负反馈对放大电路性能的影响

第1章常用半导体器件4.3负反馈对放大电路性能的影响4.3.1提高增益的稳定性4.3.2减小非线性失真4.3.3展宽通频带4.3.4改变输入电阻和输出电阻4.3.5放大电路中引入负反馈的一般原则第4章放大电路的负反馈4.3负反馈对放大电路性能的影响在放大电路中引入负反馈后，放大电路的增益下降，但可使放大电路很多方面的性能得到改善，下面分析负反馈对放大电路主要性能的影响。第4章放大电路的负反馈4.3.1提高增益的稳定性放大电路的增益可能由于元器件参数的变化、环境温度的变化、电源电压的变化、负载大小的变化等因素的影响而不稳定，引入适当的负反馈后，可提高闭环增益的稳定性。当负反馈很深，即1时，由式（4.2.5）得（4.3.1）这就是说，引入深度反馈后，放大电路的增益决定于反馈网络的反馈系数，而与基本放大电路几乎无关。反馈网络一般由稳定性能优于半导体三极管的无缘线性元件（如R、C）组成，因此，闭环增益是比较稳定的。)1(AFFAFAAf11第4章放大电路的负反馈在一般情况下，增益的稳定性常用有、无反馈时增益的相对变化量之比来衡量，用dA/A和dAf/Af分别表示开环和闭环增益的相对变化量。将对A求导数得或（4.3.2）将式（4.3.2）两边分别除以，得（4.3.3）22)1(1)1()1(AFAFAFAFdAdAf2)1(AFdAdAfAFAAf111ffdAdAAAFA第4章放大电路的负反馈该式表明，引入负反馈后，增益的相对变化量为开环增益相对变化量的，即闭环增益的相对稳定度提高了，越大，即负反馈越深，dAf越小，闭环增益的稳定性越好。AFA1)1(AF第4章放大电路的负反馈例4.3.1某一放大电路的开环增益A=1000，由于环境温度的变化，放大电路的增益下降为900，当引入负反馈后，反馈系数F=0.099，求闭环增益及其相对变化量。解：无反馈时，增益的相对变化量为反馈深度为有反馈时，闭环增益为闭环增益的相对变化量为100090010%1000AdA1110000.099100AF1000101100fAAAF1110%0.1%1100ffdAdAAAFA第4章放大电路的负反馈应当指出，负反馈放大电路是牺牲了增益来换取其稳定性的，即增益减小到1/(1+AF)，稳定性提高到(1+AF)，同时有两点值得注意：①负反馈不能使输入量保持不变，只能使输入量趋于不变。而且只能减少由开环增益变化而引起的闭环增益的变化。如果反馈系数发生变化而引起闭环增益变化，则负反馈是无能为力的。所以，反馈网络一般都由无源元件组成。②不同类型的负反馈能稳定的增益也不同，如电压串联负反馈只能稳定闭环电压增益，而电流串联负反馈只能稳定闭环互导增益。第4章放大电路的负反馈4.3.2减小非线性失真三极管、场效应管等有源器件伏安特性的非线性会造成输出信号非线性失真，引入负反馈后可以减少这种失真，其原理可用图4.3.1加以说明。图4.3.1负反馈减小非线性失真（a）无反馈时信号波形（b）引入负反馈时信号波形第4章放大电路的负反馈设输入信号xi为正弦波，无反馈时放大电路的输出信号x0为正半周幅度大、负半周幅度小的失真正弦波，如图4.3.1（a）所示。引入负反馈时，如图4.3.1（b）所示，这种失真被引回到输入端，xf也为正半周幅度大而负半周幅度小的波形，由于xid=xi-xf，因此xid波形变为正半周幅度小而负半周幅度大的波形，即通过反馈使净输入信号产生预失真，这种预失正好补偿了放大电路非线性引起的失真，使输出波形x0接近正弦波。根据分析，加反馈后非线性失真减小为无反馈时的1/。)1(AF第4章放大电路的负反馈必须指出，负反馈只能减小放大电路内部引起的非线性失真，对于信号本身固有的失真则无能为力。此外，负反馈只能减小而不能消耗非线性失真。负反馈还可以对放大电路的噪声、干扰和温度漂移有一点抑制作用，其原理与负反馈抑制非线性失真一样。负反馈对放大电路噪声、干扰和温度漂移的抑制作用，只是对反馈环内的产生的噪声、干扰和温度漂移有效，对环外的无效。第4章放大电路的负反馈4.3.3扩展通频带图4.3.2所示为放大电路在无负反馈和有负反馈时的幅频特性A（f）和Af(f)，图中Am、fL、fH、fbw和Amf、fLf、fHf、fbwf分别为无、有负反馈时的中频放大倍数、下限频率、上限频率和通频带宽度。可见，加负反馈后的通频带宽度比无反馈时的大。扩展通频带的原理如下：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、低频段的放大电路减小程度比中频段的小，从而扩展了通频段。第4章放大电路的负反馈图4.3.2负反馈扩展通频带可以证明fbwf=(1+AF)fbw(4.3.4)第4章放大电路的负反馈4.3.4改变输入电阻和输出电阻放大电路中引入的交流负反馈的类型不同，则对输入电阻和输出电阻的影响也就不同，下面加以讨论。1.对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响取决于反馈网络与基本放大电路在输入回路的连接方式，即取决于是串联还是并联负反馈，与输出电路中的反馈的取样方式无直接联系。因此，分析负反馈对输入电阻的影响时，只需要画出输入电路的连接方式，如图4.3.3所示，其中Ri是基本放大电路的输入电阻（开环输入电阻），Rif是负反馈放大电路的输入电阻（闭环输入电阻）。第4章放大电路的负反馈（a）(b)图4.3.3负反馈对输入电阻的影响（a）串联反馈（b）并联反馈第4章放大电路的负反馈（1）串联负反馈对输入电阻的影响由图4.3.3(a)可知，开环输入电阻为（4.3.5）有负反馈时的闭环输入电阻为（4.3.6）而（4.3.7）所以（4.3.8）iidiivR/iiifivR/(1)iidfidvvvAFviiidifRAFivAFR)1()1(第4章放大电路的负反馈式（4.3.8）表明，引入串联负反馈后，输入电阻增加了。闭环输入电阻是开环输入电阻的倍。当引入电压串联负反馈时，。当引入电流串联负反馈时，。需要指出的是，在某些负反馈放大电路中，有些电阻并不在反馈环内，如共射电路中的基极偏置电阻Rb，负反馈对它并不产生影响。这类电路的，而整个电路的输入电阻=//。)1(AFivvifRFAR)1(irgifRFAR)1(iifRAFR)1(ifRbRifR第4章放大电路的负反馈（2）并联负反馈对输入电阻的影响由图4.3.3(b)可见，在并联负反馈放大电路中，反馈网络与基本放大电路的输入电阻并联，因此闭环输入电阻Rif小于开环输入电阻Ri。由于（4.3.9）（4.3.10）而所以（4.3.11）idiiivR/iiifivR/AFRiAFvRiidiif1)1(idfidiiAFiii)1(第4章放大电路的负反馈式（4.3.11）表明，引入并联负反馈后，输入电阻减小了。闭环输入电阻是开环输入电阻的1/倍。当引入电压并联负反馈时，；当引入电流串联负反馈时。)1(AF)1/(griifFARR)1/(iiiifFARR第4章放大电路的负反馈2．对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响取决于反馈网络与基本放大电路的输出端的连接方式，即取决于是电压还是电流负反馈。若电路引入电压负反馈，则稳定输出电压，使之输出趋于恒压源，因而输出电阻很小。可以证明，电压负反馈放大电路的输出电阻是其基本放大电路输出电阻的1/。若电路引入电流负反馈，则稳定输出电流，使之输出趋于恒流源，因而输出电阻很大。可以证明，电流负反馈放大电路的输出电阻是其基本放大电路输出电阻的倍。在理想情况下，即趋于无穷大时，电压负反馈放大电路的输出电阻趋于0，电流负反馈放大电路的输出电阻趋于无穷大。)1(AF)1(AF)1(AF第4章放大电路的负反馈负反馈对于输入电阻、输出电阻的影响，如表4.3.1所示，理想情况下的数值如括号内所示。表4.3.1负反馈放大电路的输入电阻、输出电阻必须指出，负反馈对输入电阻和输出电阻的影响，只限于反馈环内的电阻，而反馈环以外的电阻不受影响。例如，在图4.2.5所示电流并联负反馈电路中，Rs为信号源电阻，它也在反馈环外。反馈组态电压串联电压并联电流串联电流并联输入电阻增大（∞）减小（0）增大（∞）减小（0）输出电阻减小（0）减小（0）增大（∞）增大（∞）第4章放大电路的负反馈4.3.5放大电路中引入负反馈的一般原则实用放大电路引入负反馈的目的是为了稳定静态工作点和改善动态性能。不同组态的交流负反馈，将对放大电路的性能产生不同的影响。因此，在不同的需求下，应引入不同的反馈。引入反馈的一般原则如下：（1）要稳定放大电路中的某个量，就采用某个量的负反馈方式。例如，要稳定静态工作点，就应引入直流负反馈；若要改善动态性能，则应引入交流负反馈。要想稳定输出电压，则应引入电压负反馈：若要稳定输出电流，则应引入电流负反馈。第4章放大电路的负反馈（2）根据对输入、输出电阻的要求来选择反馈类型。若要提高输入电阻，则应引入串联负反馈；若要减小输入电阻，则应引入并联负反馈。串联负反馈和并联负反馈的效果均与信号源电阻Rs的大小有关。对于串联负反馈，Rs越小，负反馈效果越明显；对于并联负反馈，则是Rs越大，负反馈效果越明显。换言之，信号源为近似恒压源的，应引入串联反馈；信号源为近似恒流源的，应引入并联反馈。同理，若要求高内阻输出，则应引入电流负反馈；若要求低内阻输出，则应引入电压负反馈。第4章放大电路的负反馈（3）根据输入信号对输出信号的控制关系引入交流负反馈，若用输入电压控制输出电压，则应引入电压串联负反馈；若用输入电流控制输出电压，则应引入电压并联负反馈；若用输入电压控制输出电流，则应引入电流串联负反馈；若用输入电流控制输出电压，则应引入电流并联负反馈。第4章放大电路的负反馈例4.3.2电路如图4.3.4（a）所示，设集成运放为理想运放，为使输入电压转换成与之成稳定关系的电流信号，应在电路中引入哪种组态的交流负反馈？(1)画出引入反馈后的电路图；(2)若输入电压vi的变化范围为0~10V，与输入电压对应的输出电流为0~5mA，R2=，则R1应取多少？10K第4章放大电路的负反馈（a）(b)图4.3.4例4.3.2的电路（a）未引入反馈时的电路图(b)引入电流串联负反馈后的电路图第4章放大电路的负反馈解：（1）为了实现输入电压对输出电流的控制关系，应引入电流串联负反馈，电路如图4.3.4(b)所示，将晶体管的发射极与集成运放的反相输入端连接，在R1上获得反馈电压。（2）由于集成运放为理想运放，具有“虚短”和“虚断”的特点，故可得：将，，R2=代入，求出R1=2.5。1212//iORRviiiRR10ivV5OimA10KK