模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第三十三節(jié):負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第三十三節(jié):負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

7.4? 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

一、負(fù)反饋可提高增益的穩(wěn)定性

在放大電路中引入負(fù)反饋，雖然會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)增益的下降，但能使放大電路的許多性能得到改善。例如，可以提高增益的穩(wěn)定性，擴(kuò)展通頻帶，減小非線性失真，改變輸入電阻和輸出電阻等。下面將分別加以討論。

放大電路的增益可能由于元器件參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化、電源電壓的變化、負(fù)載大小的變化等因素的影響而不穩(wěn)定，引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋后，可提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性。

當(dāng)放大電路中引入深度交流負(fù)反饋時(shí)， ，即閉環(huán)增益幾乎僅決定于反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋網(wǎng)絡(luò)通常由性能比較穩(wěn)定的無(wú)源線性元件（如R、C 等）組成，因而閉環(huán)增益是比較穩(wěn)定的。一般情況下，為了從數(shù)量上說(shuō)明增益的穩(wěn)定程度，常用有、無(wú)反饋時(shí)增益的相對(duì)變化量的大小來(lái)衡量。用和 分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益的相對(duì)變化量，此時(shí)用正實(shí)數(shù)A和F分別表示和的模，則閉環(huán)增的表達(dá)式變?yōu)?/P>

對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)得

（1）

（2）

將等式（2）兩邊分別除以 ，則得相對(duì)變化量形式，即

（3）

由式（3）可見(jiàn)，加入負(fù)反饋后，閉環(huán)增益的相對(duì)變化量為開(kāi)環(huán)增益相對(duì)變化量的，即閉環(huán)增益的相對(duì)穩(wěn)定度提高了，愈大，即反饋越深，越小，閉環(huán)增益的穩(wěn)定性越好。

二、負(fù)反饋可擴(kuò)大通頻帶

負(fù)反饋具有穩(wěn)定閉環(huán)增益的作用，即引入負(fù)反饋后，由各種原因，包括信號(hào)頻率的變化引起的增益的變化都將減小。

為使分析簡(jiǎn)單，設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，而且基本放大電路在高頻段和低頻段各僅有一個(gè)拐點(diǎn)，其高頻增益的表達(dá)式為

式中 為開(kāi)環(huán)中頻增益， 為開(kāi)環(huán)上限頻率。

引入負(fù)反饋后，高頻段閉環(huán)增益的表達(dá)式為

分子、分母同除以1+ ，得

式中 為中頻區(qū)閉環(huán)增益， 為閉環(huán)上取勝頻率。

同理，可求出閉環(huán)下限頻率為

由上述結(jié)果可見(jiàn)，引入負(fù)反饋后，中頻閉環(huán)增益下降為 ，上限頻率擴(kuò)展為 ，即通頻帶擴(kuò)展到無(wú)反饋時(shí)的 倍。

如果基本放大電路有多個(gè)拐點(diǎn)，且反饋網(wǎng)絡(luò)又不是純電阻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，問(wèn)題就比較復(fù)雜了，但是通頻帶展寬的趨勢(shì)不變。

三、負(fù)反饋可減小非線性失真

三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件具有非線性的特性，因而由它們組成的基本放大電路的電壓傳輸特性也是非線性的，如圖1中的曲線1所示。當(dāng)輸入正弦信號(hào)的幅度較大時(shí)，輸出波形就會(huì)產(chǎn)生非線性失真。

引入負(fù)反饋后，將使放大電路的閉環(huán)電壓傳輸特性曲線變平緩，線性范圍明顯展寬。在深度負(fù)反饋條件下， ，若反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，則閉環(huán)電壓傳輸特性曲線在很寬的范圍內(nèi)接近于直線，如圖1中的曲線2所示，輸出電壓的非線性失真會(huì)明顯減小。

需要說(shuō)明的是，加入負(fù)反饋后，若輸入信號(hào)的大小保持不變，由于閉環(huán)增益降至開(kāi)環(huán)增益的 ，基本放大電路的凈輸入信號(hào)輸出信號(hào)也降至開(kāi)環(huán)時(shí)的 ，顯然，三極管等器件的工作范圍變小了，其非線性失真也相應(yīng)地減小了。為了去除工作范圍變小對(duì)輸出波形失真的影響，以說(shuō)明非線性失真的減小是由負(fù)反饋?zhàn)饔玫慕Y(jié)果，必須保證閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種情況下，有源器件的工作范圍相同（輸出波形的幅度相同），因此，應(yīng)使閉環(huán)時(shí)的輸入信號(hào)幅度加至開(kāi)環(huán)時(shí)的 倍，如圖1中的A、B兩點(diǎn)。另外，負(fù)反饋只能減小反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真，如果輸入信號(hào)本身就存在失真，負(fù)反饋則無(wú)能為力。

四、負(fù)反饋能抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲和干擾

對(duì)放大電路來(lái)說(shuō)，噪聲或干擾是有害的，下面介紹負(fù)反饋能抑制噪聲的原理。設(shè)在圖1（a）中，增益為的放大電路的輸入端，存在輸入信號(hào)和噪聲或干擾電壓①。此時(shí)電路的信－噪比為

為了提高電路的信－噪比，在圖1(a)的基礎(chǔ)上，另外增加一增益為 的前置級(jí)，并認(rèn)為該級(jí)為無(wú)噪聲的，然后對(duì)此整體電路加一反饋系數(shù)為 的反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖(b)所示。由此可得反饋系統(tǒng)輸出電壓的表達(dá)式為

于是可得新的信噪比為

它比原有的信－噪比提高了 倍。必須注意的是，無(wú)噪聲放大電路在實(shí)踐中是很難做到的，但可使它的噪聲盡可能小，如精選器件、調(diào)整參數(shù)，改進(jìn)工藝等。

例如，一臺(tái)擴(kuò)音機(jī)的功率輸出級(jí)常有交流哼聲，來(lái)源于電源的50Hz的干擾。其前置級(jí)或電壓放大級(jí)由穩(wěn)定的直流電源供電，噪聲或干擾較小，當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的后面幾級(jí)外加一負(fù)反饋環(huán)時(shí)，對(duì)改善系統(tǒng)的信噪比具有明顯的效果。

若噪聲或干擾來(lái)自反饋環(huán)外，則加負(fù)反饋也無(wú)濟(jì)無(wú)事。

?

① 一般而言，噪聲電壓vn的頻譜分布很廣，嚴(yán)格地說(shuō)，用 來(lái)表示是不妥的，這里只是說(shuō)明負(fù)反饋能抑制噪聲并提高信噪比的原理。

五、負(fù)反饋對(duì)放大電路輸入電阻的影響

負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響取決于反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸入回路的連接方式，而與輸出回路中反饋的取樣方式無(wú)直接關(guān)系（取樣方式只改變的具體含義）。因此，分析負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響時(shí)，只需畫(huà)出輸入回路的連接方式，如圖1所示。其中Ri是基本放大電路的輸入電阻（開(kāi)環(huán)輸入電阻），Rif是負(fù)反饋放大電路的輸入電阻（閉環(huán)輸入電阻）。

1．串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大

與開(kāi)環(huán)時(shí)相比，在串聯(lián)負(fù)反饋放大電路中，由于反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入回路中進(jìn)行串聯(lián)比較，結(jié)果使基本放大電路的凈輸入信號(hào)下降，輸入電流較之開(kāi)環(huán)時(shí)為小，故閉環(huán)輸入電阻比開(kāi)環(huán)輸入電阻Ri高。反饋越深，Rif增加得越多。由圖1(a)可知，開(kāi)環(huán)輸入電阻為

有負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸入電阻為

而

所以

由此可知，引入串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻Rif是開(kāi)環(huán)輸入電阻Ri的（1+）倍。

應(yīng)當(dāng)指出，在某些負(fù)反饋放大電路中，有些電阻并不在反饋環(huán)內(nèi)，如共射電路中的基極電阻Rb，反饋對(duì)它并不產(chǎn)生影響。這類(lèi)電路的方框圖如圖1(b)所示，可以看出

而整個(gè)電路的輸入電阻

因此，更確切地說(shuō)，引入串聯(lián)負(fù)反饋，使引入反饋的支路的等效電阻增大到基本放大電路輸入電阻的（1+）倍。但不管哪種情況，引入串聯(lián)負(fù)反饋都將使輸入電阻增大。

2．并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小

由圖1(c)可見(jiàn)，在并聯(lián)負(fù)反饋放大電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路的輸入電阻并聯(lián)，因此閉環(huán)輸入電阻Rif小于開(kāi)環(huán)輸入電阻Ri。由于

?????????????? ，

而????????????

所以?????????

此式表明，引入并聯(lián)負(fù)反饋后，閉環(huán)輸入電阻是開(kāi)環(huán)輸入電阻的1/(1+)倍。

六、負(fù)反饋對(duì)放大電路輸出電阻的影響

負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響取決于反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出回路的取樣方式，與反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入回路的連接方式無(wú)直接關(guān)系（輸入連接方式只改變的具體含義）。因?yàn)槿訉?duì)象就是穩(wěn)定對(duì)象。因此，分析負(fù)反饋對(duì)放大電路輸出電阻的影響，只要看它是穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓還是穩(wěn)定輸出信號(hào)電流。

1．電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小

電壓負(fù)反饋取樣于輸出電壓，又能維持輸出電壓穩(wěn)定，就是說(shuō)，輸入信號(hào)一定時(shí)，電壓負(fù)反饋放大電路的輸出趨于一恒壓源，其輸出電阻很小?？梢宰C明，有電壓負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸出電阻為無(wú)反饋時(shí)開(kāi)環(huán)輸出電阻的1/(1+)①。反饋愈深，Rof愈小。

2．電流負(fù)反饋使輸出電阻增加

電流負(fù) 反饋取樣于輸出電流，能維持輸出電流穩(wěn)定，就是說(shuō)，輸入信號(hào)一定時(shí)，電流負(fù)反饋放大電路的輸出趨于一恒流源，其輸出電阻很大?？梢宰C明，有電流負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸出電阻為無(wú)反饋時(shí)開(kāi)環(huán)輸出電阻的(1+)倍。反饋愈深，Rof愈大。

七、引入負(fù)反饋的一般原則

由以上分析可以知道，負(fù)反饋之所以能夠改善放大電路多方面的性能，歸根結(jié)底是由于將電路的輸出量（ 或 ）引回到輸入端與輸入量（ 或）進(jìn)行比較，從而隨時(shí)對(duì)凈輸入量（ 或 ）及輸出量進(jìn)行調(diào)整。前面研究過(guò)的增益恒定性的提高、非線性失真的減小、抑制噪聲、擴(kuò)展通頻帶以及對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響，均可用自動(dòng)調(diào)整作用來(lái)解釋。反饋愈深，即 愈大時(shí)，這種調(diào)整作用愈強(qiáng)，對(duì)放大電路性能的改善愈為有益。另外，負(fù)反饋的類(lèi)型不同，對(duì)放大電路所產(chǎn)生的影響也不同。

工程中往往要求根據(jù)實(shí)際需要在放大電路中引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，以提高電路或電子系統(tǒng)的性能。引入負(fù)反饋的一般原則為：

1. 為了穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)引入直流負(fù)反饋；為了改善放大電路的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)引入交流負(fù)反饋（在中頻段的極性）。

2. 信號(hào)源內(nèi)阻較小或要求提高放大電路的輸入電阻時(shí)，應(yīng)引入串聯(lián)負(fù)反饋；信號(hào)源內(nèi)阻較大或要求降低輸入電阻時(shí)，應(yīng)引入并聯(lián)系反饋。

3. 根據(jù)負(fù)載對(duì)放大電路輸出電量或輸出電阻的要求決定是引入電壓還是電流負(fù)反饋。若負(fù)載要求提供穩(wěn)定的信號(hào)電壓或輸出電阻要小，則應(yīng)引入電壓負(fù)反饋；若負(fù)載要求提供穩(wěn)定的信號(hào)電流或輸出電阻要大，則應(yīng)引入電流負(fù)反饋。

4. 在需要進(jìn)行信號(hào)變換時(shí)，應(yīng)根據(jù)四種類(lèi)型的負(fù)反饋放大電路的功能選擇合適的組態(tài)。例如，要求實(shí)現(xiàn)電流——電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)在放大電路中引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋等。

這里介紹的只是一般原則。要注意的是，負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響只局限于反饋環(huán)內(nèi)，反饋環(huán)路未包括的部分并不適用。性能的改善程度均與反饋深度 有關(guān)，但并不是 越大越好。因?yàn)?都是頻率的函數(shù)，對(duì)于某些電路來(lái)說(shuō)，在一些頻率下產(chǎn)生的附加相移可能使原來(lái)的負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答仯踔習(xí)a(chǎn)生自激振蕩，使放大電路無(wú)法正常工作。另外，有時(shí)也可以在負(fù)反饋放大電路中引入適當(dāng)?shù)恼答仯蕴岣咴鲆娴鹊取?/P>