模电运算放大电路讲解课件.ppt

1、1Fundamental of Electronic TechnologyCTGU27.1 反馈的基本概念与分类反馈的基本概念与分类7.2 负反馈放大电路的四种组态负反馈放大电路的四种组态7.4 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响7.5 深度负反馈条件下的近似计算深度负反馈条件下的近似计算7.8 负反馈放大电路的稳定性负反馈放大电路的稳定性7.3 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式7.6 负反馈放大电路设计负反馈放大电路设计7.7 负反馈放大电路的频率响应负反馈放大电路的频率响应3q 掌握负反馈放大器的类型及组态分析；掌握负反馈放大器的类型及组态分析

2、；q 掌握负反馈对放大器性能的影响；掌握负反馈对放大器性能的影响；q 掌握深度负反馈放大器的近似估算法；掌握深度负反馈放大器的近似估算法；47.1 反馈的基本概念与分类反馈的基本概念与分类 反馈反馈 电路中的反馈形式电路中的反馈形式 类型类型 四种组态的判断方法四种组态的判断方法 7.1.1 基本概念基本概念 7.1.2 四种类型的反馈组态四种类型的反馈组态 各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点 信号源对反馈效果的影响信号源对反馈效果的影响57.1.1 基本概念基本概念1.反馈反馈 将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。回到输入

3、回路的过程。hfeibicvceIbvbehrevcehiehoe内部反馈内部反馈外部反馈外部反馈67.1.1 基本概念基本概念1.反馈反馈vIvO+-RLvIvO+-RLR2R1反馈通路反馈通路信号反向传输的渠道信号反向传输的渠道开环开环 无反馈通路无反馈通路闭环闭环 有反馈通路有反馈通路反馈通路反馈通路（反馈网络）（反馈网络）信号的正向传输信号的正向传输72.电路中的反馈形式电路中的反馈形式（1）交流反馈与直流反馈）交流反馈与直流反馈 根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行判别。存在，来进行判别。取决于反馈通路。取决于反馈通

4、路。例例vIvO-+C2C1R1R2(+)(+)(+)(+)交、直流负反馈交、直流负反馈(+)交流正反馈交流正反馈82.电路中的反馈形式电路中的反馈形式（2）正反馈与负反馈）正反馈与负反馈正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。另一角度另一角度正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。判别方法：判别方法：瞬时极性法瞬时极性法。即在电路中，从输入

5、端开始，沿着。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用（正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。号表示）。9例例vIvO-+RLR2R1(+)(+)(-)(-)(-)净输入量净输入量vIvO-+RLR2R1(+)(+)(-)(-)净输入量净输入量负反馈负反馈正反馈正反馈vO-+R4R5R3-+vIR1R2反馈通路反馈通路反馈通路反馈通路级间反馈通路级间反馈通路(+)(+)(+)(+)(-)(-)净输入量净输入量级间负反馈级间负反馈反馈通路反馈通路本级反馈通路本级反馈通路10输入端：反馈信号在

6、输入端的联接分为输入端：反馈信号在输入端的联接分为串联串联和和并联并联两种方式。两种方式。判断方法判断方法iX并联：反馈量并联：反馈量和和fX输入量输入量接于同一输入端。接于同一输入端。接于不同的输入端。接于不同的输入端。iX串联：反馈量串联：反馈量和和fX输入量输入量fXiXfXiXfXiXfXiX2.电路中的反馈形式电路中的反馈形式（3）串联反馈与并联反馈）串联反馈与并联反馈11输出端：反馈信号在输出端分为取输出端：反馈信号在输出端分为取电压电压和取和取电流电流两种方式。两种方式。判断方法判断方法电流：将电流：将负载负载短路，反馈量仍然存在。短路，反馈量仍然存在。电压：将电压：将负载负载短

7、路，反馈量为零。短路，反馈量为零。2.电路中的反馈形式电路中的反馈形式（4）电压反馈与电流反馈）电压反馈与电流反馈12例例7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态13例例7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态14例例7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态15例例电流并联负反馈电流并联负反馈7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态16例例7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态17例例电压并联负反馈电压并联负反馈7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态18例例7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放

8、大电路的四种组态态19例例电流串联负反馈电流串联负反馈7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态20A.电压串联电压串联RL vO vF vID vO 电压负反馈：稳定输出电压电压负反馈：稳定输出电压串联反馈：输入端电压求和（串联反馈：输入端电压求和（KVL）各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点-vI+vID+vF=0输入端有输入端有vID=vI-vF即即7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态21各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点B.电流并联电流并联RL iO iF iID iO 电流负反馈：稳定输出电流电流负反馈：稳定输出电流并联反馈：输入端电流求和（并联反

9、馈：输入端电流求和（KCL）其他两种组态有类似的结论其他两种组态有类似的结论iI-iID-iF=0输入端有输入端有iID=iI-iF即即7.2 负反馈放大电路的四种组负反馈放大电路的四种组态态227.3 负反馈放大电路增益的负反馈放大电路增益的一般表达式一般表达式 7.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图 7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式 环路增益环路增益 反馈深度的讨论反馈深度的讨论 表达式推导表达式推导 构成构成 信号的单向化传输信号的单向化传输237.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图1.构成构成信号源信号源输出信

10、号输出信号反馈放大电路反馈放大电路的输入信号的输入信号反馈信号反馈信号基本放大电路的输入基本放大电路的输入信号（净输入信号）信号（净输入信号）Xo基本放大基本放大A电路电路Xid反馈网络反馈网络FXf+XiXs变换网络变换网络K242.信号的单向化传输信号的单向化传输Xo基本放大基本放大A电路电路Xid反馈网络反馈网络FXf+XiXs变换网络变换网络K信号的正向传输信号的正向传输信号的反向传输信号的反向传输7.3.1 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图单向化单向化257.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式1.表达式推导表达式推导开环增益（考开环增益（

11、考虑反馈网络的虑反馈网络的负载效应）负载效应）XsXfFXoAK+XiXididoXXA ofXXF 反馈系数反馈系数ioFXXA 闭环增益闭环增益因为因为 idXiXfX 所以所以ioFXXA fidoXXX FXAXXooo/已知已知FAAA 1F即即闭环增益的闭环增益的一般表达式一般表达式又因为又因为siXKX 所以所以soFSXXA KXX/io FAK 对信号源的增益对信号源的增益267.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式1.表达式推导表达式推导XsXfFXoAK+XiXidX 信号信号 在四种反馈组态中的具体形式在四种反馈组态中的具体形式电压串联电

12、压串联电压并联电压并联电流串联电流串联电流并联电流并联idXiXfXoXidViVfVoVidIiIfIoIoVidViVfVoIidIiIfI272.反馈深度的讨论反馈深度的讨论一般负反馈一般负反馈7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式称为反馈深度称为反馈深度FA 1FAAA 1F时，时，11 )1(FA，FAA 时，时，11 )2(FA深度负反馈深度负反馈正反馈正反馈时，时，11 )3(FA，FAA 自激振荡自激振荡时，时，01 )4(FA，F A283.环路增益环路增益7.3.2 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路增益的一般表达式FAVV ab

13、环路电压增益环路电压增益=0i XffiidXXXX end297.4 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响 提高增益的稳定性提高增益的稳定性 减少非线性失真减少非线性失真 扩展频带扩展频带 对输入电阻和输出电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响 为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 分析负反馈放大电路的一般步骤分析负反馈放大电路的一般步骤307.4.1 提高增益的稳定性提高增益的稳定性闭环时闭环时FAAA 1F则则2F)1(1AFdAdA 只考虑幅值有只考虑幅值有AFAA 1FAdAAFAdA 11FF即闭环增益相对变化量比开环减小了即闭环增益相对变化量

14、比开环减小了1+AF倍倍另一方面另一方面在深度负反馈条件下在深度负反馈条件下FA1F 即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。317.4.2 减少非线性失真减少非线性失真 闭环时增益减小，线性度变好。闭环时增益减小，线性度变好。32A 开环幅频响应开环幅频响应7.4.4 扩展频带扩展频带)1(HHFAF 上限频率扩展上限频率扩展1+AF倍倍AF 1LLF 下限频率降低下限频率降低1+AF倍倍闭环幅频响应闭环幅频响应H HF FA337.4.5 对输入电阻和输出

15、电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响串联负反馈串联负反馈 增大输入电阻增大输入电阻并联负反馈并联负反馈 减小输入电阻减小输入电阻电压负反馈电压负反馈 减小输出电阻，稳定输出电压减小输出电阻，稳定输出电压电流负反馈电流负反馈 增大输出电阻，稳定输出电流增大输出电阻，稳定输出电流表表7.4.1（自看）（自看）34为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量要稳定直流量引直流负反馈引直流负反馈 要稳定交流量要稳定交流量引交流负反馈引交流负反馈 要稳定输出电压要稳定输出电压 引电压负反馈引电压负反馈 要稳定输出电流要稳定输出电流 引电流负反馈引电流负反馈 要增大输入电阻要

16、增大输入电阻 引串联负反馈引串联负反馈 要减小输入电阻要减小输入电阻 引并联负反馈引并联负反馈35分析负反馈放大电路的一般步骤分析负反馈放大电路的一般步骤(1)找出信号放大通路和反馈通路找出信号放大通路和反馈通路(2)用瞬时极性法判断正、负反馈用瞬时极性法判断正、负反馈(3)判断交、直流反馈判断交、直流反馈(4)判断反馈阻态判断反馈阻态(5)标出输入量、输出量及反馈量标出输入量、输出量及反馈量(6)估算深度负反馈条件下电路的估算深度负反馈条件下电路的VFFAAF、367.5 深度负反馈条件下的近似计算深度负反馈条件下的近似计算 深度负反馈的特点深度负反馈的特点 各种反馈组态的近似计算各种反馈组

17、态的近似计算 举例举例371.深度负反馈的特点深度负反馈的特点即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关 11 FA由于由于FAAA 1F则则FFAA1 又因为又因为ioFXXA ofXXF ifXX 代入上式代入上式得得输入量近似等于反馈量输入量近似等于反馈量0fiid XXX净输入量近似等于零净输入量近似等于零由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚两虚”的概念的概念38串联负反馈，输入端电压求和。串联负反馈，输入端电压求和。0fiid VVV0iidid rVI深度负反馈条件下深度负反馈条件下虚短

18、虚短虚断虚断0fiid III0iidid rIV虚短虚短虚断虚断并联负反馈，输入端电流求和。并联负反馈，输入端电流求和。0fiid XXXfIiIidIidV+-idIidV+-fIiIfViVidIidV+-fViVidIidV+-1.深度负反馈的特点深度负反馈的特点392.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算（1）电压串联负反馈）电压串联负反馈 利用利用虚短虚短和和虚虚断断的概念得知的概念得知0i IVs+RsVi+Vid+Vf+R1R2+IiVo+RLriAVOVidro+ofVVVF 211RRR 则反馈系数为则反馈系数为ioVFVVA V1F 121RR 闭环电压增益闭环电

19、压增益402.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算（1）电压串联负反馈）电压串联负反馈*闭环输入电阻闭环输入电阻iiifIVR ifidIVV iVoidIFVV iVoidifIFVVR 当负载开路，且忽略反当负载开路，且忽略反馈网络的负载效应时馈网络的负载效应时Vs+RsVi+Vid+Vf+R1R2+IiVo+RLriAVOVidro+iVidVOidIFVAV iVidVidIFVAV iidVV)1(IVFA VOVAA iVV)1(rFA 比无反馈时增加了比无反馈时增加了倍倍 1VVFA Rif41*闭环输出电阻闭环输出电阻VVoof1FArR Vs+RsVi+Vid+Vf+

20、R1R2+IiVo+RLriAVOVidro+比无反馈时减小了比无反馈时减小了倍倍 1VVFA Rof2.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算（1）电压串联负反馈）电压串联负反馈42（2）电流并联负反馈）电流并联负反馈利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知RIIRI)(offf ofIIIF fRRR 反馈系数为反馈系数为ioIFIIA I1F RRf1 闭环增益闭环增益RsidIRf+RRLfIiIsIoIoV+-NPRssV+-闭环电压增益闭环电压增益soVFVVA siLoRIRI sLIFRRA sLf)1(RRRR 0PN VV则则2.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计

21、算43（3）电压并联负反馈）电压并联负反馈ofGVIF f1R 则反馈系数为则反馈系数为ioRFIVA G1F fR 闭环增益闭环增益闭环电压增益闭环电压增益soVFVVA siioVIIV sRF1RA sfRR RSRfRL+idIfIiIsIoVPN+-RSsV+-0PN VV利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知2.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算44（4）电流串联负反馈）电流串联负反馈ofRIVF fR 则反馈系数为则反馈系数为ioGFVIA R1F f1R 闭环增益闭环增益闭环电压增益闭环电压增益ioVFVVA ooioIVVI LGFRA fLRR 0PN II利用利用

22、虚短虚短和和虚断虚断可知可知RsRfiORL+oVNP+-sViVidVfV+2.各种反馈组态的近似计算各种反馈组态的近似计算45例例电路如图所示，近似计算它的电电路如图所示，近似计算它的电压增益。压增益。ofRIVF eR ioGFVIA R1F e1R 闭环增益闭环增益闭环电压增益闭环电压增益ioVFVVA ooioIVVI )(cGFRA ecRR RcReRb1Rb2C1C2VCCvsRs+-+-vo解：解：忽略基极直流偏置电路后的交流忽略基极直流偏置电路后的交流通路如下图所示。通路如下图所示。电路为电路为电流串联负反馈电流串联负反馈则反馈系数为则反馈系数为efIV 在深度负反馈条件下

23、，利用在深度负反馈条件下，利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知0BE Vebec)1(RrR 46例例求：求：(1)大环组态；大环组态；(2)二、三级局部组态；二、三级局部组态；闭环增益闭环增益闭环电压增益闭环电压增益0BE V在深度负反馈条件下，利用在深度负反馈条件下，利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知解：解：(1)电压并联负反馈电压并联负反馈则反馈系数为则反馈系数为(3)深度负反馈下大环的闭深度负反馈下大环的闭环电压增益环电压增益。(2)T2 电流串联负反馈电流串联负反馈T3 电流串联负反馈电流串联负反馈T2和和T3级间电流串联正反馈级间电流串联正反馈(3)0b1 IofGVIF f1R ioR

24、FIVA G1F fR soVFVVA siioVIIV sRF1RA sfRR 47例例求：求：(1)判断反馈组态；判断反馈组态；在深度负反馈条件下，在深度负反馈条件下，利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知解：解：(1)电压串联负反馈电压串联负反馈 (2)深度负反馈下大环深度负反馈下大环的闭环电压增益的闭环电压增益。(2)闭环电压增益闭环电压增益fiVV 则反馈系数为则反馈系数为o3878fVRRRV o3655pVRRRV o434pVRRRV ofVVVF 878565434RRRRRRRRR ioVFVVA V1F 865487543)()()(RRRRRRRRR end487.8 负

25、反馈放大电路的稳定性负反馈放大电路的稳定性 7.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件*7.8.2 频率补偿技术频率补偿技术497.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件1.自激振荡现象自激振荡现象Xo基本放大基本放大A电路电路XidXf+Xi反馈网络反馈网络F 在不加任何输在不加任何输入信号的情况下，入信号的情况下，放大电路仍会产生放大电路仍会产生一定频率的信号输一定频率的信号输出。出。2.产生原因产生原因 在高频区或低频区产生的在高频区或低频区产生的附加相移附加相移达到达到180，使中，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一频区的负反馈在高频区或低频区变成了正

26、反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡。定的幅值条件时，便产生自激振荡。FA和和507.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件3.自激振荡条件自激振荡条件自激振荡自激振荡反馈深度反馈深度时，时，01 FA即即1 FA为为环环路路增增益益）（FAVf反馈网络反馈网络F基本放大电路基本放大电路AVo1Vid又又)()()()(fa FAFA得自激振荡条件得自激振荡条件1)()(kk FA 180)12()()(kfkan 幅值条件幅值条件相位条件相位条件（附加相移）（附加相移）FAAA 1F闭环增益闭环增益517.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件4.稳定工作条件稳定工作条

27、件破坏自激振荡条件破坏自激振荡条件1 FA 180fa 1 FA 180fa 或或1m GFA 180fa 1 FA 180mfa 或写为或写为其中其中 Gm幅值裕度幅值裕度，一般要求，一般要求Gm -10dB m相位裕度相位裕度，一般要求，一般要求 m 45 保证可靠稳定，保证可靠稳定，留有余地。留有余地。527.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件5.负反馈放大电路稳定性分析负反馈放大电路稳定性分析FAFA1lg20lg20lg20 环路增益的幅频响应写为环路增益的幅频响应写为一般一般与频率无关，与频率无关，F则则F1lg20的幅频响应是一条水平线的幅频响应是一条水平线利用波特图分

28、析利用波特图分析关键作出关键作出A的幅频响应和相频响应波特图的幅频响应和相频响应波特图F1lg20水平线水平线Alg20 与与的交点为的交点为F1lg20Alg20 1 FA即该点满足即该点满足537.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件5.负反馈放大电路稳定性分析负反馈放大电路稳定性分析(2)作作F1lg20水平线水平线判断稳定性方法判断稳定性方法(1)作出作出A的幅频响应和相频响应波特图的幅频响应和相频响应波特图F1lg20在水平线在水平线Alg20 与与的交点作垂线交相频响应曲线的一点的交点作垂线交相频响应曲线的一点(3)判断是否满足相位裕度判断是否满足相位裕度 m 45 若该点

29、若该点 135 a 满足相位裕度，稳定；否则不稳定。满足相位裕度，稳定；否则不稳定。在相频响应的在相频响应的点处作垂线交点处作垂线交 于于P点点 135 a Alg20 若若P点在点在 水平线之下，稳定；否则不稳定。水平线之下，稳定；否则不稳定。F1lg20或或545.负反馈放大电路稳定性分析负反馈放大电路稳定性分析基本放大电基本放大电 1点点 FA基本放大基本放大增大增大 F 反馈深度越深，反馈深度越深，越容易自激。越容易自激。F越大，水平线越大，水平线下移，越下移，越F1lg20容易自激容易自激F越大，表明越大，表明反馈深度越深反馈深度越深P点交在点交在 的的-20dB/十倍频程处，放大电

30、路是稳定的。十倍频程处，放大电路是稳定的。Alg20 55end7.8.1 自激及稳定工作条件自激及稳定工作条件思考思考 如果如果 在在0dB线以上只有一个转折频率，则无论反线以上只有一个转折频率，则无论反馈深度如何，电路都能稳定工作，对吗？（假设馈深度如何，电路都能稳定工作，对吗？（假设 为无源网为无源网络）络）Alg20 FF最大为最大为 1，即，即dB 01lg20 F0dB线以上只有一个转折频率，则线以上只有一个转折频率，则在在0dB线以上的线以上的Alg20 斜率为斜率为-20dB/十倍频程。十倍频程。无论反馈深度如何，无论反馈深度如何，P点都交在点都交在 的的-20dB/十倍频程处，十倍频程处，放大电路是稳定的。放大电路是稳定的。Alg20