運算放大器反饋講解.ppt

,7 反饋放大電路,7.1 反饋的基本概念與分類,7.3 負反饋放大電路增益的一般表達式,7.4 負反饋對放大電路性能的影響,7.5 深度負反饋條件下的近似計算,7.2 負反饋放大電路的四種組態(tài),7.6 負反饋放大電路設計,7.7 負反饋放大電路的頻率響應,7.8 負反饋放大電路的穩(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 正反饋與負反饋,正反饋：輸入量不變時，引入反饋后輸出量變大了。,負反饋：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，標出某一時刻有關節(jié)點電壓變化的斜率 （正斜率或負斜率，用“+”、“-”號表示）。,凈輸入量減小,凈輸入量增大,負反饋,正反饋,反饋通路,反饋通路,級間反饋通路,凈輸入量減小,級間負反饋,7.1.3 正反饋與負反饋,7.1.3 正反饋與負反饋,反饋通路,凈輸入量減小,本級負反饋,7.1.4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,由反饋網(wǎng)絡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)結構,串聯(lián)結構,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,電壓負反饋,RL,電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓,xf=Fvo ， xid= xixf,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,電流負反饋,RL ,電流負反饋穩(wěn)定輸出電流,xf=Fio ， xid= xixf,7.1.5 電壓反饋與電流反饋,判斷方法：負載短路法,將負載短路，反饋量仍然存在電流反饋。,將負載短路（未接負載時輸出對地短路），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 負反饋放大電路的四種組態(tài),7.2.2 電壓并聯(lián)負反饋放大電路,7.2.3 電流串聯(lián)負反饋放大電路,7.2.4 電流并聯(lián)負反饋放大電路,7.2.1 電壓串聯(lián)負反饋放大電路,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：,電壓控制的電壓源,7.2.2 電壓并聯(lián)負反饋放大電路,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：,7.2.3 電流串聯(lián)負反饋放大電路,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：,7.2.4 電流并聯(lián)負反饋放大電路,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：,電壓負反饋：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）,特點小結：,反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,(+),(-),(+),(+),級間電壓串聯(lián)負反饋,(+),反饋組態(tài)判斷舉例（交流）,電壓并聯(lián)負反饋,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)負反饋,串聯(lián)負反饋,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)負反饋,iid = ii -if,則ii最好為恒流源，即信號源內阻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 負反饋放大電路增益的一般表達式,1. 閉環(huán)增益的一般表達式,2. 反饋深度討論,1. 閉環(huán)增益的一般表達式,開環(huán)增益,反饋系數(shù),閉環(huán)增益,因為,所以,已知,閉環(huán)增益的一般表達式,即,7.3 負反饋放大電路增益的一般表達式,負反饋放大電路中各種信號量的含義,7.3 負反饋放大電路增益的一般表達式,2. 反饋深度討論,一般負反饋,稱為反饋深度,深度負反饋,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 負反饋放大電路增益的一般表達式,7.4 負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求導得,只考慮幅值有,另一方面,在深度負反饋條件下,即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡。當反饋網(wǎng)絡由穩(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，即使引入負反饋，也無濟于事。,1開環(huán)特性 2閉環(huán)特性,7.4.3 抑制反饋環(huán)內噪聲,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)負反饋,1. 對輸入電阻的影響,開環(huán)輸入電阻 Ri=vid/ii,因為 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)負反饋,1. 對輸入電阻的影響,閉環(huán)輸入電阻,引入并聯(lián)負反饋后，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，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。,例如,圖中R1不在環(huán)內,但是,當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,電壓負反饋,2. 對輸出電阻的影響,閉環(huán)輸出電阻,電壓負反饋,而 Xid= - Xf= -Fvt,忽略反饋網(wǎng)絡對it的分流,所以,引入電壓負反饋后，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,電流負反饋,閉環(huán)輸出電阻,引入電流負反饋后，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，對環(huán)外不產(chǎn)生影響。,負反饋對放大電路性能的改善，是以犧牲增益為代價的，且僅對環(huán)內的性能產(chǎn)生影響。,串聯(lián)負反饋 ,并聯(lián)負反饋 ,電壓負反饋 ,電流負反饋 ,特別注意表7.4.1的內容,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 深度負反饋條件下的近似計算,1. 深度負反饋的特點,2. 舉例,1. 深度負反饋的特點,即，深度負反饋條件下，閉環(huán)增益只與反饋網(wǎng)絡有關,由于,則,又因為,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. 深度負反饋的特點,串聯(lián)負反饋，輸入端電壓求和,深度負反饋條件下 xid= xi - xf 0,虛短,虛斷,虛短,虛斷,并聯(lián)負反饋，輸入端電流求和,vid= iid ri 0,2. 舉例,電壓串聯(lián)負反饋,反饋系數(shù),實際上該電路就是第2章介紹的同相比例放大電路，該結果與第2章所得結果相同,設電路滿足深度負反饋條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達式。,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)負反饋,設電路滿足深度負反饋條件，試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達式。,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)負反饋,設電路滿足深度負反饋條件，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)增益的結果,又因為,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)負反饋,根據(jù)虛短、虛斷,0V,2. 舉例,end,7.6 負反饋放大電路設計,7.6.1 設計負反饋放大電路的一般步驟,7.6.2 設計舉例,7.6.1 設計負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. 適當選擇反饋網(wǎng)絡中的電阻阻值,4. 通過仿真分析，檢驗設計是否滿足要求,信號源性質,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 ）,深度負反饋時,盡量減小反饋網(wǎng)絡對基本放大電路的負載效應,7.6.2 設計舉例,例7.6.2 設計一個帶負反饋的光電隔離器的驅動電路。設vs的變化范圍為05V，內阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。,解:,驅動電路需要將電壓vs轉換為電流io1,選用電流串聯(lián)負反饋電路,光電隔離器,解:,選用電流串聯(lián)負反饋電路,所以 Rf=1k,又因為根據(jù)虛斷有,深度負反饋時,7.6.2 設計舉例,例7.6.2 設計一個帶負反饋的光電隔離器的驅動電路。設vs的變化范圍為05V，內阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。,解:,仿真電路,io1與vs的呈線性關系， io1=10-3vs， 放大電路滿足設計要求。,end,7.6.2 設計舉例,例7.6.2 設計一個帶負反饋的光電隔離器的驅動電路。設vs的變化范圍為05V，內阻Rs=500。要求LED的io1=10-3vs(A)。已知運放的Avo=104，Ri=5k，Ro=100。設計后仿真檢驗發(fā)光二極管的電流。,7.7 負反饋放大電路的頻率響應,7.7.2 增益-帶寬積,7.7.1 頻率響應的一般表達式,7.7.1 頻率響應的一般表達式,基本放大電路的高頻響應,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,引入負反饋后，放大電路的通頻帶展寬了,7.7.1 頻率響應的一般表達式,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 負反饋放大電路的穩(wěn)定性,*7.8.2 頻率補償,7.8.1 負反饋放大電路的自激振蕩及 穩(wěn)定工作的條件,7.8.1 負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)生的附加相移達到180，使中頻區(qū)的負反饋在高頻區(qū)或低頻區(qū)變成了正反饋，當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,閉環(huán)增益,7.8.1 負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,當反饋網(wǎng)絡為純電阻網(wǎng)絡時， 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 負反饋放大電路的自激振蕩及穩(wěn)定工作的條件,5. 負反饋放大電路穩(wěn)定性分析,環(huán)路增益的幅頻響應寫為,利用波特圖分析,即該點滿足,7.8.1 負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點在 水平線之下，穩(wěn)定；否則不穩(wěn)定。,或,5. 負反饋放大電路穩(wěn)定性分析,7.8.1 負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. 負反饋放大電路穩(wěn)定性分析,*7.8.2 頻率補償,不作要求,end,