负反馈对放大器性能的改善分析

知识储备

1.负反馈对放大电路性能的影响

负反馈虽然使放大电路的放大倍数下降，却从多方面改善了放大电路的性能，如提高放大电路放大倍数的稳定性、减小非线性失真、扩展频带、改变输入、输出电阻等。下面分别加以讨论。

1）提高放大倍数（增益）的稳定性

电源电压的变化、负载的变化、环境温度的改变和元器件的老化或更换所引起电路元器件参数的变化，都会导致放大电路放大倍数的改变。而在深度负反馈条件下，采用性能比较稳定的无源线性元件组成反馈网络，闭环放大倍数就比较稳定。下面分析一般情况下负反馈使放大倍数稳定的程度，它可用引入负反馈前后放大倍数的相对变化量之间的关系来表示。

为了使分析简化，设信号的频率为中频，反馈网络是电阻网络，则开环放大倍数、反馈系数、闭环放大倍数均为实数，分别用A、F、Af表示。此时，闭环增益的一般表达式就化为

假设由于某种原因使开环放大倍数由A变为A+ΔA，其变化量为ΔA，相对变化量为ΔA/A。它将引起闭环放大倍数由Af变为Af+ΔAf，变化量为ΔAf，相对变化量为ΔAf/Af。在F不变时，有

不难得到

上式表明，引入负反馈后，放大倍数的相对变化量ΔAf/Af是未加反馈时放大倍数相对变化量ΔA/A的1/（1+AF））倍。也就是说，负反馈使放大倍数降低为1/（1+AF），但放大倍数的稳定性却提高了1+AF倍。例如，某放大电路的Au=1 000，若温度上升30 ℃时Au变为1 100，即相对变化量ΔA/A=10%。现引入电压串联负反馈，Fu=0.099，则电压放大倍数Af=10，温度上升30 ℃时ΔAuf/Auf=0.1%，即Auf只从10升到10.01，变化很小。

值得注意的是，负反馈只能减小由基本放大器引起的放大倍数变化量，而对反馈系数的变化引起的放大倍数变化量就无能为力了。此外，对于不同组态的负反馈放大电路，稳定的效果也是不同的。

2）减小非线性失真

由于电路中存在非线性器件，所以或多或少地总存在一定的非线性失真，即输入信号为正弦波时，输出信号已经不是正弦波了。引入负反馈能减小非线性失真，下面以图3.15所示的电压串联负反馈放大电路为例加以说明。

图3.15　负反馈减小非线性失真示意图

（a）基本放大器的非线性失真；（b）负反馈减小非线性失真

值得注意的是，负反馈只能减小反馈环内所产生的失真，而对于输入信号本身存在的失真，负反馈是无能为力的。

3）扩展频带

基本放大器在高频区（若是RC耦合的还包括低频区）的增益将减小，这可理解为因工作频率变化而引起增益的变化。引入负反馈后，由于负反馈能稳定增益，因此对于工作频率不同引起的增益变化，它也有稳定的作用。这样，原来使增益下降3 dB的频率，加负反馈后下降不到3 dB了，也就是频带展宽了。在深度负反馈条件下，如果反馈网络由电阻构成，则增益近似为一常数，这可理解为频带展宽很多。频带的展宽，意味着频率失真的减小，因此负反馈能减小频率失真。

设基本放大器的上限截止频率为fH，带宽fbw。引入负反馈后的上限截止频率为fHf，带宽为fbwf。对于单极点的电路（指其等效电路只有一个RC回路），可以证明

故

又

因此，引入负反馈前后的增益带宽积为一常数。负反馈使电路的频带展宽为原来的1+AF倍的同时，却付出了增益下降为原来的1/（1+AF）的代价。注意，对于多极点的电路（指其等效电路含有几个RC回路），由于增益带宽积不再为常数，上述结论不成立。但无论是哪一种电路，负反馈越深，增益下降就越多，频带也越宽。

4）改变输入电阻和输出电阻

放大电路引入负反馈后，其输入输出电阻都要发生变化。下面在分析负反馈放大电路的输入电阻和输出电阻时，设工作频率为中频，所以各个量均不用复数符号。

（1）对输入电阻的影响。

负反馈对输入电阻的影响取决于放大电路输入端的连接方式，即是串联反馈还是并联反馈，而与输出端的连接方式无关。

在串联负反馈中，由于反馈网络和基本放大器是串联的，输入电阻的增大是不难理解的。由图3.13（b）或（d）可求得串联负反馈放大电路的输入电阻为

由式（3.19）可知，与基本放大器相比，引入串联负反馈后，电路的输入电阻增大为原来的1+AF倍。

在并联负反馈中，由于反馈网络和基本放大器是并联的，因此势必造成输入电阻的减小。由图3.13（a）或（c）可求得并联负反馈放大电路的输入电阻为

由式（3.20）可知，与基本放大器相比，引入并联负反馈后，电路的输入电阻减小为原来的1/（1+AF）。

（2）对输出电阻的影响。

负反馈对输出电阻的影响取决于放大电路输出端的连接方式，即是电压反馈还是电流反馈，而与输入端的连接方式无关。

电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即当负载变化时，输出电压的变化很小，这意味着电压负反馈放大电路的输出电阻减小了。若基本放大器的输出电阻为ro，可以证明，电压负反馈放大电路的输出电阻为

因此，与基本放大器相比，电压负反馈使电路的输出电阻减小为原来的1/（1+A′F）。

由于电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即当负载变化时，输出电流的变化很小，这意味着电流负反馈放大电路的输出电阻增大了。若基本放大器的输出电阻为ro，可以证明，电流负反馈放大电路的输出电阻为

因此，与基本放大器相比，流负电反馈使电路的输出电阻增大到原来的1+A″F倍。

2.引入负反馈的一般原则

放大电路引入负反馈后能改善它的性能，并且不同组态的负反馈放大电路具有不同的特点，因此可以得到引入负反馈的一般原则。

（1）要稳定直流量（如静态工作点），应引入直流负反馈。

（2）要改善交流性能（如放大倍数、频带、失真、输入和输出电阻等），应引入交流负反馈。

（3）要稳定输出电压，或减小输出电阻，应引入电压负反馈；要稳定输出电流，或提高输出电阻，应引入电流负反馈。

（4）要提高输入电阻，或减小放大电路向信号源索取的电流，应引入串联负反馈；要减小输入电阻，应引入并联负反馈。

（5）要使反馈效果好，在信号源为电压源时应引入串联负反馈，在信号源为电流源时应引入并联负反馈。

例3.2　在图3.16所示电路中，为了实现下述的性能要求，各应引入何种类型的负反馈？将结果画在电路上。

（1）希望us=0时，元件参数的改变对末级的集电极电流影响小。

（2）希望输入电阻较大。

（3）希望输出电阻较小。

（4）希望接上负载后，电压放大倍数基本不变。

（5）希望信号源为电流源时，反馈的效果比较好。

解 假设iu瞬时极性为（+），根据信号传输的途径，依次标出有关各处相应的瞬时极性，如图3.16所示。可以看出，只有从VT3集电极通过f1R引到VT1发射极的反馈通路（用①表示）和从VT3发射极通过f2R引到VT1基极的反馈通路（用②表示）才是负反馈。不难判断，前者为电压串联负反馈，后者为电流并联负反馈。这是跨级负反馈，由于反馈通路只由电阻构成，所以它们是交、直流负反馈。

图3.16　例3.2电路

（1）希望us=0时，元件参数的改变对末级的集电极电流影响小，可引入直流电流负反馈，如图3.16中②所示。

（2）希望输入电阻较大，可引入串联负反馈，如图3.16中①所示。

（3）希望输出电阻较小，可引入电压负反馈，如图3.16中①所示。

（4）希望接上负载后，电压放大倍数基本不变，可引入电压串联负反馈，如图3.16中①所示。

（5）希望信号源为电流源时，反馈的效果比较好，可引入并联负反馈，如图3.16中②所示。

图3.17　负反馈放大电路的方框图

3.深度负反馈放大器放大倍数的分析

1）负反馈放大电路的方框图

从图3.17可知，基本放大器只能正向传输，而反馈网络只能反向传输，这两点称为单向化条件。在实际电路中，由于基本放大器的寄生反馈和反馈网络的直通作用很小，它们可忽略，所以单向化条件近似成立。

基本放大器为一开环放大器，由图3.17得到它的放大倍数为

表3.2　4种组态的负反馈放大电路比较

2）负反馈放大电路的一般表达式

由图3.17可得

4.深度负反馈情况下的闭环增益

一般来说，电路理论和线性网络的分析理论也可以用于负反馈放大器的计算，因为负反馈放大器也是一种线性网络，只不过是有源的，并带有反馈回路而已。但是，当电路比较复杂时，此类方法的计算量太大，很不方便，因此很少采用。

由于集成运算放大器等各类具有高增益的模拟集成电路的出现，在实际运用中，负反馈放大器往往满足深度负反馈的条件，同时引入深度负反馈也是改善放大器性能所必需的，因此这里只讨论深度负反馈放大器的计算。

对于图3.17，在深度负反馈情况下，放大器闭环增益近似为

如图3.17所示，由于深度负反馈情况下放大器实际净输入信号近似为0（但不绝对等于0），这就意味着净输入电压或净输入电流近似为0，同时与净输入电压相对应的输入电流和与净输入电流相对应的输入电压也近似为0，即不管是串联反馈还是并联反馈，基本放大器的实际输入电压和电流均可认为近似等于0。因此，从电压的角度来看，由于基本放大器的输入电压近似为0，即近似为短路，这种情况称为“虚短”（并非真正短路）；而从电流的角度来看，由于基本放大器的输入电流近似为0，即近似为开路，这种情况称为“虚断”（并非真正开路）。

利用“虚短”和“虚断”的概念为深度负反馈放大器的分析和计算带来了极大的方便。具体方法是，在求解反馈放大器外电路各电压及相互间的关系时，可将基本放大器输入端开路。这就完全回避了对基本放大器本身进行的复杂分析和计算，而只要对较简单的外电路进行分析和计算即可。(www.xing528.com)

知识拓展

负反馈的应用非常广泛，在很多实用电路中都引入了负反馈来改善电路的工作性能。例如，在稳态电路中，硅稳压管稳压电路简单，但受稳压管最大稳定电流的限制，负载电流不能太大。另外，输出电压不可调且稳定性也不够理想。若要获得稳定性高且连续可调的输出直流电压，可以采用由三极管或集成运算放大器所组成的串联型直流稳压电路。下面来分析串联型直流稳压电路的特性。

1.串联型稳压电路的组成

串联型直流稳压电路的基本原理如图3.18中虚线框所示，一般由四部分组成，即取样电路、基准电压、比较放大电路和调整元件，各组成部分作用如下。

（1）由R1、RP、R2组成取样电路。它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压Uf送到比较放大管的基极；取样电阻要选择合适，否则太大会导致控制灵敏度下降，太小会使带负载能力减弱。

（2）基准电压。它由稳压二极管VDZ和电阻R3构成的稳压电路组成，为比较放大管的发射极提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整、比较的标准。R3为限流电阻，保证VDZ有一个合适的工作电流。

图3.18　串联型稳压电路

设VT发射结电压U可以忽略，则

或

调节电位器RP即可改变输出电压Uo的大小，但Uo必定大于UZ。

（3）比较放大电路。它由VT2和R4构成的直流放大电路组成，其作用是将取样电压Uf与基准电压UZ之差放大后去控制调整管VT1。

（4）调整元件由工作在线性放大区的调整管VT1组成。VT1的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集-射极电压UCE1改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。调整管VT1与负载串联，又工作在线性放大状态，故称此电路为串联型线性稳压电路。

2.串联型线性稳压电路的工作原理

当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时，取样电压Uf相应增大，使VT2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，VT2管的集电极电位UC2下降，因此VT1管的基极电流IB1下降，IC1下降，UCE1增加，Uo下降，从而使Uo保持基本稳定。这一自动调压过程可以表示如下：

同理，当Ui或Io变化使Uo降低时调整过程相反，UCE1将减小，使Uo保持基本不变。由此可以看出，稳压的过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程，所以又把该电路称为串联负反馈稳压电路。项目1分析的78××、79××系列等集成三端稳压器就是集成的串联型稳压电路。

串联型稳压电源的调整管工作在线性放大区，通常集电极、发射极电压在3 V以上，因此管耗大（PCM=UCEIC），电源效率较低（40%～60%）。为了克服上述缺点和提高输出电压范围，可采用开关稳压电源，使调整管工作在开关状态，即调整管工作在饱和和截止两种状态。饱和时趋近于0 V，截止时趋近于0 A，大大地减小了功耗，电源效率可以提高到80%～90%。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其他电子设备中，它的主要缺点是输出电压纹波较大，电路比较复杂。

自测习题

自测习题答案

1.选择

（1）若要降低某放大器的输入电阻和输出电阻，可加入（　　）负反馈。

A. 电流串联　B. 电压串联　C. 电流并联　D. 电压并联

（2）为了实现下列目的，应引入：A. 直流负反馈；B. 交流负反馈。

① 为了稳定静态工作点，应引入（　　）。

② 为了稳定放大倍数，应引入（　　）。

③ 为了改变输入电阻和输出电阻，应引入（　　）。

2.填空

引入负反馈后，放大倍数________（增大、减小），放大倍数的稳定性________（提高、衰退）；串联负反馈使得输入电阻________（增大、减小），电压负反馈使得输出电阻________（增大、减小）；负反馈使得通频带________（变宽、变窄）。

3.分析

在题3图所示的放大器中按要求引入适当的反馈。

（1）希望加入信号后，IC3的数值基本不受R6改变的影响。

（2）希望接入负载后，输出电压Uo基本稳定。

（3）希望输入端向信号源索取的电流小。

题3图