即负反馈使放大器的放大倍数下降。
闭环放大倍数A˙f=X˙oX˙i=A˙1+A˙F˙在中频区为表示为
Af=XoXi=A1+AF
可见,闭环放大倍数Af仅是开环放大倍数A的11+AF倍。
6.2.2结论2——稳定被取样的输出信号
电压负反馈——稳定输出电压Uo。
以图6.8所示的电压串联负反馈电路为例,当某一因素使Uo增大时,反馈过程如下:
可见,Uo的变化量大大减小,稳定性大大提高。
电流负反馈——稳定输出电流Io。
以图6.10所示的电流串联负反馈电路为例,当某一因素使Io增大时,则反馈过程:
可见,Io的变化量大大减小,稳定性大大提高。
6.2.3结论3——放大倍数的稳定性提高
对Af=A1+AF求导,整理后
dAfAf=11+AF⋅dAA
无论何种原因引起放大倍数发生变化,均可以通过负反馈使放大倍数相对变化量减小,放大倍数的稳定性提高了。
6.2.4结论4——可以展宽通频带
放大电路的频率响应引起放大倍数下降,通过负反馈可以展宽通频带。
闭环放大倍数Af是开环放大倍数A的11+AF倍,闭环放大电路的通频带BWf是开环放大电路的通频带BW的(1+AF)倍。
增益带宽积不变。
设开环时放大电路在高频段的放大倍数为:
A˙H=A˙m1+jffH
A˙m——开环时中频放大倍数fH——开环时上限频率
引入负反馈后的高频放大倍数为:
A˙Hf=A˙H1+A˙HF˙整理后得
引入负反馈后的中频放大倍数和上限频率A˙mf=A˙m1+A˙mF˙fHf=(1+A˙mF˙)fH。
开环放大器的通频带BW=fH
闭环放大器的通频带BWf=fHf=(1+A˙mF˙)fH
增益带宽积不变。
6.2.5结论5——改变输入电阻和输出电阻
☆输入电阻的改变情况由输入信号与反馈信号在输入端的求和方式来决定。
求和方式为电压求和确定为串联负反馈,求和方式为电流求和确定为并联负反馈。
串联负反馈使输入电阻提高;并联负反馈使输入电阻减小。
以图6.13串联反馈为例,开环输入电阻ri=U′iIi
闭环输入电阻rif=UiIi=U′i+UfIi=U′i+AFU′iIi=(1+AF)ri
可见,串联反馈使输入电阻增加,rif=(1+AF)rif;理想时,rif=∞。
同样可以得出,并联反馈使输入电阻减小,rif=11+AFri;理想时,rif=0。
☆输出电阻的改变情况由反馈信号在输出端的采样方式来决定。
采样为输出电压Uo确定为电压反馈,采样为输出电流Io确定为电流反馈。
电压负反馈使输出电阻减小;电流负反馈使输出电阻增大。
电压负反馈稳定输出电压,稳压特点说明负反馈使输出电阻减小;理想时,rof≈0。
电流负反馈稳定输出电流,稳流特点说明负反馈使输出电阻增大;理想时,rof≈∞。
6.2.6结论6——减小非线性失真和抑制干扰、噪声
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6.3负反馈放大电路的自激振荡
讲课思路:
多级放大电路中引入某种负反馈组态可以改善它的许多性能指标,但不合适的反馈深度和多级放大电路的附加相移将可能使放大电路产生自激振荡,产生自激振荡的原因分析、判断方法、提出校正措施。
6.3.1产生自激振荡的原因及条件
A˙f=A˙1+A˙F˙→1+A˙F˙=0→A˙F˙=−1→X˙i=0,X˙o≠0负反馈变性为正反馈。
{|A˙F˙|=1幅度条件argA˙F˙=±(2n+1)π(n为整数)相位条件
相位条件中有个附加相移±180o。
以上两个条件都具备时,放大电路就将产生自激振荡。
电路一旦自激,就意味着失去控制,不再能够实现正常放大工作。
产生自激振荡的原因分析:
我们在电路中引入的负反馈,实际上都是基于在中频区进行的。
但A˙、F˙是频率的函数,由放大电路频率特性知道,在高频区或低频区,A˙除了幅度下降,还有附加相移。
这将可能导致1+A˙F˙=0,从而产生了自激振荡。
单级放大电路:
附加相移0~±90o,不会自激。
两级放大电路:
附加相移0~±180o,不会自激。
三级或三级以上放大电路:
附加相移0~±270o以上,则肯定有个频率fo,将使附加相移Δϕ=180o,负反馈变性为正反馈。
若这时|A˙F˙|≥1,则满足自激振荡条件,能够起振和振荡;若这时|A˙F˙|<1,则不满足自激振荡条件,电路仍然是稳定的。
自激振荡频率来源:
电路开机激励、外来干扰或者热噪声。
6.3.2自激振荡的判断方法及稳定裕度
1.判断方法:
在自激振荡的两个条件中,相位条件是主要的,首先若相位条件满足了,即附加相移ϕA˙F˙=180o,又满足|A˙F˙|≥1,放大器将产生自激。
否则,不自激。
为此,我们用环路增益A˙F˙的频率特性—波特图来分析判断闭环放大电路的稳定性。
如图6.15(a)和(b)所示分别表示不稳定与稳定的两种情况。
图6.15(a)中f0处:
argA˙F˙=ϕA˙F˙|f0=−180o,对应的20lg|A˙F˙|f0>0(即|A˙F˙|>1)。
由此可见满足自激振荡条件,放大器不稳定,将产生自激。
图6.15(b)中f0处:
argA˙F˙=ϕA˙F˙|f0=−180o,对应的20lg|A˙F˙|f0<0(即|A˙F˙|<1)。
由此可见不满足自激振荡条件,放大器稳定,不会产生自激。
2.稳定裕度:
引入负反馈后,为保证放大电路可靠工作,规定:
幅度裕度——Gm=20lg|A˙F˙|ϕ=1800≤-10dB(对应f0)
相位裕度——ϕm=180o+ϕA˙F˙(20lg|A˙F˙|=0)≥45o(对应fc)
6.3.3自激振荡的校正措施
若放大电路产生自激振荡,应适当采用措施破坏自激振荡的条件,以保证电路稳定工作。
方法1——减小反馈系数|F˙|。
改变反馈网络电阻值,减小反馈系数|F˙|,使当相位条件ϕA˙F˙|=−180o时,对应的幅度条件20lg|A˙F˙|f0<0。
方法简单,但反馈深度|1+A˙F˙|↓,不利于放大电路其他性能的改善。
方法2——接入C或RC校正,使主极点左移。
C或RC接到某一级的输出端或者放大管的集电极、基极之间(密勒电容)(一般接到产生主极点fHmin的那一级),在中、低频时,C或RC基本不起作用。
在高频时,使放大倍数快速下降,ϕA˙F˙|=−180o时,对应的20lg|A˙F˙|f0<0。
实际工作中,常用一个小电容(PF级)并在放大器的输出端试探,使高频段主极点左移。
这种方法不影响反馈深度|1+A˙F˙|和放大电路其他性能,但将损失通频带。
例如,假设某三级放大电路的电压放大倍数为
A˙F˙=−104(1+jf0.5)(1+jf1)(1+jf5)×(−0.1)
主极点为fH1=0.5MHz,通过接入C或RC校正,使主极点左移到f′H1,从而使相位条件ϕA˙F˙|=−180o时,对应的幅度条件20lg|A˙F˙|f0<0。
两种消除自激振荡方法对应的A˙F˙波特图(示意图)如图6.16所示。
本章例题
【例1】如图6.17所示,判断其反馈组态,估算闭环电压增益Auuf=UoUi和Auusf=UoUs。
解:
由瞬时极性法:
U′i=Ube=Ui−Uf→串联负反馈
输出电压Uo经Rf和Re1分压后反馈至输入回路,即Uf=Re1Re1+RfUo→电压反馈
可见反馈组态:
电压串联负反馈。
反馈系数Fuu=UfUo=Re1Re1+Rf,深度负反馈情况下,闭环电压放大倍数为
Auuf=UoUi=Auu1+FuuAuu≈1Fuu=Re1+RfRe1
根据串联负反馈的特点,rif=∞,所以
Auusf=UoUs=UoUi⋅UiUs=rifRs+rif⋅UoUi≈UoUi=Re1+RfRe1
【例2】如图6.18所示,判断其反馈组态,估算闭环电压增益Auusf=UoUs。
解:
由瞬时极性法:
I′i=Ib=Ii−If→并联负反馈
输出电流Ie2经Rf和Re2分流后反馈至输入回路,即
If=Ui−Ue2Rf≈−Ue2Rf=Re2Re2+RfIe2→电流反馈
可见反馈组态:
电流并联负反馈。
深度负反馈情况下X˙i≈X˙f即Ii≈If。
而
由于是并联反馈,深度负反馈情况下rif=0,
Ii=UsRs+rif≈UsRs,
If=Ui−Ue2Rf≈−Ue2Rf=−Re2Re2+RfIe2=−Re2Re2+Rf⋅−UoRc2‖RL
则闭环电压放大倍数为
Auusf=UoUs=Re2+RfRe2⋅Rc2‖RLRs
【例3】某放大器的Au=1000,ri=10KΩ,ro=1KΩ,fH=1MHz,fL=100Hz,在该电路中引入电压串联负反馈后,当开环放大倍数变化±10%时,闭环放大倍数变化不超过±1%,求Auf,rif,rof,fHf,fLf。
解:
由dAfAf=11+AF⋅dAA,则1+AF=±10±1=10,F=Fu=0.009
Auf=Au1+AuFu=100
rif=(1+FuAu)ri=10×10=100kΩ
rof=11+FuAu=110×1=0.1kΩ
fHf=(1+FuAu)fH=10×1MHz=10MHz
fLf=11+FuAufL=110×100=10Hz
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本章小结
负反馈放大电路是电子技术课程的重点内容之一。
本章介绍了反馈的基本概念,引入负反馈后对放大电路性能的改善,反馈放大电路的分析方法以及负反馈放大电路的自激振荡现象和校正措施。
1.反馈的基本概念。
反馈是指将放大电路的输出量(UO或者IO)或者输出量的一部分,通过一定的方式或路径,反送到放大电路的输入端,将反馈量与输入量进行比较,从而达到控制输出量的目的。
2.反馈的分类。
不同类型的反馈对放大电路产生不同的影响。
正反馈使放大倍数增大;负反馈使放大倍数减小,但其他性能获得改善。
判断方法:
瞬时极性法。
直流负反馈的作用:
稳定静态工作点。
交流负反馈的作用:
改善各项动态性能指标。
本章主要讨论各种形式的交流负反馈。
交流负反馈的四种组态:
电压串联负反馈:
U˙f∝U˙o,U˙′i=U˙i-U˙f,Auu=UoUi',Fuu=UfUo,Auuf=UoUi=Auu1+FuuAuu
电压并联负反馈:
I˙f∝U˙o,I′˙i=I˙i-I˙f,Aui=UoIi',Fiu=IfUo,Auif=UoIi=Aui1+FiuAui
电流串联负反馈:
U˙f∝I˙o,U˙′i=U˙i-U˙f,Aiu=IoUi',Fui=UfIo,Aiuf=IoUi=Aiu1+FuiAiu
电流并联负反馈:
I˙f∝I˙o,I′˙i=I˙i-I˙f,Aii=IoIi',Fii