模電電子線路線性部分第五版主編馮軍謝嘉奎課件學習教案

會計學1模電電子線路線性部分第五版主編馮軍謝嘉奎5.1反饋放大器的基本概念5.1.1反饋放大器的組成將放大器輸出信號的一部分或全部，通過反饋網(wǎng)絡回送到電路輸入端，并對輸入信號進行調整，所形成的閉合回路即反饋放大器。

反饋放大器組成框圖基本放大器A反饋網(wǎng)絡kfxoxix

ixf凈輸入信號

輸入信號反饋信號輸出信號第5章放大器中的負反饋第1頁/共50頁

反饋放大器增益一般表達式基本放大器A反饋網(wǎng)絡kfxoxix

ixf開環(huán)增益反饋系數(shù)閉環(huán)增益反饋深度環(huán)路增益反饋深度

F(或環(huán)路增益T)是衡量反饋強弱的一項重要指標。其值直接影響電路性能。第5章放大器中的負反饋第2頁/共50頁

反饋極性由于凈輸入信號

若

xf

削弱了xi，使

x

i<xi負反饋

若

xf

增強了xi，使

x

i>xi正反饋說明負反饋具有自動調整作用，可改善放大器性能。

例：某原因正反饋使放大器工作不穩(wěn)定，多用于振蕩器中。負反饋的自動調整作用是以犧牲增益為代價的。第5章放大器中的負反饋第3頁/共50頁5.1.2四種類型負反饋放大器

根據(jù)輸出端連接方式

電壓反饋AkfRL+-voxixfx

i在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡與基本放大器并接，反饋信號取自負載上輸出電壓的反饋稱為電壓反饋。輸出量xo=voxixfx

iAkfRLio

在輸出端，凡反饋網(wǎng)絡與基本放大器串接，反饋信號取自負載中輸出電流的反饋稱為電流反饋。

電流反饋輸出量xo=io第5章放大器中的負反饋第4頁/共50頁

根據(jù)輸入端連接方式

串聯(lián)反饋在輸入端，反饋網(wǎng)絡與基本放大器串接，反饋信號以電壓vf

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進行電壓比較，即

v

i=vi

-

vf

。在輸入端，反饋網(wǎng)絡與基本放大器并接，反饋信號以電流if

的形式出現(xiàn)，并在輸入端進行電流比較，即

ii

=ii

-

if

。

并聯(lián)反饋AkfRS+-vs+-vivfv

i+-+-xoAkfRSiSiiifii

xo第5章放大器中的負反饋第5頁/共50頁

四種類型負反饋放大器增益表達式AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voArkfgRL+-voRSiSiiifii

電壓串聯(lián)負反饋開環(huán)電壓增益電壓反饋系數(shù)閉環(huán)電壓增益

電壓并聯(lián)負反饋開環(huán)互阻增益互導反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益第5章放大器中的負反饋第6頁/共50頁AgkfrRLioRS+-vs+-vivfv

i+-+-RSiSiiifii

AikfiRLio

電流串聯(lián)負反饋開環(huán)互導增益互阻反饋系數(shù)閉環(huán)互導增益

電流并聯(lián)負反饋開環(huán)電流增益電流反饋系數(shù)閉環(huán)互阻增益注意：不同反饋類型對應不同輸入、輸出電量，因此不同類型反饋電路的

A、kf、Af

含義不同。第5章放大器中的負反饋第7頁/共50頁Akfxoxixfx

i5.1.2反饋極性與類型的判別

判斷是否為反饋電路看電路輸出與輸入之間是否接有元件，若有則為反饋電路，該元件即為反饋元件。例1Rf

為反饋元件。RE為反饋元件。第5章放大器中的負反饋viVCCRCRfvoviVCCRCvo+-+-RERB1RB2例2第8頁/共50頁

判斷反饋類型—

采用短路法

假設輸出端交流短路，若反饋信號消失，則為電壓反饋；反之為電流反饋。

判斷電壓與電流反饋

判斷串聯(lián)與并聯(lián)反饋

假設輸入端交流短路，若反饋作用消失，則為并聯(lián)反饋；反之為串聯(lián)反饋。AvkfvRS+-vs+-vivfv

i+-+-RL+-voiiii

ioRSiSifAikfiRL第5章放大器中的負反饋第9頁/共50頁

判斷反饋極性—

采用瞬時極性法Akfxoxixfxi

設vi

瞬時極性為用正負號表示電路中各點電壓的瞬時極性，或用箭頭表示各節(jié)點電流瞬時流向的方法稱瞬時極性法。

比較xf

與xi

的極性(

xi=

xi

-

xf)若xf

與xi

同相，使xi

減小的，為負反饋；若xf

與xi

反相，使xi

增大的，為正反饋。經(jīng)A判斷vo？？經(jīng)kf判斷

xf？？第5章放大器中的負反饋第10頁/共50頁說明

用瞬時極性法比較xf

與xi

極性時：若是并聯(lián)反饋：則需根據(jù)電壓的瞬時極性，標出相關支路的電流流向，然后用電流進行比較(ii=

ii

-

if)。若是串聯(lián)反饋：則直接用電壓進行比較(vi=

vi

-

vf)。

按交、直流性質分：直流反饋：交流反饋：反饋信號為直流量，用于穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點。反饋信號為交流量，用于改善放大器動態(tài)性能。

多級放大器中的反饋：局部反饋：越級反饋：反饋由本級輸出信號產(chǎn)生，可忽略。

輸出信號跨越一個以上放大級向輸入端傳送的稱為級間(或越級)反饋。

第5章放大器中的負反饋第11頁/共50頁例1判斷電路的反饋極性和反饋類型。

假設輸出端交流短路，Rf

引入的反饋消失電壓反饋。

假設輸入端交流短路，Rf

的反饋作用消失并聯(lián)反饋。

分析：→則

vc

為○-

假設vi

瞬時極性為○+○+○-→形成的if

方向如圖示。iiifib因凈輸入電流ib=ii

-

if<ii負反饋。

結論：

Rf

引入電壓并聯(lián)負反饋。第5章放大器中的負反饋viVCCRCRfvo+-+-第12頁/共50頁例

2判斷圖示電路的反饋極性和反饋類型。

假設輸出端交流短路，RE

上的反饋依然存在電流反饋。

假設輸入端交流短路，RE

上的反饋沒有消失串聯(lián)反饋。

分析：

假設vi

瞬時極性為○+因凈輸入電壓vbe=vi

-

vf<vi負反饋。

結論：

RE

引入電流串聯(lián)負反饋?！?→則ve(即vf)極性為○+○+第5章放大器中的負反饋viVCCRCvo+-+-RERB1RB2viRCvo+-+-RERB1RB2第13頁/共50頁例3判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

-+AR1Rf+-vsvo-+AR1Rf+-vsvo○+○-○-電流并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)正反饋○+○-○-○-○+○-電壓并聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋○+○+○+第5章放大器中的負反饋viVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2RfviVCCRC1vo+-+-RE1RBRC2RE2Rf第14頁/共50頁viVCCRC1voVEERfRE2R1RC2RC3RST1T2T3例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

viVCCRC1voVEERER1RC2RC3RST1T2T3Rf○+○-○-○+○+○+電流串聯(lián)負反饋○+電流并聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋第15頁/共50頁例4判斷下列電路的反饋極性和反饋類型。

○+○+○+○+○-電壓并聯(lián)正反饋○-○+電壓串聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1viVCCRD1vo+-+-RS1RG2RD2RS2RfRG1第16頁/共50頁5.2.1降低增益5.2負反饋對放大器性能的影響反饋越深，電路增益越小。由得知：注：當取源增益時，上式依然成立，即5.2.2減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)

定義由得(2)

(1)得(1)(2)反饋越深，增益靈敏度越小。第5章放大器中的負反饋第17頁/共50頁5.2.3改變輸入、輸出電阻

輸入電阻

串聯(lián)反饋+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益反饋電路輸入電阻：引入串聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越大。結論第5章放大器中的負反饋第18頁/共50頁

并聯(lián)反饋反饋電路輸入電阻：引入并聯(lián)反饋，反饋越深，輸入電阻越小。結論AkfRiRsisifii

+-viiixo基放輸入電阻環(huán)路增益第5章放大器中的負反饋第19頁/共50頁

輸出電阻

電壓反饋

Ro：考慮反饋網(wǎng)絡負載效應后，基放輸出電阻。

Ast：負載開路時，基本放大器源增益。i+-v基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡+-令xs=0由定義得Rof

電路模型：由圖得引入電壓反饋，反饋越深，輸出電阻越小，vo

越穩(wěn)定。結論基放Roxfxs

Astxs

反饋網(wǎng)絡+-RLxsvo+-第5章放大器中的負反饋第20頁/共50頁

電流反饋

Ro：考慮反饋網(wǎng)絡負載效應后，基放輸出電阻。

Asn：負載短路時，基本放大器源增益。由定義得Rof

電路模型：由圖得引入電流反饋，反饋越深，輸出電阻越大，io

越穩(wěn)定。結論基放Roxsxfxs

ioAsnxs

RL反饋網(wǎng)絡令xs=0i+-v基放Roxfxs

Asnxs

反饋網(wǎng)絡第5章放大器中的負反饋第21頁/共50頁5.2.4減小頻率失真(或擴展通頻帶)

由于負反饋降低了電路增益靈敏度，因此放大器可在更寬的通頻帶范圍內維持增益不變。單極點系統(tǒng)引入負反饋后，反饋越深，上限角頻率越大,增益越小，但其增益帶寬積維持不變。設基放為單極點系統(tǒng)：則若反饋網(wǎng)絡反饋系數(shù)為：則閉環(huán)系統(tǒng)：其中：注意：通頻帶的擴展是以降低增益為代價的。第5章放大器中的負反饋第22頁/共50頁5.2.5減小非線性失真基本放大器vovivfv

i例如：一基本放大器，引入負反饋反饋網(wǎng)絡注意：負反饋只能減小反饋環(huán)內的失真，若輸入信號本身產(chǎn)生失真，反饋電路無能為力。輸入正弦信號時，輸出產(chǎn)生失真。vo

失真減小。第5章放大器中的負反饋第23頁/共50頁5.2.6噪聲性能不變同減小非線性失真一樣，引入負反饋可減小噪聲。注意：負反饋在減小噪聲的同時，有用信號以同樣的倍數(shù)在減小，其信噪比不變。因此，引入負反饋放大器噪聲性能不變。綜上所述，負反饋對放大器性能影響主要表現(xiàn)為：

降低增益

減小增益靈敏度(或提高增益穩(wěn)定性)

改變電路輸入、輸出電阻

減小頻率失真(或擴展通頻帶)

減小非線性失真

噪聲性能不變第5章放大器中的負反饋第24頁/共50頁在電路輸出端

基本放大器引入負反饋的原則若要求電路vo

穩(wěn)定或Ro

小應引入電壓負反饋。若要求電路io

穩(wěn)定或Ro

大應引入電流負反饋。在電路輸入端若要求Ri

大或從信號源索取的電流小引入串聯(lián)負反饋。若要求Ri

小或從信號源索取的電流大引入并聯(lián)負反饋。反饋效果與信號源內阻RS

的關系若電路采用RS

較小的電壓源激勵應引入串聯(lián)負反饋若電路采用RS

較大的電流源激勵應引入并聯(lián)負反饋第5章放大器中的負反饋第25頁/共50頁反饋效果與RS

關系的說明：

串聯(lián)負反饋采用電壓源激勵時，若RS

0則由于vS

恒定，則vf

的變化量全部轉化為vi

的變化量，此時反饋效果最強。采用電流源激勵時，若RS

由于iS

恒定，vi

固定不變，結果導致反饋作用消失。+-AkfRiRsvs+-+-vfvi

+-vixo(電壓源激勵)is+-AkfRiRs+-vfvi

+-vixo(電流源激勵)則恒定第5章放大器中的負反饋第26頁/共50頁ii

iiifAkfRixoRsvs+-vi

+-(電壓源激勵)ifii

iiAkfRixoisRs(電流源激勵)

并聯(lián)負反饋采用電壓源激勵時，若RS

0則由于iS

恒定，則if

的變化量全部轉化為ii

的變化量，此時反饋效果最強。采用電流源激勵時，若RS

由于vi

固定不變，結果導致反饋作用消失。則恒定第5章放大器中的負反饋第27頁/共50頁

深度負反饋條件5.4深度負反饋當電路滿足深度負反饋條件時：將T>>1

或F>>1

稱為深度負反饋條件。串聯(lián)反饋電路輸入電阻：并聯(lián)反饋電路輸入電阻：電壓反饋電路輸出電阻：電流反饋電路輸出電阻：增益：或第5章放大器中的負反饋第28頁/共50頁

深度負反饋條件下Avf

的估算

根據(jù)反饋類型確定kf

含義，并計算kf分析步驟：

若并聯(lián)反饋：將輸入端交流短路若串聯(lián)反饋：將輸入端交流開路則反饋系數(shù)

確定Afs(=xo/xs)含義，并計算Afs=1

/kf

將Afs

轉換成Avfs=vo/vskf=xf/xo計算此時xo

產(chǎn)生的xf第5章放大器中的負反饋第29頁/共50頁例1圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs

。該電路為電壓串聯(lián)負反饋放大器。解：將輸入端交流開路，即將T1

管射極斷開：則因此第5章放大器中的負反饋vsRC1vo+-+-RE1RLRC2RfRST1T2+-vf第30頁/共50頁例2圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs

。該電路為電流并聯(lián)負反饋放大器。解：將輸入端交流短路，即將

T1

管基極交流接地：則因此第5章放大器中的負反饋isRC1vo+-RLRC2RfRST1T2ifRE2io第31頁/共50頁例3圖示電路，試在深度負反饋條件下估算Avfs

。該電路為電壓并聯(lián)負反饋。(1)解：將反相輸入端交流接地：則因此該電路為電壓串聯(lián)負反饋。(2)解：將反相輸入端交流開路：則因此-+AR1Rf+-vsvoif(圖1)-+AR1Rf+-vsvo-+vf(圖2)第5章放大器中的負反饋第32頁/共50頁5.5負反饋放大器的穩(wěn)定性實際上，放大器在中頻區(qū)施加負反饋時，有可能因Akf

在高頻區(qū)的附加相移使負反饋變?yōu)檎答仯痣娐纷约ぁ?.5.1判別穩(wěn)定性的準則反饋放大器頻率特性：若在某一頻率上T(j

)=-1放大器自激自激振幅條件自激相位條件說明自激時，即使xi=0，但由于xi

=xf

，因此反饋電路在無輸入時，仍有信號輸出。第5章放大器中的負反饋第33頁/共50頁

不自激條件當或時，或當時，或

注意：只要設法破壞自激的振幅條件或相位條件，放大器就不會產(chǎn)生自激。

穩(wěn)定裕量要保證負反饋放大器穩(wěn)定工作，還需使它遠離自激狀態(tài)，遠離程度可用穩(wěn)定裕量表示。當時，相位裕量當時，增益裕量

g—增益交界角頻率；

—相位交界角頻率。第5章放大器中的負反饋第34頁/共50頁

相位裕量圖解分析法假設放大器施加的是電阻性反饋，kf

為實數(shù)：得由

在A(

)或T(

)波特圖上找

g在A(

)波特圖上，作1/kf(dB)的水平線，交點即

g。在T(

)波特圖上，與水平軸[T(

)=0dB]的交點，即

g。

根據(jù)

g

在相頻曲線上找

T(

g)

判斷相位裕量若放大器穩(wěn)定工作若放大器工作不穩(wěn)定注：1/kf(dB)的水平線稱增益線。第5章放大器中的負反饋第35頁/共50頁例1已知A(j

)波特圖，判斷電路是否自激。(1/kf)dB

g

T(

g)(1)在

A(

)波特圖上作

1/kf(dB)的水平線。分析：(2)找出交點，即

g。(3)在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)

。(4)由于

>45

，因此電路穩(wěn)定工作，不自激。A(

)/dB

O

T(

)

O-180

-90

第5章放大器中的負反饋第36頁/共50頁例2已知T(j

)波特圖，判斷電路是否自激。

T(

g)(1)由T(

)波特圖與橫軸的交點，找出

g。分析：(2)由

g

在

T(

)波特圖上，找出

T(

g)。T(

)/dB

O

T(

)

O-180o

g

(3)由于

<0

，因此電路自激。第5章放大器中的負反饋第37頁/共50頁

利用幅頻特性漸近波特圖判別穩(wěn)定性一無零三極系統(tǒng)波特圖如下，分析

g

落在何處系統(tǒng)穩(wěn)定。O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80放大器必穩(wěn)定工作。或

g

落在

P1

與

P2

之間，只要

g落在斜率為：(-20dB/10倍頻)的下降段內，

g則

>45

p2=10

p1，

p3=10

p2第5章放大器中的負反饋第38頁/共50頁O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80

p2=10

p1，將

p3

靠近

p2。由于|

T(

p2)|

則

g

落在

p1

與

p2

之間時，放大器依然穩(wěn)定工作。

第5章放大器中的負反饋第39頁/共50頁結論：在多極點的低通系統(tǒng)中，若

p310

p2，則只要

g

落在斜率為(-20dB/10倍頻)的下降段內，或

g

落在

p1與

p2

之間，放大器必穩(wěn)定工作。

將

p2靠近

p1

，由于|

T(

p2)|

上述結論不成立。

O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

p2

p1A

(

)/dB

204060O

p3-20dB/10倍頻-40dB/10倍頻-60dB/10倍頻80第5章放大器中的負反饋第40頁/共50頁5.5.2集成運放的相位補償技術解決方法：采用相位補償技術。在中頻區(qū)，反饋系數(shù)kf越大，反饋越深，電路性能越好。在高頻區(qū)，kf

越大，相位裕量越小，放大器工作越不穩(wěn)定。在中頻增益AI

基本不變的前提下，設法拉長

p1

與

p2

之間的間距，或加長斜率為“-20dB/10倍頻”線段的長度，使得kf

增大時，仍能獲得所需的相位裕量。相位補償基本思想：第5章放大器中的負反饋第41頁/共50頁

滯后補償技術

簡單電容補償—降低

p1補償方法：將補償電容C

并接在集成運放產(chǎn)生第一個極點角頻率的節(jié)點上，使

p1

降低到

d。AdiRCC

p1

降低到

d

反饋增益線下移穩(wěn)定工作允許的kf

增大。

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kf)第5章放大器中的負反饋第42頁/共50頁

p2

p1A

(

)/dB

O

p3AvdI

d20lg(1/kfv)

d

與kf

之間的關系：由圖十倍頻整理得kfv

d

反饋電路穩(wěn)定性，但

H

。kfv

=1時，全補償(C

用CS

表示)

d0此時，kfv

無論取何值，電路均可穩(wěn)定工作。第5章放大器中的負反饋第43頁/共50頁例1一集成運放AvdI=105，fp1=200Hz，fp2=2MHz，fp3=20MHz，產(chǎn)生fp1

節(jié)點上等效電路R1=200k，接成同相放大器，采用簡單電容補償。試求：fp2fp1Avd

(f

)/dBfOfp310020406080解：(1)求未補償前，同相放大器提供的最小增益

？根據(jù)題意，可畫出運放的幅頻漸近波特圖。未補償前