1、第4章 放大電路中的反饋與振蕩,4.1 反饋的基本概念 4.2 負反饋對放大器性能的影響 4.3 振蕩的基本概念,反饋是電子技術(shù)領(lǐng)域中的一個重要概念，它有正負之分。在放大電路的設(shè)計中，通常引入負反饋來改善放大器的性能，通過正反饋構(gòu)成各種振蕩器，產(chǎn)生各種波形信號。本章從反饋的基本概念入手，對反饋進行分類，分析負反饋對放大性能的影響，介紹深度負反饋的一般計算方法，最后討論負反饋電路形成自激振蕩條件和多種波形發(fā)生電路。,4.1 反饋的基本概念,在許多實際的電子電路中均存在著某種類型的反饋，反饋的概念和理論在工程領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。,4.1.1反饋的定義 所謂反饋就是把電子電路的輸出量（輸出電壓

2、或電流）或輸出量的一部分，通過一定的電路回送到它的輸入端。在第2章中提到的工作點穩(wěn)定電路就是一個典型的示例，現(xiàn)將電路圖重畫為圖4.1。,圖4.1工作點穩(wěn)定電路,4.1.2反饋的分類及判斷 帶反饋的放大器稱為反饋放大器，在反饋放大器中，輸入信號經(jīng)過放大器放大后送到輸出端，而輸出信號又經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)反向傳遞到輸入端，形成閉合環(huán)路，這種狀況稱之為閉環(huán)，反饋放大器又叫閉環(huán)放大器。,一個反饋放大器通常由基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 假定用A表示基本放大器，用F來表示反饋網(wǎng)絡(luò)，可以用圖4.2所示的方框圖來表示各種類型的反饋。,圖4.2反饋放大電路方框圖,根據(jù)反饋極性的不同，可以將反饋分為正反饋和負反饋。 如果

3、引入的反饋信號增強了外加輸入信號的作用，也即是說在求和環(huán)節(jié)為同相求和形式而使凈輸入信號比外加輸入信號幅度更大，從而使放大電路的放大倍數(shù)得以提高，這樣的反饋為正反饋。如果反饋信號在求和環(huán)節(jié)與輸入信號為反相求和（即相減）方式而使凈輸入信號比外加輸入信號幅度減少，也即是削弱了外加輸入信號的作用，從而使放大電路的放大倍數(shù)減低，這樣的反饋為負反饋。,那如何來判斷一個電路中引入的反饋到底是正反饋還是負反饋呢？最常用的判斷方法是瞬時極性法。 首先假定輸入信號在某一時刻的瞬時極性（一般假定為瞬時正極性，用+來表示），按照基本放大器的信號傳遞方向，逐級傳遞至輸出端，再由輸出端的瞬時極性順著反饋網(wǎng)絡(luò)的方向逐級傳遞

4、回輸入回路，最后根據(jù)反饋到輸入回路信號的瞬時極性是增強還是削弱了原來的信號，來判斷反饋的類型。,具體方法和步驟可以描述如下。 (1) 信號傳遞過程中，極性的傳遞規(guī)律：通常以接地點為參考點，假定原輸入信號為瞬時正極性，順著閉環(huán)放大電路的傳遞方向逐級傳遞。對于線性元件構(gòu)成的電路，傳遞時不改變極性，對于非線性元件構(gòu)成的電路，則可依據(jù)圖4.3原則傳遞極性。,圖4.3極性傳遞原則,而對于集成的放大電路，極性傳遞方法就更簡單，集成放大電路有兩個輸入端，其中一個與輸出端同相，即相同極性，也稱其為同相輸入端，另一個輸入端為反相輸入端,即輸出和輸入極性相反。,(2) 判斷反饋信號和原輸入信號共同作用于放大器的總

5、效果。 放大器的輸入有兩個端子（信號端和參考地端），反饋的引入便有如下兩種形式。 若反饋信號和原輸入信號作用于同一端子（即并聯(lián)形式），則求和環(huán)節(jié)為電流求和形式，當二者極性相同時為正反饋，二者極性相反時為負反饋。, 若反饋信號和原輸入信號作用于不同的端子（即串聯(lián)形式）則求和環(huán)節(jié)為回路電壓求和形式，當二者極性相同時為負反饋，二者極性相反時為正反饋。,4.2 負反饋對放大器性能的影響,直流反饋的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，對放大電路的動態(tài)性能沒有影響。而不同類型的交流負反饋將對放大電路的性能產(chǎn)生不同的影響，是用來改善放大器技術(shù)指標的主要方法和手段，也是本章討論的重點。下面就交流負反饋的不同類型進行詳細分析

6、。,4.2.1負反饋的4種組態(tài) 根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸出、輸入端連接方式的不同，可以將負反饋分為4種形式，也即有4種組態(tài)。如圖4.5所示。 (1) 電壓串聯(lián)負反饋。 (2) 電流串聯(lián)負反饋。 (3) 電流并聯(lián)負反饋。 (4) 電壓并聯(lián)負反饋。,圖4.5負反饋的4種組態(tài),一般說來，根據(jù)反饋信號在放大電路輸出端連接方式的不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。 如果反饋信號取自輸出端電壓，稱為電壓反饋；如果反饋信號取自輸出電流，稱為電流反饋。 一般可假設(shè)將輸出端交流短路，如果這時沒有反饋信號，則為電壓反饋，反之則為電流反饋。,根據(jù)反饋信號在放大電路輸入端連接方式的不同，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。

7、如反饋信號與輸入信號在輸入回路串聯(lián)即為串聯(lián)反饋；如反饋信號與輸入信號在輸入回路并聯(lián)即為并聯(lián)反饋。 下面結(jié)合圖4.6所示的電路分別進行介紹，找出各種負反饋電路的判斷方法及特點。,圖4.6負反饋放大電路,1. 電壓串聯(lián)負反饋 2. 電壓并聯(lián)負反饋 3. 電流串聯(lián)負反饋 4. 電流并聯(lián)負反饋,4.2.2負反饋對放大器性能的影響 從前面的分析可知，負反饋雖然使放大器的放大倍數(shù)下降，但能使電路趨于穩(wěn)定，如電壓負反饋將穩(wěn)定輸出電壓，電流負反饋將穩(wěn)定輸出電流。當然，負反饋還能從其他的方面改善放大器的性能，下面分別進行介紹。,1. 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 負反饋的引入最直接的效果就是使輸出趨于穩(wěn)定，也就是增加放

8、大倍數(shù)的穩(wěn)定性。 2. 減少非線性失真 由于放大器的核心元件為有源器件，而有源器件本身是非線性的，所以，當輸入信號為正弦波時，輸出信號將或多或少地產(chǎn)生非線性失真。,3. 擴展頻帶 由于放大電路中存在一些電抗性元件（如耦合電容，旁路電容等），且三極管本身還存在電容效應(yīng)，這樣，放大電路的放大倍數(shù)必然受到信號頻率的影響，頻率過高或過低都可能引起放大器的放大倍數(shù)下降。通常把使放大器放大倍數(shù)下降為其在中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.7倍時的頻率稱為截止頻率，在高頻段的截止頻率為上限截止頻率，用fH表示，在低頻段的截止頻率為下限截止頻率，用fL表示。用BW=fH-fL表示放大器的通頻帶，或稱帶寬。,4. 對放大器輸入

9、、輸出電阻的影響 不同組態(tài)的負反饋，對輸入電阻、輸出電阻將產(chǎn)生不同的影響，影響的程度與反饋深度有關(guān)。 一般來說，反饋信號與輸入信號在輸入回路的連接形式直接影響放大器的輸入電阻。,串聯(lián)負反饋將增大輸入電阻。 并聯(lián)負反饋將減少輸入電阻。 同樣，反饋信號與輸出信號在輸出回路的連接形式直接影響放大器的輸出電阻。 電壓負反饋將減少輸出電阻。 電流負反饋將增大輸出電阻。,4.2.3深度負反饋對放大器的分析計算 第2章介紹的微變等效電路法可以用來分析計算各種放大電路，當然也包括負反饋放大電路，但當電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，計算會變得很復(fù)雜，所以，微變等效電路法一般只用來計算簡單的負反饋電路。,注意：在進行深度負反

10、饋放大電路的電壓放大倍數(shù)計算時，計算結(jié)果時正時負，確定符號有沒有錯誤，關(guān)鍵看基本放大電路的構(gòu)成：由幾級放大電路構(gòu)成？每級采用的是什么組態(tài)？如共射組態(tài)是反相放大，其余兩種組態(tài)是同相放大；如該級由集成運放構(gòu)成，那信號從同相端輸入便是同相放大，信號從反相端輸入便是反相放大。,4.3 振蕩的基本概念,引入負反饋能夠改善放大電路的性能指標，并且改善的程度取決于反饋深度|1+AF|的大小，反饋越深，放大電路的性能越優(yōu)良。,然而，反饋太深，有時放大電路就不再穩(wěn)定工作，而產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。此時，輸入端即使不加任何信號，放大器也有一定頻率和幅度的信號輸出。這樣，輸出信號不受輸入信號控制，放大電路將不能正常工作。

11、,當負反饋電路在某一頻率下產(chǎn)生的附加相移滿足上述相位條件時，負反饋電路已經(jīng)轉(zhuǎn)變成實際的正反饋電路。 負反饋放大電路要產(chǎn)生自激振蕩，必須同時滿足幅度條件和相位條件。所以，為使負反饋放大電路能夠穩(wěn)定地工作，就要設(shè)法破壞上述條件，即 不讓電路滿足相位條件； 在滿足相位條件的情況下，|AF1|。,由于反饋網(wǎng)絡(luò)多由電阻構(gòu)成，一般不存在附加相移，所以附加相移主要由基本放大電路產(chǎn)生，單級的放大電路在高頻或低頻區(qū)間相當于一級RC電路，所以其附加相移為90；而對于三級或三級以上的放大電路，其附加相移將超過180，在其附加相移為180時，其放大倍數(shù)還可能比較大，有可能滿足|AF|1，從而產(chǎn)生自激振蕩。因此，在深度

12、負反饋時，由于反饋電路級數(shù)較多，|AF|又大，所以容易引起自激振蕩。,顯然，為了使放大電路能夠穩(wěn)定工作，最簡單的辦法就是避免引入兩級以上的級間反饋。但在工程實際中，為顯著地改善放大器的性能，又往往需要加強負反饋，解決矛盾的常用方法就是采取相位補償。負反饋電路的自激振蕩常發(fā)生在高頻區(qū)，可以通過在基本放大電路或反饋網(wǎng)絡(luò)中添加一些電阻、電容等元件，改變放大電路的高頻特性，從而破壞自激振蕩的條件。常用的相位補償方法有兩種：滯后補償和超前補償，如圖4.10所示。,圖4.10自激振蕩的相位補償,4.3.1正弦波振蕩電路 實際上，各種類型的振蕩器在實踐中被廣泛地采用。電子技術(shù)實驗中使用的低頻信號發(fā)生器就是一

13、種正弦波振蕩電路；非正弦波（方波、鋸齒波等）發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也十分廣泛。,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，高頻感應(yīng)加熱、超聲波焊接、超聲探傷、核磁共振成象等，都利用了功率或大或小，頻率或高或低的振蕩器。 在無線電通信、廣播電視系統(tǒng)中，都需要射頻發(fā)射，它把音頻、視頻信號或脈沖信號運載發(fā)送出去，這都離不開高頻的正弦波振蕩電路。,1. RC文氏電橋振蕩器,2. 其他形式的正弦波振蕩電路,4.3.3石英晶體振蕩器 1. 正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問題 2. 石英晶體的基本特性和等效電路 石英晶體振蕩器之所以有極高的頻率穩(wěn)定度，是由于石英晶體有極高的Q值。 石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，從一塊晶體上按一定的方向切下一薄片晶體，然后在晶片的兩面均涂上敷銀層并裝上一對金屬極板，就可以構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品。,如果在石英晶片的兩極加上一電場，晶體會產(chǎn)生機械變形。反之，如果在晶片的兩極板間加上機械力，會使晶片在相應(yīng)的方向產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。如果在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時，晶片的機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機械振動和交變電場的振幅都非常小，而振動頻率卻很穩(wěn)定。,當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，振蕩急劇增加，產(chǎn)生“壓電諧振”現(xiàn)象。它和LC