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1、第第4章章 放大电路中的反馈与振荡放大电路中的反馈与振荡 4.1 反馈的基本概念反馈的基本概念4.2 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响4.3 振荡的基本概念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
2、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反馈的分类及判断反馈的分类及判断带带反反馈馈的的放放大大器器称称为为反反馈馈放放大大器器，在在反反馈馈放放大大器器中中，输输入入信信号号经经过过放放大大器器放放大大后后送送到到输输出出端端，而而输输出出信信号号又又经经过过反反馈馈网网络络反反向向传传递递到到输输入入端端，形形成成闭闭合合环环路路，这这种种状状况况称称之之为为闭闭环环，反反馈馈放放大大器
3、又叫闭环放大器。器又叫闭环放大器。一一个个反反馈馈放放大大器器通通常常由由基基本本放放大大器和反馈网络构成。器和反馈网络构成。假假定定用用A表表示示基基本本放放大大器器，用用F来来表表示示反反馈馈网网络络，可可以以用用图图4.2所所示示的的方方框图来表示各种类型的反馈。框图来表示各种类型的反馈。图图4.2反馈放大电路方框图反馈放大电路方框图根根据据反反馈馈极极性性的的不不同同，可可以以将将反反馈馈分分为正反馈和负反馈。为正反馈和负反馈。如如果果引引入入的的反反馈馈信信号号增增强强了了外外加加输输入入信信号号的的作作用用，也也即即是是说说在在求求和和环环节节为为同同相相求求和和形形式式而而使使净
4、净输输入入信信号号比比外外加加输输入入信信号号幅幅度度更更大大，从从而而使使放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数得得以以提提高高，这这样样的的反反馈馈为为正正反反馈馈。如如果果反反馈馈信信号号在在求求和和环环节节与与输输入入信信号号为为反反相相求求和和（即即相相减减）方方式式而而使使净净输输入入信信号号比比外外加加输输入入信信号号幅幅度度减减少少，也也即即是是削削弱弱了了外外加加输输入入信信号号的的作作用用，从从而而使使放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数减低，这样的反馈为负反馈。减低，这样的反馈为负反馈。那那如如何何来来判判断断一一个个电电路路中中引引入入的的反反馈馈到到底底是是正正反反馈馈
5、还还是是负负反反馈馈呢呢？最最常常用用的的判判断方法是瞬时极性法。断方法是瞬时极性法。首首先先假假定定输输入入信信号号在在某某一一时时刻刻的的瞬瞬时时极极性性（一一般般假假定定为为瞬瞬时时正正极极性性，用用+来来表表示示），按按照照基基本本放放大大器器的的信信号号传传递递方方向向，逐逐级级传传递递至至输输出出端端，再再由由输输出出端端的的瞬瞬时时极极性性顺顺着着反反馈馈网网络络的的方方向向逐逐级级传传递递回回输输入入回回路路，最最后后根根据据反反馈馈到到输输入入回回路路信信号号的的瞬瞬时时极极性性是是增增强强还还是是削削弱弱了了原原来来的的信信号号，来来判判断断反反馈的类型。馈的类型。具体方法
6、和步骤可以描述如下。具体方法和步骤可以描述如下。(1) 信信号号传传递递过过程程中中，极极性性的的传传递递规规律律：通通常常以以接接地地点点为为参参考考点点，假假定定原原输输入入信信号号为为瞬瞬时时正正极极性性，顺顺着着闭闭环环放放大大电电路路的的传传递递方方向向逐逐级级传传递递。对对于于线线性性元元件件构构成成的的电电路路，传传递递时时不不改改变变极极性性，对对于于非非线线性性元元件件构构成成的的电电路路，则则可可依依据据图图4.3原则传递极性。原则传递极性。图图4.3极性传递原则极性传递原则而而对对于于集集成成的的放放大大电电路路，极极性性传传递递方方法法就就更更简简单单，集集成成放放大大
7、电电路路有有两两个个输输入入端端，其其中中一一个个与与输输出出端端同同相相，即即相相同同极极性性，也也称称其其为为同同相相输输入入端端，另另一一个个输输入入端端为为反反相相输入端输入端,即输出和输入极性相反。即输出和输入极性相反。(2) 判判断断反反馈馈信信号号和和原原输输入入信信号号共共同同作用于放大器的总效果。作用于放大器的总效果。放放大大器器的的输输入入有有两两个个端端子子（信信号号端端和和参参考考地地端端），反反馈馈的的引引入入便便有有如如下下两两种形式。种形式。 若若反反馈馈信信号号和和原原输输入入信信号号作作用用于于同同一一端端子子（即即并并联联形形式式），则则求求和和环环节节为为
8、电电流流求求和和形形式式，当当二二者者极极性性相相同同时时为为正反馈，二者极性相反时为负反馈。正反馈，二者极性相反时为负反馈。 若若反反馈馈信信号号和和原原输输入入信信号号作作用用于于不不同同的的端端子子（即即串串联联形形式式）则则求求和和环环节节为为回回路路电电压压求求和和形形式式，当当二二者者极极性性相相同同时时为为负负反馈，二者极性相反时为正反馈。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负反馈对放大器性能的影响 直直流流反反馈馈的的作作用用是是稳稳定定静静态态工工作作点点，对对放放大大电电路路的的动动态态性性能能没没有有影影响响。而而不不同同类类型型的的交交流流负
9、负反反馈馈将将对对放放大大电电路路的的性性能能产产生生不不同同的的影影响响，是是用用来来改改善善放放大大器器技技术术指指标标的的主主要要方方法法和和手手段段，也也是是本本章章讨讨论论的的重重点点。下下面面就就交交流流负负反反馈馈的的不不同同类型进行详细分析。类型进行详细分析。4.2.1负反馈的负反馈的4种组态种组态根根据据反反馈馈网网络络与与基基本本放放大大电电路路在在输输出出、输输入入端端连连接接方方式式的的不不同同，可可以以将将负负反反馈馈分分为为4种形式，也即有种形式，也即有4种组态。如图种组态。如图4.5所示。所示。(1) 电压串联负反馈。电压串联负反馈。(2) 电流串联负反馈。电流串
10、联负反馈。(3) 电流并联负反馈。电流并联负反馈。(4) 电压并联负反馈。电压并联负反馈。图图4.5负反馈的负反馈的4种组态种组态一一般般说说来来，根根据据反反馈馈信信号号在在放放大大电电路路输输出出端端连连接接方方式式的的不不同同，可可以以分分为为电电压压反反馈和电流反馈。馈和电流反馈。如如果果反反馈馈信信号号取取自自输输出出端端电电压压，称称为为电电压压反反馈馈；如如果果反反馈馈信信号号取取自自输输出出电电流流，称为电流反馈。称为电流反馈。一一般般可可假假设设将将输输出出端端交交流流短短路路，如如果果这这时时没没有有反反馈馈信信号号，则则为为电电压压反反馈馈，反反之之则为电流反馈。则为电流
11、反馈。根根据据反反馈馈信信号号在在放放大大电电路路输输入入端端连连接接方方式式的的不不同同，可可分分为为串串联联反反馈馈和和并并联联反反馈馈。如如反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号在在输输入入回回路路串串联联即即为为串串联联反反馈馈；如如反反馈馈信信号号与与输输入信号在输入回路并联即为并联反馈。入信号在输入回路并联即为并联反馈。下下面面结结合合图图4.6所所示示的的电电路路分分别别进进行行介介绍绍，找找出出各各种种负负反反馈馈电电路路的的判判断断方方法法及特点。及特点。图图4.6负负反反馈馈放放大大电电路路1. 电压串联负反馈电压串联负反馈2. 电压并联负反馈电压并联负反馈3. 电流串联负反
12、馈电流串联负反馈4. 电流并联负反馈电流并联负反馈4.2.2负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响从从前前面面的的分分析析可可知知，负负反反馈馈虽虽然然使使放放大大器器的的放放大大倍倍数数下下降降，但但能能使使电电路路趋趋于于稳稳定定，如如电电压压负负反反馈馈将将稳稳定定输输出出电电压压，电电流流负负反反馈馈将将稳稳定定输输出出电电流流。当当然然，负负反反馈馈还还能能从从其其他他的的方方面面改改善善放放大大器器的的性性能能，下下面面分别进行介绍。分别进行介绍。1. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性负负反反馈馈的的引引入入最最直直接接的的效效果果就就是是使使输输出出趋趋于于稳稳
13、定定，也也就就是是增增加加放放大大倍倍数数的的稳稳定定性。性。 2. 减少非线性失真减少非线性失真由由于于放放大大器器的的核核心心元元件件为为有有源源器器件件，而而有有源源器器件件本本身身是是非非线线性性的的，所所以以，当当输输入入信信号号为为正正弦弦波波时时，输输出出信信号号将将或或多多或或少少地产生非线性失真。地产生非线性失真。3. 扩展频带扩展频带由由于于放放大大电电路路中中存存在在一一些些电电抗抗性性元元件件（如如耦耦合合电电容容，旁旁路路电电容容等等），且且三三极极管管本本身身还还存存在在电电容容效效应应，这这样样，放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数必必然然受受到到信信号号频频率率
14、的的影影响响，频频率率过过高高或或过过低低都都可可能能引引起起放放大大器器的的放放大大倍倍数数下下降降。通通常常把把使使放放大大器器放放大大倍倍数数下下降降为为其其在在中中频频区区放放大大倍倍数数的的0.7倍倍时时的的频频率率称称为为截截止止频频率率，在在高高频频段段的的截截止止频频率率为为上上限限截截止止频频率率，用用fH表表示示，在在低低频频段段的的截截止止频频率率为为下下限限截截止止频频率率，用用fL表表示示。用用BW=fH-fL表表示示放放大大器器的的通通频频带带，或或称带宽。称带宽。4. 对放大器输入、输出电阻的影响对放大器输入、输出电阻的影响不不同同组组态态的的负负反反馈馈，对对输
15、输入入电电阻阻、输输出出电电阻阻将将产产生生不不同同的的影影响响，影影响响的的程程度度与与反馈深度有关。反馈深度有关。一一般般来来说说，反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号在在输输入入回回路路的的连连接接形形式式直直接接影影响响放放大大器器的的输输入入电阻。电阻。串联负反馈将增大输入电阻。串联负反馈将增大输入电阻。并联负反馈将减少输入电阻。并联负反馈将减少输入电阻。同同样样，反反馈馈信信号号与与输输出出信信号号在在输输出出回回路路的的连连接接形形式式直直接接影影响响放放大大器器的的输出电阻。输出电阻。电压负反馈将减少输出电阻。电压负反馈将减少输出电阻。电流负反馈将增大输出电阻。电流负反馈将增大
16、输出电阻。 4.2.3深度负反馈对放大深度负反馈对放大器的分析计算器的分析计算第第2章章介介绍绍的的微微变变等等效效电电路路法法可可以以用用来来分分析析计计算算各各种种放放大大电电路路，当当然然也也包包括括负负反反馈馈放放大大电电路路，但但当当电电路路结结构构比比较较复复杂杂时时，计计算算会会变变得得很很复复杂杂，所所以以，微微变变等等效效电电路路法法一一般般只只用用来来计计算简单的负反馈电路。算简单的负反馈电路。 注注意意：在在进进行行深深度度负负反反馈馈放放大大电电路路的的电电压压放放大大倍倍数数计计算算时时，计计算算结结果果时时正正时时负负，确确定定符符号号有有没没有有错错误误，关关键键
17、看看基基本本放放大大电电路路的的构构成成：由由几几级级放放大大电电路路构构成成？每每级级采采用用的的是是什什么么组组态态？如如共共射射组组态态是是反反相相放放大大，其其余余两两种种组组态态是是同同相相放放大大；如如该该级级由由集集成成运运放放构构成成，那那信信号号从从同同相相端端输输入入便便是是同同相相放放大大，信信号号从从反反相相端输入便是反相放大。端输入便是反相放大。 4.3 振荡的基本概念振荡的基本概念引引入入负负反反馈馈能能够够改改善善放放大大电电路路的的性性能能指指标标，并并且且改改善善的的程程度度取取决决于于反反馈馈深深度度|1+AF|的的大大小小，反反馈馈越越深深，放放大电路的性
18、能越优良。大电路的性能越优良。然然而而，反反馈馈太太深深，有有时时放放大大电电路路就就不不再再稳稳定定工工作作，而而产产生生自自激激振振荡荡现现象象。此此时时，输输入入端端即即使使不不加加任任何何信信号号，放放大大器器也也有有一一定定频频率率和和幅幅度度的的信信号号输输出出。这这样样，输输出出信信号号不不受受输输入入信信号号控控制制，放放大大电电路路将将不不能能正正常工作。常工作。 当当负负反反馈馈电电路路在在某某一一频频率率下下产产生生的的附附加加相相移移满满足足上上述述相相位位条条件件时时，负负反反馈馈电电路路已经转变成实际的正反馈电路。已经转变成实际的正反馈电路。负负反反馈馈放放大大电电
19、路路要要产产生生自自激激振振荡荡，必必须须同同时时满满足足幅幅度度条条件件和和相相位位条条件件。所所以以，为为使使负负反反馈馈放放大大电电路路能能够够稳稳定定地地工工作作，就就要要设设法法破破坏坏上上述述条条件件，即即 不不让让电电路路满满足足相相位位条条件件； 在在满满足足相相位位条条件件的的情情况况下下，|AF1|。 由由于于反反馈馈网网络络多多由由电电阻阻构构成成，一一般般不不存存在在附附加加相相移移，所所以以附附加加相相移移主主要要由由基基本本放放大大电电路路产产生生，单单级级的的放放大大电电路路在在高高频频或或低低频频区区间间相相当当于于一一级级RC电电路路，所所以以其其附附加加相相
20、移移为为90；而而对对于于三三级级或或三三级级以以上上的的放放大大电电路路，其其附附加加相相移移将将超超过过180，在在其其附附加加相相移移为为180时时，其其放放大大倍倍数数还还可可能能比比较较大大，有有可可能能满满足足|AF|1，从从而而产产生生自自激激振振荡荡。因因此此，在在深深度度负负反反馈馈时时，由由于于反反馈馈电电路路级级数数较较多多，|AF|又又大大，所所以以容容易易引引起起自激振荡。自激振荡。显显然然，为为了了使使放放大大电电路路能能够够稳稳定定工工作作，最最简简单单的的办办法法就就是是避避免免引引入入两两级级以以上上的的级级间间反反馈馈。但但在在工工程程实实际际中中，为为显显
21、著著地地改改善善放放大大器器的的性性能能，又又往往往往需需要要加加强强负负反反馈馈，解解决决矛矛盾盾的的常常用用方方法法就就是是采采取取相相位位补补偿偿。负负反反馈馈电电路路的的自自激激振振荡荡常常发发生生在在高高频频区区，可可以以通通过过在在基基本本放放大大电电路路或或反反馈馈网网络络中中添添加加一一些些电电阻阻、电电容容等等元元件件，改改变变放放大大电电路路的的高高频频特特性性，从从而而破破坏坏自自激激振振荡荡的的条条件件。常常用用的的相相位位补补偿偿方方法法有有两两种种：滞滞后后补补偿偿和和超前补偿，如图超前补偿，如图4.10所示。所示。图图4.10自激振荡的相位补偿自激振荡的相位补偿4
22、.3.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路实实际际上上，各各种种类类型型的的振振荡荡器器在在实实践践中中被被广广泛泛地地采采用用。电电子子技技术术实实验验中中使使用用的的低低频频信信号号发发生生器器就就是是一一种种正正弦弦波波振振荡荡电电路路；非非正正弦弦波波（方方波波、锯锯齿齿波波等等）发发生生器器在在测测量量设设备备、数数字字系系统统及及自自动动控控制制系系统统中中的的应应用也十分广泛。用也十分广泛。在在农农业业生生产产、生生物物医医学学等等领领域域中中，高高频频感感应应加加热热、超超声声波波焊焊接接、超超声声探探伤伤、核核磁磁共共振振成成象象等等，都都利利用用了了功功率率或或大大或或小小，频率
23、或高或低的振荡器。频率或高或低的振荡器。在在无无线线电电通通信信、广广播播电电视视系系统统中中，都都需需要要射射频频发发射射，它它把把音音频频、视视频频信信号号或或脉脉冲冲信信号号运运载载发发送送出出去去，这这都都离离不不开开高高频频的的正弦波振荡电路。正弦波振荡电路。 1. RC文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器2. 其他形式的正弦波振荡电路其他形式的正弦波振荡电路4.3.3石英晶体振荡器石英晶体振荡器1. 正弦波振荡器的频率稳定问题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的基本特性和等效电路石石英英晶晶体体振振荡荡器器之之所所以以有有极极高高的的频频率率稳稳定度，是由
24、于石英晶体有极高的定度，是由于石英晶体有极高的Q值。值。石石英英晶晶体体是是一一种种各各向向异异性性的的结结晶晶体体，从从一一块块晶晶体体上上按按一一定定的的方方向向切切下下一一薄薄片片晶晶体体，然然后后在在晶晶片片的的两两面面均均涂涂上上敷敷银银层层并并装装上上一一对对金金属极板，就可以构成石英晶体产品。属极板，就可以构成石英晶体产品。如如果果在在石石英英晶晶片片的的两两极极加加上上一一电电场场，晶晶体体会会产产生生机机械械变变形形。反反之之，如如果果在在晶晶片片的的两两极极板板间间加加上上机机械械力力，会会使使晶晶片片在在相相应应的的方方向向产产生生电电场场，这这种种现现象象称称为为“压压
25、电电效效应应”。如如果果在在极极板板间间所所加加的的是是交交变变电电压压，就就会会产产生生机机械械变变形形振振动动，同同时时，晶晶片片的的机机械械变变形形振振动动又又会会产产生生交交变变电电场场。一一般般来来说说，这这种种机机械械振振动动和和交交变变电电场场的的振振幅幅都都非非常常小小，而振动频率却很稳定。而振动频率却很稳定。当当外外加加交交变变电电压压的的频频率率与与晶晶片片的的固固有有频频率率相相等等时时，振振荡荡急急剧剧增增加加，产产生生“压压电电谐谐振振”现现象象。它它和和LC回回路路的的谐谐振振现现象象十十分分类类似似，所所以以，石石英英晶晶体体又又称称为为石石英晶体谐振器。英晶体谐
26、振器。石石英英晶晶体体的的压压电电谐谐振振现现象象可可以以用用4.15（b）等效电路来模拟。）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石石英英晶晶体体振振荡荡器器电电路路的的形形式式很很多多，但但基基本本形形式式只只有有两两类类：并并联联晶晶体体振振荡荡器器和和串串联联晶晶体体振振荡荡器器。前前者者石石英英晶晶体体以以并并联联谐谐振振的的形形式式出出现现，它它是是作作为为一一个个电电感感来来组组成成振振荡荡电电路路的的。而而后后者者则则是是以以串串联联谐谐振振的的形形式式出出现现，它它利利用用阻阻抗抗最最小小的的特特性来组成振荡电路。性来组成振荡电路。图图4.17并联晶体振荡电路及交流等效电路并联晶体振荡电路及交流等效电路部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
