放大电路中的负反馈

83第4章放大电路中的负反馈许多电子设备对放大电路除了要求具有较高的增益外，对其他方面的性能要求也很高。例如高保真音响放大器要求失真度要很低，精密测量仪器要求增益的稳定性和准确度要很高。因此，在实用放大电路中，总是要引入不同形式的反馈以改善各方面的性能。在放大电路中，将输出量（电压或电流）的一部分或全部，经过一定的电路（反馈网络）反过来送回到输入回路，并与原来的输入量（电压或电流）共同控制该电路，这种连接形式称为反馈。在电子电路中，反馈现象是普遍存在的。反馈有正负之分。在放大电路中，通常引入负反馈以改善放大电路的性能，如在分压式偏置电路中利用负反馈稳定放大电路的工作点。此外，负反馈还可以提高增益的稳定性、减少非线性失真、扩展频带以及控制输入和输出阻抗等。当然，所有这些性能的改善是以牺牲放大电路的增益为代价的。至于正反馈，在放大电路中很少采用，常用于振荡电路中。本章从反馈的基本概念和分类入手，抽象出反馈放大器的方框图，分析负反馈对放大器性能的影响，介绍负反馈放大器的分析计算方法，总结出引入负反馈的一般原则，最后讨论负反馈放大器的自激振荡及其稳定的措施。4.1反馈的基本概念及判断方法4.1.1反馈的基本概念1.反馈放大器的原理框图含有反馈电路的放大器称为反馈放大器。根据反馈放大器各部分电路的主要功能，可将其分为基本放大电路和反馈网络两部分，如图4-1所示。整个反馈放大电路的输入信号称为输入量，其输出信号称为输出量；反馈网络的输入信号就是放大电路的输出量，其输出信号称为反馈量；基本放大器的输入信号称为净输入量，它是输入量和反馈量叠加的结果。图4-1反馈放大器的原理框图由图4-1可见，基本放大电路放大输入信号产生输出信号，而输出信号又经反馈网络反向传输到输入端，形成闭合环路，这种情况称为闭环，所以反馈放大器又称为闭环放大器。如果一个放大器不存在反馈，即只存在放大器放大输入信号的传输途径，则不会形成闭合环路，这种情况称为开环。没有反馈的放大器又称为开环放大器，基本放大电路就是一个开环放大器。因此一个放大器是否存在反馈，主要是分析输出信号能否被送回输入端，即输入回路和输出回路之间是否存在反馈通路。若有反馈通路，则存在反馈，否则没有反馈。2.单级负反馈放大器图4-2a所示为共射分压式偏置电路，该电路在第2章工作点稳定电路中已经述及。实际84上该电路就是利用反馈原理来使得工作点稳定，其反馈过程如下。由上述反馈过程可以看出，该电路的静态电流IC（输出电流）通过RE（反馈电阻）的作用得到UE（反馈电压），它与原UB（输入电压）共同控制UBE（=UB－UE），从而达到稳定静态输出电流IC的目的。该电路中RE两端并联大电容CE，所以RE两端的反馈电压只反映集电极电流直流分量IC的变化，这种电路只对直流量起反馈作用，称为直流反馈。该电路中，RE引入的是直流负反馈，用以稳定放大电路的静态工作点。图4-2共射分压式偏置电路a）分压式电路b）去掉CE后内的交流通路若去掉旁路电容CE，图4-2a的交流通路如图4-2b所示，其中RB=RB1∥RB2。此时RE两端的电压反映了集电极电流交流分量的变化，即它对交流信号也起反馈作用，称为交流反馈。该电路中，RE引入的是交流负反馈，根据前述分压式偏置电路的性能指标分析可知，交流负反馈将导致电路放大倍数的下降。实际上，在图4-2所示电路中，由于RE是输出回路和输入回路之间的公共支路电阻，因此RE必将同时影响到这两个回路，即产生反馈。同样，共集电极放大电路中的射极电阻RE也构成了反馈通路。在后面的讨论中，为简化电路结构和分析过程，引入了放大器的通用符号，如图4-3所示。其中“”、“+”分别表示反相输入端和同相输入端，相应的输入电压分别用uN和uP表示。两个输入端的作用分别是，当在反相输入端加入输入信号时，输出信号与输入信号反相；而在同相输入端加入输入信号时，输出信号与输入信号同相。4.1.2反馈的判断方法1.正反馈和负反馈由于反馈放大器的输出信号被送回到输入端，得到反馈信号，它与原输入信号共同控制放大器，因此必然使放大器的输出信号受到影响，其放大倍数也将改变。根据反馈影响（即反馈性质）的不同，可分为正反馈和负反馈两类。如果反馈信号加强输入信号，即在输入信号不变时输出信号比没有反馈时大，导致放大倍数增大，这种反馈称为正反馈；反之，如果图4-3放大器的通用符号BBEEECBIUUIITU不变温度CI85反馈信号削弱输入信号，即在输入信号不变时输出信号比没有反馈时小，导致放大倍数减小，这种反馈称为负反馈。电路测试31：反馈放大器中反馈性质的判别（见9.4）放大电路中很少采用正反馈，虽然正反馈可以使放大倍数增大，但却使放大器的工作极不稳定，甚至产生自激振荡而使放大器无法正常工作，实际上振荡器正是利用正反馈的作用来产生信号的。放大电路中更多地采用负反馈，虽然负反馈降低了放大倍数，却使放大器的性能得到改善，因此应用极其广泛。判别反馈的性质可采用瞬时极性法。先假定输入信号瞬时对“地”有一正向的变化，即瞬时电位升高（用“↑”表示），相应的瞬时极性用“（+）”表示；然后按照信号先放大后反馈的传输途径，根据放大器在中频区有关电压的相位关系，依此得到各级放大器的输入信号与输出信号的瞬间电位是升高还是降低，即极性是“（+）”还是“（）”，最后推出反馈信号的瞬时极性，从而判断反馈信号是加强还是削弱输入信号。若为加强（即净输入信号增大）则为正反馈，若为削弱（即净输入信号减小）则为负反馈。【例4-1】判断图4-4所示的放大电路中反馈的性质。图4-4例4-1电路图解如图4-4a所示电路，设uI的瞬时极性为（+），则VT1管基极电位uB1的瞬时极性也为（+），经VT1的反相放大，uC1（亦即uB2）的瞬时极性为（），再经VT2的同相放大，uE2的瞬时极性为（），通过Rf反馈到输入端，使uB1被削弱，因此是负反馈。如图4-4b所示电路，其电路结构与图4-4a相似。设uI的瞬时极性为（+），与图4-4a同样的过程，uE2的瞬时极性为（），通过Rf反馈至VT1管的发射极，则uE1的瞬时极性为（）。该放大电路的有效输入电压（或净输入电压）uBE1＝uB1-uE1，uB1的瞬时极性为（+），uE1的瞬时极性为（），显然，uBE1增大，即反馈信号使净输入信号加强，因此是正反馈。如图4-4c所示电路，设uI的瞬时极性为（+），则反相输入端电压uN的瞬时极性也为（+），经放大器反相放大后，uo的瞬时极性为（），通过Rf反馈到反相输入端，使uN被削弱，因此是负反馈。86如图4-4d所示电路，该电路的情况要复杂一些。设uI的瞬时极性为（+），则放大器A1的同相输入端电压uP1的瞬时极性也为（+），经A1同相放大后，uo1的瞬时极性为（+），经导线反馈到A1的反相输入端，致使A1的净输入电压（uP1-uN1）减小，因此是负反馈。对于放大器A2，由于uo1的瞬时极性为（+），则其反相输入端电压uN2的瞬时极性也为（+），经A2反相放大后，uo的瞬时极性为（），通过R3反馈到A2的反相输入端，显然为负反馈，同时也通过Rf反馈到A1的同相输入端，也为负反馈。图4-4d所示电路中，两级放大器A1、A2自身都存在反馈，通常称每级各自的反馈为本级反馈或局部反馈；而由A1与A2级联构成的放大电路整体，其电路总的输出端到总的输入端还存在反馈，称这种跨级的反馈为级间反馈。在后面的讨论中，重点研究级间反馈。2.直流反馈和交流反馈反馈电路中，如果反馈到输入端的信号是直流量，则为直流反馈；如果反馈到输入端的信号是交流量，则为交流反馈。当然，实际放大器中可以同时存在直流反馈和交流反馈。直流负反馈可以改善放大器静态工作点的稳定性，交流负反馈则可以改善放大器的交流特性。下面的讨论主要以交流反馈为主。判断直流反馈或交流反馈可以通过分析反馈信号是直流量或交流量来确定，也可以通过放大电路的交、直流通路来确定，即在直流通路中引入的反馈为直流反馈，在交流通路中引入的反馈为交流反馈。【例4-2】判断图4-5所示的放大电路中引入的是直流反馈还是交流反馈。设图中各电容对交流信号均可视为短路。a）b）c）图4-5例4-2电路图解图4-5所示各电路的交直流通路如图4-6所示。a）b）c）图4-6图4-5电路的交直流通路图4-5a所示电路的直流通路如图4-6a所示，R2构成反馈通路，故该电路中引入了直流反馈；其交流通路如图4-6b所示，该电路中没有反馈通路，故该电路中没有交流反馈。87图4-5b所示电路的直流通路如图4-6c所示，显然没有反馈通路，故该电路中没有直流反馈；其交流通路如图4-6a所示，R2构成反馈通路，故该电路引入了交流反馈。图4-5c所示电路的直流通路和交流通路均与原电路相同，如图4-6a所示。R2构成反馈通路，故该电路中既引入了直流反馈，又引入交流反馈。3.电压反馈和电流反馈一般情况下，基本放大器与反馈网络在输出端的连接方式有并联和串联两种，对应的输出端的反馈方式分别称为电压反馈和电流反馈。如图4-7a所示，在反馈放大器的输出端，基本放大器与反馈网络并联，反馈信号xf与输出电压uo成正比，即反馈信号取自于输出电压（称为电压取样），这种方式称为电压反馈；反之，如果在反馈放大器的输出端，基本放大器与反馈网络串联，则反馈信号xf与输出电流io成正比，或者说反馈信号取自于输出电流（称为电流取样），这种方式称为电流反馈，如图4-7b所示。图4-7输出端的反馈方式a）电压反馈b）电流反馈电压反馈或电流反馈的判断可采用短路法或开路法。短路法是假定把放大器的负载短路，使uo=0，这时如果反馈信号为0（即反馈不存在），则说明输出端的连接为并联方式，反馈为电压反馈；如果反馈信号不为0（即反馈仍然存在），则说明输出端的连接为串联方式，反馈为电流反馈。而开路法则是假定把放大器的负载开路，使io=0，这时如果反馈信号为0（即反馈不存在），则说明输出端的连接为串联方式，即反馈为电流反馈；如果反馈信号不为0（即反馈仍然存在），则说明输出端的连接为并联方式，即反馈为电压反馈。【例4-3】判断图4-8所示的放大电路中引入的是电压反馈还是电流反馈。a）b）图4-8例4-3电路图解采用短路法判断电压反馈和电流反馈。将图4-8a所示电路中的负载RL短路，则其简88化电路如图4-9a所示。显然，在该电路中，当负载短路，uo=0，不存在反馈通路，即反馈信号为0，该电路中引入了电压反馈。a）b）图4.9图4-8电路中负载短路简化图同样，将图4-8b所示电路中的负载RL短路，则其简化电路如图4-9b所示。在该电路中，当负载短路，uo=0，R1仍可构成反馈通路，即反馈信号不为0，则该电路中引入了电流反馈。4.串联反馈和并联反馈一般情况下，基本放大器与反馈网络在输入端的连接方式有串联和并联两种，对应的输入端的反馈方式分别称为串联反馈和并联反馈，如图4-10a、图4-10b所示。如图4-10a所示，对于串联反馈来说，反馈对输入信号的影响可通过电压求和的形式（相加或相减）反映出来，即反馈电压uf与输入电压ui共同作用于基本放大器的输入端，在负反馈时使净输入电压u'i=ui－uf变小（称为电压比较）。如图4-10b所示，对于并联反馈来说，反馈对输入信号的影响可通过电流求和的形式（相加或相减）反映出来，即反馈电流if与输入电流ii共同作用于基本放大器的输入端，在负反馈时使净输入电流i'i=ii－if变小（称为电流比较）。图4-10输入端的反馈方式a）串联反馈b）并联反馈串联反馈或并联反馈的判断同样可采用短路法或开路法。短路法是假定把放大器的输入端短路，使ui=0，这时如果反馈信号为0（即反馈不存在），则说明输入端的连接为并联方式，反馈为并联反馈；如果反馈信号不为0（即反馈仍然存在），则说明输入端的连接为串联方式，反馈为串联反馈。而开路法是假定把放大器的输入端开路，使ii=0，这时如果反馈信号为0（即反馈不存在），则说明输入端的连接为串联方式，即反馈为串联反馈；如果反馈信号不为0（即反馈仍然存在），则说明输