運(yùn)算放大器反饋講解.ppt

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,7 反饋放大電路,7.1 反饋的基本概念與分類,7.3 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,7.4 負(fù)反饋對放大電路性能的影響,7.5 深度負(fù)反饋條件下的近似計(jì)算,7.2 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài),7.6 負(fù)反饋放大電路設(shè)計(jì),7.7 負(fù)反饋放大電路的頻率響應(yīng),7.8 負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性,,7.1 反饋的基本概念與分類,7.1.2 直流反饋與交流反饋,7.1.3 正反饋與負(fù)反饋,7.1.4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,7.1.1 什么是反饋,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,7.1.1 什么是反饋,,將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流）送回到輸入回路的過程。,內(nèi)部反饋,外部反饋,輸出信號,反饋放大電路的輸入信號,反饋信號,基本放大電路的輸入信號（凈輸入信號）,7.1.1 什么是反饋,,框圖,反饋通路 ——信號反向傳輸?shù)那?開環(huán) ——無反饋通路,閉環(huán) ——有反饋通路,判斷電路是否存在反饋通路,7.1.1 什么是反饋,,反饋通路（本級）,反饋通路（本級）,反饋通路（級間）,7.1.2 直流反饋與交流反饋,,根據(jù)反饋到輸入端的信號是交流，還是直流，或同時存在，來進(jìn)行判別。,直流反饋,交、直流反饋,7.1.2 直流反饋與交流反饋,,(a)直流通路 (b)交流通路,7.1.3 正反饋與負(fù)反饋,,正反饋：輸入量不變時，引入反饋后輸出量變大了。,負(fù)反饋：輸入量不變時，引入反饋后輸出量變小了。,從輸出端看,從輸入端看,正反饋：引入反饋后，使凈輸入量變大了。,負(fù)反饋：引入反饋后，使凈輸入量變小了。,凈輸入量可以是電壓，也可以是電流。,7.1.3 正反饋與負(fù)反饋,,判別方法：瞬時極性法。即在電路中，從輸入端開始，沿著 信號流向，標(biāo)出某一時刻有關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變化的斜率 （正斜率或負(fù)斜率，用“+”、“-”號表示）。,凈輸入量減小,凈輸入量增大,負(fù)反饋,正反饋,反饋通路,反饋通路,級間反饋通路,,凈輸入量減小,級間負(fù)反饋,7.1.3 正反饋與負(fù)反饋,,7.1.3 正反饋與負(fù)反饋,,反饋通路,凈輸入量減小,本級負(fù)反饋,7.1.4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,,由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸入端的連接方式判定,串聯(lián)：輸入以電壓形式求和（KVL） -vi+vid+vf=0 即 vid=vi- vf,并聯(lián)：輸入以電流形式求和（KCL） ii-iid-if=0 即 iid=ii-if,串聯(lián),并聯(lián),判斷電路中的級間交流反饋是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋,7.1.4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,,并聯(lián)反饋,級間反饋通路,xf (if),判斷電路中的級間交流反饋是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋,7.1.4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,,串聯(lián)反饋,級間反饋通路,xf (vf),7.1.5 電壓反饋與電流反饋,,電壓反饋與電流反饋由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出端的取樣對象決定,電壓反饋：反饋信號xf和輸出電壓成比例，即xf=Fvo 電流反饋：反饋信號xf與輸出電流成比例，即xf=Fio,并聯(lián)結(jié)構(gòu),串聯(lián)結(jié)構(gòu),7.1.5 電壓反饋與電流反饋,,電壓負(fù)反饋,RL?,電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓,xf=Fvo ， xid= xi－xf,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,,電流負(fù)反饋,RL ?,電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流,xf=Fio ， xid= xi－xf,,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,,判斷方法：負(fù)載短路法,將負(fù)載短路，反饋量仍然存在——電流反饋。,將負(fù)載短路（未接負(fù)載時輸出對地短路），反饋量為零——電壓反饋。,電壓反饋,電流反饋,,,反饋通路,反饋通路,,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,,電壓反饋,,反饋通路,end,,7.2 負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài),7.2.2 電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路,7.2.3 電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,7.2.4 電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路,7.2.1 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,信號源對反饋效果的影響,7.2.1 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,,輸入以電壓形式求和（KVL）： vid=vi- vf,穩(wěn)定輸出電壓,特點(diǎn)：,電壓控制的電壓源,7.2.2 電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路,,輸入以電流形式求和（KCL）： iid=ii-if,穩(wěn)定輸出電壓,電流控制的電壓源,特點(diǎn)：,7.2.3 電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,,輸入以電壓形式求和（KVL）： vid=vi- vf,穩(wěn)定輸出電流,電壓控制的電流源,特點(diǎn)：,,7.2.4 電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路,,輸入以電流形式求和（KCL）： iid=ii-if,穩(wěn)定輸出電流,電流控制的電流源,特點(diǎn)：,電壓負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電壓，具有恒壓特性,串聯(lián)反饋：輸入端電壓求和（KVL）,電流負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電流，具有恒流特性,并聯(lián)反饋：輸入端電流求和（KCL）,特點(diǎn)小結(jié)：,反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,,(+),(-),(+),(+),級間電壓串聯(lián)負(fù)反饋,(+),反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,直流反饋,交、直流反饋,反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,,(+),(+),(-),(+),(+),(+),電流串聯(lián)負(fù)反饋,,串聯(lián)負(fù)反饋,信號源對反饋效果的影響,vid = vi -vf,則vi最好為恒壓源，即信號源內(nèi)阻Rs越小越好。,要想反饋效果明顯，就要求vf變化能有效引起vid的變化。,,信號源對反饋效果的影響,并聯(lián)負(fù)反饋,iid = ii -if,則ii最好為恒流源，即信號源內(nèi)阻Rs越大越好。,要想反饋效果明顯，就要求if變化能有效引起iid的變化。,end,,7.3 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,1. 閉環(huán)增益的一般表達(dá)式,2. 反饋深度討論,1. 閉環(huán)增益的一般表達(dá)式,,開環(huán)增益,反饋系數(shù),閉環(huán)增益,因?yàn)?所以,已知,,閉環(huán)增益的一般表達(dá)式,即,7.3 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,負(fù)反饋放大電路中各種信號量的含義,,7.3 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,2. 反饋深度討論,一般負(fù)反饋,稱為反饋深度,深度負(fù)反饋,正反饋,自激振蕩,一般情況下，A和F都是頻率的函數(shù)，當(dāng)考慮信號頻率的影響時，Af、A和F分別用 、 和 表示。,即,end,,7.3 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,,7.4 負(fù)反饋對放大電路性能的影響,7.4.2 減小非線性失真,7.4.3 抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,7.4.1 提高增益的穩(wěn)定性,7.4.1 提高增益的穩(wěn)定性,,閉環(huán)時,對A求導(dǎo)得,只考慮幅值有,,另一方面,在深度負(fù)反饋條件下,即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)由穩(wěn)定的線性元件組成時，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。,負(fù)反饋的組態(tài)不同，穩(wěn)定的增益不同（Avf 、Arf 、Agf 、Aif）,即閉環(huán)增益相對變化量是開環(huán)時的,7.4.2 減小非線性失真,,閉環(huán)時增益減小，線性度變好。,只能減少環(huán)內(nèi)放大電路產(chǎn)生的失真，如果輸入波形本身就是失真的，即使引入負(fù)反饋，也無濟(jì)于事。,1——開環(huán)特性 2——閉環(huán)特性,7.4.3 抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲,,比原有的信噪比提高了 倍,電壓的信噪比,新的信噪比,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,,串聯(lián)負(fù)反饋,1. 對輸入電阻的影響,開環(huán)輸入電阻 Ri=vid/ii,因?yàn)?vf=F·xo xo=A·vid,閉環(huán)輸入電阻 Rif=vi/ii,所以 vi=vid+vf=(1+AF )vid,閉環(huán)輸入電阻 Rif=vi/ii,引入串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻增加了。,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,,并聯(lián)負(fù)反饋,1. 對輸入電阻的影響,閉環(huán)輸入電阻,引入并聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻減小了。,注意: 反饋對輸入電阻的影響僅限于環(huán)內(nèi)，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。,例如,,圖中R1不在環(huán)內(nèi),但是,當(dāng)R1 時，反饋對Rif幾乎沒有影響。,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,,2. 對輸出電阻的影響,電壓負(fù)反饋,2. 對輸出電阻的影響,閉環(huán)輸出電阻,電壓負(fù)反饋,而 Xid= - Xf= -Fvt,忽略反饋網(wǎng)絡(luò)對it的分流,所以,,引入電壓負(fù)反饋后，輸出電阻減小了。,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,,2. 對輸出電阻的影響,電流負(fù)反饋,閉環(huán)輸出電阻,引入電流負(fù)反饋后，輸出電阻增大了。,注意: 反饋對輸出電阻的影響僅限于環(huán)內(nèi)，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。,負(fù)反饋對放大電路性能的改善，是以犧牲增益為代價(jià)的，且僅對環(huán)內(nèi)的性能產(chǎn)生影響。,串聯(lián)負(fù)反饋 ——,并聯(lián)負(fù)反饋 ——,電壓負(fù)反饋 ——,電流負(fù)反饋 ——,特別注意表7.4.1的內(nèi)容,增大輸入電阻,減小輸入電阻,減小輸出電阻，穩(wěn)定輸出電壓,增大輸出電阻，穩(wěn)定輸出電流,7.4.4 對輸入電阻和輸出電阻的影響,,end,,7.5 深度負(fù)反饋條件下的近似計(jì)算,1. 深度負(fù)反饋的特點(diǎn),2. 舉例,1. 深度負(fù)反饋的特點(diǎn),,即，深度負(fù)反饋條件下，閉環(huán)增益只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān),由于,則,又因?yàn)?代入上式,得,（也常寫為 xf ? xi）,,凈輸入量近似等于零,由此可得深度負(fù)反饋條件下，基本放大電路“兩虛”的概念,輸入量近似等于反饋量,（xid ? 0 ）,1. 深度負(fù)反饋的特點(diǎn),,串聯(lián)負(fù)反饋，輸入端電壓求和,深度負(fù)反饋條件下 xid= xi - xf ? 0,虛短,虛斷,虛短,虛斷,并聯(lián)負(fù)反饋，輸入端電流求和,vid= iid ri ? 0,2. 舉例,,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,反饋系數(shù),實(shí)際上該電路就是第2章介紹的同相比例放大電路，該結(jié)果與第2章所得結(jié)果相同,設(shè)電路滿足深度負(fù)反饋條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達(dá)式。,解：,根據(jù)虛短、虛斷,閉環(huán)增益 （就是閉環(huán)電壓增益）,2. 舉例 (例7.5.1),,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,設(shè)電路滿足深度負(fù)反饋條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達(dá)式。,解：,根據(jù)虛短、虛斷,閉環(huán)電壓增益,,2. 舉例 (例7.5.4),,電流并聯(lián)負(fù)反饋,設(shè)電路滿足深度負(fù)反饋條件，試寫出該電路的閉環(huán)增益和閉環(huán)源電壓增益表達(dá)式。,解：,根據(jù)虛短、虛斷,閉環(huán)增益,,所以閉環(huán)電壓增益,注意：若io參考方向不同，將影響閉環(huán)增益的結(jié)果,又因?yàn)?解:（3）,閉環(huán)增益,,例7.5.5 …（3）求大環(huán)反饋的閉環(huán)增益以及對信號源的閉環(huán)電壓增益；…,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,根據(jù)虛短、虛斷,0V,2. 舉例,,end,,7.6 負(fù)反饋放大電路設(shè)計(jì),7.6.1 設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大電路的一般步驟,7.6.2 設(shè)計(jì)舉例,7.6.1 設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大電路的一般步驟,,1. 選定需要的反饋類型,2. 確定反饋系數(shù)的大小,3. 適當(dāng)選擇反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻阻值,4. 通過仿真分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足要求,信號源性質(zhì),對輸出信號的要求,對輸入、輸出電阻的要求,對信號變換的要求（V-V、V-I、I-V、I-I ）,深度負(fù)反饋時,盡量減小反饋網(wǎng)絡(luò)對基本放大電路的負(fù)載效應(yīng),7.6.2 設(shè)計(jì)舉例,,例7.6.2 設(shè)計(jì)一個帶負(fù)反饋的光電隔離器的驅(qū)動電路。設(shè)vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運(yùn)放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設(shè)計(jì)后仿真檢驗(yàn)發(fā)光二極管的電流。,解:,驅(qū)動電路需要將電壓vs轉(zhuǎn)換為電流io1,選用電流串聯(lián)負(fù)反饋電路,光電隔離器,,解:,選用電流串聯(lián)負(fù)反饋電路,所以 Rf=1kΩ,又因?yàn)楦鶕?jù)虛斷有,深度負(fù)反饋時,7.6.2 設(shè)計(jì)舉例,,例7.6.2 設(shè)計(jì)一個帶負(fù)反饋的光電隔離器的驅(qū)動電路。設(shè)vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運(yùn)放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設(shè)計(jì)后仿真檢驗(yàn)發(fā)光二極管的電流。,解:,仿真電路,io1與vs的呈線性關(guān)系， io1=10-3vs， 放大電路滿足設(shè)計(jì)要求。,end,7.6.2 設(shè)計(jì)舉例,,例7.6.2 設(shè)計(jì)一個帶負(fù)反饋的光電隔離器的驅(qū)動電路。設(shè)vs的變化范圍為0～5V，內(nèi)阻Rs=500Ω。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運(yùn)放的Avo=104，Ri=5kΩ，Ro=100Ω。設(shè)計(jì)后仿真檢驗(yàn)發(fā)光二極管的電流。,,7.7 負(fù)反饋放大電路的頻率響應(yīng),7.7.2 增益-帶寬積,7.7.1 頻率響應(yīng)的一般表達(dá)式,7.7.1 頻率響應(yīng)的一般表達(dá)式,,基本放大電路的高頻響應(yīng),比開環(huán)時增加了,為基本放大電路通帶增益,——通帶閉環(huán)增益,其中,同理可得,——閉環(huán)上限頻率,比開環(huán)時減小了,——閉環(huán)下限頻率,引入負(fù)反饋后，放大電路的通頻帶展寬了,7.7.1 頻率響應(yīng)的一般表達(dá)式,,例7.7.1的波特圖,開環(huán)增益,反饋系數(shù)為0.01時,反饋系數(shù)為0.1時,反饋系數(shù)為1時,7.7.2 增益-帶寬積,,放大電路的增益-帶寬積為常數(shù),閉環(huán)增益-帶寬積,開環(huán)增益-帶寬積,end,,7.8 負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性,*7.8.2 頻率補(bǔ)償,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及 穩(wěn)定工作的條件,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,1. 自激振蕩現(xiàn)象,在不加任何輸入信號的情況下，放大電路仍會產(chǎn)生一定頻率的信號輸出。,2. 產(chǎn)生原因,在高頻區(qū)或低頻區(qū)產(chǎn)生的附加相移達(dá)到180?，使中頻區(qū)的負(fù)反饋在高頻區(qū)或低頻區(qū)變成了正反饋，當(dāng)滿足了一定的幅值條件時，便產(chǎn)生自激振蕩。,3. 自激振蕩條件,自激振蕩,反饋深度,即,又,得自激振蕩條件,,幅值條件,相位條件（附加相移）,注：輸入端求和的相位（-1）不包含在內(nèi),閉環(huán)增益,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,4. 穩(wěn)定工作條件,破壞自激振蕩條件,,,,當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻網(wǎng)絡(luò)時， ?f = 0?。,其中,Gm——幅值裕度，一般要求Gm ≤ -10dB,?m——相位裕度，一般要求?m ≥ 45?,（保證可靠穩(wěn)定，留有余地）,寫成等式，且幅值用分貝數(shù)表示時,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,用波特圖表示,或,Gm ≤ -10dB 或 ?m ≥ 45?,4. 穩(wěn)定工作條件,,,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,5. 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性分析,環(huán)路增益的幅頻響應(yīng)寫為,利用波特圖分析,即該點(diǎn)滿足,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,判斷穩(wěn)定性方法,若P點(diǎn)在 水平線之下，穩(wěn)定；否則不穩(wěn)定。,或,5. 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性分析,7.8.1 負(fù)反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,基本放大電,基本放大,反饋深度越深，越容易自激。,7.8.1 自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,,5. 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性分析,*7.8.2 頻率補(bǔ)償,,不作要求,end,