第6章负反馈在放大器中的应用

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1、第6章 负反馈在放大器中的应用,内容提要 本章从反馈的基本概念入手，抽象出反馈放大电路的方框图，定性分析负反馈的概念、类型及负反馈对放大电路性能的影响。,返回,6.1反馈的基本概念 6.2负反馈电路的类型 6.3负反馈对放大器性能的影响,6.1.1 反馈支路 所谓反馈就是将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部，经过一定的电路（反馈电路）反向送回到输入端，对输入信号产生影响的过程。因此要判断一个放大电路是否有反馈，只要看放大电路中是否存在把输出端和输入端联系起来的支路，这条支路就是反馈支路。如图6.1所示的集成运算放大器，不存在反馈支路，这种情况称为开环；如图6.2所示的集成运算放大器，存

2、在反馈支路Rf ，它既有从输入到输出的正向传输信号，也有从输出到输入的反向传输信号，这种情况称为闭环。,6.1 反馈的基本概念,图6.1 开环放大器 图6.2 闭环放大器,6.1.2 反馈放大器的组成 带有反馈环节的放大电路称为反馈放大器。反馈放大器可用如图6.3所示的方框图来描述。图中箭头表示信号的传输方向，A表示基本放大器，F表示反馈网络，这是一个闭环系统。X可以表示电压，也可以表示电流。其中 Xi，Xo，Xf和Xi分别表示输入信号、输出信号、反馈信号和净输入信号，符号表示信号相叠加，输入信号Xi和反馈信号Xf在此叠加，产生放大电路的净输入信号Xi。,图6.3 反馈放大器方框图,反馈有正反

3、馈和负反馈两种，如果反馈信号加强输入信号，使净输入信号增加，称为正反馈；如果反馈信号减弱输入信号，使净输入信号减小，称为负反馈。本章只讨论负反馈。 负反馈所确定的基本关系式有如下几项。 1输入端各量的关系式 （6-1） 2开环增益 （6-2） 3反馈系数 （6-3）,4闭环增益 经推导，可得 （6-4） 上述各量中，当信号为正弦量时， , , 和 为相量， 和 为复数。在中频段，为了使表达式简明，均可用实数表示。 由式（6-4）可知，闭环增益Af比开环增益A减小了1/（1+AF）倍，其中1+AF称为反馈深度，它的大小反映了反馈的强弱，反馈放大器性能的改善与反馈深度有着密切的关系。,返回,根据反

4、馈电路跨接基本放大电路的级数不同，可以把反馈分为本级反馈和级间反馈。 6.2.1 反馈极性 通常采用“瞬时极性法”来判别反馈的极性。步骤如下： （1）将反馈支路与放大电路输入端的连接断开，假设输入信号对地的瞬时极性为正，表明该点的瞬时电位升高，在图中用“”表示；反之，瞬时电位降低，在图中用“”表示。 （2）沿闭环系统，逐级标出有关点的瞬时电位是升高还是降低，最后推出反馈信号的瞬时极性。 （3）此时将反馈联上，再判断净输入信号是增强还是减弱，净输入信号增强的是正反馈，减弱的是负反馈。,6.2 负反馈电路的类型,上述判别方法可总结如下： （1）如果反馈信号与输入信号加到输入级的同一个电极上，则两者

5、极性相同为正反馈，极性相反为负反馈；如果两个信号加到输入级的两个不同的电极上，则两者极性相同为负反馈，相反为正反馈。 （2）集成运放判别本级反馈的极性时，若反馈信号接回到反相输入端，则为负反馈；接回到同相输入端，则为正反馈。 注意：对晶体管的3种组态：共射组态，输入B与输出C极性相反；共集组态，输入B与输出E极性相同；共基组态，输入E与输出C极性相同。,例6.1 试判断如图6.4所示电路的反馈极性。 解：（1）在如图6.4（a）所示电路中，先断开反馈支路，给反相输入端加“+”瞬时信号，集成运放放大后为“-”信号（反相作用），经反馈电阻Rf引回到同相输入端为“-”，把反馈联上，可以看出，反馈信号

6、使净输入信号 加强，因此Rf引入了正反馈。 另外，根据上述判别法则可知，反馈信号接回到同相输入端，故为正反馈。 （2）判别过程的瞬时极性如图6.4（b）所示，即ui经两级放大后，通过级间反馈元件Rf，Cf引回到VT1基极的瞬时极性为“-”，可以看出，反馈信号使净输入信号 减小，因此Rf，Cf引入了负反馈。 另外，根据上述判别法则可知，反馈信号和输入信号加到输入级的同一个电极上，且极性相反，故为负反馈。,图6.4 用瞬时极性法判别反馈极性,6.2.2 直流反馈和交流反馈 在放大电路中既有直流分量又有交流分量，如果电路引入的反馈量是直流成分，称为直流反馈；如果电路引入的反馈量是交流成分，称为交流反

7、馈；如果电路引入的反馈量既有交流成分又有直流成分，称为交直流反馈。 判别方法如下： 可以根据交流通路和直流通路来判别：若反馈通路存在于直流通路中，则为直流反馈；若反馈通路存在于交流通路中，则为交流反馈；若反馈通路既存在于交流通路中又存在于直流通路中，则为交直流反馈。,例6.2 试判断如图6.4所示电路是直流反馈还是交流反馈。 解：（1）为了判别图6.4（a）所示电路引入的是直流反馈还是交流反馈，可画出其直流通路如图6.5（a）和交流通路如图6.5（b）所示。从图中可以看出，Rf仅存在于直流通路中，在交流通路中,Rf一端接“地”成了输出端负载，因此Rf引入了直流反馈。 （2）在图6.4（b）中，

8、由于Cf直流开路，因此Rf，Cf引入了交流反馈。,图6.5 图6.4（a）的直流通路和交流通路,6.2.3 电压反馈和电流反馈 反馈是从输出端取样，若反馈信号与输出电压成正比，取样的是电压，称为电压反馈；若反馈信号与输出电流成正比，取样的是电流，称为电流反馈。 判别方法如下： （1）将负载短路，若反馈信号消失，则为电压反馈；否则为电流反馈。 （2）除公共地线外，若反馈线与输出线接在同一点上，则为电压反馈；若反馈线与输出线接在不同点上，则为电流反馈。,例6.3 试判断图6.4所示电路是电压反馈还是电流反馈。 解：（1）在图6.4（a）中，将输出电压短路，可见，输出端接地，反馈支路也接地，则反馈量

9、消失，因此Rf引入了电压反馈。 另外可见，Rf构成的反馈线与输出端并接在一起，必然为电压取样，故为电压反馈。 （2）在图6.4（b）中，将负载RL短路，则反馈信号仍然存在，故为电流反馈。 另外可见，Rf，Cf形成的反馈线接在VT2的发射极，而输出线接在VT2的集电极，两者没有以输出端子为公共节点，故为电流负反馈。,注意：电压反馈和电流反馈的区分，只有在负载变化时才有意义。当负载不变时，若反馈信号与输出电压成正比，也可以视为与输出电流成正比，此时电压反馈与电流反馈具有相同的效果。只有当负载变化时，输出电压和输出电流朝相反方向变化，才有可能区分反馈信号和哪一个输出量成正比。,6.2.4 串联反馈和

10、并联反馈 根据反馈在输入端的连接方法，可分为串联反馈和并联反馈。对于串联反馈，其反馈信号和输入信号是串联的（即净输入电压是由输入信号和反馈信号相叠加）；对于并联反馈，其反馈信号和输入信号是并联的（即净输入电流是由输入电流和反馈电流相叠加）。 判别方法如下： （1）将输入回路的反馈节点对地短路，若输入信号仍能送到开环放大电路中去，则为串联反馈；否则为并联反馈。 （2）串联反馈是输入信号与反馈信号加在放大器的不同输入端（对于晶体管来说一端为基极，另一端为发射极）；并联反馈则是两者并接在同一个输入端上。,例6.4 试判断如图6.4所示电路是串联反馈还是并联反馈。 解：（1）在图6.4（a）中，即反馈

11、信号和输入信号是串联的。将输入回路的反馈节点对地短路后，相当于运放反相输入端接地，其短路后的等效电路如图6.6所示。由于输入信号加在反相端，故信号仍能送到开环放大电路，因此为串联反馈。,图6.6 图6.4（a）输入反馈节点短路后的等效电路,另外可见，输入信号与反馈信号加在放大器的不同输入端上，故为串联反馈。,（2）在图6.4（b）中，即反馈信号和输入信号是并联的。将输入回路反馈节点对地短路后，晶体管VT1的基极接地，输入信号无法送到开环放大电路中，故为并联反馈。 另外可见，Rf，Cf引入的反馈线与输入信号线并接在一起，故可直接判定为并联反馈。 由于直流负反馈仅能稳定静态工作点，在此不做过多讨论

12、。对交流负反馈而言，综合输出端取样对象的不同和输入端的不同接法，可以组成种类型的负反馈放大器： 电压串联负反馈； 电压并联负反馈； 电流串联负反馈； 电流并联负反馈。,返回,6.3 负反馈对放大器性能的影响,放大电路引入负反馈后，可以使许多方面的性能变好，但是，所有性能的改善都是以降低放大倍数为代价的。 6.3.1 提高放大倍数的稳定性 当外界条件变化（如负载电阻、晶体管 值变化等），即使输入信号一定，也会引起输出信号变化，即放大倍数变化。,引入负反馈后，由于它的自动调节作用，使输出信号的变化得到抑制，放大倍数趋于稳定。当反馈深度（1+AF）1时，则称为深度负反馈，此时 （6-5） 可见，在深

13、度负反馈情况下，闭环增益Af仅取决于反馈系数F。而反馈系数F由反馈元件参数决定，比较稳定，因此Af也比较稳定。,6.3.2 改善非线性失真 由于晶体管（或场效应管）的非线性特性，或静态工作点选得不合适等，当输入信号较大时，在其输出端就产生了正半周幅值大、负半周幅值小的非线性失真信号，如图6.7（a）所示。 引入负反馈后，如图6.7（b）所示，反馈信号来自输出回路，其波形也是上大下小，将它送到输入回路，使净输入信号（ ）变成上小下大，经放大，输出波形的失真获得补偿。从本质上说，负反馈是利用了“预失真”的波形来改善波形的失真，因而不能完全消除失真，并且对输入信号本身的失真不能减少。 同样道理，负反

14、馈可以减小由于放大器本身所产生的干扰和噪声（可看做与非线性失真类似的谐波）。,图6.7 减小非线性失真,6.3.3 展宽通频带 把放大器对不同频率的正弦信号的放大效果称为放大器的频率响应，其中放大倍数的大小与频率之间的关系称为幅频特性。 如图6.8所示为阻容耦合放大电路开环与闭环的幅频特性（在低频段，因耦合电容随频率降低而容抗增大，使信号受到衰减，放大倍数减小；在高频段，因频率升高而使晶体管的极间电容容抗减小，使放大倍数减小）。规定当放大倍数下降为0.707 Aum时所对应的两个频率，分别称为下限频率fL和上限频率fH ，它们之间的频率范围称为放大器的通频带，用BW表示，即BW = fH -

15、fL。通频带愈宽，表示放大器工作的频率范围愈宽。,图6.8 开环与闭环的幅频特性,由于负反馈对任何原因引起的放大倍数的变化都有抑制能力，因此，对于因信号频率升高或降低而产生的放大倍数的变化，可自动调节其变化，使得放大倍数幅频特性平稳的区间加大，即通频带加宽。反馈后的幅频特性如图6.8所示。分析可知，引入负反馈后有如下关系式： （6-6） （6-7） 可见，闭环时中频区的上限频率fH增大了（1+AF）倍，下限频率fL减小了（1+AF）倍，一般有fHfL ， fHffLf，所以，可近似认为通频带只取决于上限频率，负反馈使通频带展宽了（1+AF）倍。通频带的扩展，意味着频率失真的减少，因此，负反馈能减少频率失真。,6.3.4 改变输入电阻和输出电阻 1. 改变输入电阻 凡是串联负反馈，因为反馈信号与输入信号串联，故使输入电阻增大；凡是并联负反馈，因为反馈信号与输入信号并联，故使输入电阻减小。 2. 改变输出电阻 凡是电压负反馈，因具有稳定输出电压的作用，使其接近于恒压源，故使输出电阻减小；凡是电流负反馈，因具有稳定输出电流的作用，使其接近于恒流源，故使输出电阻增大。,负反馈对输入电阻、输出电阻的影响如表6.1所示。,表6.1 负反馈对Ri、Ro影响,返回,