模擬電路網絡課件 第三十三節:負反饋對放大電路性能的影響

模擬電路網絡課件 第三十三節:負反饋對放大電路性能的影響

7.4? 負反饋對放大電路性能的影響

一、負反饋可提高增益的穩定性

在放大電路中引入負反饋，雖然會導致閉環增益的下降，但能使放大電路的許多性能得到改善。例如，可以提高增益的穩定性，擴展通頻帶，減小非線性失真，改變輸入電阻和輸出電阻等。下面將分別加以討論。

放大電路的增益可能由于元器件參數的變化、環境溫度的變化、電源電壓的變化、負載大小的變化等因素的影響而不穩定，引入適當的負反饋后，可提高閉環增益的穩定性。

當放大電路中引入深度交流負反饋時， ，即閉環增益幾乎僅決定于反饋網絡。反饋網絡通常由性能比較穩定的無源線性元件（如R、C 等）組成，因而閉環增益是比較穩定的。一般情況下，為了從數量上說明增益的穩定程度，常用有、無反饋時增益的相對變化量的大小來衡量。用和 分別表示開環和閉環增益的相對變化量，此時用正實數A和F分別表示和的模，則閉環增的表達式變為

對上式求導數得

（1）

（2）

將等式（2）兩邊分別除以 ，則得相對變化量形式，即

（3）

由式（3）可見，加入負反饋后，閉環增益的相對變化量為開環增益相對變化量的，即閉環增益的相對穩定度提高了，愈大，即反饋越深，越小，閉環增益的穩定性越好。

二、負反饋可擴大通頻帶

負反饋具有穩定閉環增益的作用，即引入負反饋后，由各種原因，包括信號頻率的變化引起的增益的變化都將減小。

為使分析簡單，設反饋網絡由純電阻構成，而且基本放大電路在高頻段和低頻段各僅有一個拐點，其高頻增益的表達式為

式中 為開環中頻增益， 為開環上限頻率。

引入負反饋后，高頻段閉環增益的表達式為

分子、分母同除以1+ ，得

式中 為中頻區閉環增益， 為閉環上取勝頻率。

同理，可求出閉環下限頻率為

由上述結果可見，引入負反饋后，中頻閉環增益下降為 ，上限頻率擴展為 ，即通頻帶擴展到無反饋時的 倍。

如果基本放大電路有多個拐點，且反饋網絡又不是純電阻網絡時，問題就比較復雜了，但是通頻帶展寬的趨勢不變。

三、負反饋可減小非線性失真

三極管、場效應管等有源器件具有非線性的特性，因而由它們組成的基本放大電路的電壓傳輸特性也是非線性的，如圖1中的曲線1所示。當輸入正弦信號的幅度較大時，輸出波形就會產生非線性失真。

引入負反饋后，將使放大電路的閉環電壓傳輸特性曲線變平緩，線性范圍明顯展寬。在深度負反饋條件下， ，若反饋網絡由純電阻構成，則閉環電壓傳輸特性曲線在很寬的范圍內接近于直線，如圖1中的曲線2所示，輸出電壓的非線性失真會明顯減小。

需要說明的是，加入負反饋后，若輸入信號的大小保持不變，由于閉環增益降至開環增益的 ，基本放大電路的凈輸入信號輸出信號也降至開環時的 ，顯然，三極管等器件的工作范圍變小了，其非線性失真也相應地減小了。為了去除工作范圍變小對輸出波形失真的影響，以說明非線性失真的減小是由負反饋作用的結果，必須保證閉環和開環兩種情況下，有源器件的工作范圍相同（輸出波形的幅度相同），因此，應使閉環時的輸入信號幅度加至開環時的 倍，如圖1中的A、B兩點。另外，負反饋只能減小反饋環內產生的非線性失真，如果輸入信號本身就存在失真，負反饋則無能為力。

四、負反饋能抑制反饋環內噪聲和干擾

對放大電路來說，噪聲或干擾是有害的，下面介紹負反饋能抑制噪聲的原理。設在圖1（a）中，增益為的放大電路的輸入端，存在輸入信號和噪聲或干擾電壓①。此時電路的信－噪比為

為了提高電路的信－噪比，在圖1(a)的基礎上，另外增加一增益為 的前置級，并認為該級為無噪聲的，然后對此整體電路加一反饋系數為 的反饋網絡，如圖(b)所示。由此可得反饋系統輸出電壓的表達式為

于是可得新的信噪比為

它比原有的信－噪比提高了 倍。必須注意的是，無噪聲放大電路在實踐中是很難做到的，但可使它的噪聲盡可能小，如精選器件、調整參數，改進工藝等。

例如，一臺擴音機的功率輸出級常有交流哼聲，來源于電源的50Hz的干擾。其前置級或電壓放大級由穩定的直流電源供電，噪聲或干擾較小，當對整個系統的后面幾級外加一負反饋環時，對改善系統的信噪比具有明顯的效果。

若噪聲或干擾來自反饋環外，則加負反饋也無濟無事。

?

① 一般而言，噪聲電壓vn的頻譜分布很廣，嚴格地說，用 來表示是不妥的，這里只是說明負反饋能抑制噪聲并提高信噪比的原理。

五、負反饋對放大電路輸入電阻的影響

負反饋對輸入電阻的影響取決于反饋網絡與基本放大電路在輸入回路的連接方式，而與輸出回路中反饋的取樣方式無直接關系（取樣方式只改變的具體含義）。因此，分析負反饋對輸入電阻的影響時，只需畫出輸入回路的連接方式，如圖1所示。其中Ri是基本放大電路的輸入電阻（開環輸入電阻），Rif是負反饋放大電路的輸入電阻（閉環輸入電阻）。

1．串聯負反饋使輸入電阻增大

與開環時相比，在串聯負反饋放大電路中，由于反饋信號與輸入信號在輸入回路中進行串聯比較，結果使基本放大電路的凈輸入信號下降，輸入電流較之開環時為小，故閉環輸入電阻比開環輸入電阻Ri高。反饋越深，Rif增加得越多。由圖1(a)可知，開環輸入電阻為

有負反饋時的閉環輸入電阻為

而

所以

由此可知，引入串聯負反饋后，輸入電阻Rif是開環輸入電阻Ri的（1+）倍。

應當指出，在某些負反饋放大電路中，有些電阻并不在反饋環內，如共射電路中的基極電阻Rb，反饋對它并不產生影響。這類電路的方框圖如圖1(b)所示，可以看出

而整個電路的輸入電阻

因此，更確切地說，引入串聯負反饋，使引入反饋的支路的等效電阻增大到基本放大電路輸入電阻的（1+）倍。但不管哪種情況，引入串聯負反饋都將使輸入電阻增大。

2．并聯負反饋使輸入電阻減小

由圖1(c)可見，在并聯負反饋放大電路中，反饋網絡與基本放大電路的輸入電阻并聯，因此閉環輸入電阻Rif小于開環輸入電阻Ri。由于

?????????????? ，

而????????????

所以?????????

此式表明，引入并聯負反饋后，閉環輸入電阻是開環輸入電阻的1/(1+)倍。

六、負反饋對放大電路輸出電阻的影響

負反饋對輸出電阻的影響取決于反饋網絡在放大電路輸出回路的取樣方式，與反饋網絡在輸入回路的連接方式無直接關系（輸入連接方式只改變的具體含義）。因為取樣對象就是穩定對象。因此，分析負反饋對放大電路輸出電阻的影響，只要看它是穩定輸出信號電壓還是穩定輸出信號電流。

1．電壓負反饋使輸出電阻減小

電壓負反饋取樣于輸出電壓，又能維持輸出電壓穩定，就是說，輸入信號一定時，電壓負反饋放大電路的輸出趨于一恒壓源，其輸出電阻很小?？梢宰C明，有電壓負反饋時的閉環輸出電阻為無反饋時開環輸出電阻的1/(1+)①。反饋愈深，Rof愈小。

2．電流負反饋使輸出電阻增加

電流負 反饋取樣于輸出電流，能維持輸出電流穩定，就是說，輸入信號一定時，電流負反饋放大電路的輸出趨于一恒流源，其輸出電阻很大?？梢宰C明，有電流負反饋時的閉環輸出電阻為無反饋時開環輸出電阻的(1+)倍。反饋愈深，Rof愈大。

七、引入負反饋的一般原則

由以上分析可以知道，負反饋之所以能夠改善放大電路多方面的性能，歸根結底是由于將電路的輸出量（ 或 ）引回到輸入端與輸入量（ 或）進行比較，從而隨時對凈輸入量（ 或 ）及輸出量進行調整。前面研究過的增益恒定性的提高、非線性失真的減小、抑制噪聲、擴展通頻帶以及對輸入電阻和輸出電阻的影響，均可用自動調整作用來解釋。反饋愈深，即 愈大時，這種調整作用愈強，對放大電路性能的改善愈為有益。另外，負反饋的類型不同，對放大電路所產生的影響也不同。

工程中往往要求根據實際需要在放大電路中引入適當的負反饋，以提高電路或電子系統的性能。引入負反饋的一般原則為：

1. 為了穩定放大電路的靜態工作點，應引入直流負反饋；為了改善放大電路的動態性能，應引入交流負反饋（在中頻段的極性）。

2. 信號源內阻較小或要求提高放大電路的輸入電阻時，應引入串聯負反饋；信號源內阻較大或要求降低輸入電阻時，應引入并聯系反饋。

3. 根據負載對放大電路輸出電量或輸出電阻的要求決定是引入電壓還是電流負反饋。若負載要求提供穩定的信號電壓或輸出電阻要小，則應引入電壓負反饋；若負載要求提供穩定的信號電流或輸出電阻要大，則應引入電流負反饋。

4. 在需要進行信號變換時，應根據四種類型的負反饋放大電路的功能選擇合適的組態。例如，要求實現電流——電壓信號的轉換時，應在放大電路中引入電壓并聯負反饋等。

這里介紹的只是一般原則。要注意的是，負反饋對放大電路性能的影響只局限于反饋環內，反饋環路未包括的部分并不適用。性能的改善程度均與反饋深度 有關，但并不是 越大越好。因為 都是頻率的函數，對于某些電路來說，在一些頻率下產生的附加相移可能使原來的負反饋變成了正反饋，甚至會產生自激振蕩，使放大電路無法正常工作。另外，有時也可以在負反饋放大電路中引入適當的正反饋，以提高增益等等。