《模拟电子线路》第8章-杨凌

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1、杨 凌, 模 拟 电 子 线 路 第8章,第8章 反馈及其稳定性,8.0 引言 反馈理论首先诞生于电子技术领域.1928年,西部电子公司 的一个名叫Harold Black 的电子工程师发明了反馈放大器,当 时他正在研究长途电话中继放大器的增益稳定方法. 反馈理论和反馈技术不仅在众多工程领域(如自动控制、信 号处理等)获得了广泛应用.而且还延伸到其他科学领域(如生物 反馈). 反馈可用于所有的放大器系统.或以正反馈的形式,或以负反 馈的形式,正反馈常用来构成振荡器,负反馈主要用来改善放大器 的性能.,8.0 引 言,前几章虽然没有使用反馈的概念,但我们已经看到了反馈的 例子.例如,在第3章和第

2、4章介绍了位于BJT共射极电路的射极 电阻和位于MOSFET共源极电路的源极电阻,当晶体管参数变化 时,它们可用来稳定Q点.这些方法就采用了负反馈. 本章从反馈的概念入手,给出反馈放大器的方框图,推导反馈 放大器的闭环增益方程.研究四种基本理想负反馈的结构,讨论负 反馈对放大器性能的影响.分析负反馈放大器的稳定性问题,并给 出相应的稳定手段. 学习本章的主要目的是理解各种类型反馈的结构和特性,以 便能够根据需求确定反馈类型,并设计稳定的反馈放大器.,8.1 反馈的基本概念,一、反馈放大器的基本框图,图 8.1,开环,闭环,8.1 反馈的基本概念,二、理想负反馈放大电路的闭环增益方程, Xo=A

3、 Xi (8-1), Xf=F Xo (8-2), Xi =Xi Xf (8-3), Xo=A(Xi F Xo ), =A Xi AF Xo (8-4), Xo A Af = = (85) Xi 1+A F, Xo Afs = (86) Xs,8.1 反馈的基本概念, A 开环增益;, F 反馈系数;, A F 环路增益,常用T表示;, 1+A F 反馈深度., 1 Af (87) F, Af 闭环增益;, 1+A F 1 深度负反馈.,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,一、反馈的分类 1、直流反馈和交流反馈,(1) 定义 (2) 特点: 直流负反馈主要用来稳定Q点; 交流负反馈用来改善放大

4、器的性能指标. (3)判别方法: 画交、直流通路判断.,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,2、电压反馈和电流反馈,定义 (2) 特点:电压负反馈用来稳定输出电压; 电流负反馈用来稳定输出电流.,图 8.3,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,(3) 判别方法: 由结构判断:除公共地线外,若输出线与反馈线接在同一点上,为电压反馈;若接在不同点上,为电流反馈. (b) 负载短路法:将负载短路,若反馈信号消失,为电压反馈;若反馈依然存在,为电流反馈. 3、串联反馈和并联反馈 定义 (2) 特点:串联负反馈可以增大输入阻抗;并联负反馈 可以减小 输入阻抗. (3) 判别方法:,8.2 反馈的分类与反

5、馈类型的判断,(a) 由结构判断:除公共地线外,若反馈线与输入信号线接在同 一点上,为并联反馈;若接在不同点上,为串联反馈.,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,(b) 反馈接点对地短路法:反馈接点对地短路,若输入信号仍能 送入,为串联反馈;否则,为并联反馈. 4、正反馈和负反馈 定义 (2) 特点 (3) 判别方法: 瞬时极性法 对串联反馈: vi= vi vf,负反馈,正反馈,对并联反馈: ii= ii if 负反馈,ii= ii + if 正反馈,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,串联反馈: vi= vi vf,负反馈,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,8.2 反馈的分类与反馈类型的

6、判断,【例8-1】判断下图所示电路中反馈的类型和极性.,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,电流并联负反馈,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,电流串联正反馈,【例8-2】判断下图所示电路中反馈的类型和极性.,图 8.7,二、四种基本的反馈组态 根据输出端的采样不同以及与输入端的连接方式的不同,可将反馈分为四种基本类型,如图8.9所示.,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,图 8.8,8.2 反馈的分类与反馈类型的判断,四种类型负反馈中的基本电量关系如表8.1所示.,表 8.1,8.3 负反馈对放大器性能的改善,负反馈以牺牲增益为代价,换取了放大器许多方面性能的改善. 一、提高了增益的稳定性

7、由于增益的恒定性是用其绝对值的变化来表示的,所以,我们在此不考虑相位关系,用正实数A和F分别表示增益A和反馈系数F的绝对值,即,将闭环增益方程写成如下形式:,Xo A Af = = (88) Xi 1+A F,8.3 负反馈对放大器性能的改善,【例8-3】考虑一个一般反馈系统,其参数为A=106,Af=100.如果 A下降20%,相应的Af下降多少? 【解】,由这个例子可以看到,与开环增益相比,闭环增益变化的百 分比要小.这是负反馈的主要优点之一.,8.3 负反馈对放大器性能的改善,二、减少非线性失真 输出信号的失真是由基本放大器增益的变化或者基本放 大器传递函数斜率的变化引起的.增益的变化是

8、基本放大器中 BJT或FET的非线性特性的函数.电压放大器的一种典型的开 环传输特性如图8.10所示.,图 8.10,1开环特性 2闭环特性,注意:负反馈减少非线性失真指的是反馈环内的失真.负反馈对输入信号本身的失真毫无改善作用.,8.3 负反馈对放大器性能的改善,三、扩展通频带 频率响应是放大电路的重要特性之一,而频带宽度是它的 重要技术指标.引入负反馈是展宽频带的有效措施之一. 假设放大电路的高频响应用下面的单极点函数来表示:,当引入负反馈,并假设反馈系数与频率无关时,有:,其中:,Hf =H (1+AmF) (8-10),8.3 负反馈对放大器性能的改善,公式(8-10)表明:反馈放大

9、器的增益带宽积是一个常量, 可以以降低带宽为代价来提高 增益,也可以以降低增益为代 价来增加带宽,这一特性如图 8.11所示. 同理,若放大器的开环增益 具有下限角频率L,则引入负反馈后,其下限角频率Lf变为:,(8-11),8.3 负反馈对放大器性能的改善,四、抑制反馈环路内的噪声 在任何一个电子系统中,多余的随机信号以及额外的信号 都有可能出现并叠加在有用的信号之上.这些随机信号叫噪声. 电子噪声可以在放大器内产生,或者随输入信号进入放大器.负 反馈能减少放大器中的噪声,准确地说,它可以增加信噪比.负反 馈有助于降低放大器本身产生的噪声,但是,如果噪声是随输入 信号一起混入放大器的,负反馈

10、将无能为力.,图8.12 (a),8.3 负反馈对放大器性能的改善,图8.12 (b), AV1 AV2 AV1 Vo = Vs + Vn 1+AV1 AV2 FV 1+ AV1 AV2 FV,8.3 负反馈对放大器性能的改善,五、改变输入和输出电阻 1、输入电阻 在反馈电路中,输入电阻的改变取决于反馈网络与基本 放大器输入端的连接方式,而与输出端的采样方式无关.,图 8.13,8.3 负反馈对放大器性能的改善,对图8.13(a),对图8.13(b), Vi Vi Vi Ri Rif = = = = (815) Ii Ii+If Ii (1+If/Ii) 1+AF,2、输出电阻 在反馈电路中,

11、输出电阻的改变取决于反馈网络在输出端 的采样方式,而与输入端的连接方式无关.,8.3 负反馈对放大器性能的改善, VTAv Vi VT IT = + Ro Rif, Vi=Vf =Fv Vo=Fv VT, VT Ro Rof = = Rif IT 1+AvFv,Ro (816) 1+AvFv,8.3 负反馈对放大器性能的改善,负反馈对放大器性能的影响见表8.2.,表 8.2,8.4 深度负反馈放大电路的近似估算,一、理论基础 条件:, 1+A F 1,特点:, 1 Af F,(817), A Af = 1+AF, Xo Af = , Xi, Xo A = Xi, Xi Xi = 0 1+AF,

12、8.4 深度负反馈放大电路的近似估算, Vi 0 虚短, Ii 0 虚断,二、例题分析 【例8-4】电路如图8.15所示,假设满足深度负反馈条件,试估算 其闭环电压增益,并定性讨论其输入和输出电阻的变化. 【解】图中引入的反馈为电压串联负反馈.故输入电阻比运放的 输入电阻高很多,输出电阻比运放的输出电阻低很多.,8.4 深度负反馈放大电路的近似估算,图 8.15,8.4 深度负反馈放大电路的近似估算,图 8.16,【解】图中由RE引入了电流串联负反馈.若满足深度负反馈条 件,可利用下式进行分析:, Vi Vf,8.4 深度负反馈放大电路的近似估算, Vi Vf, Vf =Ie REIo RE, Vo = Io RL,【例8-6】电路如图8.17所示,(1)试判断电路中级间反馈的组态; (2)判断基本放大电路VT2和VT3中所引入的反馈极性;(3)若满 足深度负反馈条件,试估算电路的闭环增益;(4)定性分析该电路 的输 入电阻和输出电阻. 【解】(1)该电路第一级与第三级之间由Rf引入了电压并联负反 馈;(2)第二级由R1引入了电流串联负反馈,第二级与第三级之间,8.4 深度负反馈放大电路的近似估算,由R1 、R2引入了电流串联正反馈;,(3),(4) Ri