测试与分析负反馈放大电路， 论负反馈电路放大效率

在实用放大电路中，几乎都要引入这样或那样的反馈，以改善放大电路某些方面的性能。因此，掌握反馈的基本概念及判断方法是硏究实用放大电路的基础。

（1）判断放大电路中反馈的类型。

（2）通过测量放大电路的输入电阻、输出电阻，并用示波器观察输出电压波形，加深理解负反馈对放大电路的影响。

任务要求

按测试步骤完成所有测试内容，并对测试波形进行比较分析。

测试环境

双直流稳压电源一台，双踪示波器一台，函数信号发生器一台，万用表一只，面包板一块，三极管等元器件若干。

测试电路

负反馈放大电路如图3-22所示。图3-22中，VT1、VT2为三极管9013。

图3-22　负反馈放大电路

测试步骤

（1）按照图3-22在面包板上接好电路。

（2）测量负反馈对电压放大倍数的影响。

①输入端接入频率为f=1kHz的正弦波交流信号。

一般采用加衰减的方法，图3-22中电阻R1（5.1kΩ）和电阻R2（51Ω）组成衰减器，即信号源用一个较大的信号。例如，在A 端输入100mV 经衰减后B 端输出1mV。

开环电路：RF不接入电路中。

闭环电路：RF接入电路中。

②当电路开环（RL=∞）时，调节输入信号使输出波形最大不失真，测出此时的ui（ui=us/100）。将结果填入表3-2中。

③保持输入信号不变，按表3-2中的数据要求，测量出其他情况下的uo值，并将结果填入表3-2中。

表3-2　测量结果

（3）负反馈对输入、输出电阻的影响。

①输入电阻。在信号源与放大电路间串接5.1kΩ 的电阻Rs（注意即R1、R2不接入电路），接入f=1kHz的正弦波信号，并用示波器观察输出波形，调节输入信号us幅值，使输出uo最大不失真，分别测量开环、闭环时的us、ui，并推导出输入电阻，将测量和计算结果填入表3-3中。

表3-3　测量和计算结果

②输出电阻。在A 端接入f=1kHz的正弦波交流信号，在输出端接入5.1kΩ 电阻作为负载，调节合适的输入信号幅值，使放大器的输出波形不失真（接示波器观察），分别测量开环和闭环时接上负载RL时的电压uo及空载时的电压uoL。

按表3-4中要求测量并填写。

表3-4　测量结果

（4）负反馈对频率特性的影响。

①将电路开环，选择适当幅度（频率为1kHz的正弦波交流信号）使输出信号在示波器上有满幅的正弦波显示。

②保持输入信号幅度不变逐步增加或减少频率，直至波形减少为原来的70%，此时的信号频率即为放大器fH或fL。

③将电路闭环，重复步骤①、②，将结果填入表3-5中。

表3-5　测量结果

（5）负反馈对失真的改善作用。

①将电路开环，逐步加大幅值，使输出信号出现失真（但不要过分失真），记录失真波形的幅值：ui= _________，uo= _________。

②保持步骤①中的ui不变，电路接成闭环，此时输出uo波形_________（失真/不失真）。

一、反馈的基本概念和判断方法

（一）反馈的基本概念

将放大电路输出端的信号，通过一定的电路形式返回放大电路的输入端，称为反馈。放大电路不加反馈电路的状态称为开环状态，引入反馈后，整个系统构成闭环系统。反馈放大电路由基本放大器和反馈网络组成，其结构方框图如图3-23所示。

图3-23中，放大电路的输入量、输出量、反馈量分别记为Xi、Xo、Xf。引入反馈后，放大路的输入端同时受输入信号和反馈信号的作用，Xi与Xf比较后得到信号为净输入量，记为Xd。设放大电路的开环放大倍数为A、闭环放大倍数为Af、反馈系数为F，则可得到以下关系。

图3-23　反馈放大电路的结构方框图

开环放大倍数为

闭环放大倍数为

反馈系数为

将以上几个公式进行整理，可得：

式中，｜1+AF｜为反馈深度。

引入反馈后，电路可根据输出信号的变化控制基本放大电路的净输入信号的大小，从而自动调节放大电路的放大过程，以改善放大电路的性能。

（二）反馈的类型与判断

反馈可以从不同的角度进行分类：按反馈的极性，可分为正反馈和负反馈；按反馈信号与输出信号的关系，可分为电压反馈和电流反馈；按反馈信号与输入信号的关系，可分为串联反馈和并联反馈；按反馈信号的成分，可分为直流反馈和交流反馈。

1.正反馈与负反馈

根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈；使放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。由于反馈的结果影响了净输入量，因此必然影响输出量。所以，根据输出量的变化也可以区分反馈的极性，反馈的结果使输出量的变化增大时即为正反馈，使输出量的变化减小时即为负反馈。

显然，对于负反馈，反馈深度｜1+AF｜＞1，对于正反馈，反馈深度｜1+AF｜＜1。通常采用瞬时极性法来判断反馈的正负。判断方法是：首先假定输入信号在某一瞬时对地的极性；然后再根据各级输入、输出之间的相位关系，依次推断各相关点所呈现的瞬时极性，用（+）或（↑）表示升高，用（-）或（↓）表示降低，从而得出输出信号的极性；最后根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性。如果反馈使净输入信号增强则为正反馈；反之，使净输入信号减弱则为负反馈。

在图3-24（a）中，假设输入电压ui的瞬时极性对地为正，即集成运放反相输入端电位对地为正，因此输出uo极性为负，则反馈信号uf极性为负。所以使集成运放的净输入电压uid=us-uf数值增大，说明电路引入正反馈。

图3-24　反馈极性的判断

图3-24（b）所示为分立元件放大电路，假设输入电压ui的瞬时极性对地为正，输入电流ii如图3-24（b）中所标，第一级为共射极放大电路，则VT1的集电极与输入电压ui反相，极性为负；第二级仍为共射极放大电路，VT2的基极极性为负，发射极与基极同相，极性为负，反馈电流如图3-24（b）中所标。因此使净输入电流iid=ii-if数值减小，说明电路引入负反馈。

2.直流反馈与交流反馈

直流通路中存在的反馈称为直流反馈；交流通路中存在的反馈称为交流反馈。可以通过反馈信号的成分，判断是直流反馈还是交流反馈。

在图3-25（a）中，由于电容C 的接入，能将输出信号传送到输入端的只有交流成分，因此是交流反馈。再分析图3-25（b），显然uf2因CE的作用，只含有直流成分，而uf1交、直流成分都有。所以，电阻R2引入的是直流反馈；而R1引入的是交、直流反馈。

图3-25　直流反馈与交流反馈的判断

3.电流反馈与电压反馈

一般来说，根据反馈信号与输出信号关系的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出端电压，称为电压反馈；如果反馈信号取自输出端电流，称为电流反馈。通常，假设负反馈放大电路输出电压uo为零，若反馈量也随之为零，则说明电路中引入了电压负反馈，若反馈量依然存在，则说明电路中引入了电流负反馈。

图3-26（a）所示电路引入了交流负反馈，输入电流iI与反馈电流iF如图3-26（a）中所标注。令输出电压uO=0，即将集成运放的输出端接地，便得到图3-26（b）所示电路。此时，虽然反馈电阻Rf中仍有电流，但那是输入电流iI作用的结果，而因为输出电压uO为零，所以它在Rf中产生的电流（即反馈电流）也必然为零，故电路中引入的是电压反馈。

图3-26　电流反馈与电压反馈的判断（1）

通过判断可知，图3-27（a）所示电路中引入了交流负反馈，各支路电流如图3-27（a）中所标注。令输出电压uO=0，即将负载电阻RL两端短路，便得到如图3-27（b）所示的电路。因为输出电流iO仅受集成运放输入信号的控制，所以即使RL短路，iO也并不为零；又因为反馈电流iF与iO的关系不变，说明反馈量依然存在，所以电路中引入的是电流反馈。

在判断电压反馈与电流反馈时，应当特别注意，反馈量仅决定于输出量，而由输入量直接作用所产生的电流（电压）不是反馈量。

图3-27　电流反馈与电压反馈的判断（2）

4.串联反馈与并联反馈(www.xing528.com)

串联反馈与并联反馈是按照反馈信号在输入端与输入信号相连接的方式不同来分类的。如果反馈信号与输入信号在输入回路中串联相接，则称为串联反馈；如果反馈信号与输入信号在输入回路中并联相接，则称为并联反馈。

（1）串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈信号电压与输入信号电压比较，如图3-25（a）所示。

（2）并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较，如图3-25（b）所示。

判断方法是：观察外加输入信号与反馈信号是否为同一端口，是同一端口的为并联反馈；否则为串联反馈。如图3-25（a）所示，输入信号加在集成运放的反相输入端，反馈信号接在集成运放的同相输入端，不在同一个端口上，所以是串联反馈；如图3-25（b）所示，输入信号与反馈信号都在同一个端口基极上，所以是并联反馈。

图3-28　例3-2电路图

【例3-2】试分析图3-28 所示电路中有无引入反馈。若有反馈，则说明引入的是直流反馈还是交流反馈，是正反馈还是负反馈。若为交流负反馈，则说明反馈的组态。

解：观察电路，R2将输出回路与输入回路相连接，因而电路引入了反馈。无论在直流通路中，还是在交流通路中，R2形成的反馈通路均存在，因此电路中既引入了直流反馈，又引入了交流反馈。

设输入电压uI对地为 “+”，集成运放的输出端电位（即晶体管VT 的基极电位）为 “+”，因此集电极电流（即输出电流iO）的流向如图3-28所示。iO通过R3和R2所在的支路分流，在R1上获得反馈电压uF，uF的极性为上 “+”、下 “-”，使集成运放的净输入电压uD减小，故电路中引入的是负反馈。

根据uI和uF的关系，说明电路引入的是串联反馈。令输出电压uO=0，即将RL短路，因为iO仅受iB的控制而依然存在，uF和uD的关系不变，所以电路中引入的是电流反馈。因此，电路中引入了电流串联负反馈。

二、负反馈对放大电路性能的影响

放大电路中引入交流负反馈后，其性能会得到多方面的改善。例如，可以稳定放大倍数、改变输入电阻和输出电阻、展宽频带、减小非线性失真等。下面进行具体说明。

（一）提高了放大倍数的稳定性

放大器的放大倍数可能因为元件老化、电源电压的波动、负载大小变化、环境温度变化等原因而不稳定。在放大器中引入负反馈后，虽然降低了放大器的放大倍数，但却可以提高放大倍数的稳定性。

即

在负反馈放大电路中，反馈深度｜1+AF｜≫1时的反馈，称为深度负反馈。此时，由于｜1+AF｜≈AF，因此有

说明放大倍数只与反馈网络有关，与放大电路几乎无关。

（二）对放大电路输入、输出电阻的影响

在放大电路中引入不同组态的交流负反馈，将对输入电阻和输出电阻产生不同的影响。

1.对输入电阻的影响

输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而负反馈对输入电阻的影响，取决于基本放大电路与反馈网络在电路输入端的连接方式，即电路引入的是串联反馈还是并联反馈。

（1）串联负反馈增大输入电阻。

由于负反馈网络与基本放大器串联，因此使放大器的输入电阻增大。根据推算，串联负反馈时，Rif=（1+AF）Ri。

（2）并联负反馈使输入电阻减小。

由于负反馈网络与基本放大器并联，因此使得放大器的输入电阻减小。根据推算，并联负反馈时，Rif=Ri/（1+AF）。

2.对输出电阻的影响

输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因而负反馈对输出电阻的影响取决于基本放大电路与反馈网络在放大电路输出端的连接方式，即取决于电路引入的是电压反馈还是电流反馈。

（1）电压负反馈使输出电阻减小。

电压负反馈的作用是稳定输出电压，必然使放大器的输出电阻减小。根据推算，电压负反馈时，Rof=Ro/（1+AF）。

（2）电流负反馈使输出电阻增大。

电流负反馈的作用是稳定输出电流，必然使放大器的输出电阻增大。增大情况与具体电路有关。

（三）展宽频带

由于引入负反馈后，各种原因引起的放大倍数的变化都将减小，当然也包括因信号频率变化而引起的放大倍数的变化，因此其效果是展宽了通频带，如图3-29所示中的②。图3-29中，fL和fH分别表示负反馈引入前的下限频率和上限频率，fLF和fHF分别表示引入负反馈后的下限频率和上限频率。

图3-29　引入负反馈通频带的变化图

根据分析，引入负反馈后，放大器的下限频率由无负反馈时的fL下降为fL/（1+AF）；而上限频率由无负反馈时的fH上升到（1+AF）fH。放大器的通频带得到展宽，展宽后的通频带约是未引入负反馈时的（1+AF）倍。

（四）减小非线性失真

对于理想的放大电路，其输出信号与输入信号应呈线性关系。但由于放大电路中存在着三极管等非线性器件，当输入的是幅值较大的正弦波时，输出的却往往不是正弦波产生的非线性波形失真。因此输入的正弦波在输出端输出时，变成了正半周幅度大、负半周幅度小的失真波形。引入负反馈可以减小非线性失真。

图3-30（a）所示为负反馈减小非线性失真的示意图。如果在放大电路中引入负反馈，则反馈信号Xf与Xo的失真情况一致，反馈到输入端。这样，反馈信号Xf与原输入信号Xi在输入端叠加，产生的净输入信号Xi′=Xi-Xf，就会是前半周小、后半周大的波形，如图3-30（b）所示。然后净输入信号经基本放大电路放大后，与 “前半周大、后半周小”的失真信号相互补偿，结果可使输出的波形正负半周幅度趋于一致，从而使非线性失真减小。

图3-30　负反馈减小非线性失真

这里应当说明的是，对于产生于电路内部的非线性失真，引入负反馈才能抑制。由于非线性信号混入输入量或外界干扰信号引起的失真，因此引入负反馈并不起作用，需采取其他方法才能解决。而且，负反馈只能“减小”而不能“完全消除”非线性失真。