模拟电子技术教材十二

第三节第三节 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 通过对四种反馈类型的分析，我们知道负反馈有稳定输出量和改变输入、输出电阻的特性， 下面将对此作进一步的讨论。 在实际应用中， 我们可根据需要选择不同类型的负反馈。 当然， 负反馈的作用不仅仅是这些，引入负反馈后， 不管是什么类型，都能起到稳定放大倍数、展 宽通频带、减小非线性失真、抑制放大电路内部噪声等作用， 只是这些性能的改善都是以降 低放大倍数为代价的。 一、提高放大倍数的稳定性 一般来说，在基本放大电路未引入负反馈时，其开环电压放大倍数A 是不稳定的，例如， 基本共射放大电路的放大倍数 ， Au 与三极管的 β 有关， 而 β 受环境 （例如温度） 影响较大。 此外，当负载发生变化时，Au 也随之发生明显的变化，因此Au 是不稳定的。 根据负反馈放大电路的一般关系式可知，引入负反馈后的闭环放大倍数为 显然， Af1 时，有 （4-6） 由于反馈网络通常为电阻网络，基本不受外界因素变化的影响，因此反馈系数F 稳定， 即 Af 稳定。由此可见，负反馈虽然使电压放大倍数下降，但同时也提高了其稳定性。 从定量的角度分析，放大倍数的稳定性可用其相对变化率来衡量。 对闭环放大倍数 Af 求微分可得 （4-7） 式（4-7）表明，闭环放大倍数的相对变化量只是开环电压放大倍数相对变化量的 ，也就 是说，引入负反馈后放大倍数虽然下降了 ，但是稳定度却提高了（1AF）倍。 例如，某放大电路的A1000，由于温度变化，使其下降到800，即相对变化量为 。 引入反馈系数 F0.1 的负反馈后，闭环放大倍数的相对变化率为 二、减小非线性失真 由于放大电路存在非线性元件， 因此容易造成输入正弦波时， 输出信号却不是正弦波的失 真现象。例如，图 4-14a 所示基本放大电路中，正弦波输入信号xi 经放大后，输出信号 xo 正半周幅度大、负半周幅度小，出现失真。 通过负反馈减小非线性失真的过程可由图4-14b 来说明。由图可见，反馈网络将输出端的 失真信号 xo 反送到输入端，使净输入xid 产生正半周幅度小、负半周幅度大的失真，这个 失真的信号经基本放大电路放大后， 可在输出端输出接近正弦波的波形。 从本质上说，负反 馈是利用失真的净输入波形来改善输出波形的失真， 从而使输出信号的失真得到一定程度的 补偿，因此负反馈只能减小失真，无法完全消除失真。此外，输入信号本身固有的失真，是 不能不能用引入负反馈来改善的。 三、扩展通频带 放大电路中，由于电容的影响，使放大电路在输入信号的频率很低或很高时， 电压放大倍 数都会下降。如图 2-31 曲线 1 所示，当电压放大倍数下降到0.707 倍时对应的频率为 fL 和 fH，分别称为下限频率和上限频率，fL 和 fH 之间的频率范围称为通频带。 由于负反馈放大电路具有稳定放大倍数的作用， 因此，在低频和高频时， 其下降速度会减 慢，即通频带得到扩展，如图4-15 曲线 2 所示。 在通常情况下，放大电路的“增益-带宽”之积为常数，即 （4-8） 一般 fH fL，所以 AffHf≈AfH，表明引入负反馈后，电压放大倍数下降几分之一，通频 带就扩展几倍。可见，引入负反馈能扩展通频带，也是以降低放大倍数为代价的。 四、抑制内部的噪声和干扰 在电声设备中，当无信号输入时，扬声器有杂音输出，这种输出的杂音是放大电路内部的 噪声和干扰引起的。 内部干扰主要由直流电源波动或纹波引起； 内部噪声则由电路元器件内 部载流子的不规则热运动产生。 噪声对放大电路是有害的， 但它的影响并不仅仅取决于噪声 本身的大小。当外加信号的幅度较大时， 噪声的影响较小，常常可以忽略； 但当外加信号的 幅度较小时，就很难与噪声区分开，信号会被噪声所 “淹没”。工程上，常用放大电路输出端 的信号功率与噪声功率的比值来反映噪声对电路的影响，称为信噪比，即 引入负反馈后，有用信号功率与噪声功率同时减小， 也就是说，负反馈不仅使干扰和噪声 减小，有用信号同时也被减小，信噪比并没有改变。但是，有用信号的较小可以通过增大输 入信号来补偿，而噪声的幅度是固定的， 从而使电路的信噪比增大， 减小了干扰和噪声对电 路的影响。实际应用中，通常是哪一级有内部干扰，就在哪一级引入深度负反馈。 需要指出的是，负反馈能抑制内部的干扰和噪声， 使输出的杂音减小， 但对来自外部的干 扰以及与输入同时混入的噪声是无能为力的。 五．改变输入、输出电阻 负反馈对输入、输出电阻的影响，因反馈的组态不同而异。 1．负反馈对输入电阻的影响 负反馈对输入电阻的影响取决于输入端是串联还是并联反 馈，而与输出端的反馈类型无关。 （1）串联负反馈使输入电阻增加 图 4-8 a、c 所示串联负反馈中，从整个输入回路看相当 于串联了反馈网络，因而输入电阻增加。 根据输入电阻的定义及负反馈放大电路的一般关系式，有 （4-9） 式（4-9）表明，引入串联负反馈后，闭环输入电阻Rif 是未加反馈时的开环输入电阻Ri 的（1AF）倍，反馈深度越深，Rif 越大。 （2）并联负反馈使输入电阻减小 图 4-8 b、d 所示并联负反馈中，从整个输入回路看则 相当于并联了反馈网络，因而输入电阻减小。 同理，根据输入电阻的定义及负反馈放大电路的一般关系式，有 （4-10） 即引入并联负反馈后，闭环输入电阻Rif 是未加反馈时的开环输入电阻Ri 的 倍，反馈 深度越深，Rif 越小。 2．负反馈对输出电阻的影响 负反馈对输出电阻的影响取决于输出端是电压还是电流反 馈，而与输入端的反馈类型无关。 （1）电压负反馈使输出电阻减小 图 4-8a、b 所电压负反馈中，从输出端向放大电路看过 去，相当于基本放大电路与反馈网络并联，因而输出电阻减小。 根据输出电阻的定义，可求得 （4-11） 可见，引入电压负反馈后的输出电阻ROf 减小为未加反馈时的输出电阻RO 的 ，显然反 馈深度越深，输出电阻越小。 根据以上分析，引入电压负反馈后放大电路输出电阻很小， 其特性接近恒压源。当输出端 接不同阻值的负载时， 输出电压基本不变， 因此电压负反馈能稳定输出电压， 带负载能力强。 （2）电流负反馈使输出电阻增大 图 4-8 c、d 所电流负反馈中，则相当于基本放大电路与 反馈网络串联，因而输出电阻增大。 同理，根据输出电阻的定义，可求得 （4-11） 可见，引入电流负反馈后的输出电阻ROf 增大为未加反馈时的输出电阻RO 的（1AF） 倍。 引入电流负反馈后放大电路输出电阻很大， 其特性接近恒流源。 当输出端接不同阻值的负 载时，输出电流基本不变，因此电流负反馈能稳定输出电流。 总之，在放大电路中引入负反馈， 可以提高放大倍数的稳定性、减小非线性失真、展宽频 带、改变输入输出电阻等。 一般而言， 反馈越深， 性能改善越显著， 但放大倍数也下降越多， 因此，反馈也并非越深越好。 例 4-7 图 4-16a所示电路中，为实现以下要求，应分别引入什么反馈试在图中添加反 馈元件。 （1） 稳定输出电压 （2） 用集成运放组件实现（1）的要求，画出电路。 （3） 稳定各级静态工作点 解为了改善放大电路的性能，必须引入