低頻電子電路07章.ppt

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低頻電子電路 何豐 人民郵電出版社 21世紀高等院校信息與通信工程規(guī)劃教材 普通高等教育 十一五 國家級規(guī)劃教材 第七章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 低頻電子電路 電子設備對所應用的放大器的質(zhì)量要求越來越高 要求放大器的非線性失真小 頻率特性好 增益穩(wěn)定度高 并且具有所需要的輸入 輸出電阻 提高放大器的質(zhì)量的一個重要措施就是在基本放大器基礎上加一負反饋網(wǎng)絡 引入負反饋可以改善放大器的性能 如提高放大器的增益穩(wěn)定度 展寬頻帶 減小非線性失真等 因而負反饋在電子電路中應用非常廣泛 可以這么說幾乎所有的實用放大電路都是帶負反饋的電路 7 1負反饋放大結(jié)構(gòu) 關注反饋放大結(jié)構(gòu) 具體元器件 7 2負反饋放大結(jié)構(gòu)的指標分析 方框圖分析法 關注負反饋電路原理 具體分析步驟 7 3反饋放大結(jié)構(gòu)的頻率特性與自激現(xiàn)象 關注頻率特性與正反饋自激 7 4集成反饋放大結(jié)構(gòu)的小信號運用分析 工程近似計算法 關注小信號工程近似手段與方法 低頻電子電路 7 1負反饋放大結(jié)構(gòu) 7 1 1反饋放大結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)及標準電量認定分析 7 1 2負反饋的增益穩(wěn)定性質(zhì)與負反饋電路 7 2負反饋放大結(jié)構(gòu)的指標分析 方框圖分析法 7 2 1反饋結(jié)構(gòu)的基本放大器 7 2 3負反饋結(jié)構(gòu)的方框圖計算 7 2 2反饋結(jié)構(gòu)的輸入輸出電阻變化 低頻電子電路 反饋 電量通過一個循環(huán)后 對原電量的變化形成產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱為反饋 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 針對信號來說 將放大器輸出信號的一部分或全部 通過反饋網(wǎng)絡回送到電路輸入回路 并對輸入信號進行調(diào)整的現(xiàn)象 稱為反饋 即可以抽象出 反饋結(jié)構(gòu) 如下圖所示 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 7 1反饋放大結(jié)構(gòu) 輸出信號 輸入信號 反饋信號 xif x i xf為分別代表滿足反饋輸入結(jié)構(gòu)要求的電量 是反饋放大器的標準物理量 它們具體是電壓量或是電流量則要由具體電路來決定 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 輸出信號 輸入信號 反饋信號 xof代表滿足反饋輸出結(jié)構(gòu)要求的電量 也是反饋放大器的標準物理量 我們注意到基本放大器的輸出電量 反饋網(wǎng)絡輸入電量和反饋結(jié)構(gòu)輸出電量均為同一個電量 因此統(tǒng)一用一個xof表示 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 7 1 1反饋放大結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)及標準電量認定 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 電流串聯(lián)負反饋的標準物理量為 vif v i vf iof 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 電流并聯(lián)負反饋的標準物理量為 iif i i if iof 定性確定正向放大通道 定性確定反向反饋通道 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反饋結(jié)構(gòu) 具體電路各元器件定性歸屬反饋框圖中何部分 電壓串聯(lián)反饋 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反饋結(jié)構(gòu) 具體電路各元器件定性歸屬反饋框圖中何部分 電壓串聯(lián)反饋 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反饋結(jié)構(gòu) 具體電路各元器件定性歸屬反饋框圖中何部分 電流串聯(lián)反饋 設外接電容C交流短路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反饋結(jié)構(gòu) 具體電路各元器件定性歸屬反饋框圖中何部分 電流并聯(lián)反饋 7 1 2負反饋的增益穩(wěn)定性質(zhì)與負反饋電路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 負反饋定義 電量通過一個循環(huán)后 對原電量的變化形成產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱為反饋 結(jié)論 負反饋是指電量通過一個循環(huán)后 對原電量的變化形成制約的反饋現(xiàn)象 7 1 2負反饋的增益穩(wěn)定性質(zhì)與負反饋電路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 正反饋定義 電量通過一個循環(huán)后 對原電量的變化形成產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱為反饋 結(jié)論 正反饋是指電量通過一個循環(huán)后 加大原電量變化的反饋現(xiàn)象 1 負反饋結(jié)構(gòu)的增益穩(wěn)定性與失真分析 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 增益穩(wěn)定性 開環(huán)增益 反饋系數(shù) 反饋增益 環(huán)路增益 環(huán)路增益T是衡量反饋強弱的一項重要指標 其值直接影響電路性能 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 閉環(huán)增益穩(wěn)定性 在負反饋T 1的條件下 閉環(huán)增益近似為 稱T 1時的負反饋為深度負反饋 值得注意的是 負反饋類型不一樣 穩(wěn)定的增益是不同的 電壓串聯(lián)負反饋能穩(wěn)定電壓增益 電流并聯(lián)負反饋能穩(wěn)定電流增益 而電壓并聯(lián)負反饋穩(wěn)定的是電阻增益 電流串聯(lián)負反饋穩(wěn)定的是電導增益 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 值得注意的是 負反饋增益穩(wěn)定 能減小放大通路的失真 反饋系數(shù)越穩(wěn)定 標準反饋增益越穩(wěn)定 反饋系數(shù)穩(wěn)定 標準閉環(huán)增益穩(wěn)定 負反饋電路失真減小 含非線性和頻率失真 溫度穩(wěn)定性也因反饋系數(shù)的穩(wěn)定而穩(wěn)定 2 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 首先 應確認反饋放大結(jié)構(gòu)的輸入輸出位置 其次 找出電量循環(huán)的制約關系 最后 根據(jù)電量制約關系認定正負反饋 2 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 由反饋類型判斷法確定反饋放大結(jié)構(gòu)的輸入輸出位置 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 由瞬時極性法確定反饋電量間的制約關系 瞬時極性法的要素有 在電路中用 來表示相對于參考地的各電路觀察點的電位增加 來表示電位減小 從基本放大器輸入到輸出采用不加圈的 符號來標注 從反饋網(wǎng)絡的輸入到輸出采用加圈的 符號來標注 以顯示電量變化的制約流向 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 3 根據(jù)電量制約關系認定正負反饋 通過反饋環(huán)路中 假設TV1管基極瞬時極性為 后 異端異號 正反饋 由環(huán)路制約 得TV1管發(fā)射極為 的結(jié)論 也就是說 反饋環(huán)路通過擴大TV1管發(fā)射結(jié)電壓差加大了信號電量的變化 即電路應屬于正反饋 2 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 異端同號 負反饋 例7 1 3 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 同端異號 負反饋 例7 1 4 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 異端同號 負反饋 例7 1 5 正 負反饋判斷 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 異端同號 負反饋 7 2負反饋放大結(jié)構(gòu)的指標分析 方框圖分析法 方框圖法有利于理解負反饋放大電路的工作原理 下面以小信號共發(fā)射極放大電路為案例 利用 電路分析 的等效化簡分析法 說明方框圖分析法的要點 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 關鍵名詞 負載效應 基本放大電路 反饋系數(shù) 方框圖分析案例 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 負反饋放大器區(qū)域劃分與調(diào)整 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 調(diào)整后的基本放大器 增加了由反饋網(wǎng)帶來的兩部分 負載效應 阻抗 RE 同時 調(diào)整后反饋網(wǎng)絡理想化了 反饋輸出回路的基本放大器標注vE的電壓 正好 與反饋網(wǎng)絡中的反饋電量相等 即可以利用基本放大電路來求反饋系數(shù) 方框圖分析案例 基本放大電路畫法 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 3 對串聯(lián)結(jié)構(gòu)可通過令輸出電流為零 來獲取基本放大電路輸入端的負載效應阻抗 基本放大電路輸出端的負載效應阻抗類似 7 2 1反饋結(jié)構(gòu)的基本放大器 負反饋放大器的基本放大電路是計算基本放大電路部分和反饋系數(shù)指標的關鍵 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 該電路為電壓并聯(lián)負反饋放大電路 例7 2 1 畫基本放大電路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 對并聯(lián)結(jié)構(gòu)可通過令電壓為零 來獲取基本放大電路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 令輸出電壓為零 來獲取基放輸入負載效應阻抗 2 令輸入電壓為零 來獲取基放輸出負載效應阻抗 3 最后 照原圖畫出基放中間部分 7 2 2反饋結(jié)構(gòu)的輸入 輸出電阻變化 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 串聯(lián)反饋 基放輸入電阻 環(huán)路增益 反饋電路輸入電阻 7 2 2反饋結(jié)構(gòu)的輸入 輸出電阻變化 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 并聯(lián)反饋 基放輸入電阻 環(huán)路增益 反饋電路輸入電阻 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 輸出電阻 從反饋結(jié)構(gòu)的輸出端 回看的反饋環(huán)路增益 電壓反饋 Ao負載開路基放增益 電流反饋 As負載短路基放增益 由上圖反饋結(jié)構(gòu)輸入端的理想情況 可推得 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 電壓反饋時的輸出電阻 電壓負反饋輸出電阻 類似于并聯(lián)負反饋的輸入電阻 ks 0 1 Aokfks 0 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 電壓反饋時的輸出電阻 電流負反饋輸出電阻 類似于串聯(lián)負反饋的輸入電阻 ks 0 1 Askfks 0 7 2 3反饋結(jié)構(gòu)的方框圖計算 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 例7 2 2負反饋電路如下圖所示 計算交流指標 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 判斷反饋類型 電流串聯(lián)負反饋 確定標準輸入電量為 電壓 確定標準輸出電量為 電流 明確反饋位置 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 畫出基本放大電路 求出反饋組成部件的指標 確定基放的標準電導增益 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 等效求出標準反饋系數(shù) 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 3 對反饋結(jié)構(gòu)指標進行分析 確定標準電導增益 確定輸入 輸出電阻 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 4 求反饋放大器的技術指標 根據(jù)要求 求電壓增益 求輸入 輸出電阻 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 5 若電路滿足深負反饋條件 根據(jù)要求 求電壓增益 求輸入 輸出電阻 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 6 深負反饋放大器計算流程 a 確定反饋位置 類型和標準指標定義 c 得出反饋結(jié)構(gòu)指標 如下圖案例所示 b 畫出基本放大器輸出部分 求出反饋系數(shù) d 根據(jù)要求 求出放大器指標 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 6 深負反饋放大器計算 習題7 9 放大電路如題圖7 9所示 請將Rf連接在電路中構(gòu)成負反饋 要求輸出電阻小 并寫出深度負反饋時的電壓增益表達式 7 3反饋放大結(jié)構(gòu)的頻率特性與自激現(xiàn)象 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反饋結(jié)構(gòu)頻率特性與組成結(jié)構(gòu)的基本放大器和反饋網(wǎng)的頻率特性的關系討論如下 反饋放大器頻率特性 7 3 1負反饋結(jié)構(gòu)對上 下限頻率的影響 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 若基本放大器在中高頻區(qū)的增益表達式為 7 3 1負反饋結(jié)構(gòu)對上 下限頻率的影響 則反饋結(jié)構(gòu)增益為 為了討論的方便 假設反饋網(wǎng)絡只由電阻元件構(gòu)成 即反饋系數(shù)與頻率無關 其中 結(jié)論 相對基本放大器 反饋放大器上限截止頻率提高了 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 若基本放大器低中頻的增益表達式為 則反饋結(jié)構(gòu)增益表達式為 其中 結(jié)論 相對基本放大器 反饋放大器下限截止頻率降低了 總之 負反饋以降低中頻增益為代價 拓展了中頻區(qū)維持增益不變的頻率范圍 有利于放大更寬頻率范圍的信號 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 實際上 放大器在中頻區(qū)施加負反饋時 有可能因Akf在高 或低 頻區(qū)的附加相移 相對中頻區(qū)的相位變化 使電路由中頻區(qū)的負反饋變?yōu)楦?或低 頻區(qū)的正反饋 進而可能引起電路的自激現(xiàn)象 7 3 2負反饋放大器的自激現(xiàn)象 正反饋 自激現(xiàn)象 中頻區(qū)負反饋時的實數(shù) 非中頻區(qū)時 可能存在使?jié)M足小于零的實數(shù)頻率點 即電路在高 或低 頻區(qū)內(nèi)存在使電路滿足正反饋的頻率點 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 高頻區(qū)或低頻區(qū)時 若滿足的實數(shù) 則電路變?yōu)檎答?相對應的頻率信號會在反饋環(huán)路中循環(huán) 若這時環(huán)路增益大于或等于1 即則該信號會不斷自行維持或自行變大 后者會引起電路出現(xiàn)截止或飽和情況 通常稱這種不受控于輸入的情況為自激現(xiàn)象 相應的 反饋 電路也就不再是我們需要的放大電路 即放大電路失效了 若則 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 若 則閉環(huán)自激條件 改為 的實數(shù) 例 根據(jù)T的典型波特圖 可以得出不自激條件 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 穩(wěn)定裕量 4 為了消除溫度對增益器件帶來的不確定性 我們通常將上述 改為 4 以確保無論溫度引起的電路參數(shù)如何變化 電路都不會自激 不自激工程條件 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 例題7 3 1 已知 以及如下圖所示波特圖 解 1 負反饋電路在中頻時 即 若該反饋系數(shù)相位與頻率無關 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 例題7 3 1解 2 找出基放幅頻特性 反饋環(huán)路幅頻特性和反饋系數(shù)的關系 因為 即 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 例題7 3 1解 3 在確保環(huán)路中頻增益最大 即最小條件下 確定工程不自激的反饋系數(shù) 按工程不自激找到 令T 0 得 解決方法 采用相位補償技術 在中頻區(qū) 反饋系數(shù)kf越大 反饋越深 電路性能越好 在高頻區(qū) kf越大 相位裕量越小 放大器工作越不穩(wěn)定 在中頻增益AI基本不變的前提下 設法拉長 P1與 P2之間的間距 或加長斜率為 20dB 十倍頻 線段的長度 使得kf增大時 仍能獲得所需的相位裕量 相位補償基本思想 滯后補償技術 超前補償技術 7 3 3負反饋放大器的相位補償 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 滯后補償技術 簡單電容補償和彌勒電容補償 簡單電容補償 降低 P1 補償方法 將補償電容C 并接在集成運放產(chǎn)生第一個極點角頻率的節(jié)點上 使 P1降低到 d P1降低到 d 反饋增益線下移 穩(wěn)定工作允許的kf增大 返回 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 d與kf之間的關系 由圖 十倍頻 整理得 kfv d 反饋電路穩(wěn)定性 但 H kfv 1時 此時kfv無論取何值 電路均可穩(wěn)定工作 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 例1 一集成運放AvdI 105 fP1 200Hz fP2 2MHz fP3 20MHz 產(chǎn)生fP1節(jié)點上等效電路R1 200K 接成同相放大器 采用簡單電容補償 解 1 求未補償前 同相放大器提供的最小增益 根據(jù)題意 可畫出運放的幅頻漸近波特圖 未補償前 為保證穩(wěn)定工作 Avfmin 104 即 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 解 2 若要求Avf 10 求所需的補償電容C 則 由 得 由 得 3 若要求Avf 1 求所需的補償電容CS 解 則 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 簡單電容補償缺點 密勒電容補償 降低 P1 增大 P2 補償方法 將補償電容C 跨接在三極管B極與C極之間 利用密勒倍增效應 使 P1降低 P2增大 拉長 P1與 P2之間的間距 這種補償方法又稱極點分離術 分析略 補償電容C 數(shù)值較大 F量級 集成較困難 密勒電容補償優(yōu)點 用較小的電容 PF量級 即可達到補償目的 返回 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 超前補償技術 引入幻想零點 補償思路 在 P2附近 引入一個具有超前相移的零點 以抵消原來的滯后相移 使得在不降低 P1的前提下 拉長 P1與 P2之間的間距 在反饋電阻Rf上并接補償電容C 補償方法 則 其中 返回 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 相位補償技術在寬帶放大器中的應用 返回 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 7 4集成反饋放大結(jié)構(gòu)的小信號運用分析 工程近似計算法 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 得 由反饋結(jié)構(gòu) 以及滿足不自激的深度反饋條件下 即凈輸入近似為零 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 條件1 基本放大器電壓型集成運放 條件2 反饋結(jié)構(gòu)為不自激的深度反饋 a 轉(zhuǎn)移特性 b 直折線近似特性1 c 直折線近似特性2 回顧 運放轉(zhuǎn)移特性的直折線近似 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 推論1 微弱凈輸入激勵滿足運放的小信號線性運用條件 推論2 反饋結(jié)構(gòu)的輸入輸出關系可以利用反饋網(wǎng)絡本身的電壓電流制約來近似求解 即工程近似計算法 線性應用基礎電路模型 Z1或Zf采用非線性器件 如晶體管 則可構(gòu)成對數(shù) 反對數(shù) 乘法 除法等運算電路 Z1或Zf采用線性器件 R C 則可構(gòu)成加 減 積分 微分等運算電路 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 理想運放在小信號線性應用時的特點 因 因 虛短 虛斷 注 通常可以將 理想運算放大器條件 理解為工程近似計算的基礎 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 一 理想運放在小信號線性應用時的特點 1 反相放大器 反饋類型 電壓并聯(lián)負反饋 因 則 因 則 由圖 輸出電壓表達式 輸入電阻 輸出電阻 因深度電壓負反饋 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 2 同相放大器 反饋類型及性質(zhì) 電壓串聯(lián)負反饋 因 則 因 由圖 輸出電壓表達式 輸入電阻 輸出電阻 因深度電壓負反饋 因 則 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 3 電壓跟隨器 由于 所以 同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器 注 射隨器交流簡化圖 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 反相加法器 因 則 因 則 即 整理得 說明 線性電路除可以采用 虛短 虛斷 概念外 還可采用疊加原理進行分析 同相加法器 利用疊加原理 則 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 4 減法器 令vs2 0 則 令vs1 0 利用疊加原理進行分析 若R1 R2 R3 Rf 則有 差動特性 稱比例減法器或差動放大器 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 5 微分 因 則 該電路的傳遞函數(shù)為 6 積分電路 因 則 該電路的傳遞函數(shù)為 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 波形變換 輸入方波 積分輸出三角波 微分輸出尖脈沖 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 對數(shù)變換器 利用運算法得 由于 整理得 缺點 vo受溫度影響大 動態(tài)范圍小 vs必須大于0 反對數(shù)變換器 利用運算法則得 由于 整理得 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 7 4 2小信號的頻域分析舉例 有源濾波器 濾波器的功能 對頻率進行選擇 過濾掉噪聲和干擾信號 保留下有用信號 有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器 理想有源濾波器的頻率響應 本節(jié)討論由運放及RC元件構(gòu)成的濾波器 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項 故稱為一階濾波器 傳遞函數(shù) 20dB 十倍頻 45 十倍頻 其中 電路特點 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項 故稱為二階濾波器 傳遞函數(shù) 當Ao 3時 Q 有源濾波器自激 由于將C1接到輸出端 等于在高頻端給LPF加了一點正反饋 所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高 甚至可能引起自激 以上兩式表明 當21 在f fo處的電壓增益將大于Ao 幅頻特性在f fo處將抬高 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 1 一階有源高通濾波器 傳遞函數(shù) 其中 20dB 十倍頻 45 十倍頻 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 由此繪出頻率響應特性曲線 1 通帶增益 2 頻率響應 其中 結(jié)論 當f f0時 幅頻特性曲線的斜率為 40dB dec 當AO 3時 電路自激 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 有源帶通濾波器 可由低通和高通串聯(lián)得到 必須滿足 低通特征角頻率 高通特征角頻率 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用 有源帶阻濾波器 可由低通和高通并聯(lián)得到 必須滿足 第7章反饋放大結(jié)構(gòu)與應用