负反馈对放大电路性能的影响

2011-07-12 16:18:51来源: 互联网
负反馈放大电路性能的影响

一、负反馈可提高增益的稳定性

在放大电路中引入负反馈,虽然会导致闭环增益的下降,但能使放大电路的许多性能得到改善。例如,可以提高增益的稳定性,扩展通频带,减小非线性失真,改变输入电阻和输出电阻等。下面将分别加以讨论。

放大电路的增益可能由于元器件参数的变化、环境温度的变化、电源电压的变化、负载大小的变化等因素的影响而不稳定,引入适当的负反馈后,可提高闭环增益的稳定性。

当放大电路中引入深度交流负反馈时, ,即闭环增益几乎仅决定于反馈网络。反馈网络通常由性能比较稳定的无源线性元件(如R、C 等)组成,因而闭环增益是比较稳定的。一般情况下,为了从数量上说明增益的稳定程度,常用有、无反馈时增益的相对变化量的大小来衡量。用 分别表示开环和闭环增益的相对变化量,此时用正实数A和F分别表示的模,则闭环增的表达式变为

对上式求导数得

(1)

(2)

将等式(2)两边分别除以 ,则得相对变化量形式,即

(3)

由式(3)可见,加入负反馈后,闭环增益的相对变化量为开环增益相对变化量的,即闭环增益的相对稳定度提高了,愈大,即反馈越深,越小,闭环增益的稳定性越好。

二、负反馈可扩大通频带

负反馈具有稳定闭环增益的作用,即引入负反馈后,由各种原因,包括信号频率的变化引起的增益的变化都将减小。

为使分析简单,设反馈网络由纯电阻构成,而且基本放大电路在高频段和低频段各仅有一个拐点,其高频增益的表达式为

式中 为开环中频增益, 为开环上限频率。

引入负反馈后,高频段闭环增益的表达式为

分子、分母同除以1+ ,得

式中 为中频区闭环增益, 为闭环上取胜频率。

同理,可求出闭环下限频率为

由上述结果可见,引入负反馈后,中频闭环增益下降为 ,上限频率扩展为 ,即通频带扩展到无反馈时的 倍。

如果基本放大电路有多个拐点,且反馈网络又不是纯电阻网络时,问题就比较复杂了,但是通频带展宽的趋势不变。

三、负反馈可减小非线性失真

三极管、场效应管等有源器件具有非线性的特性,因而由它们组成的基本放大电路的电压传输特性也是非线性的,如图1中的曲线1所示。当输入正弦信号的幅度较大时,输出波形就会产生非线性失真。

引入负反馈后,将使放大电路的闭环电压传输特性曲线变平缓,线性范围明显展宽。在深度负反馈条件下, ,若反馈网络由纯电阻构成,则闭环电压传输特性曲线在很宽的范围内接近于直线,如图1中的曲线2所示,输出电压的非线性失真会明显减小。

需要说明的是,加入负反馈后,若输入信号的大小保持不变,由于闭环增益降至开环增益的 ,基本放大电路的净输入信号输出信号也降至开环时的 ,显然,三极管等器件的工作范围变小了,其非线性失真也相应地减小了。为了去除工作范围变小对输出波形失真的影响,以说明非线性失真的减小是由负反馈作用的结果,必须保证闭环和开环两种情况下,有源器件的工作范围相同(输出波形的幅度相同),因此,应使闭环时的输入信号幅度加至开环时的 倍,如图1中的A、B两点。另外,负反馈只能减小反馈环内产生的非线性失真,如果输入信号本身就存在失真,负反馈则无能为力。

四、负反馈能抑制反馈环内噪声和干扰

对放大电路来说,噪声或干扰是有害的,下面介绍负反馈能抑制噪声的原理。设在图1(a)中,增益为的放大电路的输入端,存在输入信号和噪声或干扰电压①。此时电路的信-噪比为

为了提高电路的信-噪比,在图1(a)的基础上,另外增加一增益为 的前置级,并认为该级为无噪声的,然后对此整体电路加一反馈系数为 的反馈网络,如图(b)所示。由此可得反馈系统输出电压的表达式为

于是可得新的信噪比为

它比原有的信-噪比提高了 倍。必须注意的是,无噪声放大电路在实践中是很难做到的,但可使它的噪声尽可能小,如精选器件、调整参数,改进工艺等。

例如,一台扩音机的功率输出级常有交流哼声,来源于电源的50Hz的干扰。其前置级或电压放大级由稳定的直流电源供电,噪声或干扰较小,当对整个系统的后面几级外加一负反馈环时,对改善系统的信噪比具有明显的效果。

若噪声或干扰来自反馈环外,则加负反馈也无济无事。


 

① 一般而言,噪声电压vn的频谱分布很广,严格地说,用 来表示是不妥的,这里只是说明负反馈能抑制噪声并提高信噪比的原理。

五、负反馈对放大电路输入电阻的影响

负反馈对输入电阻的影响取决于反馈网络与基本放大电路在输入回路的连接方式,而与输出回路中反馈的取样方式无直接关系(取样方式只改变的具体含义)。因此,分析负反馈对输入电阻的影响时,只需画出输入回路的连接方式,如图1所示。其中Ri是基本放大电路的输入电阻(开环输入电阻),Rif是负反馈放大电路的输入电阻(闭环输入电阻)。

1.串联负反馈使输入电阻增大

与开环时相比,在串联负反馈放大电路中,由于反馈信号与输入信号在输入回路中进行串联比较,结果使基本放大电路的净输入信号下降,输入电流较之开环时为小,故闭环输入电阻比开环输入电阻Ri高。反馈越深,Rif增加得越多。由图1(a)可知,开环输入电阻为

有负反馈时的闭环输入电阻为

所以

由此可知,引入串联负反馈后,输入电阻Rif是开环输入电阻Ri的(1+)倍。

应当指出,在某些负反馈放大电路中,有些电阻并不在反馈环内,如共射电路中的基极电阻Rb,反馈对它并不产生影响。这类电路的方框图如图1(b)所示,可以看出

而整个电路的输入电阻

因此,更确切地说,引入串联负反馈,使引入反馈的支路的等效电阻增大到基本放大电路输入电阻的(1+)倍。但不管哪种情况,引入串联负反馈都将使输入电阻增大。

2.并联负反馈使输入电阻减小

由图1(c)可见,在并联负反馈放大电路中,反馈网络与基本放大电路的输入电阻并联,因此闭环输入电阻Rif小于开环输入电阻Ri。由于

              

而            

所以         

此式表明,引入并联负反馈后,闭环输入电阻是开环输入电阻的1/(1+)倍。

 

六、负反馈对放大电路输出电阻的影响

负反馈对输出电阻的影响取决于反馈网络在放大电路输出回路的取样方式,与反馈网络在输入回路的连接方式无直接关系(输入连接方式只改变的具体含义)。因为取样对象就是稳定对象。因此,分析负反馈对放大电路输出电阻的影响,只要看它是稳定输出信号电压还是稳定输出信号电流。

1.电压负反馈使输出电阻减小

电压负反馈取样于输出电压,又能维持输出电压稳定,就是说,输入信号一定时,电压负反馈放大电路的输出趋于一恒压源,其输出电阻很小。可以证明,有电压负反馈时的闭环输出电阻为无反馈时开环输出电阻的1/(1+)①。反馈愈深,Rof愈小。

2.电流负反馈使输出电阻增加

电流负 反馈取样于输出电流,能维持输出电流稳定,就是说,输入信号一定时,电流负反馈放大电路的输出趋于一恒流源,其输出电阻很大。可以证明,有电流负反馈时的闭环输出电阻为无反馈时开环输出电阻的(1+)倍。反馈愈深,Rof愈大。

七、引入负反馈的一般原则

由以上分析可以知道,负反馈之所以能够改善放大电路多方面的性能,归根结底是由于将电路的输出量( )引回到输入端与输入量( )进行比较,从而随时对净输入量( )及输出量进行调整。前面研究过的增益恒定性的提高、非线性失真的减小、抑制噪声、扩展通频带以及对输入电阻和输出电阻的影响,均可用自动调整作用来解释。反馈愈深,即 愈大时,这种调整作用愈强,对放大电路性能的改善愈为有益。另外,负反馈的类型不同,对放大电路所产生的影响也不同。

工程中往往要求根据实际需要在放大电路中引入适当的负反馈,以提高电路或电子系统的性能。引入负反馈的一般原则为:

1. 为了稳定放大电路的静态工作点,应引入直流负反馈;为了改善放大电路的动态性能,应引入交流负反馈(在中频段的极性)。

2. 信号源内阻较小或要求提高放大电路的输入电阻时,应引入串联负反馈;信号源内阻较大或要求降低输入电阻时,应引入并联系反馈。

3. 根据负载对放大电路输出电量或输出电阻的要求决定是引入电压还是电流负反馈。若负载要求提供稳定的信号电压或输出电阻要小,则应引入电压负反馈;若负载要求提供稳定的信号电流或输出电阻要大,则应引入电流负反馈。

4. 在需要进行信号变换时,应根据四种类型的负反馈放大电路的功能选择合适的组态。例如,要求实现电流——电压信号的转换时,应在放大电路中引入电压并联负反馈等。

这里介绍的只是一般原则。要注意的是,负反馈对放大电路性能的影响只局限于反馈环内,反馈环路未包括的部分并不适用。性能的改善程度均与反馈深度 有关,但并不是 越大越好。因为 都是频率的函数,对于某些电路来说,在一些频率下产生的附加相移可能使原来的负反馈变成了正反馈,甚至会产生自激振荡,使放大电路无法正常工作。另外,有时也可以在负反馈放大电路中引入适当的正反馈,以提高增益等等。

关键字:放大电路

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0712/article_10530.html
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