1、电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术原理原理第九章负反馈放大器3:16:401第9章 负反馈放大器p9.1 负反馈p9.2 负反馈放大电路p9.3 负反馈放大电路举例3:16:4029.1 负反馈p由于放大器件自身的非线性以及温度、湿度、电源电压波动、噪声信号等各类环境因素的干扰，使输出信号产生失真。p怎么解决输出信号的失真？3:16:4039.1 负反馈p9.1.1 前馈和反馈（开环与闭环）p9.1.2 利用负反馈稳定放大倍数p9.1.3 相移、正反馈与自激振荡3:16:4049.1.1 前馈和反馈（开环与闭环）p1前馈和开环n思路：干扰信号造成失真，就应该由干扰信号补偿。3:16:405前
2、馈放大器的缺点p使用开环控制的前馈放大器，抑制干扰的性能并不好，这是因为：n首先，前馈只能用来纠正可以测量的干扰，这使得它对那些难以测量的干扰无能为力；n其次，需要针对每一种干扰设计特定的调节电路F，所以电路复杂。3:16:4062反馈和闭环p反馈：根据所测量的输出来调整输入。n由于存在着信号的回路，所以称为闭环控制。3:16:407（负）反馈控制的优点p反馈控制不考虑干扰的特性，只要输出变量有波动即可实现调节作用，因此可采用通用调节器，所以反馈系统实现起来很简单。p负反馈最终成为电路设计和自动控制中十分重要的基础理论，并用事实证明了它的有效性。3:16:4089.1.2 利用负反馈稳定放大倍
3、数p首先根据负反馈系统框图9-3推导负反馈系统的性能参数。n基本放大器A的输入输出特性方程为xoAxi n反馈网络F的特性方程为xfFxo n叠加环节的特性方程为xixixf3:16:4091闭环放大倍数nxo与xi的比值称为闭环放大倍数Af，于是Afxo/xi n于是n上式说明，放大器的闭环放大倍数Af比开环放大倍数A降低了（1+AF）倍，或者说引入负反馈后，放大倍数降低了（1+AF）倍。AFAA1f3:16:40102放大倍数的稳定性p把式(9-5)两边同时对A求导，得到p上式说明引入负反馈以后，放大倍数的相对变化率降低了（1+AF）倍，换句话说，负反馈使放大倍数的稳定性提高了（1+AF）
4、倍。p负反馈以降低放大倍数为代价，换取提高放大倍数的稳定性。AdAAFAdA11ff3:16:4011负反馈放大倍数举例【例9-1】某负反馈放大器，已知开环放大倍数A104，反馈系数F0.01。(1)求闭环放大倍数Af；(2)已知A的相对变化量为10%，计算A的波动范围；(3)求Af的相对变化量，以及Af的变化范围。【解】(1)0.991011001.0101101444fAFAA3:16:4012负反馈放大倍数举例（续）(2)A的波动幅度为A(10%)=103 A的波动范围为104103，即900011000(3)Af的相对变化量在A变化10%的情况下，Af只变化了0.1%Af的变化幅度范围
5、是Af(10.1%)=99.01(10.1%)，即98.999.1 f4fd1d1(10%)0.1%11 100.01AAAAF A 3:16:40133深度负反馈p上述讨论表明，负反馈对放大倍数稳定性的改善程度取决于（1+AF）的值，所以（1+AF）是表明负反馈性能的一个重要指标，称为反馈深度。p当深度负反馈，即1+AF1时p可见深度负反馈时，闭环放大倍数Af仅仅与反馈系数F有关，而与开环放大倍数A无关。FAFAAFAA11f3:16:4114深度负反馈（续）p放大倍数A反映了半导体放大器件的特性，它通常是不稳定的；p反馈系数F所反应的是反馈网络的特性，只要我们选用稳定的器件构成反馈网络，F
6、就能够稳定，进而让整个放大器的放大倍数变得十分稳定。p利用深度负反馈的可以获得非常稳定的放大倍数。3:16:4115深度负反馈（续）p实践中，反馈网络通常是由电阻、电容等无源元件所构成，其参数很稳定，于是可以得到稳定的F；p而基本放大器通常由具有极高开环放大倍数的集成运放构成，于是A极大。满足1+AF1这个条件是很容易办到的事，所以深度负反馈很有实际意义。3:16:41169.1.3 相移、正反馈与自激振荡p考虑相移p显然闭环放大倍数的大小取决于分母p(1)若，则，说明引入反馈后放大倍数减小，此时为负反馈。FAAA1f1|1|FA|fAA3:16:4117正反馈p(2)若，则，引入反馈后放大倍
7、数增大，此时为正反馈。p正反馈时，输出信号xo不断增大，放大器终将进入饱和状态从而失去放大作用，所以正反馈对于放大器的稳定性是有害的。11FAAA f3:16:4118自激振荡p(3)若，则，这种状态称为自激振荡。p自激振荡是一种强烈的正反馈，当反馈放大器发生自激振荡时，即使没有外加输入信号，也会有输出信号。这时放大器已失去放大作用，其输出完全不受输入控制。01FAfA3:16:4119频率、相移与系统稳定性p上述讨论说明，输入信号的频率不同，放大环节和反馈环节所产生的相移也不同，所以负反馈放大器对不通频率的输入信号会表现出不同的放大特性。p由于相移，直流条件下的负反馈在交流条件下可能会变成正
8、反馈，甚至发生自激振荡，这将危害负反馈系统的稳定性，所以在设计负反馈系统时应避免发生正反馈和自激振荡。3:16:4120第9章 负反馈放大器p9.1 负反馈p9.2 负反馈放大电路p9.3 负反馈放大电路举例3:16:41219.2 负反馈放大电路p反馈的一般特征：基本放大器A构成了信号的前向通路，反馈网络F构成了信号的反向通路，前向通路和反向通路共同构成了反馈回路。3:16:4122反馈的基本过程p反馈网络首先测量基本放大器的输出信号xo，这称为采样；p再把采样值xo变换为反馈信号xf，p最后用反馈信号xf去修正输入信号xi，得到基本放大电路的净输入信号xi。p如果修正的结果使|xi|增大，
9、就是正反馈；如果修正的结果使|xi|变小，就是负反馈。3:16:4123负反馈放大电路（续）p正反馈不利于系统的稳定，负反馈则有利于系统的稳定。为了获得稳定的输出信号，应该使用负反馈。p把负反馈应用到放大电路nxi、xi、xo、xf对应到哪些电路变量？n要么用电压表示，要么用电流表示。n取决于该放大电路应用场合。3:16:41248.5.1 运放的线性应用（运算电路）p9.2.1 输出采样：电压反馈和电流反馈p9.2.2 输入叠加：串联反馈和并联反馈p9.2.3 负反馈放大电路的四种组态p9.2.4 直流反馈和交流反馈p9.2.5 负反馈对放大电路性能的改善3:16:41259.2.1 输出采
10、样：电压反馈和电流反馈p在一般负反馈系统中，输出信号xo是要稳定的对象，也是反馈网络所采样的对象。p对应到负反馈放大电路，如果要稳定输出电压，就应该采样输出电压；如果要稳定输出电流，就应该采样输出电流。p简单地说，要稳定谁，就采样谁。3:16:4126电压反馈和电流反馈p如果反馈电路所采样的是输出电压，就称为电压反馈。p如果反馈电路所采样的是输出电流，就叫做电流反馈。p电压负反馈将获得稳定的输出电压，电流负反馈将获得稳定的输出电流。p电压反馈和电流反馈的区分来自放大电路输出端，而且它们的名字就表明了负反馈放大电路所稳定的电路变量。3:16:41271电压反馈和电流反馈的判断p电压反馈和电流反馈
11、表现在输出回路的不同，它们的实现框图如图9-5所示。3:16:4128电压反馈p电压反馈如图9-5(a)所示，反馈电路的输入端口与基本放大电路的输出端口并联，反馈电路的输入电压等于输出电压uo；p由于反馈电路由无源元件所构成，在没有输入的情况下，显然不应有任何输出，p所以根据输出电压为零时，反馈信号是否存在就可以判断一个反馈是否为电压反馈：如果uo为零时，反馈信号uf和if也为零，就是电压反馈。3:16:4129电流反馈p电流反馈如图9-5(b)所示，反馈电路的输入端口与基本放大电路的输出端口串联，反馈电路的输入电流等于输出电流io；p根据输出电流为零时，反馈信号是否存在就可以判断一个反馈是否
12、为电流反馈：如果io为零时，反馈信号uf和if也为零，就是电流反馈。3:16:41302电压负反馈减小输出电阻p根据戴维南定理，从任何放大电路的输出端看进去，可以把它等效为电压源与电阻的并联支路，其中uos为开路输出电压，Ro为等效输出电阻。3:16:4131电压负反馈减小输出电阻（续）p既然电压负反馈能够获得稳定的输出电压，自然就意味着获得了更小的输出电阻，由此可知，电压负反馈能够减小输出电阻。p电压负反馈将导致输出电阻降低到开环输出电阻的1/(1+AF)倍。AFRR1oFeed)-of(Voltage3:16:41323电流负反馈增大输出电阻p既然电流负反馈能够稳定输出电流，根据图9-7的
13、诺顿等效电路，可知欲稳定输出电流，必须增大输出电阻。3:16:4133电流负反馈增大输出电阻（续）p所以电流负反馈具有增大输出电阻的特性。p如果基本放大电路A的输出电阻为Ro，引入电流负反馈F后的输出电阻为Rof(Current-Feed)，则 Rof(Current-Feed)(1+AF)Ro p即电流负反馈将导致输出电阻增大到开环输出电阻的(1+AF)倍。3:16:41348.5.1 运放的线性应用（运算电路）p9.2.1 输出采样：电压反馈和电流反馈p9.2.2 输入叠加：串联反馈和并联反馈p9.2.3 负反馈放大电路的四种组态p9.2.4 直流反馈和交流反馈p9.2.5 负反馈对放大电
14、路性能的改善3:16:41359.2.2 输入叠加：串联反馈和并联反馈p在输入端，反馈信号xf要负责修正输入信号xi以便产生净输入信号xi，这种修正通常是通过一个叠加环节实现的。p因为在反馈放大电路中，这些信号要么电压，要么是电流，所以叠加环节所叠加的，也只能是要么是电压叠加，要么是电流叠加。3:16:4136串联反馈和并联反馈p根据反馈信号与输入信号的叠加方式是电压叠加还是电流叠加，可以把反馈分为串联反馈和并联反馈。p如果反馈信号与输入信号采用电压叠加方式，就称为串联反馈；p如果反馈信号与输入信号采用电流叠加方式，就称为并联反馈。3:16:4237串联反馈和并联反馈（续）p反馈放大的输入端采
15、用串联反馈还是并联反馈，取决于输入信号源，p如果输入信号源是电压源，就应该采用串联反馈；p如果输入信号源是电流源，就应该采用并联反馈。3:16:42381串联反馈和并联反馈的判断p串联反馈和并联反馈表现在输入回路的不同，它们的实现框图如图9-8所示。3:16:4239串联反馈和并联反馈的判断（续）p根据电路结构判断n如果反馈通路与输入通路接在放大电路的同一点，通常就可以判定为并联反馈，因为只有接在同一点，才能发生分流；n如果反馈通路与输入通路接在放大电路的不同点，通常就可以判定为串联反馈，因为这时只能以电压方式相加减。3:16:42402串联负反馈增大输入电阻p引入串联负反馈F后的输入电阻Ri
16、f(Series-Feed)ui/ii将增大Rif(Series-Feed)(1+AF)Ri p即串联负反馈将导致输入电阻增大到开环输入电阻的(1+AF)倍。3:16:42413并联负反馈减小输入电阻p引入并联负反馈F后的输入电阻变小了 Rif(Shunt-Feed)Ri/(1+AF)p即并联负反馈将导致输入电阻降低到开环输入电阻的1/(1+AF)倍。3:16:42428.5.1 运放的线性应用（运算电路）p9.2.1 输出采样：电压反馈和电流反馈p9.2.2 输入叠加：串联反馈和并联反馈p9.2.3 负反馈放大电路的四种组态p9.2.4 直流反馈和交流反馈p9.2.5 负反馈对放大电路性能的
17、改善3:16:42439.2.3 反馈放大电路的四种组态3:16:4244反馈放大电路的四种组态（续）p四种连接方式分别对应着不同的输出端采样方式和输入端叠加方式：n从输出端看，有电压反馈和电流反馈；n从输入端看，有串联反馈和并联反馈。p组合起来，构成4种组态：n电压串联负反馈n电压并联负反馈n电流串联负反馈n电流并联负反馈3:16:4245反馈放大电路的四种组态（续）p不同反馈组态中，基本放大电路的放大倍数A和反馈网络的反馈系数F的含义也不同，下表列出了4种组态所对应的开环放大倍数、反馈系数、输入电阻、输出电阻。3:16:4246反馈放大电路的四种组态（续）p在实际应用中，我们应该根据不同的
18、应用需要，选择不同的反馈组态。n要输出稳定电压，应选择电压负反馈；n要输出稳定电流，应选择电流负反馈；n要增大输入电阻，应选择串联负反馈；n要减小输入电阻，应选择并联负反馈。p例如，要设计一个能够接受微弱的电压信号、并将其放大为稳定的电压信号传递出去的放大器，就必须选择电压串联负反馈。3:16:42479.2.4 直流反馈和交流反馈p放大电路中既有直流分量又有交流分量。n如果只想稳定直流分量，就应该只反馈直流信号；n如果只想稳定交流分量，就应该只反馈交流信号。p根据反馈回来的信号是直流信号还是交流信号，可以把反馈分为直流反馈和交流反馈。3:16:4248直流反馈和交流反馈（续）p在放大电路中，
19、直流反馈主要是用来稳定静态工作点，p交流反馈主要是用来改善放大电路的各项动态性能指标，如放大倍数、输入电阻、输出电阻等。p多数情况下反馈回来的信号是交流和直流兼而有之，所以直流反馈和交流反馈也就同时存在。3:16:42498.5.1 运放的线性应用（运算电路）p9.2.1 输出采样：电压反馈和电流反馈p9.2.2 输入叠加：串联反馈和并联反馈p9.2.3 负反馈放大电路的四种组态p9.2.4 直流反馈和交流反馈p9.2.5 负反馈对放大电路性能的改善3:16:42509.2.5 负反馈对放大电路性能的改善p负反馈最根本的优点：简单、通用p具体性能改善n1提高放大倍数的稳定性n2减小非线性失真n
20、3抑制环内噪声干扰n4展宽频带n5改变输入电阻和输出电阻3:16:42511提高放大倍数的稳定性p引入负反馈后虽然降低了放大倍数，却可以降低放大电路的放大倍数的相对变化率。p要根据不同稳定目标选择相应类型的负反馈，要稳定哪个量就反馈哪个量：n例如直流负反馈可以稳定直流量，交流负反馈可以稳定交流量；n电压负反馈可以稳定输出电压，电流负反馈可以稳定输出电流。3:16:42522减小非线性失真p由于器件自身的非线性，当输入正弦波时，输出却不是正弦波，而是发生了畸变，即放大电路出现了失真。p这种由于器件本身非线性而造成的失真现象，叫做非线性失真。p引入负反馈后放大电路的非线性失真减小到1/(1+AF)
21、。3:16:42532减小非线性失真3:16:42543抑制环内噪声干扰p放大电路的输出信号中，不仅包括输入信号xi所产生的有效输出，还包括半导体内部载流子热运动和环境因素所引起的所引起噪声干扰，p引入负反馈以后，噪声输出和有效输出一样被降低到无反馈时的1/(1+AF)。3:16:4255抑制环内噪声干扰（续）p由于无效输出与有效输出以同样的幅度被降低，所以负反馈不能提高信噪比。p然而，有效输出信号的减小可以通过提高输入信号xi来弥补，而内部噪声和环内干扰却不会增加，p所以，如果要提高输出信号的信噪比，可以在引入负反馈的前提下，通过增大有效输入信号xi来实现。3:16:4256抑制环内噪声干扰
22、（续）p必须注意，负反馈只能减小环内噪声，对环外干扰无能为力。p由于放大电路的输入端位于反馈环之外，所以对于作用在输入端的干扰信号，负反馈是解决不了的。p实际上，这个问题前文中已经给出了解决方案，读者能否回答我们是怎样解决“作用在输入端的干扰信号”这个问题的？3:16:42574展宽频带p无论何种原因引起放大倍数的变化，均可以通过负反馈使其相对变化量减小，即提高放大倍数的稳定性。p由于输入信号频率变高或变低所引起的放大倍数下降，当然也可以通过负反馈改善。3:16:4258展宽频带（续）3:16:4259展宽频带（续）p引入负反馈后，放大电路的通频带展宽了(1AF)倍，同时中频放大倍数也下降为无反馈时的1/(1AF)倍，p所以放大电路的增益-带宽积保持不变，即放大电路的开环增益带宽积等于闭环增益带宽积。3:16:42605改变输入电阻和输出电阻p引入串联负反馈，将使输入电阻增加为无反馈时的(1AF)倍；p引入并联负反馈，将使输入电阻降低为无反馈时的1/(1AF)倍。p联想：串联电阻增大，并联电阻减小。3:16:4261
