负反馈放大电路与基本运算电路.docx

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负反馈放大电路与基本运算电路

第4章负反馈放大电路与基本运算电路

4.1负反馈放大电路的组成及基本类型

教学要求：

1.理解负反馈的概念；

2.掌握放大电路中反馈类型的判断；

3.理解反馈对放大电路输出电压和电流的影响。

概述

把电路输出量的一部分或全部反送回输入端称为反馈。

反馈有正反馈和负反馈，在电路中引入负反馈可使电路性能得到明显改善。

利用反馈性质，在集成运放的外接线端连接不同的线性反馈元件，可构成比例、加法、减法、积分、微分等运算电路。

一、反馈放大电路的组成及基本关系式

（一）反馈放大电路的组成及有关关系式

1.电路组成

含有反馈网络的放大电路称反馈放大电路，其组成如下图所示。

图中，A称为基本放大电路，F表示反馈网络，反馈网络一般由线性元件组成。

由图可见，反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络构成一个闭环系统，因此又把它称为闭环放大电路，而把基本放大电路称为开环放大电路。

xi、xf、xid和xo分别表示输入信号、反馈信号、净输入信号和输出信号，它们可以是电压，也可以是电流。

图中箭头表示信号的传输方向，由输入端到输出端称为正向传输，由输出端到输入端则称为反向传输。

因为在实际放大电路中，输出信号xo经由基本放大电路的内部反馈产生的反向传输作用很微弱，可略去，所以可认为基本放大电路只能将净输入信号xid正向传输到输出端。

同样，在实际反馈放大电路中，输入信号xi通过反馈网络产生的正向传输作用也很微弱，也可略去，这样也可认为反馈网络中只能将输出信号xo反向传输到输入端。

   2.基本关系式

（二）反馈的类型

1.正反馈和负反馈

正反馈——反馈使净输入电量增加，从而使输出量增大，即反馈信号增强了输入信号。

负反馈——反馈使净输入电量减小，从而使输出量减小，即反馈信号削弱了输入信号。

判别方法：

瞬时极性法

步骤：

（1）假设输入信号某一时刻对地电压的瞬时极性；

（2）沿着信号正向传输的路经，依次推出电路中相关点的瞬时极性；（3）根据输出信号极性判断反馈信号的极性；（4）判断出正负反馈的性质。

2.直流反馈和交流反馈

直流反馈——反馈回的信号为直流量的反馈。

交流反馈——反馈回的信号为交流量的反馈。

交、直流反馈——反馈回的信号既有直流量又有交流量的反馈。

例题1.分析下图电路是否存在反馈，是正反馈还是负反馈？

直反馈还是交流反馈？

解：

RE介于输入输出回路，故存在反馈。

根据瞬时极性法，反馈使uid减小，为负反馈。

因为经过反

馈元件RE的反馈号既有直流量，也有交流量，故该反馈同时存在直流反馈和交流反馈。

二、负反馈放大电路的基本类型 

（一）电压反馈和电流反馈  

电压反馈——反馈信号取样于输出电压。

判别方法：

将输出负载RL短路（或uo=0），若反馈消失则为电压反馈。

电流反馈——反馈信号取样于输出电流。

判别方法：

将输出负载RL短路（或uo=0），若反馈信号仍然存在则为电流反馈。

（二）串联反馈和并联反馈

串联反馈——在输入端，反馈信号与输入信号以电压相加减的形式出现。

uid=uiuf

特点：

信号源内阻越小，反馈效果越明显。

并联反馈——在输入端，反馈信号与输入信号以电流相加减的形式出现。

iid=iiif

   特点：

信号源内阻越大，反馈效果越明显。

（三）四种基本反馈类型

一、负反馈放大电路分析

例题2.分析如图所示的反馈放大电路。

分析：

电阻Rf跨接在输入回路与输出回路之间，输出电压uo经Rf与R1分压反馈到输入回路，故电路有反馈；根据瞬时极性法，反馈使净输入电压uid减小，为负反馈；RL=0，无反馈，故为电压反馈； uf=uoR1/（R1+Rf）也说明是电压反馈；uid=uiuf，故为串联反馈；所以，此电路为电压串联负反馈。

例题3.分析如下图所示的反馈放大电路。

分析：

Rf为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。

反馈使净输入电压uid减小，为负反馈；RL=0，反馈存在，故为电流反馈；uf=ioRf，也说明是电流反馈；uid=ui–uf故为串联反馈；所以此电路为电流串联负反馈。

例题4.分析如下图所示的反馈放大电路。

分析：

Rf为输入回路和输出回路的公共电阻，故电路存在反馈；RL=0，无反馈，故为电压反馈；根据瞬时极性法判断，反馈使净输入电流iid减小，为负反馈；iid=iiif，故为并联反馈；所以此电路为电压并联负反馈。

例题5.分析如下图所示的反馈放大电路。

分析：

Rf为输入回路和输出回路的公共电阻，故电路存在反馈；令RL=0，反馈仍然存在，故为电流反馈；根据瞬时极性法判断，反馈使净输入电流iid减小，为负反馈；iid=iiif，故为并联反馈；所以此电路为电流并联负反馈。

例题6.试分析下列电路的组态。

分析：

分析过程同上，（a）为电流串联负反馈；（b）为电压串联负反馈；（c）电阻RE引入本级和极

间两个反馈，本级为电流串联负反馈；级间为电流并联负反馈。

归纳：

反馈信号与输入信号在不同节点为串联反馈，在同一个节点为并联反馈；

反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈取自非输出端为电流反馈。

4.2负反馈对放大电路性能的影响

教学要求：

1.掌握负反馈稳定放大电路放大倍数的原理；

2.熟悉负反馈减小非线性失真和扩展通频带的原理；

3.理解负反馈对放大电路输入和输出电阻的影响。

一、提高增益的稳定性

由于负载和环境温度的变化、电源电压的波动和器件老化等因素，放大电路的放大倍数会发生变化。

通常用放大倍数相对变化量的大小来表示放大倍数稳定性的优劣，相对变化量越小，则稳定性越好。

二、减小失真和扩展通频带

（一）减小非线性失真

预失真－净输入信号预先产生相反的失真，抵消管子内部的失真。

一些有源器件的伏安特性的非线性会造成输出信号的非线性失真，加入负反馈可以减小这种失真，但

不能消除非线性失真。

（二）扩展通频带BW

原理：

当输入等幅不同频率的信号时，高频段和低频段的输出信号比中频段的小，因此反馈信号也小，对净输入信号的削弱作用小，所以高、低频段的放大倍数减小程度比中频段的小，从而扩展了通频带。

图中Aｍ、fL、fH、BW和Aｍf、fLf、fHf、BWf分别为基本放大电路、负反馈放大电路的中频放大倍数、下限频率、上限频率和通频带宽度。

中频段放大倍数下降多,高、低频段下降少，通频带内移。

三、改变放大电路的输入和输出电阻

（一）对输入电阻的影响

负反馈对对输入电阻的影响取决于输入端的反馈类型。

1.串联负反馈使输入电阻增大

    2.并联负反馈使输入电阻减小

（二）对输出电阻的影响

输出电阻就是放大电路输出端等效电源的内阻。

放大电路引入负反馈后，对输出电阻的影响取决于输出端的取样方式而与输入端的反馈类型无关，因此，分析时只需画出输出端的连接方式，如下图所示。

图中Ro是基本放大电路的输出电阻，又称开环输出电阻。

Rof为有反馈时的输出电阻，又称闭环输出电阻。

负反馈对对输出电阻的影响取决于输出端的取样方式而与输入端的反馈类型无关。

1.电压负反馈F与A并联，使输出电阻减小。

    2.电流负反馈F与A串联，使输出电阻增大。

4.3负反馈放大电路应用中的几个问题

教学要求：

1.理解放大电路引入负反馈的一般原则； 

2.理解放大电路深度负反馈的概念及特点；

3.掌握“虚短”和“虚断”的概念。

一、放大电路引入负反馈的一般原则

（一）欲稳定电路中某个量，则采用该量的负反馈

稳定直流，引直流反馈；稳定交流，引交流反馈；稳定输出电压，引电压反馈；稳定输出电流，引电

流反馈。

（二）根据对输入、输出电阻的要求选择反馈类型

欲提高输入电阻，采用串联反馈；欲降低输入电阻，采用并联反馈；要求高内阻输出，采用电流反

馈；要求低内阻输出，采用电压反馈。

（三）为使反馈效果强，根据信号源及负载确定反馈类型

 信号源为恒压源，采用串联反馈；信号源为恒流源，采用并联反馈；要求带负载能力强，采用电压反馈；要求恒流源输出，采用电流反馈。

二、深度负反馈放大电路的特点及性能估算

（一）深度负反馈放大电路的特点

1.深度负反馈的特点

（1+AF）»1时的负反馈放大电路称为深度负反馈放大电路。

由于（1+AF）»1，所以，可得Af=A/（1+AF）≈A/AF=1/F。

由于Af=xo/xi,F=xf/xo所以，深度负反馈放大电路中有xf≈xi即xid≈0说明：

在深度负反馈放大电路中，闭环放大倍数由反馈网络决定；反馈信号xf近似等于输入信号xi；净输入信号xid近似为零。

这是深度负反馈放大电路的重要特点。

此外，由于负反馈对输入、输出电阻的影响，深度负反馈放大电路还有以下特点：

串联反馈输入电阻Rif非常大，并联反馈Rif非常小；电压反馈输出电阻Rof非常小，电流反馈Rof非常大。

工程估算时，常把深度负反馈放大电路的输入电阻和输出电阻理想化，即认为：

深度串联负反馈的输入电阻Rif→∞;深度并联负反馈的Rif→0；深度电压负反馈的输出电阻Rof→0；深度电流负反馈的Rof→∞。

根据深度负反馈放大电路的上述特点，对深度串联负反馈有：

（1）净输入信号uid近似为零，即基本放大电路两输入端P、N电位近似相等，两输入端间似乎短路但并没有真的短路，称为“虚短”；

（2）闭环输入电阻Rif→∞，即闭环放大电路的输入电流近似为零，也即流过基本放大电路两输入端P、N的电流ip≈in≈0，输两入端似乎开路但并没有真的开路，称为“虚断”。

对深度并联负反馈有：

（1）净输入信号iid近似为零，即基本放大电路两输入端“虚断”；

（2）闭环输入电阻Rif→0，即放大电路两输入端也即基本放大电路两输入端“虚短”。

因此，对深度负反馈放大电路可得出两个重要结论：

基本放大电路的两输入端满足“虚短”和“虚断”。

2.深度负反馈电路性能的估算

（1）电压串联负反馈

例题1.

（2）电压并联负反馈

（3）电流串联负反馈

      （4）电流并联负反馈

三、负反馈放大电路的稳定性

（一）自激振荡的现象

自激——无输入信号仍有输出信号，使放大器不稳定。

（二）产生自激振荡的条件和原因

1.自激的原因

在负反馈放大电路中，基本放大电路在高频段要产生附加相移，若在某些频率上附加相移达到180°，则在这些频率上的反馈信号将与中频时反相而变成正反馈，当正反馈量足够大时就会产生自激振荡。

另外，电路中的分布参数也会形成正反馈而自激。

由于深度负反馈放大电路开环增益很大，因此在高频段很容易因附加相移变成正反馈而产生高频自激。

2.自激的条件

3.消除自激的方法—相位补偿

在基本放大电路中插入相位补偿网络（也叫消振电路），以改变基本放大电路高频段的频率特性，从而破坏自激振荡条件，使其不能振荡。

下图所示为几种补偿网络的接法。

图（a）所示电路中在级间接入电容

C，称电容滞后补偿；图（b）所示电路中在级间接入R和C，称为RC滞后补偿；图（c）所示电路中接入较小的电容C（或RC串联网络），利用密勒效应可以达到增大电容（或增大RC）的作用，获得与图（a）、（b）电路相同的补偿效果，称为密勒效应补偿。

4.4基本运算电路

教学要求：

1.掌握反相、同相比例运算电路的结构和特点；

2.熟悉加法、减法运算电路的结构和特点；

3.理解积分和微分电路的工作原理。

一、比例运算电路

采用集成运放接入适当的反馈电路就可构成各种运算电路，主要有比例运算、加减法运算和微积分运算等。

由于集成运放开环增益很高，所以它构成的基本运算电路均为深度负反馈电路，运放两输入端之间满足“虚短”和“虚断”，根据这两个特点很容易分析各种运算电路。

（一）反向比例运算

电阻R2称为平衡电阻，其作用是使集成运放的两输入端对地直流电阻相等，从而避免运放输入偏置电流在两输入端之间产生附加的差模输入电压，R2=R1//Rf。

特点：

1.为深度电压并联反馈，Auf=-Rf/R1

2.输入电阻较小，Rif=R1。

3.uIC=0，对KCMR的要求低，u+=u-=0（虚地）。

（二）同向比例运算

 特点：

1.为深度电压串联负反馈，可作为同相放大器，调节Rf、R1比值即可调节放大倍数 Auf，电压跟随器是其特例；

2.输入电阻趋于无穷大；

3.uIC=ui，对KCMR的要求高，u+=u-=uI。

二、加法与减法运算

（一）加法运算

1.反相加法运算

2.同相加法运算

（二）减法运算

因两输入信号分别加于反相输入端和同相输入端，故此形式的电路也称为差分运算电路。

三、微分与积分运算

（一）微分运算

与反相比例运算电路的差别在于用电容C1代替电阻R1，平衡电阻R2=RF。

（二）积分运算

将微分运算电路中的电阻和电容位置互换，即构成积分运算电路。

四、基本运算电路应用举例

例1.如图所示电路通常称为仪用放大器或数据放大器，试证明：

       证明：

例2.工程应用中，为抗干扰、提高测量精度或满足特定要求等，常须电压—电流信号之间进行转换。

下图为电压—电流转换器，试分析输出电流与输入电压之间的函数关系。

例3.下图为一积分电路，输入信号uI为一方波信号，运放最大输出电压为±10V，t=0时，电容器上的电压为零，试画出理想情况下的输出电压波形。

例4.若给定反馈电阻RF=10kΩ，试设计实现uo=uI1-2uI2的运算电路。

解：

4.5集成运算放大器基本应用电路的测试

教学要求：

1.掌握集成运算放大器的基本特征，熟悉它的使用方法；

2.熟悉负反馈放大电路特性的测试方法；

3.了解负反馈放大电路特性的测试方法。

一、集成运算放大器使用基本知识

（一）集成电路器件型号命名方法及主要性能指标

根据国家标准GB3430-82，集成电路器件型号由五部分组成，各部分符号及意义见下表：

（二）主要性能指标参数

（三）集成运算放大器使用注意事项

1.集成运放的封装及引脚排列

封装形式：

金属圆形、双列直插式、扁平式

封装材料：

陶瓷、金属、塑料

例：

塑封双列直插式（DIP）CF741，（DIP—DualIn-LinePakage）

2.集成运放使用注意事项

（1）查阅手册了解引脚的排列及功能；

（2）检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电源短路；

（3）输入信号应远小于UIdM和UICM，以防阻塞或损坏器件；

（4）电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；

（5）输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流放大需调零。