模拟电子技术教材十一.docx

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模拟电子技术教材十一

第四章负反馈放大电路

学习目标了解负反馈的基本概念、负反馈放大电路的一般关系式、负反馈对放大电路性能的影响；会判断反馈类型及极性；能够根据性能要求引入反馈。

第一节反馈的基本概念

实用电子电路中几乎都用到反馈。

适当的反馈可以改善线性放大电路的性能指标，一个振荡电路要输出振荡波形，也必须引入反馈。

    一、什么是反馈

    所谓反馈，就是通过一定的电路（反馈网络）将输出量（电压或电流）的一部分或全部反送到输入端的过程。

    反馈放大电路的框图如图4-1所示。

由图可见，反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络两部分组成。

在基本放大电路中，信号从输入端到输出端进行正向传输，而在反馈网络中，信号则由输出端到输入端反向传输。

    显然，要实现反馈就必须有一个连接输出回路与输人回路的中间环节，即反馈网络。

因此，判断放大电路是否存在反馈，只要分析它的输出回路与输人回路是否存在相互联系的电路元件即可判别。

    如图4-2所示静态工作点稳定的放大电路中，当环境温度升高时，集电极输出电流IC有增大的趋势，使发射极电阻RE上的压降增大，发射极电位增高，净输入量UBE降低（因为基极电位VB基本不变），基极电流下降，因此集电极电流IC减小，最终趋于稳定；反之，当IC有减小的趋势时，引起净输入量UBE增大，导致集电极电流IC增大，最终使静态工作点稳定。

该电路中，发射极电阻RE把输出电流转换成电压UE，与输入端电压UB进行比较后控制输出电流，使之稳定。

电阻RE既与输人回路有关，又与输出回路有关，起着连接输出与输入的中间环节作用，故它是反馈元件。

通常把引人反馈的放大电路称为反馈放大电路，也叫闭环放大电路，而未引人反馈的放大电路，称为开环放大电路。

    在图4-3所示的多级放大电路中，第一级运放的输出端与输入端间有反馈元件R2，第二级运放的输出端与输入端间有反馈元件R4。

由于这两条反馈通路只限于本级，称为本级（局部）反馈。

而第二级输出端与第一级输入端间有反馈元件R6，就构成了级间反馈。

    二、反馈的类型及其判别

    1．正反馈和负反馈反馈按极性可分为正反馈和负反馈两类。

图4-1所示框图中，输入量xi与反馈量xf都作用在基本放大电路的输入端，从而使输入端获得净输入xid。

当反馈量与输入量相位相同时，xid=xi+xf，净输入xid增加，放大倍数也增大，称为正反馈；反之，当反馈量与输入量相位相反时，xid=xi－xf，净输入xid减小，放大倍数也减小，称为负反馈。

正反馈多用于振荡电路，而负反馈常用于改善放大电路性能。

显然，图4-1所示为负反馈放大电路的框图。

    实际应用中，常采用“瞬时极性法”判别正反馈和负反馈。

    例4-1试用“瞬时极性法”判别图3-3所示的电路的反馈极性。

   解用“瞬时极性法”判别反馈极性的步骤是：

    1．找出放大电路中的反馈元件图4-4所示电路为两级放大电路，电阻R6连接在输出级与输入级之间，构成级间反馈。

    2．假设输入端的瞬时极性为“+”，按放大信号路径和反馈信号路径，标出相关点的极性。

    图4-4中，设三极管V1的基极输入信号为“+”，各相关点的极性判别如下：

    3．在输入端看反馈信号和原输入信号的极性：

若反馈信号使净输入减小，为负反馈；使净输入增加，为正反馈。

    本例中，净输入为ube1，显然ube1=ui-uf，反馈使净输入减小，因此为负反馈。

    例4-2试判别图4-5所示的电路的反馈极性。

    解图4-5a）电路中，反馈元件Rf接在输出端与同相输入端之间，所以该电路存在反馈。

设输入信号uI对地瞬时极性为（+），因uI加在运放的反相输入端，所以输出信号uO瞬时极性为

（一），经RF得到的反馈信号uf与输出信号瞬时极性相同，也为（-）。

因为uI与uF下加在运放两个不同的输入端，所以净输入uId=uI-（-uF），使净输入增加，是正反馈。

这里要指出的是，对于由单个运放组成的反馈放大电路来讲，如反馈信号接在同相输入端，为正反馈；反馈信号接在反相输入端，为负反馈。

    图4-5b）电路中，反馈元件RF接在运放的输出端与反相输入端之间，所以该电路存在反馈。

假设输人信号uI对地瞬时极性为（十），因uI加在反相输入端，所以uO为

（一），根据瞬时极性法所标出的瞬时极性，可以看出反相输入端的净输入电流iId＝iI-iF，净输入电流减小，所以该电路是负反馈电路。

    通过以上分析可以得出判断反馈极性的结论如下：

（1）对于只有一级运放的反馈放大电路，若反馈元件接到反相输入端，则为负反馈；反馈元件接到同相输入端，则为正反馈。

（2）对于级间反馈，当反馈信号和输入信号加在同一个输入端时，两者极性相反时为负反馈，两者极性相同时为正反馈。

当反馈信号和输入信号分别加在两个不同的输入端时，两者极性相同时为负反馈，两者极性相反时为正反馈。

    （3）由分立元件组成的反馈放大电路，其反馈极性的判断与运算放大电路相似。

当信号由集电极输出时，可以将三极管的基极b和发射极e分别看作运放的反相输入端和同相输入端；而当信号由发射极输出时，基极b和发射极e极性相同。

    判别反馈极性过程中需要注意的是：

（1）按放大、反馈途径逐点确定有关点电位的瞬时极性时，要遵循基本放大电路中讨论的相位关系。

当放大电路输入端基极电位上升，即瞬时极性为（+）时，集电极电位下降，其瞬时极性为（-），发射极电位上升，其瞬时极性为（+）。

对于运放组成的电路，输出端极性与同相输入端的瞬时极性相同；与反相输入端的瞬时极性相反。

（2）判断净输入量的增减，要比较输入量的瞬时极性与反馈量的瞬时极性作用在输入端时的实际量的变化。

如图4-4所示电路中，判断R6反馈支路所导致的三极管V1的净输入uBE1变化量时，由于uBE1=uI-u    f，假设uI为（+），若uf为（十），则净输入量下降；反之，若uf为（-），则净输入量增加。

    三、直流反馈和交流反馈

    在放大电路中，一般都存在着直流分量和交流分量，如果反馈信号只含有直流成分，则成为直流反馈；如果反馈信号只含有交流成分，则称为交流反馈。

在很多情况下，反馈信号中兼有两种成分，如果交、直流两种反馈兼而有之的反馈，则称为交直流反馈。

例如，在图4-6所示电路中，对直流而言，电容C相当于开路，R2和R3串联后接在输出端和反相输入端之间，所以存在直流反馈，对交流而言，当电容容量足够大时，电容容抗很小，相当于短路，反馈信号送不到放大电路的输入端，所以不存在交流反馈。

所以这条反馈支路是直流反馈。

    在图4-5所示分立元件放大电路中，从C2、RF2组成的反馈通路来看，因电容C2的隔直作用，输出的直流成分被C2隔断，无法送到输入端，所以反馈通路中无直流信号反馈，只通交流，是交流反馈；从RF1组成的反馈通路来看，既通直流又通交流，是交、直流反馈。

该电路的反馈极性请同学们课后自行分析。

    直流负反馈用以稳定静态工作点，交流负反馈用来改善放大电路的动态性能。

本章重点分析不同类型的交流负反馈。

第二节交流负反馈的基本类型

一、负反馈放大电路的一般关系式

    图4-1是负反馈电路的一般框图，符号○×表示比较环节，用以比较输入信号i和反馈信号f，在负反馈时，f与i极性相反，所以净输入量为

（4-1）

    基本放大电路的输出信号o与净输入信号id之比称为开环放大倍数，即

（4-2）

    反馈网络的反馈系数为反馈信号f与放大电路输出信号o之比，即

（4-3）

    负反馈放大电路的输出信号o与输入信号i之比称为闭环放大倍数，即

（4-4）

    经推导，引入负反馈后的电压放大倍数为

（4-5）

    式（4-5）为负反馈放大电路的闭环放大倍数或闭环增益表达式，表明引入负反馈后的闭环增益是开环增益的的倍。

其中，分母    是衡量反馈强弱程度的一个重要指标，称为反馈深度。

越大，反馈越深，闭环增益越小。

需要说明的是，本章讨论的放大电路主要工作在中频区，这样信号通过放大电路与反馈网络时都不会产生相位移动，故放大倍数和反馈系数都可以用实数表示。

    二、交流负反馈的四种组态

    由图4-1可见，反馈网络连接于输出与输入端之间。

按反馈网络在输出端的连接方式可将反馈分为电压反馈和电流反馈；按反馈网络在输入端的连接方式则可分为串联反馈和并联反馈。

综合反馈网络在输出与输入端之间的连接方式，可将负反馈分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈四种组态，其框图如图4-8a、b、c、d所示。

    1．电压反馈和电流反馈图4-8a、b中，反馈网络与负载并联，反馈信号取自输出电压并与之成正比，称为电压反馈；图4-8c、d中，反馈网络与负载串联，反馈信号取自输出电流，称为电流反馈。

    由于电压反馈中的反馈量取自输出电压，因此在判断时可令uo=0（即RL短路），若反馈电压不存在，就是电压反馈，反之为电流反馈。

    例如，图4-9（a）所示电路中，反馈元件RF并接在输出电压uo端，反馈电压，若将负载RL短路（如图中虚线所示），则uf=0，故为电压反馈。

    图4-9（b）所示电路中，反馈元件RF没有直接并接在输出电压uo端，因此反馈信号不是取自于负载RL两端的输出电压，而是取自电阻R3上的电压IOR3，即反馈信号与输出电流成正比，若将负载RL短路时（如图中虚线所示），反馈量依然存在，故为电流反馈。

故为电流反馈。

    2．串联反馈和并联反馈图4-9a、c中，反馈信号和输入信号在输入端以电压方式串联联结，称为串联反馈；图4-9b、d中，反馈信号和输入信号在输入端以电流方式并联联结，称为并联反馈。

    串联反馈和并联反馈可以根据电路结构判定：

当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点时，可判定为并联反馈；而接在放大电路不同的点时，可判定为串联反馈。

    图4-9（a）所示电路中，输入信号ui自运放同相输入端输入，而反馈元件RF将反馈电压uf引入到反相输入端，所以是串联反馈。

    图4-9（b）所示电路中，输入信号ui自运放反相输入端输入，反馈元件RF将反馈信号引入到同一输入端，所以是串联反馈。

    需要说明的是，在串联反馈中，输入信号与反馈信号是以串联形式得到净输入信号的，因此输入信号与反馈信号必然是以电压形式进行相加、减（比较）的，如图4-9a、c所示；在并联反馈中，输入信号与反馈信号是以并联形式得到净输入信号的，因此输入信号与反馈信号必然是以电流形式进行相加、减（比较）的，图4-9b、d所示。

    综合以上分析，图4-9（a）所示电路的反馈组态为电压串联负反馈，图4-9（b）所示电路的反馈组态为电流并联负反馈

    例4-3判断图4-10所示电路的反馈类型和性质

    解图4-10是由分立元件组成的多级放大电路，它包含多个反馈环节：

以Re1为反馈元件构成的第一级本级反馈，它只影响第一级的本级性能；以Re1、Rf为反馈元件构成的级间反馈，它主要影响整个放大电路的性能。

    对级间反馈分析如下：

    1．用瞬时极性法判别反馈极性如图所示。

    由图可见，反馈信号uF和输入信号uI加在输入级T1的两个不同的输入端即发射极和基极，而且两信号极性相同，因此级间反馈为负反馈。

    2．判别负反馈组态

    从输出端看，是电压反馈，因为当uo=0时，反馈电压uF=0。

    从输入端看，是串联反馈，因为反馈信号uF和输入信号uI加在输入级T1的两个不同的输入端。

    结论：

图4-10所示电路的级间反馈为电压串联负反馈。

    电压串联负反馈电路是良好的电压一电压放大电路，其特点是：

电压反馈可以稳定输出电压，降低放大电路的输出电阻；由于是串联反馈，因此输入电阻相当于原输入电阻与反馈网络的等效电阻串联，使输入电阻增大。

    例4-4判断图4-11所示电路的反馈类型

    解：

如前所述，静态工作点稳定的放大电路中，射极电阻RE是反馈元件，它具有稳定静态工作点的作用。

    从输出端看，假设RL短路，即uo＝0时，反馈量uF依然存在，所以是电流反馈；从输入端看，反馈量与输入量不是在输入端同一节点引入，故为串联反馈。

从图中所标瞬时极性推得，它是负反馈。

所以，该电路为电流串联负反馈。

    电流串联负反馈的特点是：

由于是电流反馈，所以能稳定输出电流，其效果相当于提高了放大电路的输出电阻；串联反馈提高输入电阻。

它是电压—电流变换电路。

    例4-5判断图4-12所示电路的反馈类型

    解图4-12所示电路中，RF是反馈电阻，由于反馈信号与输入信号叠加在运放的反相输入端，所以是并联负反馈。

如将RL短路，反馈消失，说明该电路是电压并联负反馈。

    这里要注意的是，并联负反馈要求信号源内阻RS≠0。

在图4-12所示电路中，由于是并联反馈，输入信号、反馈信号和净输入信号在输人回路中以电流形式来表示，有iId＝iI-iF，只有在信号源内阻RS很大时可保证iI恒定。

iF越大，反馈越强，净输入电流越小，反馈电流iF的变化反馈到了iId上，显然RS愈大并联反馈的效果也愈明显。

    电压并联负反馈的特点是：

电压负反馈稳定输出电压，输出电阻小；井联负反馈的输入电阻相当于原输入电阻与反馈网络的等效电阻并联，所以输入电阻减小了。

它是良好的电流一电压变换电路。

    例4-6判断图4-13所示电路的反馈类型

    解图4-6所示电路的反馈类型为电流并联负反馈，可同学们自行分析。

    电流并联负反馈的特点是：

由于是电流反馈，所以能稳定输出电流，提高输出电阻；并联反馈降低了输入电阻。

它是良好的电流—电流放大电路。