模拟电子技术(西电第三版)第3章 放大电路中的负反馈

实训3　负反馈放大器的性能3.1　反馈的基本概念3.2　反馈的类型与判别3.3　负反馈对放大器性能的影响3.4　深度负反馈放大器的估算*3.5　负反馈放大器的稳定问题第3章放大电路中的负反馈　　　实训3　负反馈放大器的性能(一)实训目的　(1)初步接触负反馈放大器，通过对有负反馈和无负反馈放大器性能的比较，体会负反馈改善放大器性能的作用。　(2)进一步提高焊接电路的水平。　(3)进一步熟悉几种常用测量仪器的使用。　(4)进一步掌握放大器性能的测试方法。(二)预习要求　　(1)复习单级和多级放大器原理。　　(2)课下在万能实验板上按实训电路图焊好电路。焊接时注意为改变元器件位置或用仪器测量留有足够的空间。(教师做重点指导)　　(3)预习信号发生器、示波器、万用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的使用方法。(三)实训原理　　1.反馈的概念　　在放大器电路中，所谓反馈，就是把部分或全部输出信号经过一定的反馈网络引回到输入端形成反馈信号，与原输入信号叠加后作为输入信号去控制输出。这样做使得输出信号不仅与输入信号有关，还与输出信号有关。即所谓“输出本身影响输出”。　　按照反馈的极性划分，反馈可分为正反馈和负反馈。在正反馈中，反馈信号和输入信号在输入端相加；在负反馈中，反馈信号和输入信号在输入端相减。这里我们首先接触负反馈电路，暂不涉及正反馈电路。　　2.无负反馈放大器的不足　　前面两章中所讲的基本放大器中一般没有负反馈，因而放大的性能指标不够理想。主要表现在放大倍数不稳、输入电阻不符合要求、输出信号受负载变化的影响、非线性失真较大等。这些不足限制了基本放大器的使用。　　3.负反馈放大器改善电路性能　　引入负反馈的放大器称为负反馈放大器。引入了负反馈后，可使放大器的很多性能得到改善,主要是提高电路的稳定性，改变电路的输入、输出电阻，改善电路的非线性失真，改善电路的频率特性等。因此，负反馈在各种放大器电路中应用十分广泛。　　4.实训电路　实训电路如实图3.1所示。实训中通过测量两级基本阻容放大器和负反馈放大器，对其性能参数进行比较，初步体会负反馈对于改善放大器各项性能所起的作用。为后面的理论课学习打下实际操作的基础。实图3.1　负反馈放大电路(四)实训内容　　将实图3.1电路接上+12V直流稳压电源。　　1.测量电路的静态工作点　　令输入信号为零，用万用表测量出V1与V2的基极、集电极、发射极电位UB1、UC1、UE1、UB2、UC2、UE2值的大小，记录于自拟的数据表格中。调节RP使V1的集电极静态电流IC1为1mA左右。　　2.测量基本放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻　　(1)开关S1置“1”位置，把反馈网络从A点断开，在输入端接低频信号发生器，输入频率为f=1kHz、电压为Ui=10mV的正弦信号，从输出端分别测量不接负载电阻RL和接负载电阻RL两种情况下的输出电压Uo、UoL，计算出电压放大倍数Au、输出电阻ro(=(Uo－UoL)RL/UoL)，填入实表3.1中。　　(2)S1置“2”位置，将Rs=4.7kΩ接入回路，调节信号源电压，同时保持Ui=10mV不变，测出此时信号源电压Us值的大小，计算出输入电阻ri(=UiRs/(Us－Ui))值，填入实表3.1中。　　3.测量电压串联负反馈放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻　　S1置“1”位，将反馈网络从A点接上，S2置“2”位，便构成电压串联负反馈。使输入信号仍为f=1kHz、Ui=10mV，按实训内容2.测量加了负反馈后的输入电压、无负载输出电压、有负载输出电压及信号源电压Uif、Uof、Uolf、Us，并计算出有负反馈后的电压放大倍数、输出电阻及输入电阻Auf、rof、rif，填入实表3.1中。　　4.测量基本放大电路与负反馈放大电路的频率特性　　1)基本放大电路形式(S1置“1”，S2置“1”)　　输入端输入f=1kHz、Ui=10mV正弦信号，接上负载RL=4.7kΩ，当输出波形不失真时测出输出电压UoL的大小。调高输入信号频率，观测输出电压，当输出电压降为0.707UoL时，记下所对应的上限频率fH；调低输入信号频率，观测输出电压，当输出电压降为0.707UoL时，记下所对应的下限频率fL，填入实表3.1中。　　2)负反馈放大电路形式(S1置“1”，S2置“2”)　　重复步骤1)中基本放大电路的测量内容，即测出上限频率fHf和下限频率fLf，填入实表3.1中。　　5.观察负反馈对放大器非线性失真的改善　　将放大器处于基本放大电路形式，输入信号频率不变，增大幅度，使放大器输出波形产生明显的非线性失真时，画出此失真波形；保持输入不变，将放大器处于负反馈形式，描下此时的输出波形，再适当增大输入信号，而维持输出电压幅值不变，以此分析非线性失真的改善程度。(五)实训 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　　(1)整理数据，完成表格。　　(2)画出无反馈和有负反馈两种情况下的频率响应特性曲线。　　(3)根据测量、观察的结果，总结出负反馈对放大器的哪些性能有影响，各是如何影响的。(六)思考题　　经过实训，你是否产生了下列待解答的问题：　　(1)负反馈分为哪些类型？如何划分和判断不同类型的负反馈？不同类型负反馈对放大器性能的影响是否相同？　　(2)负反馈对放大器性能产生影响的具体原理是什么？如何进行分析？　　(3)欲增大(或减小)放大器的输入电阻，应引入何种负反馈？欲增大(或减小)放大器的输出电阻，应引入何种负反馈？如何按要求在放大器中正确引入负反馈？　　　　3.1　反馈的基本概念3.1.1　集成运算放大器简介　　集成运放的内部电路随型号不同而不同，但其基本电路结构却有共同之处。集成运放的符号如图3.1.1所示，它有两个输入端：一个称为同相输入端，在符号图中标以“+”号；另一个称为反相输入端，在符号图中标以“－”号。图3.1.1　集成运算放大器(a)以往用过的图形符号；(b)新标准的图形符号　　在理想情况下，运放的输出电压与输入端的电压之差成正比，即3.1.2　反馈的基本概念　　所谓反馈，就是将放大电路输出回路信号的一部分或全部，通过反馈网络回送到输入回路从而影响(增强或削弱)净输入信号的过程。使净输入信号增强的为正反馈，使净输入信号削弱的为负反馈。这样，在反馈电路中，电路的输出不仅取决于输入，而且还取决于输出本身，因而就有可能使电路根据输出状况自动地对输出进行调节，达到改善电路性能的目的。图3.1.2　两种放大电路(a)射极输出器；(b)静态工作点稳定电路3.1.3　负反馈放大器的基本关系式　　为了研究各种形式负反馈放大器的共同特点，我们可以把负反馈放大器抽象为图3.1.3所示的方框图形式。图3.1.3　负反馈放大器的方框图　　图3.1.3中，　　　　　　　　分别表示放大器的输入量、输出量、反馈量及净输入量。这些量均为一般化的信号，它们可以是电压，也可以是电流。为了适用于更一般的情况，这里都用相量形式表示。　是放大器的开环放大倍数，为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.1)　是反馈网络的反馈系数，为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.2)符号　　表示输入量　　与反馈量　　的叠加，其中+、－号表示叠加关系，为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.3)　　我们称输出量　　与输入量　　之比为该放大器的闭环放大倍数，用　　表示，即　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.4)由(3.1.1)~(3.1.4)式可得即　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.5)　　在(3.1.5)式中，量　　　　　　是开环放大倍数与闭环放大倍数幅值之比，它反映了反馈对放大电路的影响程度，称做反馈深度，后面将要看到，反馈放大器的很多性能的变化都与反馈深度有关。关于(3.1.5)式及反馈深度，分下面几种情况予以讨论。　　(1)若　　　　　　　　　　　　　　说明引入反馈后，放大倍数减小了。这种情况为负反馈。由(3.1.1)～(3.1.3)式有即　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.6)　　(2)若　　　　　　　　　　　　　　这种情况为正反馈，反馈的引入加强了净输入信号。　　(3)若　　　　　　　　　　　　　这就是说，即使没有输入信号，放大电路也有信号输出，这时的放大电路处于“自激”状态。除振荡电路外，自激状态一般情况下是应当避免或消除的。　　(4)若　　　　　　　则　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.1.7)　　　　3.2　反馈的类型与判别　　1.正反馈与负反馈　　这是按照反馈的极性来分的。当输入量不变时，若输出量比没有反馈时变大了，即反馈信号加强了净输入信号，这种情况称为正反馈；反之，若输出量比没有反馈时变小了，即反馈信号削弱了净输入信号，这种情况称为负反馈。正反馈多用于振荡电路和脉冲电路，而负反馈多用于改善放大电路的性能。　　　　图3.2.1为几个反馈电路，我们现在用瞬时极性法来判别它们反馈的极性。图3.2.1　反馈极性的判别　　2.交流反馈与直流反馈　　图3.2.2中，(a)图中反馈信号的交流成分被Ce旁路掉，在Re上产生的反馈信号只有直流成分，因此是直流反馈。(b)图中反馈信号通道仅通交流，不通直流，因而为交流反馈。若将(a)图中电容Ce去掉，即Re不再并联旁路电容，则Re两端的压降既有直流成分，又有交流成分，因而是交直流反馈。图3.2.2　交流反馈与直流反馈　　3.电压反馈与电流反馈　　判断是电压反馈还是电流反馈的常用 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是负载电阻短路法(亦称输出短路法)。这种办法是假设将负载电阻RL短路，也就是使输出电压为零。此时若原来是电压反馈，则反馈信号一定随输出电压为零而消失；若电路中仍然有反馈存在，则原来的反馈应该是电流反馈。我们用这个方法判断图3.2.3所示电路为何种反馈。图3.2.3　电压反馈与电流反馈　　4.串联反馈与并联反馈　　这是按照反馈信号在输入回路中与输入信号相叠加的方式不同来分类的。反馈信号反馈至输入回路，与输入信号有两种叠加方式：串联和并联。如果反馈信号与输入信号是串联接在基本放大器的输入回路中,则为串联反馈；如果反馈信号与输入信号是并联接在基本放大器的输入回路中,则为并联反馈。在串联反馈中，反馈信号与输入信号在输入回路中是以电压的形式相叠加的，而并联反馈中，反馈信号与输入信号则是以电流的形式相叠加的。因此，是以电压形式还是以电流形式相叠加,也是区分串联反馈与并联反馈的依据。3.2.2　四种基本负反馈类型　　1.电压串联负反馈　　电压串联负反馈的实际电路和连接方框图分别如图3.2.4中(a)图与(b)图所示。图3.2.4　电压串联负反馈(a)电路图；(b)方框图　　电压负反馈具有稳定输出电压的作用。设输入信号Ui不变，若负载电阻RL因某种原因减小使输出电压Uo减少，则经Rf、R1分压所得反馈信号Uf亦减小，结果使净输入信号Ud增大(Ud=Ui－Uf)，使Uo增大，即抑制了Uo的减少。这个稳压过程可表示如下：　　2.电压并联负反馈　　电压并联负反馈的实际电路和连接方框图，分别如图3.2.5(a)和(b)所示。图3.2.5　电压并联负反馈(a)电路图；(b)方框图　　3.电流串联负反馈　　电流串联负反馈的实际电路和连接方框图分别如图3.2.6(a)与(b)所示。图3.2.6　电流串联负反馈(a)电路图；(b)方框图　　电流负反馈具有稳定输出电流的作用。在输入电压Ui一定时，若因某种原因(如负载电阻变小)使输出电流Io增大，则反馈信号Uf增大，从而使运放的净输入信号Ud减小，使输出电压Uo减小，使Io减小，从而抑制了Io的增大。其稳流过程可表示如下：　　4.电流并联负反馈　电流并联负反馈的实际电路和连接方框图分别如图3.2.7(a)和(b)所示。图3.2.7　电流并联负反馈(a)电路图；(b)方框图　　3.3　负反馈对放大器性能的影响3.3.1　提高放大倍数的稳定性　　放大器的放大倍数是由电路元件的参数决定的。若元件老化或更换、电源不稳、负载变化或环境温度变化，则可能引起放大器的放大倍数变化。为此，通常都要在放大器中引入负反馈，用以提高放大倍数的稳定性。　　为了从数量上分析负反馈对放大倍数稳定性的贡献，我们将(3.1.5)式对A求导，有即两边除以(3.1.5)式，得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.1)　　例如，某负反馈放大器的A=104，反馈系数F=0.01，则可求出其闭环放大倍数　　若因参数变化使A变化±10%，即A的变化范围为9000～11000，则由(3.3.1)式可求出Af的相对变化量为即Af的变化范围为99.9～100.1。显然，Af的稳定性比A的稳定性提高了约100倍(由10%变到0.1%)。负反馈越深，稳定性越高。3.3.2　展宽通频带　　无反馈时，由于电路中电抗元件的存在，以及寄生电容和晶体管结电容的存在，会造成放大器放大倍数随频率而变，使中频段放大倍数较大，而高频段和低频段放大倍数较小，放大电路的幅频特性如图3.3.1所示。图中fH、fL分别为上限频率和下限频率，其通频带fBW=fH－fL较窄。图3.3.1　负反馈展宽通频带　　以上对负反馈展宽通频带的原理作了定性分析。下面我们以一个单级阻容耦合放大器为例，来对频带展宽进行定量分析。　　第2章讲述放大电路的频率特性时曾推导出单级阻容耦合放大器在高频段的放大倍数表达式(式2.7.23)为下面的形式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.2)这是未引入反馈时的表达式，式中fH为无反馈时的上限频率，　　为无反馈时中频段的放大倍数。　　引入负反馈后(设反馈系数不随频率而变)，放大器在高频段的放大倍数为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.3)　　将上式与(3.3.2)式比较，可以看出，加反馈后上限频率变为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.4)这就说明，加反馈后，放大器的上限频率为未加反馈时的　　类似地，由式(2.7.18)，无反馈时的低频放大倍数为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.5)　　引入负反馈后，低频段放大倍数变为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.6)　　将上式与(3.3.5)式比较，可以看出，加反馈后下限频率变为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.7)这就说明，加反馈后，放大器的下限频率为未加反馈时的　　一般来说，放大器的上限频率远大于其下限频率，因而其通频带(等于上限频率与下限频率之差)就近似等于其上限频率的数值,则加反馈后的通频带为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.8)可见，加了负反馈以后，放大器的通频带展宽为原来的3.3.3　减小非线性失真　　由于放大电路中元件(如晶体管)具有非线性，因而会引起非线性失真。一个无反馈的放大器，即使设置了合适的静态工作点，但当输入信号较大时，仍会使输出信号波形产生非线性失真。引入负反馈后，这种失真可以减小。　　图3.3.2为负反馈减小非线性失真示意图。图3.3.2　负反馈减小非线性失真(a)无反馈；(b)有反馈3.3.4　改变输入电阻和输出电阻　　1.对输入电阻的影响　　1)串联负反馈　　图3.3.3是串联负反馈方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为图3.3.3　串联负反馈方框图反馈放大器的输入电阻为(3.3.9)　　2)并联负反馈　　图3.3.4为并联负反馈方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为反馈放大器的输入电阻为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.10)图3.3.4　并联负反馈方框图　　2.对输出电阻的影响　　1)电压负反馈　　图3.3.5(a)是电压负反馈的方框图。按照输出电阻的定义，求输出电阻rof时应去掉输入信号(即令　　　　)，断开负载电阻(即令RL=∞)，在输出端向放大器施加一个电压　　，则　　与它为放大器所提供的电流　的比值就是输出电阻rof。　　在图3.3.5(b)等效电路的输入端，在等效电路的输出端，有所以　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.11)图3.3.5　电压负反馈输出电阻的计算(a)方框图；(b)(a)的等效电路　　2)电流负反馈　　图3.3.6(a)是电流负反馈的方框图。　　图3.3.6　电流负反馈输出电阻的计算(a)方框图；(b)(a)的等效电路　　在图3.3.6(b)等效电路的输入端，有在其输出端，有所以　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.3.12)3.4　深度负反馈放大器的估算　　由深度负反馈的条件：　　　　　　　　　　有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.3)　　1.电压串联负反馈　　图3.4.1为电压串联深度负反馈电路。其中(a)图由集成运放组成，(b)图由分立元件组成。图3.4.1　电压串联负反馈电路　　在图3.4.1(a)中，输出电压Uo经Rf、R1分压后加到输入回路上，因流入运放反相输入端的电流一般极小，可以忽略，故有反馈系数为因满足深度负反馈，故闭环放大倍数为由表3.1.1知，电压串联负反馈闭环放大倍数就是闭环电压放大倍数，所以闭环电压放大倍数为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.4)　　图3.4.1(b)中，输出电压Uo经Rf、Re1分压后加到第一级的输入回路，作为整个放大器的反馈电压，忽略V1的发射极电流在Re1上的压降(这个压降属于第一级的局部反馈电压，相对整个放大器的反馈来说一般可以忽略)，有反馈系数为因满足深度负反馈，故闭环放大倍数为同样，其闭环电压放大倍数即为其闭环放大倍数，即　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.5)　　2.电压并联负反馈　　图3.4.2为两个电压并联深度负反馈电路。图3.4.2　电压并联负反馈电路　　图3.4.2(a)为集成运放组成的电路，因流入反相输入端的电流很小，可以忽略，即Id≈0，Ii≈If。　　因Id≈0，故有U－=Idri≈0，有即闭环放大倍数为　　在深度并联负反馈时，放大器的输入电阻rif→0，故所以，闭环电压放大倍数为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3.4.6)　　图3.4.2(b)所示为分立元件组成的单级放大电路。通常Ib<