1、第8章 反馈,8.1 反馈的基本概念及反馈放大器的分类8.2 负反馈对放大器性能的影响8.3 负反馈放大器的分析和近似计算 8.4 负反馈放大器稳定性讨论,8.1 反馈的基本概念及反馈放大器的分类,一. 什么是反馈,Uo=AuUi Ui=Ube,Ube=Ui Uf,反谓反馈，就是将放大器的输出量(电流或电压)，通过传输网络回送到放大器的输入，并同输入信号一起参与对放大器的控制，这种措施称为反馈。,Uf Uo,二. 反馈放大器的组成框图,1.基本(开环)放大器,根据输出量和净输入量是电压还是电流的不同，有,由单级或多级放大器组成。其(开环)放大倍数定义为,2. 反馈网络,根据反馈量和输出量是电压
2、还是电流的不同，有,通常由性能稳定的电阻、电容等无源元件构成，其传输函数称为反馈系数，即,. 串联叠加：输入信号为电压Ui，反馈量为电压Uf， Ui和Uf串联叠加产生控制电压Ui。,3. 产生控制信号的叠加方式,.并联叠加：输入信号为电流Ii，反馈量为电流If， Ii和If并联叠加产生控制电流Ii。,4. 输出信号的取样方式,. 电压取样(反馈)：反馈网络并接在输出端，对输出电压UO取样，从而稳定UO。,. 电流取样(反馈)：反馈网络串接于输出回路，对输出电流IO取样，从而稳定IO。,因此，为了稳定输出电压必须电压取样，而稳定输出电流必须电流取样。,三. 反馈放大器的分类及判别,Xi= Xi
3、+ Xf Xi,Xi= Xi Xf Xi,判别方法：瞬时极性法。,UbeUi,2. 直流负反馈和交流负反馈,3. 局部负反馈和级间负反馈,直流负反馈主要用于稳定工作点，只有直流负反馈的放大器不是负反馈放大器。,串联叠加、电流取样串联电流负反馈；,并联叠加、电流取样并联电流负反馈。,4. 根据叠加方式和取样方式的不同有四种负反馈：,串联叠加、电压取样串联电压负反馈；,并联叠加、电压取样并联电压负反馈；,串联电压负反馈,并联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电流负反馈,串联电压负反馈与并联电流负反馈,串联电压负反馈,并联电流负反馈,串联反馈与并联反馈的判别,串联负反馈,并联负反馈,电压反馈与电流反馈
4、的判别,电压反馈,电流反馈,反馈不复存在,反馈依然存在,串联电流负反馈,并联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电压负反馈,串联电压负反馈,确定以下电路是否有反馈，若有则判别其反馈类型。,Uo1输出为串联电流负反馈,Uo2输出为串联电压负反馈,正反馈,串联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电压负反馈,并联电流负反馈,可见，对于负载接地的同相放大器，只能引入 串联电压负反馈和并联电流负反馈， 否则为正反馈。,对于负载接地的反相放大器，只能引入,串联电流负反馈和并联电压负反馈， 否则为正反馈。,串联反馈要求信源为内阻小的电压源； 并联反馈要求信源为内阻大的电流源； 否则，反馈将失效。,串联电压负反馈,并
5、联电压负反馈,并联电流负反馈,串联电流负反馈,四. 反馈放大器的基本方程,闭环放大倍数（或闭环增益）为,设反馈环路内信号为单向传输，则,可见： 1. 负反馈使放大器增益减小(1+AF)分之一。,称为环路增益。显然T越大，回送量Xf越大，抵消输入 量越多，表明负反馈越强，因而闭环增益越小。,2. (1+AF)是表征负反馈强弱的参数。为此，定义反馈深度 其中,3. 若D1，即深反馈时，则,一. 负反馈使放大倍数稳定度提高 实际中，由于工作环境 (如温度、湿度等)变化、器件更换或老化、电源电压不稳等诸多因素会导致放大器的放大倍数不稳定。当放大器引入具有自动调节机制的负反馈后，其增益的稳定性必然提高。
6、,通常用放大倍数的相对变化量来衡量放大器的稳定性，即,表示引入反馈后的反馈放大器的稳定度。,表示基本放大器的稳定度。,显然，相对变化量越小表示放大倍数的稳定度越高。,8.2 负反馈对放大器性能的影响,可见，负反馈放大倍数的稳定度比无反馈时放大倍数的稳定度提高了（1+AF）倍。若满足深反馈，则,由于,所以,例. 某负反馈放大器，要求闭环放大倍数Af=100，当开环放大倍数A变化10%时，Af的相对变化量在0.5%以内，试确定开环放大倍数A及反馈系数F。,所以D必须满足：,作业： p296 8-2, 8-3, 8-8 ， 8-9。,首先考察高频特性。设开环增益的高频响应具有一阶极点， 即,二. 负
7、反馈使放大器通频带展宽,其中,可见， 负反馈使放大器的上限频率展宽了（1+AF）倍。,因为,对于低频特性，若开环增益具有一阶低频响应，即,其中,可见， 负反馈使放大器的下限频率降低（1+AF）分之一。,负反馈改善放大器频率响应的示意图,可见， 负反馈使放大器的通频带展宽了（1+AF）倍。,必须强调只有引起频率特性的电容位于反馈环内，负反馈才能改善其不利影响。,三. 负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽,负反馈减小非线性失真的原理可以用波形图简要说明。,非线性失真系数,可见，负反馈使非线性失真系数减小(1+AF)倍。,四.负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响,利用负反馈抑制放大器内
8、部噪声及干扰的机理与减小非线性失真是一样的。负反馈使输出噪声下降(1+AF)倍。如果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大，输出信号分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高(1+AF)倍。,对环外电阻无影响,五. 负反馈对放大器输入电阻的影响,1. 串联负反馈使输入电阻增大,该输入电阻中包含反馈网络内阻的影响。,可见，串联负反馈使输入电阻增大了（1+AF）倍,-Uf +,2. 并联负反馈使输入电阻减小,该输入电阻中包含反馈网络内阻的影响。,可见，并联负反馈使输入电阻减小（1+AF）分之一。,六. 负反馈对放大器输出电阻的影响,1. 电压负反馈稳定输出电压，使输出电阻减小。,该输出电阻中包
9、含反馈网络输入电阻的影响。,可见，电压负反馈使输出电阻减小（1+AF）分之一。,对环外电阻无影响,2. 电流负反馈稳定输出电流，使输出电阻增大。,该输出电阻中包含反馈网络输入电阻的影响。,可见，电流负反馈使输出电阻增大（1+AF）倍。,综上所述 (1). 负反馈使放大器的放大倍数下降，但增益稳定度提高，输入、输出电阻改变，频带展宽，非线性失真减小，内部噪声干扰得到抑制，且所有性能改善的程度均与反馈深度(1+AF)有关。 (2). 被改善的对象就是被取样的对象。例如，反馈取样的是输出电流，则有关输出电流的性能得到改善；反之，取样对象是输出电压，则有关输出电压的性能得到改善。 (3). 负反馈只能
10、改善包含在负反馈环节以内的放大器性能，对反馈环以外的，与输入信号一起进来的失真、干扰、噪声及其它不稳定因素是无能为力的。,并联电压负反馈,串联电流负反馈,1. 要求输入电阻增大；,2.要求输出电阻小；,为了分别实现放大器如下性能，应分别引入何种反馈。,3.要求输出电流稳定。,可见，反相放大器，只能引入串联电流负反馈和并联电压负反馈。,可见，同相放大器，只能引入串联电压负反馈和并联电流负反馈。,1. 要求输入电阻增大；,2.要求输出电阻小；,3.要求输出电流稳定。,2. 负反馈使放大倍数稳定度提高,1. 负反馈使放大器增益减小,3. 负反馈使放大器通频带展宽,负反馈对放大器性能的影响小结,4.
11、负反馈使非线性失真减小，输入动态范围展宽,5. 负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响,6. 负反馈对放大器输入、输出电阻的影响,串联负反馈使输入电阻增大,并联负反馈使输入电阻减小,电压负反馈使输出电阻减小,电流负反馈使输出电阻增大,并联电压负反馈,串联电流负反馈,1. 要求输入电阻增大；,2.要求输出电阻小；,为了分别实现放大器如下性能，应分别引入何种反馈。,3.要求输出电流稳定。,可见，反相放大器，只能引入串联电流负反馈和并联电压负反馈。,可见，同相放大器，只能引入串联电压负反馈和并联电流负反馈。,1. 要求输入电阻增大；,2.要求输出电阻小；,3.要求输出电流稳定。,8.3 负反
12、馈放大器性能的近似分析,近似分析方法,即,在满足深反馈条件下：,可见，深反馈条件下，反馈量近似等于输入量，而控制量近似为零。,对于串联负反馈，UfUi，Ui 0，Ii=0。相当控制端短路，但无电流，称为“虚短路”，如图所示。,对于并联负反馈，IfIi，Ii 0，Ui 0。相当控制端短路且为地电位，但无电流，称为“虚地”，如图所示。,在满足深反馈条件下，引入“虚短路”和“虚地”的概念，可以大大简化负反馈放大器增益的估算。下面分别对四种负反馈放大器的电压放大倍数及性能特点作近似分析。,1. 串联电压负反馈,串联电压负反馈在电压源激励下，稳定电压放大数。深反馈条件下，实现电压控制电压源（VCVS）。
13、,控制端虚短路,例1. 电路如图所示,例2. 电路如图所示，估算电压放大倍数。,例3. 电路如图所示，要求电压放大倍数为16倍，试确定R7的阻值。,即为电压跟随器。,作业： p191 6-7，6-11，6-15 6-17， 6-18.,控制端虚短路,1. 串联电压负反馈,电压放大倍数稳定,2. 并联电压负反馈,并联电压负反馈在电流源激励下，稳定互阻放大倍数。深反馈条件下，实现电流控制电压源（CCVS）。,例1. 电路如图所示，估算源电压放大倍数。,例2. 电路如图所示，要求电压放大倍数为20倍，试确定R7的阻值。,3. 串联电流负反馈,串联电流负反馈在电压源激励下，稳定互导放大倍数。深反馈条件
14、下，实现电压控制电流源（VCCS）。,例1. 电路如图所示，估算电压放大倍数。,4. 并联电流负反馈,并联电流负反馈在电流源激励下，稳定电流放大倍数。深反馈条件下，实现电流控制电流源（CCCS）。,复反馈放大器 所谓复反馈，就是反馈网络引入电抗元件(电容或电感等)，以致于反馈系数F成为频率的函数。,负载电容引起上限频率降低时，应采用过补偿。,通过复反馈展宽频带时，可以提高增益带宽积。,单片集成宽带放大器电路,单片集成宽带放大器电路,反馈放大器例题分析 电路如图所示。这是一个两级放大器， 第一级为场效应管差分放大器，第二级为运放构成的反相比例放大器。 (1). 为进一步提高输出电压稳定度，试正确
15、引入反馈。 (2). 计算开环放大倍数 (3). 计算引入反馈后的闭环放大倍数Auf=?,串联电压负反馈,(1). 为进一步提高输出电压稳定度，试正确引入反馈。,(2). 计算开环放大倍数,(2)开环增益。若将S接c点，则没有引入反馈,(3). 引入串联电压负反馈后的闭环增益Auf为,64 负反馈放大器稳定性讨论,一.自激振荡现象,二.产生自激振荡的原因,在高频区，各级放大器产生附加滞后相移，对某一频率fg，当总附加相移达到180o，负反馈变为正反馈。且正反馈足够强时，则在频率fg上产生自激振荡。,三.不自激条件,不自激条件,或,利用环路增益的波特图进行是否自激的判别：,自激,不自激,180o
16、,不自激条件,或,四. 稳定裕度 要保证反馈放大器稳定工作，仅满足不自激条件是不充分的，因为一旦放大器接近自激，当电源电压、温度等外界因素发生变化，导致A(j)F变化，则放大器就有可能满足自激条件。,或,该条件通常称为负反馈放大器的稳定条件。,为保证放大器稳定工作，必须使它远离自激状态，其远离自激状态的程度用稳定裕度来表示。工程上，通常要求有45o以上的相位裕度或-10dB以上的振幅裕度，即,五. 利用开环增益的波特图来判别放大器的稳定性,如果反馈网络为电阻网络，F为常数，可用开环增益A(j)的渐近波特图来判断加负反馈后放大器能否稳定工作。,已知某集成运算放大器的开环电压放大倍数Au(jf)为
17、,对于单级和两级放大器(一个或两个极点频率)，加负反馈后，一般情况下是稳定的。 下面以三极点集成运算放大器的开环增益特性A(jf)为例，来说明负反馈放大器稳定性的判别方法。,对该运放引入图示的反馈，当电压反馈系数Fu分别为0.001和0.1时，试判别其稳定性。,1. 电压反馈系数Fu=0.001时的Au(jf)Fu及其振幅波特图分别为,可见，|Au(jf)Fu|=1时，有45o的相位裕量，反馈放大器稳定。,2. 当电压反馈系数变为Fu=0.1，则振幅波特图分别为,显然，|Au(jf)Fu|=1时，附加相移为225o，反馈放大器自激。,而电压反馈系数仍为Fu=0.1，则,若放大器的开环电压放大倍
18、数Au(jf)变为,可见，反馈放大器也是稳定的。,通过以上分析可得以下结论：1. 反馈系数越大，反馈越强，负反馈放大器越容易自激；2. 开环放大器级数越多（极点越多），中频增益越大，越容易自激。,六.消除自激的方法相位补偿法 1. 电容滞后补偿 这种补偿方法是在放大器上限频率最低的一级并接补偿电容C，使其上限频率更低，以牺牲开环带宽来换取工作的稳定。如前例中,当电压反馈系数Fu=0.1时，反馈放大器自激。为此,闭环带宽,开环带宽,2. 零极点对消RC滞后补偿 与单纯的电容滞后补偿不同，RC滞后补偿可在降低主极点频率的同时，在A(j)中引入一个零点。 RC滞后补偿网络如图,取,式中,如前例中,加
19、入 RC滞后补偿网络后，开环放大倍数A(j)变为,选择R、C满足,则,闭环带宽,开环带宽,显然，与电容滞后补偿相比，开环带宽和闭环带宽均得到改善。,作业： p194 6-13， 6-14， 6-15， 6-16， 6-17，6-18。,3. 密勒效应补偿 利用密勒效应进行补偿，可大大减小补偿电容的容量。如图633所示.,若C=30pF，|A2|=1000,则C=30000pF。密勒效应补偿在集成电路中有着广泛的应用。因为集成电路工艺不宜制作大容量电容，密勒效应补偿使小电容发挥大电容的作用。,密勒电容补偿,4. 导前补偿,作业： p194 6-13， 6-14， 6-15， 6-16， 6-17
20、，6-18。,6-6 运算放大器的小信号闭环带宽、压摆率及功率带宽,6-6-1 运算放大器的小信号闭环带宽 我们知道，通用运算放大器的开环增益很大，而-3dB带宽BW很窄。引入深度负反馈后的闭环增益减小，频带展宽。通常用单位增益带宽BWG来表征运算放大器的频率特性参数。如图635所示，F007(A741)的开环带宽仅为7Hz左右，而接成跟随器(Auf=1)时，其单位增益带宽BWG展宽为1MHz。,图635 运算放大器单位增益带宽BWG,6-6-2 大信号工作下的压摆率和全功率带宽 以上频带展宽是在小信号工作状态下，因为高频时输出电压减小，反馈信号也减小，加到运放的净输入反而增大了，从而展宽了频
21、带。但在大信号状态下，运放已进入非线性区，净输入增大的余地很小，所以在大信号工作下，负反馈并不能如愿地展宽频带。通常用全功率频带和压摆率来表征大信号工作时的频率特征。实际上全功率频带总是远小于小信号带宽的。,压摆率SR 压摆率SR的定义为,在有相位补偿电容的情况下，压摆率主要取决于相位补偿电容充放电的快慢。如图6-36所示，输出电压变化率受到uC电压变化率的限制：,图636 压摆率计算框图,如果放大器压摆率不够，就会产生输出波形失真。若输入为方波，则输出建立时间增大，若输入为正弦波，则边缘被拉直，甚至有变成三角波的可能，如图所示。,二、全功率带宽 压摆率与全功率带宽有什么关系呢?假设输入为正弦
22、波，输出不失真电压也为正弦波，即,(691),(692),式中Umo为低频时的最大不失真输出电压振幅，它受到电源电压的限制。全功率摆幅频率响应如图638所示。,图638 全功率摆幅频率特性,1. 电压反馈系数Fu=0.001时的Au(jf)Fu及其振幅波特图分别为,可见，|Au(jf)Fu|=1时，有45o的相位裕量，反馈放大器稳定。,串联反馈与并联反馈的判别,串联负反馈,并联负反馈,串联电压负反馈,串联电流负反馈,并联电压负反馈,并联电流负反馈,2. 当电压反馈系数变为Fu=0.1，则Au(jf)Fu及其振幅波特图分别为,显然，|Au(jf)Fu|=1时，附加相移为225o，反馈放大器自激。,而电压反馈系数仍为Fu=0.1，则,若放大器的开环电压放大倍数Au(jf)变为,可见，反馈放大器也是稳定的。,作业： p191 6-7，6-11，6-15 6-17， 6-18.,
