輸入電流發(fā)生變化，則為并聯(lián)反饋。如圖3-2(a)所示， ，輸入電壓發(fā)生了變化，故為串聯(lián)反饋；在圖3-2(b)中， ，輸入電流發(fā)生了變化，故為并聯(lián)反饋。

圖3-2串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判別方法是：根據(jù)反饋網(wǎng)絡與放大電路的連接關系來判別。即除了公共接地端外，若反饋網(wǎng)絡的另一個端子與放大電路輸入信號的輸入端子相連接，則為并聯(lián)反饋，否則，為串聯(lián)反饋。

3.電壓反饋與電流反饋

電壓反饋和電流反饋是按取樣方式的不同來定義的，即根據(jù)反饋信號與輸出信號的關系來確定。若反饋信號與輸出電壓

成比例，則為電壓反饋；若反饋信號與輸出電流

成比例，則為電流反饋。如圖3-3(a)所示，當 時， ，此時

，故為電壓反饋；在圖3-3(b)中，當 時，

，此時 _____，故為電流反饋。

圖3-3判別電壓反饋與電流反饋的方法之一是根據(jù)定義來判別，即當 (輸出端短路)時， ，為電壓反饋；當 (輸出端開路)時， ，為電流反饋。

判別電壓反饋與電流反饋的方法之二是根據(jù)電路結構判別，其具體方法是：先畫出電路的交流通道，然后在交流通道中觀察反饋網(wǎng)絡與放大電路輸出端的連接關系，除公共端外，若反饋網(wǎng)絡與輸出端相連接，則為電壓反饋，否則，為電流反饋。

4.負反饋與正反饋

反饋可分為負反饋和正反饋。在式 中，若 ，反饋信號使凈輸入信號增大，即為正反饋；若 ，反饋信號使凈輸入信號減小，即為負反饋。由于反饋的結果影響了凈輸入信號，因而必然會影響輸出信號，所以，也可以根據(jù)引入反饋前后輸出信號的變化情況來判斷反饋的極性。若引入反饋后使輸出信號增大，則為正反饋；反之，為負反饋。

在圖2-22(b)中，發(fā)射極電阻RE引入的即為負反饋。因為無RE時，UBE＝UB，有RE時，UBE＜UB，反饋信號使凈輸入信號減小，所以為負反饋。

判別正反饋與負反饋的方法是瞬時極性法。其具體方法是：先斷開反饋網(wǎng)絡與放大電路輸入端的連接，然后設定輸入信號有一個正極性的變化(增大)，再根據(jù)放大電路和反饋網(wǎng)絡信號的傳輸路徑，逐級推出反饋信號的極性(增大或減小)，最后根據(jù)反饋信號與輸入信號的極性，觀察反饋信號與輸入信號疊加后使凈輸入信號增大了還是減小了，若凈輸入信號減小，則為負反饋，若凈輸入信號增大，則為正反饋。在具體電路中，可通過比較凈輸入電壓和凈輸入電流與原輸入電壓和原輸入電流的大小關系來判定，如在圖3-2中，若 或 ，則為負反饋，否則，為正反饋。

綜上所述，根據(jù)取樣方式和比較方式，負反饋放大電路有四種組態(tài)，即串聯(lián)電壓負反饋、并聯(lián)電壓負反饋、串聯(lián)電流負反饋和并聯(lián)電流負反饋。

對于負反饋，由于

，其閉環(huán)增益為

(3-1-1)

式中，稱為電路的環(huán)路放大倍數(shù)；稱為反饋深度，其大小反映了反饋的強弱。

負反饋放大電路的分析包含兩個方面：定性分析和定量分析。定性分析是根據(jù)電路結構判別反饋組態(tài)，應用瞬時極性法判別正、負反饋；定量分析主要是估算放大電路的增益和輸入電阻、輸出電阻。本節(jié)主要討論定性分析方法，對定量分析只作簡單介紹。3.2負反饋放大電路的分析3.2.1負反饋放大電路的定性分析

1.單級串聯(lián)電流負反饋放大電路

圖3-4(a)為單級串聯(lián)電流負反饋放大電路，圖3-4(b)為其交流通道，它與共射極放大電路的不同之處就是去掉了發(fā)射極旁路電容CE。這樣，RE除對靜態(tài)電流ICQ繼續(xù)起穩(wěn)定作用外，加入輸入信號后，RE兩端還產(chǎn)生交流信號電壓

。由于RE處在輸出和輸入回路的公共支路中，因此既起到對電流的取樣作用，又實現(xiàn)了反饋(因為反饋電壓

，該式說明反饋信號以電壓

的形式出現(xiàn)，改變輸入電壓，屬于電壓比較的串聯(lián)反饋，同時，又由于正比于，即取樣于電流，屬電流反饋)。、

及三者的實際電壓極性滿 ，故為負反饋。

當集電極信號電流受各種因素(如元件參數(shù)老化、負載變化、溫度變化、電源電壓變化等)的影響而發(fā)生變化時，由于取樣于，因此通過反饋的調節(jié)作用必將穩(wěn)定。其穩(wěn)定原理與穩(wěn)定靜態(tài)電流ICQ相似，可以用下列過程表示：結果使變化不大，實現(xiàn)了輸出電流的穩(wěn)定。

圖3-4

為突出穩(wěn)定對象，在負反饋放大電路中，常將輸出穩(wěn)定量與輸入恒定量之比定義為放大器的增益。本例中是在

恒定情況下穩(wěn)定輸出電流

的，其比值

，稱為放大器的互導增益。所以，電流串聯(lián)負反饋放大器是穩(wěn)定互導增益的，故串聯(lián)電流負反饋放大電路又稱為互導放大器。

另一方面，對負載的變化而言，流過它的電流得到了穩(wěn)定，這相當于提高了從左端向放大器看進去的交流輸出電阻。至于放大器的輸出電壓是否穩(wěn)定，這要根據(jù)具體情況而定。若是不變的，則根據(jù)

可知，穩(wěn)定必穩(wěn)定；若是變化的，則不穩(wěn)定。

2.單級并聯(lián)電壓負反饋放大電路

圖3-5(a)為單級并聯(lián)電壓負反饋電路，圖3-5(b)為其交流通道。

圖3-5中，Rf為反饋電阻，它跨接在輸出端與輸入端之間，起取樣和反饋的雙重作用。在交流通道中，將Rf下端到地用等效電壓源代替。由圖3-5(b)可知，Rf通過到地接在輸入端(

為實際電壓極性)，這個反饋支路與信號源、基本放大器輸入端三者是并聯(lián)關系。反饋信號是以電流的形式出現(xiàn)的，并以圖3-5(b)所示電流、電壓的實際極性表示。

從基極流出，其比較關系為 ，故屬于并聯(lián)負反饋。在Rf支路中形成的電流才是反饋電流，顯然有 ，故屬于電壓反饋。

電壓反饋取樣于電壓，在各種因素影響下必能穩(wěn)定，其穩(wěn)定原理可用下列過程表示：

結果使變化不大，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定。

圖3-5

與

之比稱為放大電路的互阻增益 ，因并聯(lián)電壓負反饋放大電路穩(wěn)定的是互阻增益，故稱為互阻放大器。對RL的變化而言，欲使輸出電壓穩(wěn)定，就需給RL提供一個恒壓源信號，相當于減小了放大器從RL左邊看進去的輸出電阻。

3.兩級串聯(lián)電壓負反饋放大電路

兩級串聯(lián)電壓負反饋放大電路及其交流通道如圖3-6(a)、(b)所示。由圖3-6(b)的交流通道可知：Rf和Cf構成的反饋支路跨接在第二級輸出端與第一級三極管發(fā)射極之間，反饋信號取樣于第二級的輸出電壓，經(jīng)Rf和RE1分壓后在RE1兩端得到反饋電壓

。在忽略第一級發(fā)射極交流電流的影響時，反饋電壓

，屬于電壓反饋。由圖3-6(b)所示實際電壓極性可知，比較關系為 ，故屬于串聯(lián)負反饋。

串聯(lián)電壓負反饋放大電路是在恒定的情況下穩(wěn)定輸出電壓

的，即穩(wěn)定對象是電壓增益 ，故又稱為電壓放大器。穩(wěn)定相當于降低了第二級輸出電阻。

圖3-6

4.兩級并聯(lián)電流負反饋放大電路

圖3-7(a)、(b)分別為兩級并聯(lián)電流負反饋電路和交流通道。反饋電阻Rf跨接在第二級V2發(fā)射極和第一級V1基極之間，反饋信號以電流的形式出現(xiàn)。從圖3-7(b)所示的實際電流方向可知，必從第一級基極B流出，并滿足 ，故為并聯(lián)負反饋。第二級發(fā)射極電流 ，反饋信號取樣于電流，故穩(wěn)定，屬于電流反饋。由于在恒定的條件下穩(wěn)定了，因而穩(wěn)定了電流放大倍數(shù) ，所以并聯(lián)電流負反饋放大器又稱為電流放大器。

穩(wěn)定，給負載RL提供了一個恒流信號，相當于提高了從RL左側向放大器看進去的輸出電阻。

通過以上四種典型負反饋電路的定性討論可知，不同反饋類型的穩(wěn)定對象以及對信號源的要求是不同的，今后還會分析到其他性能的差別，因此，事先判別出反饋類型是十分重要的。

圖3-7

判別反饋類型時，通常先判別是電壓還是電流反饋，這可用負載短路法判別。即假想負載RL短路，若此時反饋信號(

或

)消失，則為電壓反饋；若反饋信號依然存在，則為電流反饋。判別是串聯(lián)還是并聯(lián)反饋只要看反饋信號是電壓還是電流即可。若是，則為電壓比較，屬串聯(lián)反饋；若是電流，則為電流比較，屬并聯(lián)反饋。至于是正反饋還是負反饋，就要用瞬時極性法加以判別。方法是先假定輸入信號的瞬時極性，然后利用放大器有關電流或電壓相位的知識標出反饋信號應有的實際方向，再看凈輸入信號是增大了還是減小了，即可判別出是正反饋還是負反饋。3.2.2深度負反饋放大電路增益的估算

前面對負反饋放大電路作了定性分析，下面進行定量分析，這里僅對電路增益的估算方法作一簡單介紹。

1.深度負反饋的特點

式(3-1-1)給出了負反饋放大電路的閉環(huán)增益為

，如果該式滿足條件

或

(3-2-1)那么，負反饋放大電路的閉環(huán)增益為

(3-2-2)

由于反饋網(wǎng)絡一般由電阻構成，反饋系數(shù)為實數(shù)，因此式(3-2-2)表明，在深度負反饋條件下，放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)近似等于反饋系數(shù)的倒數(shù)，其數(shù)值僅由構成反饋網(wǎng)絡的電阻的阻值決定，而與放大電路的開環(huán)參數(shù)無關，因此閉環(huán)放大倍數(shù)非常穩(wěn)定。

在深度負反饋的條件下，放大電路的凈輸入信號很小，即

(3-2-3)

因而有

(3-2-4)

由此可以得到

這與式(3-2-2)相同。

式(3-2-2)、式(3-2-3)和式(3-2-4)是在深度負反饋條件下推導出來的，它們反映了深度負反饋放大電路的特點。利用這些特點，可以方便地對負反饋放大電路進行定量分析。

2.負反饋放大電路的增益估算舉例

例3-1

估算如圖3-4(a)所示的串聯(lián)電流負反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)。

解為計算方便，將該電路的交流通道重畫為圖3-8。

由交流通道知

因為 ，所以

電壓放大倍數(shù)為

我們也可以根據(jù)第二章介紹的微變等效電路法求出該電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

。

單管放大電路的開環(huán)增益低，反饋深度不夠深，上式的計算精確度較差。

圖3-8

例3-2

估算圖3-6(a)所示兩級串聯(lián)電壓負反饋放大電壓的電壓放大倍數(shù)。

解為計算方便，將該電路的交流通道重畫為圖3-9。

忽略不計，由交流通道知

故

因為 ，所以

兩級放大電路的開環(huán)增益較大，反饋深度較深，上式的計算結果較準確。

圖3-9

例3-3

估算如圖3-7(a)所示兩級并聯(lián)電流負反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)。

解為計算方便，將該電路的交流通道重畫為圖3-10。

由于電路是深度負反饋，故有 ，，且Rs>>rif。因為

所以

圖3-10

放大電路中引入交流負反饋后，其性能會得到多方面的改善，比如可以穩(wěn)定放大倍數(shù)，改變輸入電阻和輸出電阻，展寬頻帶，減小非線性失真等。下面將一一加以說明。3.3負反饋對放大電路性能的影響3.3.1穩(wěn)定放大倍數(shù)

當放大電路引入深度負反饋時， 幾乎僅決定于反饋網(wǎng)絡，而反饋網(wǎng)絡通常由電阻組成，因而可獲得很好的穩(wěn)定性。那么，就一般情況而言，是否引入交流負反饋就一定能使得到穩(wěn)定呢？

在中頻段，、和均為實數(shù)，的表達式可寫成

(3-3-1)對式(3-3-1)求微分得

(3-3-2)

用式(3-3-1)的左右兩邊分別除以式(3-3-2)的左右兩邊，可得

(3-3-3)式(3-3-3)表明，負反饋放大電路放大倍數(shù)Af的相對變化量僅為無反饋時放大電路其放大倍數(shù)A的相對變化量的1／(1＋AF)，也就是說，Af的穩(wěn)定性是A的(1＋AF)倍。例如，當A變化10%時，若1＋AF＝100，則Af僅變化0.1%。

對式(3-3-3)的內涵進行分析可知，引入交流負反饋，因環(huán)境溫度的變化、電源電壓的波動、元件的老化、器件的更換等原因引起的放大倍數(shù)的變化都將減小。特別是在制成產(chǎn)品時，因半導體器件參數(shù)的分散性所造成的放大倍數(shù)的差別也將明顯減小，從而使電路的放大能力具有很好的一致性。

應當指出：Af的穩(wěn)定性是以損失放大倍數(shù)為代價的，即Af減小到A的1／(1＋AF)，才使其穩(wěn)定性得以提高到A的(1＋AF)倍。也就是說，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。3.3.2改變輸入電阻和輸出電阻

在放大電路中引入不同組態(tài)的交流負反饋，將對輸入電阻和輸出電阻產(chǎn)生不同的影響。

1.對輸入電阻的影響

輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的等效電阻，因而負反饋對輸入電阻的影響，取決于無反饋放大電路與反饋網(wǎng)絡在電路輸入端的連接方式，即取決于電路引入的是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。

1)串聯(lián)負反饋增大輸入電阻

如圖3-11所示為串聯(lián)負反饋放大電路的方框圖，根據(jù)輸入電阻的定義，無反饋放大電路的輸入電阻為

而整個電路的輸入電阻為

圖3-11從而得出串聯(lián)反饋輸入電阻的表達式為

(3-3-4)

式(3-3-4)表明，輸入電阻增大到了ri的(1＋)倍。應當指出，在某些負反饋放大電路中，有些電阻并不在反饋環(huán)內，例如，如圖3-9(b)所示交流通路中的RB11并聯(lián)在輸入端，反饋對它不產(chǎn)生影響，但對于的輸入電阻應該是由式(3-3-4)計算所得電阻與RB11的并聯(lián)。

2)并聯(lián)負反饋減小輸入電阻

并聯(lián)負反饋放大電路的方框圖如圖3-12所示。根據(jù)輸入電阻的定義，無反饋放大電路的輸入電阻為

整個電路的輸入電阻為

圖3-12

從而得出并聯(lián)反饋輸入電阻的表達式為

(3-3-5)

式(3-3-5)表明，引入并聯(lián)負反饋后，輸入電阻僅為無反饋放大電路輸入電阻的1／(1＋)。

2.對輸出電阻的影響

輸出電阻是從放大電路輸出端看進去的等效內阻，因而負反饋對輸出電阻的影響取決于無反饋放大電路與反饋網(wǎng)絡在放大電路輸出端的連接方式，即取決于電路引入的是電壓反饋還是電流反饋。

1)電壓負反饋減小輸出電阻

電壓負反饋的作用是穩(wěn)定輸出電壓，故必然使輸出電阻減小。電壓負反饋放大電路的方框圖如圖3-13所示，令輸入量 ，在輸出端加交流電壓，產(chǎn)生交流電流，則電路的輸出電阻為

(3-3-6)

圖3-13

作用于反饋網(wǎng)絡，得到反饋量 又作為凈輸入量作用于無反饋放大電路，產(chǎn)生的輸出電壓為

。無反饋放大電路的輸出電阻為ro，因為在無反饋放大電路中已考慮了反饋網(wǎng)絡的負載效應，所以不必重復考慮反饋網(wǎng)絡的影響。因此，ro中的電流為，其表達式為

將的有效值Io帶入式(3-3-6)，則可得電壓負反饋放大電路輸出電阻的表達式，即

(3-3-7)

式(3-3-7)表明，引入負反饋后輸出電阻僅為其無反饋放大電路輸出電阻的1／(1＋AF)。當1＋AF趨于無窮大時，rof趨于零，因此，電壓負反饋電路的輸出可近似認為是恒壓源。

2)電流負反饋增大輸出電阻

電流負反饋能夠穩(wěn)定輸出電流，故其必然會使輸出電阻增大。

如圖3-14所示為電流負反饋放大電路的方框圖。令＝0，在輸出端外加交流電壓，由此產(chǎn)生了電流，則電路的輸出電阻為

(3-3-8)作用于反饋網(wǎng)絡，得到反饋量 ，又作為凈輸入量作用于無反饋放大電路，使無反饋放大電路產(chǎn)生的輸出電流為。ro為無反饋放大電路的輸出電阻，由于在無反饋放大電路中已經(jīng)考慮了反饋網(wǎng)絡的負載效應，因此可以認為此時作用于反饋網(wǎng)絡的輸入電壓為零，即ro上的電壓為，故流入無反饋放大電路的電流

為

即

將的有效值Io帶入式(3-3-8)，便得到電流負反饋放大電路輸出電阻的表達式為

rof＝(1＋FA)ro (3-3-9)

式(3-3-9)說明，rof增大到了ro的(1＋FA)倍。當(1＋FA)趨于無窮大時，rof也趨于無窮大，電路的輸出等效為恒流源。

圖3-143.3.3展寬通頻帶

下面通過對幅頻特性的計算來說明負反饋對通頻帶的影響。

設有一放大電路，其中頻電壓放大倍數(shù)為Am＝400，上限頻率fH＝30kHz，即當工作頻率上升到fH時，電壓放大倍數(shù)下降到AH＝0.707Am＝282.8，比中頻下降了29.3%。若引入負反饋，設反饋系數(shù)F＝0.0475，則中頻區(qū)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Amf＝Am／(1＋FA)＝20，當工作頻率上升到30kHz時，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為AHf＝AH(1＋FAH)＝19.59，只比中頻時下降了2.1%。若用這樣的負反饋放大電路構成兩級放大電路，則中頻電壓放大倍數(shù)為400，高頻(30kHz)電壓放大倍數(shù)為383.8，比中頻降低了4.1%。上述計算說明，引入負反饋后，能使放大電路在頻率升高時其電壓放大倍數(shù)的降低變慢。換句話說，負反饋能提高放大電路的上限頻率。之所以能這樣，是因為放大電路在中頻區(qū)的放大倍數(shù)大，而高頻區(qū)的電壓放大倍數(shù)小，因而中頻區(qū)的反饋深度較高頻區(qū)要深。

類似計算可以說明，負反饋也能降低放大電路的下限頻率fL。

綜上所述，在放大電路中引入負反饋可以展寬通頻帶、改善放大電路的低頻和高頻響應特性。負反饋對通頻帶的影響如圖3-15所示。

圖3-153.3.4減小非線性失真

對于理想的放大電路，其輸出信號與輸入信號應完全呈線性關系。但是，由于組成放大電路的半導體器件(如三極管和場效應管)均具有非線性特性，因此當輸入信號為幅值較大的正弦波時，輸出信號卻往往不是正弦波。經(jīng)諧波分析，輸出信號中除含有與輸入信號頻率相同的基波外，還含有其他諧波，因而會產(chǎn)生失真。怎樣才能消除這種失真呢？我們不妨看下面的例子。

設放大電路輸入級放大管的B-E間得到正弦電壓ube，由于三極管輸入特性的非線性，因此ib將會失真，其正半周幅值大，負半周幅值小，如圖316(a)所示。這樣必然會造成輸出電壓、電流的失真?？梢栽O想，如果能使B-E間電壓的正半周幅值小些而負半周的幅值大些，那么，ib將近似為正弦波，如圖3-16(b)所示。當電路引入負反饋后，可使凈輸入量產(chǎn)生類似圖3-16(b)的ube電壓變化，因此減小了非線性失真。

圖3-16如圖3-17所示為減小非線性失真的定性分析。設在正弦波輸入量Xi作用下，輸出量X