反馈与振荡

浙江邮电职业技术学院第四章反馈与振荡4.1反馈的基本概念4.2反馈的类型及其判定方法4.3负反馈对放大电路性能的影响4.4正弦波振荡的条件4.5RC正弦波振荡电路4.6LC正弦波振荡电路4.7石英晶体振荡器4.8本章小结浙江邮电职业技术学院4.1反馈的基本概念一、反馈的概念反馈：在电子系统中，把放大电路输出回路中某一电量（电压或电流）的部分或全部送回到放大电路的输入端，用来影响输入量。A：无反馈时的放大倍数F：反馈网络的反馈系数Xi：放大电路的输入信号Xid：净输入信号Xf：反馈信号Xo：输出信号图4.1反馈放大电路的一般方框图浙江邮电职业技术学院二、反馈放大电路的一般表达式1.闭环放大倍数Af基本放大电路（无反馈）放大倍数（开环）反馈网络的反馈系数反馈放大电路放大倍数（闭环）基本放大电路净输入信号闭环放大电路放大倍数（增益）一般表达式idoXXAofXXFiofXXAfiidXXXAFAAf1浙江邮电职业技术学院2.反馈深度（1＋AF）1＋AF为闭环放大电路反馈深度，衡量放大电路反馈强弱。（1＋AF）1，则AfA，电路引入负反馈；（1＋AF）1，则AfA，电路引入正反馈；（1＋AF）＝1，则Af＝∞，反馈放大电路出现自激振荡；（1＋AF）1，则放大电路引入深度负反馈。FAFAAf11浙江邮电职业技术学院4.2反馈的类型及其判定方法一、正反馈和负反馈（反馈信号极性不同分）1、定义（2）负反馈：引入的反馈信号Xf使基本放大电路的净输入信号Xid减少。（1）正反馈：引入的反馈信号Xf使基本放大电路的净输入信号Xid增加。图4.1反馈放大电路的一般方框图浙江邮电职业技术学院2、判定方法：（1）先假定外加输入信号电压ui处于某一瞬时极性。如用“＋”号。（2）按照信号单向传输的方向，同时根据放大电路基射同相，基集反相的原则，判断出反馈信号Uf的瞬时极性。（3）当输入信号ui和反馈信号uf在相同端点时，两者为同极性，为正反馈；二者极性相反，为负反馈。（4）当输入信号ui和反馈信号uf不在相同端点，两者同极性，为负反馈；二者极性相反，为正反馈。电压瞬时极性法图4.2反馈极性的判断浙江邮电职业技术学院反馈放大电路由单级运算放大器构成时，反馈信号送回到反相输入端的，为负反馈；反馈信号送回到同相输入端的，为正反馈。图4.2反馈极性的判断浙江邮电职业技术学院二、交流反馈和直流反馈1、定义（1）直流反馈反馈信号中只包含直流成分。直流负反馈稳定Q点，动态参数无影响。（2）交流反馈反馈信号中只包含交流成分。交流负反馈改善动态参数，不影响Q点。（3）交直流反馈既有直流量又有交流量。交直流负反馈既可稳定Q点又可改善动态参数浙江邮电职业技术学院2、判定方法直流通路中，如果反馈回路存在，即为直流反馈。在交流通路中，如果反馈回路存在，即为交流反馈。如果在直、交流通路中，反馈回路都存在，即为交、直流反馈。Rf、Re2直流负反馈Rf、Re2交流负反馈图4.3直流反馈和交流反馈浙江邮电职业技术学院三、电压反馈和电流反馈1.定义（1）电压反馈反馈信号从输出电压uo采样。（2）电流反馈反馈信号从输出电流io采样。图4.3电压反馈和电流反馈浙江邮电职业技术学院2.判定方法反馈信号采样点与输出电压在相同端点的是电压反馈。反馈信号采样点与输出电压在不同端点的是电流反馈。图4.4电压与电流反馈的判断浙江邮电职业技术学院四、串联反馈和并联反馈1.定义（1）串联反馈反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电压的形式相加减。（2）并联反馈反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电流的形式相加减。图4.5串联反馈和并联反馈浙江邮电职业技术学院2.判定方法输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的不同端点，则为串联反馈输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的相同端点，则为并联反馈。图4.6串联与并联反馈的判断浙江邮电职业技术学院五、交流负反馈放大电路的四种组态1.电压串联负反馈采样点和输出电压同端点，为电压反馈。反馈点与输入信号在不同端点，为串联反馈。图4.7电压串联负反馈电压串联负反馈特点：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻增大，具有很强带负载能力。浙江邮电职业技术学院2.电压并联负反馈采样点和输出电压在同端点，为电压反馈。反馈点与输入信号在同端点，为并联反馈。图4.8电压并联负反馈电压并联负反馈特点：输出电压稳定，输出电阻减小，输入电阻减小。浙江邮电职业技术学院3.电流串联负反馈采样点与输出电压在不同端点为电流反馈。反馈点与输入信号在不同端点为串联反馈。图4.9电流串联负反馈电流串联负反馈特点：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻增大。浙江邮电职业技术学院4.电流并联负反馈采样点与输出电压不同一端点的为电流反馈。反馈点与输入信号在同一端点的为并联反馈。电流并联负反馈的特点：输出电流稳定，输出电阻增大，输入电阻减小。图4.10电流并联负反馈浙江邮电职业技术学院4.3负反馈对放大电路性能的影响一、负反馈对放大电路性能的影响电路中引入负反馈后其电压放大倍数下降，但放大电路的其他性能得到改善。1.提高放大倍数的稳定性闭环放大电路增益的相对变化量是开环放大电路增益相对变化量的（1+AF）分之一。即AdAAFAdAff11浙江邮电职业技术学院2.减小环路内的非线性失真三极管是一个非线性器件，放大器在对信号进行放大时不可避免地会产生非线性失真。设放大器的输入信号为正弦信号。引入负反馈，反馈回的信号同输出信号的波形一样，使净输入信号Xid=（Xi-Xf）的波形正半周幅度变小，而负半周幅度变大。经基本放大电路放大后，输出信号趋于正、负半周对称的正弦波，从而减小了非线性失真。注意：引入负反馈减小的是环路内的失真。如果输入信号本身有失真，此时引入负反馈的作用不大。图4.11引入负反馈减小失真浙江邮电职业技术学院3.抑制环路内的噪声和干扰在反馈环内，放大电路本身产生的噪声和干扰信号，可以通过负反馈进行抑制，其原理与减小非线性失真的原理相同。但对反馈环外的噪声和干扰信号，引入负反馈也无能为力。浙江邮电职业技术学院4.扩展频带BWf≈(1+AF)BW放大器引入负反馈以后，其下限频率降低，上限频率升高，通频带变宽。多级放大电路中，级数越多，增益越大，频带越窄。图4.12负反馈扩展频带浙江邮电职业技术学院5.改变输入和输出电阻（1）负反馈对放大电路输入电阻的影响串联负反馈使放大电路的输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。（2）负反馈对放大电路输出电阻的影响电压负反馈使放大电路的输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。浙江邮电职业技术学院二、放大电路引入负反馈的一般原则（1）稳定放大电路的静态工作点Q，引入直流负反馈。（2）改善放大电路的动态性能（如增益的稳定性、稳定输出量、减小失真、扩展频带等），引入交流负反馈。（3）稳定输出电压，减小输出电阻，提高电路的带负载能力，引入电压负反馈。（4）稳定输出电流，增大输出电阻，引入电流负反馈。（5）提高电路的输入电阻，减小电路向信号源索取的电流，引入串联负反馈。（6）要减小电路的输入电阻，应该引入并联负反馈。注意：在多级放大电路中，为了达到改善放大电路性能的目的，所引入的负反馈一般为级间反馈。浙江邮电职业技术学院4.4正弦波振荡的条件一、正弦波信号振荡电路的产生条件图4.13正弦波信号振荡电路方框图正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频环节的正反馈放大电路。1、正弦波振荡的平衡条件振幅平衡条件：||=AF=1相位平衡条件：φA+φF=±2nπ2、正弦波振荡的起振条件||1FAFA浙江邮电职业技术学院二、正弦波信号振荡电路的组成（1）放大电路（2）正反馈网络（3）选频网络（4）稳幅环节三、正弦波信号振荡电路的分类选频网络构成元件的不同，正弦波信号振荡电路分为：RC振荡电路（一般产生低频信号）；LC振荡电路（一般产生高频信号）；石英晶体振荡器（选频特性好、频率稳定度高）。浙江邮电职业技术学院4.5RC正弦波振荡电路采用RC选频网络构成的RC振荡电路，一般用于产生1Hz～1MHz的低频信号。一、RC串并联选频网络图4.14RC串并联选频网络iU频率较低iU频率较高浙江邮电职业技术学院取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C当ω=ω0=或f=f0=时，电压传输系数，也就是反馈系数最大，即：二、RC桥式振荡电路RC1RC2131iffUUKRCf210振荡频率起振条件图4.15采用热敏电阻稳幅的RC桥式振荡电路311RRAfu即12RRf浙江邮电职业技术学院图4.16RC串并联选频网络幅频特性和相频特性浙江邮电职业技术学院4.6LC正弦波振荡电路正弦振荡电路选频网络由LC谐振元件组成，称LC正弦波振荡电路。LC振荡电路产生频率高于1MHz的高频正弦信号。根据反馈形式的不同，LC正弦波振荡电路可分为互感耦合式(变压器反馈式)、电感三点式、电容三点式等几种电路形式。一、LC并联谐振回路图4.17LC并联谐振回路浙江邮电职业技术学院在中间某一个频率ｆ=时，电路发生并联谐振。此时阻抗为纯阻性，等效阻抗达到最大值，幅值恒定的电流源激励出最大的电压响应。幅频特性表明，当外加电流源频率偏离谐振频率时，选频电路的等效阻抗迅速减小，表示幅值恒定的电流源所激励出的电压响应，将随着频率的偏离而迅速减小。幅频特性愈尖锐，选频性能愈好。LC21图4.18选频电路的幅频特性和相频特性浙江邮电职业技术学院二、互感耦合式(变压器反馈式)LC正弦波振荡电路,180A图4.19变压器反馈式LC振荡电路相位平衡条件振荡频率180F360FA振幅平衡条件合理选择变压器变比LCf210180A浙江邮电职业技术学院三、三点式LC正弦波振荡电路三个电抗元件分别与晶体管的发射极、集电极、基极三个端点连接，故称为三点式振荡器。图4.20三点式振荡电路一般组成三点式振荡器的相位平衡条件判断法则为：（1）X1与X2为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗。（2）X3与X1、X2互为异性电抗，或者说，不与发射极相连接的为异性电抗。OfUXXU12浙江邮电职业技术学院1、电感三点式LC振荡电路图4.21电感三点式振荡电路a、实用电路b、交流等效电路R1、R2为偏置电路，R3为发射极直流负反馈电阻，CB为隔直耦合电容，CE高频旁路电容。符合三点式振荡电路的组成法则振荡频率：LCf210MLLL221电路特点：1、容易起振2、调节频率方便（改变电容）3、输出信号波形较差4、一般产生几十兆以下频率浙江邮电职业技术学院2、电容三点式LC振荡电路图4.22电容三点式振荡电路a、实用电路b、交流等效电路R1、R2为偏置电路，R3为发射极直流负反馈电阻，CB为隔直耦合电容，CE高频旁路电容。符合三点式振荡电路的组成法则振荡频率：LCf210电路特点：1、输出信号波形较好2、振荡频率较高3、振荡频率调节不方便2121CCCCC浙江邮电职业技术学院改进型电容三点式LC振荡电路图4.23改进型电容三点式电路振荡频率：条件：C3比C1、C2小得多3211111CCCC31CC32CC3CC因为所以3021LCf于是振荡频率仅由C3和L决定，与C1、C2基本无关。调节C3，不会改变正反馈量的大小，可对振荡频率进行调节。LCf210浙江邮电职业技术学院4.7石英晶体振荡电路一、石英晶体的基本特性和等效电路图4.24晶体谐振器图形符号与等效电路（a）图形符号（b）等效电路石英晶体化学成分是二氧化硅(SiO2)。石英晶体上按一定的方位角切割，得到的薄片称“晶片”。晶片两个对应的表面敷上银膜，分别引出两个电极，再用金属壳或玻璃壳封装起来，构成了石英晶体谐振器。LC串并联电路来等效。其中C0是晶片两表面涂敷银膜形成的电容，L和C分别模拟晶片的质量(代表惯性)和弹性，晶片振动时因摩擦而造成的损耗用电阻R来代表。压电效应：机械力电荷电场压电谐振：交变电压频率相同变形振动交变电荷回路中可形成电流。浙江邮电职业