放大器中的负反馈

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1、放大器中的负反馈 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望5.1反馈放大器的基本概念反馈放大器的基本概念5.1.1反馈放大器的组成反馈放大器的组成 将将放放大大器器输输出出信信号号的的一一部部分分或或全全部部，通通过过反反馈馈网网络络回回送送到到电电路路输输入入端端，并并对对输输入入信信号号进进行行调调整整，所所形形成成的的闭合回路即反馈放大器。闭合回路即反馈放大器。q 反馈放大器组成框图反馈放大器组成框图基本放大器基本放大器 A反馈网络反馈网络 kfxox

2、ix ixf净输入信号净输入信号 输入信号输入信号反馈信号反馈信号输出信号输出信号2q 反馈放大器增益一般表达式反馈放大器增益一般表达式基本放大器基本放大器 A反馈网络反馈网络 kfxoxix ixf开环增益开环增益反馈系数反馈系数闭环增益闭环增益反馈深度反馈深度环路增益环路增益反反馈馈深深度度 F(或或环环路路增增益益 T)是是衡衡量量反反馈馈强强弱弱的的一一项项重重要指标。其值直接影响电路性能。要指标。其值直接影响电路性能。3q 反馈极性反馈极性由于净输入信号由于净输入信号 若若 xf 削弱了削弱了xi，使，使 x i xi正反馈正反馈说明说明负反馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。负反

3、馈具有自动调整作用，可改善放大器性能。例：某原因例：某原因正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。正反馈使放大器工作不稳定，多用于振荡器中。负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。负反馈的自动调整作用是以牺牲增益为代价的。45.1.2四种类型负反馈放大器四种类型负反馈放大器 q 根据输出端连接方式根据输出端连接方式 电压反馈电压反馈 AkfRL+-voxixfx i在在输输出出端端，凡凡反反馈馈网网络络与与基基本本放放大大器器并并接接，反反馈馈信信号号取取自自负载上输出电压的反馈称为电压反馈。负载上输出电压的反馈称为电压反馈。输出量输出量 xo=voxixfx iAkfRLio 在输出端，

4、凡反馈网络与基本放大器在输出端，凡反馈网络与基本放大器串接串接，反馈信号取自负，反馈信号取自负载中输出电流的反馈称为电流反馈。载中输出电流的反馈称为电流反馈。电流反馈电流反馈 输出量输出量 xo=io5q 根据输入端连接方式根据输入端连接方式 串联反馈串联反馈 在在输输入入端端，反反馈馈网网络络与与基基本本放放大大器器串串接接，反反馈馈信信号号以以电电压压vf 的形式出的形式出现现，并在，并在输输入端入端进进行行电压电压比比较较，即，即 v i=vi-vf 。在在输输入入端端，反反馈馈网网络络与与基基本本放放大大器器并并接接，反反馈馈信信号号以以电电流流if 的形式出的形式出现现，并在，并在输

5、输入端入端进进行行电电流比流比较较，即，即 ii =ii-if 。并联反馈并联反馈 AkfRS+-vs+-vivfv i+-+-xoAkfRSiSiiifii xo6q 四种类型负反馈放大器增益表达式四种类型负反馈放大器增益表达式AvkfvRS+-vs+-vivfv i+-+-RL+-voArkfgRL+-voRSiSiiifii 电压串联负反馈电压串联负反馈 开环电压增益开环电压增益电压反馈系数电压反馈系数闭环电压增益闭环电压增益 电压并联负反馈电压并联负反馈 开环互阻增益开环互阻增益互导反馈系数互导反馈系数闭环互阻增益闭环互阻增益7AgkfrRLioRS+-vs+-vivfv i+-+-R

6、SiSiiifii AikfiRLio 电流串联负反馈电流串联负反馈 开环互导增益开环互导增益互阻反馈系数互阻反馈系数闭环互导增益闭环互导增益 电流并联负反馈电流并联负反馈 开环电流增益开环电流增益电流反馈系数电流反馈系数闭环电流增益闭环电流增益注意：不同反馈类型对应不同输入、输出电量，因此不同类注意：不同反馈类型对应不同输入、输出电量，因此不同类 型反馈电路的型反馈电路的 A、kf、Af 含义不同含义不同。8Akfxoxixfx i5.1.3反馈极性与类型的判别反馈极性与类型的判别 q 判断是否为反馈电路判断是否为反馈电路 看看电电路路输输出出与与输输入入之之间间是是否否接接有有元元件件，若

7、若有有则则为为反反馈馈电电路，该元件即为反馈元件。路，该元件即为反馈元件。viVCCRCvo+-+-RERB1RB2viVCCRCRfvo例例 1Rf 为反馈元件为反馈元件。例例 2RE 为反馈元件为反馈元件。9q 判断反馈类型判断反馈类型 采用短路法采用短路法 假假设设输输出出端端交交流流短短路路，若若反反馈馈信信号号消消失失，则则为为电电压压反反馈馈；反之为电流反馈。反之为电流反馈。判断电压与电流反馈判断电压与电流反馈 判断串联与并联反馈判断串联与并联反馈 假假设设输输入入端端交交流流短短路路，若若反反馈馈作作用用消消失失，则则为为并并联联反反馈馈；反之为串联反馈。反之为串联反馈。Avkf

8、vRS+-vs+-vivfv i+-+-RL+-voRSiSiiifii AikfiRLio10q 判断反馈极性判断反馈极性 采用瞬时极性法采用瞬时极性法 Akfxoxixfxi 设设 vi 瞬时极性瞬时极性为为用用正正负负号号表表示示电电路路中中各各点点电电压压的的瞬瞬时时极极性性，或或用用箭箭头头表表示示各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。各节点电流瞬时流向的方法称瞬时极性法。比较比较 xf 与与 xi 的极性的极性(xi =xi-xf)若若 xf 与与 xi 同相，使同相，使 xi 减小的，为负反馈；减小的，为负反馈；若若 xf 与与 xi 反相，使反相，使 xi 增大的，为正反馈。增

9、大的，为正反馈。经经 A判判断断 vo？经经 kf判断判断 xf？11说明说明 用瞬时极性法比较用瞬时极性法比较 xf 与与 xi 极性时：极性时：若是并若是并联联反反馈馈：则则需根据需根据电压电压的瞬的瞬时时极性，极性，标标出出相相关支路关支路 的的电电流流向，然后用流流向，然后用电电流流进进行比行比较较(ii =ii-if)。若是串若是串联联反反馈馈：则则直接直接用用电压进电压进行比行比较较(vi =vi-vf)。按交、直流性质分：按交、直流性质分：直流反馈：直流反馈：交流反馈：交流反馈：反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。反馈信号为直流量，用于稳定电路静态工作点。反馈信号为交流量，

10、用于改善放大器动态性能。反馈信号为交流量，用于改善放大器动态性能。多级放大器中的反馈：多级放大器中的反馈：局部反馈：局部反馈：越级反馈：越级反馈：反馈由本级输出信号产生，可忽略。反馈由本级输出信号产生，可忽略。输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送输出信号跨越一个以上放大级向输入端传送的称为级间的称为级间(或越级或越级)反馈。反馈。12例例 1判断电路的反馈极性和反馈类型。判断电路的反馈极性和反馈类型。假设输出端交流短路，假设输出端交流短路，Rf 引入的反馈消失引入的反馈消失电压反馈。电压反馈。假设输入端交流短路，假设输入端交流短路，Rf 的反馈作用消失的反馈作用消失并联反馈。并联反馈。分析：

11、分析：viVCCRCRfvo+-+-RfRf则则 vc 为为 -假假设设 vi 瞬瞬时时极性极性为为 +-形成的形成的 if 方向如图示。方向如图示。iiifib因净输入电流因净输入电流 ib=ii-if ii负反馈。负反馈。结论：结论：Rf 引入电压并联负反馈。引入电压并联负反馈。viRCvo+-+-13viVCCRCvo+-+-RERB1RB2例例 2判断图示电路的反馈极性和反馈类型。判断图示电路的反馈极性和反馈类型。假设输出端交流短路，假设输出端交流短路，RE 上的反馈依然存在上的反馈依然存在 电流反馈。电流反馈。假设输入端交流短路，假设输入端交流短路，RE 上的反馈没有消失上的反馈没有

12、消失串联反馈。串联反馈。分析：分析：假假设设 vi 瞬瞬时时极性极性为为 +因净输入电压因净输入电压 vbe=vi-vf 1 或或 F 1 称为深度负反馈条件。称为深度负反馈条件。串联反馈电路输入电阻：串联反馈电路输入电阻：并联反馈电路输入电阻：并联反馈电路输入电阻：电压反馈电路输出电阻：电压反馈电路输出电阻：电流反馈电路输出电阻：电流反馈电路输出电阻：增益：增益：或或29q 深度负反馈条件下深度负反馈条件下 Avf 的估算的估算 根据反馈类型确定根据反馈类型确定 kf 含义，并计算含义，并计算 kf分析步骤：分析步骤：若并联反馈：将输入端交流短路若并联反馈：将输入端交流短路若串联反馈：将输入

13、端交流开路若串联反馈：将输入端交流开路则反馈系数则反馈系数 确定确定 Afs(=xo/xs)含义，并计算含义，并计算 Afs=1/kf 将将 Afs 转换转换成成 Avfs=vo/vskf=xf/xo计算此时计算此时 xo 产生的产生的 xf30vsRC1vo+-+-RE1RLRC2RfRST1T2+-vf例例 1图示电路，试在深度负反馈条件下估算图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。该电路为电压串联负反馈放大器。该电路为电压串联负反馈放大器。解：解：将输入端交流开路，即将将输入端交流开路，即将 T1 管射极断开：管射极断开：则则因此因此31例例 2图示电路，试在深度负反馈条件下估算图

14、示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。该电路为电流并联负反馈放大器。该电路为电流并联负反馈放大器。解：解：将输入端交流短路，即将将输入端交流短路，即将 T1 管基极交流接地：管基极交流接地：则则因此因此isRC1vo+-RLRC2RfRST1T2ifRE2io32例例 3图示电路，试在深度负反馈条件下估算图示电路，试在深度负反馈条件下估算 Avfs。该电路为电压并联负反馈。该电路为电压并联负反馈。(1)解：解：将反相输入端交流接地：将反相输入端交流接地：则则因此因此该电路为电压串联负反馈。该电路为电压串联负反馈。(2)解：解：将反相输入端交流开路：将反相输入端交流开路：则则因此因此-+A

15、R1Rf+-vsvoif(图图 1)-+AR1Rf+-vsvo-+vf(图图 2)335.5负反馈放大器的稳定性负反馈放大器的稳定性实实际际上上，放放大大器器在在中中频频区区施施加加负负反反馈馈时时，有有可可能能因因 Akf 在在高高频频区区的的附附加加相相移移使使负负反反馈馈变变为为正正反反馈馈，引引起起电电路路自激。自激。5.5.1判别稳定性的准则判别稳定性的准则反馈放大器频率特性：反馈放大器频率特性：若在某一频率上若在某一频率上T(j)=-1放大器自激放大器自激自激振幅条件自激振幅条件 自激相位条件自激相位条件 说明说明自自激激时时，即即使使 xi=0，但但由由于于 xi =xf，因因此

16、此反反馈馈电路在无输入时，仍有信号输出。电路在无输入时，仍有信号输出。34q 不自激条件不自激条件 当当或或时，时，或当或当时，时，或或注意：注意：只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件之一，只要设法破坏自激的振幅条件或相位条件之一，放大器就不会产生自激。放大器就不会产生自激。q 稳定裕量稳定裕量 要要保保证证负负反反馈馈放放大大器器稳稳定定工工作作，还还需需使使它它远远离离自自激激状状态态，远远离程度可用离程度可用稳稳定裕量表示。定裕量表示。当当时，相位裕量时，相位裕量当当时，增益裕量时，增益裕量 g g增益交界角频率；增益交界角频率；相位交界角频率。相位交界角频率。35q 相位裕量图解分析法

17、相位裕量图解分析法 假假设设放大器施加的是电阻性反馈，放大器施加的是电阻性反馈，kf 为实为实数：数：得得由由 在在 A()或或 T()波特图上波特图上找找 g在在 A()波特图上，作波特图上，作 1/kf(dB)的水平线，交点即的水平线，交点即 g。在在 T()波特图上，与水平轴波特图上，与水平轴 T()=0 dB 的交点，即的交点，即 g。根据根据 g 在相频曲线上在相频曲线上找找 T(g)判断相位裕量判断相位裕量 若若放大器稳定工作放大器稳定工作若若放大器工作不稳定放大器工作不稳定注：注：1/1/kf(dB)的水平线称增益线。的水平线称增益线。36例例 1已知已知 A(j)波特图，判断电

18、路是否自激。波特图，判断电路是否自激。(1/(1/kf)dB g g T(g)(1)在在 A()波特图上作波特图上作 1/kf(dB)的水平线。的水平线。分析：分析：(2)找出交点，即找出交点，即 g g(3)在在 T()波特图上，找出波特图上，找出 T(g g)(4)由于由于 45，因此电路稳定工作，不自激。因此电路稳定工作，不自激。A()/dB O T()O-180-90 37例例 2已知已知 T(j)波特图，判断电路是否自激。波特图，判断电路是否自激。T(g)(1)由由 T()波特图与横轴的交点，找出波特图与横轴的交点，找出 g。分析：分析：(2)由由 g 在在 T()波特图上，找出波特

19、图上，找出 T(g)。T()/dB O T()O-180o g g (3)由于由于 45 p2=10 p1，p3=10 p239O p20.1 p110 p3 A()-90 p1 p3-180-270 p2 p1A()/dB 204060O p3-20 dB/10 倍频倍频-40 dB/10 倍频倍频-60 dB/10 倍频倍频80 p2=10 p1，将将 p3 靠近靠近 p2。由于由于|T(p2)|则则 g 落在落在 p1 与与 p2 之间时，放大器依然稳定工作。之间时，放大器依然稳定工作。40结结论论：在在多多极极点点的的低低通通系系统统中中，若若 p3 10 p2，则则只只要要 g 落落

20、在在斜斜率率为为(-20 dB/10 倍倍频频)的的下下降降段段内内，或或 g 落落在在 p1与与 p2 之间，放大器必稳定工作。之间，放大器必稳定工作。将将 p2 靠近靠近 p1，由于由于|T(p2p2)|上述结论不成立。上述结论不成立。O p20.1 p110 p3 A()-90 p1 p3-180-270 p2 p1A()/dB 204060O p3-20 dB/10 倍频倍频-40 dB/10 倍频倍频-60 dB/10 倍频倍频80415.5.2集成运放的相位补偿技术集成运放的相位补偿技术解决方法：采用相位补偿技术。解决方法：采用相位补偿技术。在在中中频频区区，反反馈馈系系数数 kf

21、 越越大大，反反馈馈越越深深，电电路路性性能能越好。越好。在在高高频频区区，kf 越越大大，相相位位裕裕量量越越小小，放放大大器器工工作作越越不稳定。不稳定。在在中中频频增增益益 AI 基基本本不不变变的的前前提提下下，设设法法拉拉长长 p1 与与 p2 之之间间的的间间距距，或或加加长长斜斜率率为为“-20 dB/10 倍倍频频”线线段段的长度，使得的长度，使得 kf 增大时，仍能获得所需的相位裕量。增大时，仍能获得所需的相位裕量。相位补偿基本思想：相位补偿基本思想：42q 滞后补偿技术滞后补偿技术 简单电容补偿简单电容补偿 降低降低 p1补补偿偿方方法法：将将补补偿偿电电容容 C 并并接接

22、在在集集成成运运放放产产生生第第一一个个极极点角频率的节点上，使点角频率的节点上，使 p1 降低到降低到 d。AdiRCC p1 降低到降低到 d 反馈增益线下移反馈增益线下移 稳定工作允许的稳定工作允许的 kf 增大。增大。p2 p1A()/dB O p3AvdI d20lg(1/kf)43 p2 p1A()/dB O p3AvdI d20lg(1/kfv)d 与与 kf 之间的关系：之间的关系：由图由图10 倍频倍频整理得整理得 kfv d 反馈电路稳定性反馈电路稳定性，但，但 H 。kfv=1 时，时，全补偿全补偿(C 用用 CS 表示表示)d0此时，此时，kfv 无论取何值，电路均可稳

23、定工作。无论取何值，电路均可稳定工作。44例例 1一一集集成成运运放放 AvdI=105，fp1=200 Hz，fp2=2 MHz，fp3=20 MHz，产产生生 fp1 节节点点上上等等效效电电路路 R1=200 k，接接成同相放大器，采用简单电容补偿。试求：成同相放大器，采用简单电容补偿。试求：fp2fp1Avd(f)/dBfOfp310020406080解：解：(1)求未补偿前，同相放大器提供的最小增益求未补偿前，同相放大器提供的最小增益？根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。根据题意，可画出运放的幅频渐近波特图。未补偿前，为保证稳定工作：未补偿前，为保证稳定工作：1kfvAvfmin=

24、1041kfv(dB)80 dB即即45解：解：(2)若要求若要求 Avf =10，求所需的，求所需的补偿电容补偿电容 C =？由由Avf=10，得得kfv=0.1则则 由由 得得 由由 得得(3)若要求若要求 Avf=1，求所需的求所需的补偿电容补偿电容 CS=？解：解：由由Avf=1，得得 kfv=1则则 46 密勒电容补偿密勒电容补偿 降低降低 p1、增大、增大 p2补补偿偿方方法法：将将补补偿偿电电容容 C 跨跨接接在在三三极极管管 B 极极与与 C 极极之之间间，利利用用密密勒勒倍倍增增效效应应，使使 p1 降降低低、P2 增增大大，拉拉长长 p1 与与 P2 之之间间的的间间距距。

25、这这种种补补偿偿方方法法又又称称极极点点分离术。分离术。(分析略分析略)简单电容补偿缺点：简单电容补偿缺点：补偿电容补偿电容 C 数值较大数值较大(F 量级量级)，集成较困难。，集成较困难。密勒电容补偿优点：密勒电容补偿优点：用较小的电容用较小的电容(pF 量级量级)，即可达到补偿目的。，即可达到补偿目的。47q 超前补偿技术超前补偿技术 引入幻想零点引入幻想零点 补补偿偿思思路路：在在 p2 附附近近，引引入入一一个个具具有有超超前前相相移移的的零零点点，以以抵抵消消原原来来的的滞滞后后相相移移，使使得得在在不不降降低低 p1 的的前前提下，拉提下，拉长长 p1 与与 p2 之之间间的的间间

26、距。距。在反在反馈电馈电阻阻 Rf 上并接上并接补偿电补偿电容容 C 。补偿补偿方法方法：-+AR1Rf+-Vs(s)Vo(s)R2则则其中其中C 48利利用用零零点点角角频频率率 Z 将将 p2 抵抵消消，可可将将斜斜率率为为“-20 dB/10 倍倍频频”的下降段，延的下降段，延长长到到 p3。假设运放为无零三极系统，且假设运放为无零三极系统，且 p1 p2 p3。选择合适的选择合适的 C ，使使 p2 p1A()/dB O p3AvdI-20 dB/10 倍倍频频49相位补偿技术在宽带放大器中的应用相位补偿技术在宽带放大器中的应用密勒电密勒电容补偿容补偿超前电超前电容补偿容补偿vIVCCR1voR2T1T2T3RLRE1RE3RfCfCcT4T4T5R3R4R5T6T7T8CBMC-1553 集成宽带放大器内部电路集成宽带放大器内部电路Av=100fH=45 MHz50