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1、第4章 放大电路中的反馈与振荡,4.1 反馈的基本概念 4.2 负反馈对放大器性能的影响 4.3 振荡的基本概念,反馈是电子技术领域中的一个重要概念，它有正负之分。在放大电路的设计中，通常引入负反馈来改善放大器的性能，通过正反馈构成各种振荡器，产生各种波形信号。本章从反馈的基本概念入手，对反馈进行分类，分析负反馈对放大性能的影响，介绍深度负反馈的一般计算方法，最后讨论负反馈电路形成自激振荡条件和多种波形发生电路。,4.1 反馈的基本概念,在许多实际的电子电路中均存在着某种类型的反馈，反馈的概念和理论在工程领域得到了日益广泛的应用。,4.1.1反馈的定义 所谓反馈就是把电子电路的输出量（输出电压
2、或电流）或输出量的一部分，通过一定的电路回送到它的输入端。在第2章中提到的工作点稳定电路就是一个典型的示例，现将电路图重画为图4.1。,图4.1工作点稳定电路,4.1.2反馈的分类及判断 带反馈的放大器称为反馈放大器，在反馈放大器中，输入信号经过放大器放大后送到输出端，而输出信号又经过反馈网络反向传递到输入端，形成闭合环路，这种状况称之为闭环，反馈放大器又叫闭环放大器。,一个反馈放大器通常由基本放大器和反馈网络构成。 假定用A表示基本放大器，用F来表示反馈网络，可以用图4.2所示的方框图来表示各种类型的反馈。,图4.2反馈放大电路方框图,根据反馈极性的不同，可以将反馈分为正反馈和负反馈。 如果
3、引入的反馈信号增强了外加输入信号的作用，也即是说在求和环节为同相求和形式而使净输入信号比外加输入信号幅度更大，从而使放大电路的放大倍数得以提高，这样的反馈为正反馈。如果反馈信号在求和环节与输入信号为反相求和（即相减）方式而使净输入信号比外加输入信号幅度减少，也即是削弱了外加输入信号的作用，从而使放大电路的放大倍数减低，这样的反馈为负反馈。,那如何来判断一个电路中引入的反馈到底是正反馈还是负反馈呢？最常用的判断方法是瞬时极性法。 首先假定输入信号在某一时刻的瞬时极性（一般假定为瞬时正极性，用+来表示），按照基本放大器的信号传递方向，逐级传递至输出端，再由输出端的瞬时极性顺着反馈网络的方向逐级传递
4、回输入回路，最后根据反馈到输入回路信号的瞬时极性是增强还是削弱了原来的信号，来判断反馈的类型。,具体方法和步骤可以描述如下。 (1) 信号传递过程中，极性的传递规律：通常以接地点为参考点，假定原输入信号为瞬时正极性，顺着闭环放大电路的传递方向逐级传递。对于线性元件构成的电路，传递时不改变极性，对于非线性元件构成的电路，则可依据图4.3原则传递极性。,图4.3极性传递原则,而对于集成的放大电路，极性传递方法就更简单，集成放大电路有两个输入端，其中一个与输出端同相，即相同极性，也称其为同相输入端，另一个输入端为反相输入端,即输出和输入极性相反。,(2) 判断反馈信号和原输入信号共同作用于放大器的总
5、效果。 放大器的输入有两个端子（信号端和参考地端），反馈的引入便有如下两种形式。 若反馈信号和原输入信号作用于同一端子（即并联形式），则求和环节为电流求和形式，当二者极性相同时为正反馈，二者极性相反时为负反馈。, 若反馈信号和原输入信号作用于不同的端子（即串联形式）则求和环节为回路电压求和形式，当二者极性相同时为负反馈，二者极性相反时为正反馈。,4.2 负反馈对放大器性能的影响,直流反馈的作用是稳定静态工作点，对放大电路的动态性能没有影响。而不同类型的交流负反馈将对放大电路的性能产生不同的影响，是用来改善放大器技术指标的主要方法和手段，也是本章讨论的重点。下面就交流负反馈的不同类型进行详细分析
6、。,4.2.1负反馈的4种组态 根据反馈网络与基本放大电路在输出、输入端连接方式的不同，可以将负反馈分为4种形式，也即有4种组态。如图4.5所示。 (1) 电压串联负反馈。 (2) 电流串联负反馈。 (3) 电流并联负反馈。 (4) 电压并联负反馈。,图4.5负反馈的4种组态,一般说来，根据反馈信号在放大电路输出端连接方式的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。 如果反馈信号取自输出端电压，称为电压反馈；如果反馈信号取自输出电流，称为电流反馈。 一般可假设将输出端交流短路，如果这时没有反馈信号，则为电压反馈，反之则为电流反馈。,根据反馈信号在放大电路输入端连接方式的不同，可分为串联反馈和并联反馈。
7、如反馈信号与输入信号在输入回路串联即为串联反馈；如反馈信号与输入信号在输入回路并联即为并联反馈。 下面结合图4.6所示的电路分别进行介绍，找出各种负反馈电路的判断方法及特点。,图4.6负反馈放大电路,1. 电压串联负反馈 2. 电压并联负反馈 3. 电流串联负反馈 4. 电流并联负反馈,4.2.2负反馈对放大器性能的影响 从前面的分析可知，负反馈虽然使放大器的放大倍数下降，但能使电路趋于稳定，如电压负反馈将稳定输出电压，电流负反馈将稳定输出电流。当然，负反馈还能从其他的方面改善放大器的性能，下面分别进行介绍。,1. 提高放大倍数的稳定性 负反馈的引入最直接的效果就是使输出趋于稳定，也就是增加放
8、大倍数的稳定性。 2. 减少非线性失真 由于放大器的核心元件为有源器件，而有源器件本身是非线性的，所以，当输入信号为正弦波时，输出信号将或多或少地产生非线性失真。,3. 扩展频带 由于放大电路中存在一些电抗性元件（如耦合电容，旁路电容等），且三极管本身还存在电容效应，这样，放大电路的放大倍数必然受到信号频率的影响，频率过高或过低都可能引起放大器的放大倍数下降。通常把使放大器放大倍数下降为其在中频区放大倍数的0.7倍时的频率称为截止频率，在高频段的截止频率为上限截止频率，用fH表示，在低频段的截止频率为下限截止频率，用fL表示。用BW=fH-fL表示放大器的通频带，或称带宽。,4. 对放大器输入
9、、输出电阻的影响 不同组态的负反馈，对输入电阻、输出电阻将产生不同的影响，影响的程度与反馈深度有关。 一般来说，反馈信号与输入信号在输入回路的连接形式直接影响放大器的输入电阻。,串联负反馈将增大输入电阻。 并联负反馈将减少输入电阻。 同样，反馈信号与输出信号在输出回路的连接形式直接影响放大器的输出电阻。 电压负反馈将减少输出电阻。 电流负反馈将增大输出电阻。,4.2.3深度负反馈对放大器的分析计算 第2章介绍的微变等效电路法可以用来分析计算各种放大电路，当然也包括负反馈放大电路，但当电路结构比较复杂时，计算会变得很复杂，所以，微变等效电路法一般只用来计算简单的负反馈电路。,注意：在进行深度负反
10、馈放大电路的电压放大倍数计算时，计算结果时正时负，确定符号有没有错误，关键看基本放大电路的构成：由几级放大电路构成？每级采用的是什么组态？如共射组态是反相放大，其余两种组态是同相放大；如该级由集成运放构成，那信号从同相端输入便是同相放大，信号从反相端输入便是反相放大。,4.3 振荡的基本概念,引入负反馈能够改善放大电路的性能指标，并且改善的程度取决于反馈深度|1+AF|的大小，反馈越深，放大电路的性能越优良。,然而，反馈太深，有时放大电路就不再稳定工作，而产生自激振荡现象。此时，输入端即使不加任何信号，放大器也有一定频率和幅度的信号输出。这样，输出信号不受输入信号控制，放大电路将不能正常工作。
11、,当负反馈电路在某一频率下产生的附加相移满足上述相位条件时，负反馈电路已经转变成实际的正反馈电路。 负反馈放大电路要产生自激振荡，必须同时满足幅度条件和相位条件。所以，为使负反馈放大电路能够稳定地工作，就要设法破坏上述条件，即 不让电路满足相位条件； 在满足相位条件的情况下，|AF1|。,由于反馈网络多由电阻构成，一般不存在附加相移，所以附加相移主要由基本放大电路产生，单级的放大电路在高频或低频区间相当于一级RC电路，所以其附加相移为90；而对于三级或三级以上的放大电路，其附加相移将超过180，在其附加相移为180时，其放大倍数还可能比较大，有可能满足|AF|1，从而产生自激振荡。因此，在深度
12、负反馈时，由于反馈电路级数较多，|AF|又大，所以容易引起自激振荡。,显然，为了使放大电路能够稳定工作，最简单的办法就是避免引入两级以上的级间反馈。但在工程实际中，为显著地改善放大器的性能，又往往需要加强负反馈，解决矛盾的常用方法就是采取相位补偿。负反馈电路的自激振荡常发生在高频区，可以通过在基本放大电路或反馈网络中添加一些电阻、电容等元件，改变放大电路的高频特性，从而破坏自激振荡的条件。常用的相位补偿方法有两种：滞后补偿和超前补偿，如图4.10所示。,图4.10自激振荡的相位补偿,4.3.1正弦波振荡电路 实际上，各种类型的振荡器在实践中被广泛地采用。电子技术实验中使用的低频信号发生器就是一
13、种正弦波振荡电路；非正弦波（方波、锯齿波等）发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也十分广泛。,在农业生产、生物医学等领域中，高频感应加热、超声波焊接、超声探伤、核磁共振成象等，都利用了功率或大或小，频率或高或低的振荡器。 在无线电通信、广播电视系统中，都需要射频发射，它把音频、视频信号或脉冲信号运载发送出去，这都离不开高频的正弦波振荡电路。,1. RC文氏电桥振荡器,2. 其他形式的正弦波振荡电路,4.3.3石英晶体振荡器 1. 正弦波振荡器的频率稳定问题 2. 石英晶体的基本特性和等效电路 石英晶体振荡器之所以有极高的频率稳定度，是由于石英晶体有极高的Q值。 石 英晶体是一种各向
14、异性的结晶体，从一块晶体上按一定的方向切下一薄片晶体，然后在晶片的两面均涂上敷银层并装上一对金属极板，就可以构成石英晶体产品。,如果在石英晶片的两极加上一电场，晶体会产生机械变形。反之，如果在晶片的两极板间加上机械力，会使晶片在相应的方向产生电场，这种现象称为“压电效应”。如果在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时，晶片的机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动和交变电场的振幅都非常小，而振动频率却很稳定。,当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，振荡急剧增加，产生“压电谐振”现象。它和LC回路的谐振现象十分类似，所以，石英晶体又称为石英晶体谐振器。 石英晶体的压电谐振现象可以用4.15（b）等效电路来模拟。,图4.15石英晶体及其等效电路,3. 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器电路的形式很多，但基本形式只有两类：并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。前者石英晶体以并联谐振的形式出现，它是作为一个电感来组成振荡电路的。而后者则是以串联谐振的形式出现，它利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。,图4.17并联晶体振荡电路及交流等效电路,
