第七章    反馈放大电路
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第七章 反馈放大电路. 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组. 反馈的基本概念及分类;. 负反馈的四种组态及反馈组态的判断;. 负反馈放大电路的分析方法;. 自激振荡产生的原因及产生条件。. 本章主要内容. 负反馈对放大电路性能的改善;. 7.1 反馈的基本概念与分类. 一 . 反馈的基本概念. 反馈定义. 在电子电路中,将 输出量 (输出电压或输出电流)的 一部分或全部 通过一定的电路形式作用到输入回路, 用来影响其输入量 (放大电路的输入电压或输入电流)的措施(或过程) —— 称为 反馈 。. 对“反馈”概念的理解关键要注意两点:.

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第七章 反馈放大电路

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第七章 反馈放大电路

武汉理工大学

信息工程学院

电子技术基础课程组


6977544

反馈的基本概念及分类;

负反馈的四种组态及反馈组态的判断;

负反馈放大电路的分析方法;

自激振荡产生的原因及产生条件。

本章主要内容

负反馈对放大电路性能的改善;


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7.1 反馈的基本概念与分类

  • 一.反馈的基本概念

  • 反馈定义

在电子电路中,将输出量(输出电压或输出电流)的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路,用来影响其输入量(放大电路的输入电压或输入电流)的措施(或过程)

——称为反馈。


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对“反馈”概念的理解关键要注意两点:

  • (1)在输出端与输入端之间必须建立起通路;

(2)输出量作用回输入端后,必须对输入量产生一定的影响。

  • 把输出端与输入端相连,并有输出量对输入信号产生影响的一定电路形式,常被称为反馈通路。


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反馈的一般方框图:

功能:放大输入信号

基本放大电路的输入量称为净输入量,它不仅决定于输入信号(输入量),还与反馈信号(反馈量)有关。

功能:传输反馈信号


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反馈的分类

(1)根据反馈极性的不同,分为:

  • 正反馈:

反馈信号增强了外加输入信号的作用,使得净输入量增加,最终使AF↑。

  • 负反馈:

反馈信号削弱了外加输入信号的作用,使得净输入量减小,最终使AF↓。


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(2)根据反馈信号本身的交直流性质,分为:

  • 直流反馈:

反馈量中只含有直流量,或者说,只在直流通路中存在的反馈。

  • 交流反馈:

反馈量中只含有交流量,或者说,只在交流通路中存在的反馈。

在很多放大电路中,常常是交、直流反馈都有。


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(3)根据反馈信号在放大电路输出端采样方式的不同,可分为:

  • 电压反馈:

反馈信号取自输出电压。

  • 电流反馈:

反馈信号取自输出电流。


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思考题:

为什么输入回路中以电压形式求和时为串联反馈,以电流形式求和时为并联反馈?

(4)根据反馈信号与输入信号在放大电路输入回路中求和形式的不同,可分为:

  • 串联反馈:

反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和(即反馈信号与输入信号串联)。

  • 并联反馈:

∵串联时电流相等,是电压相加;并联时电压相等,是电流相加。

反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式求和(即反馈信号与输入信号并联)。


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(1)有无反馈的判断

  • 反馈的判断

有反馈

Y:

原则:是否有反馈通路影响净输入量

无反馈

N:

例如:判断下面各电路图中有无反馈?

无反馈

有反馈

无反馈


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(2)交流反馈和直流反馈的判断

  • 采用电容观察法。

  • 反馈通路如果存在隔直电容,就是交流反馈;反馈通路存在旁路电容,则是直流反馈;如果不存在电容,就是交直流反馈。


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例:判断下面各图中引入的是直流反馈还是交流反馈。

交、直流反馈

直流反馈

交流反馈


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(3)反馈极性(即正、负反馈)的判断

  • 采用瞬时极性法来判断。

  • 判断原则:

(a)反馈量与输入量在不同输入端,极性相同→为负反馈;反之,为正反馈。

(b)反馈量与输入量在同一输入端,极性相反→为负反馈;反之,为正反馈。


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例1:判断下面三个电路中各引入了什么极性的反馈?

正反馈

负反馈

负反馈


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例2:分立元件放大电路反馈极性的判断

负反馈


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(4)电压反馈与电流反馈的判断

  • 方法一:假设把输出端交流短路(即令输出电压等于0),观察是否仍有反馈信号。如果反馈信号不存在了,即反馈量为0,则说明是电压反馈;若反馈量不等于0,则说明是电流反馈。

  • 方法二:将负载RL开路(即RL=∞),致使i0=0,从而使iF=0,即由输出引起的反馈信号消失了,可以确定为电流反馈。


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例1:判断下面电路引入的是电压反馈还是电流反馈。

电压反馈


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例2:判断下面电路引入的是电压反馈还是电流反馈。

电流反馈


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(5)串联反馈与并联反馈的判断

  • 判断方法:

(a)反馈量与输入量在不同输入端,对应的是电压求和,说明是串联反馈;

(b)反馈量与输入量在同一输入端,对应的是电流求和,说明是并联反馈;


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(6)本级反馈与级间反馈

  • 本级反馈——反馈只存在于某一级放大器中

  • 级间反馈——反馈存在于两级以上的放大器中

本级反馈

本级反馈

级间反馈


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二.负反馈放大电路的四种组态

电压串联负反馈

电压并联负反馈

电流串联负反馈

电流并联负反馈


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反馈电压:

从输入端看有:

ud = ui -uf

R

u

V

o

+

u

+

V

d

-

u

i

+

R

+

-

u

R

f

A

f

_

1

-

V

电压串联负反馈

因为反馈量与输出电压成比例,所以称电压反馈。

故为串联负反馈。

根据瞬时极性判断是负反馈,所以该电路为电压串联负反馈


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uO

uf

ud(ube)

uO

电压串联负反馈

电压负反馈的特性——稳定输出电压

分立电路电压串联负反馈

稳定过程:

RL

负载变化时,输出电压稳定——输出电阻↓

ui一定


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反馈电流:

从输入端看有:

id = ii -if

i

R

f

f

i

R

d

_

1

u

A

u

i

o

i

1

+

R

L

电压并联负反馈

因为反馈量与输出电压成比例,所以是电压反馈。

故为并联负反馈。

根据瞬时极性判断是负反馈,所以该电路为电压串联负反馈。

VCC_CIRCLE


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  • 电压并联负反馈

分立电路电压并联负反馈

因为反馈电流:

反馈量与输出电压成比例,

所以是电压反馈。

在输入端有

id = ii -if

故为并联负反馈。

根据瞬时极性判断是负反馈,所以该电路为电压串联负反馈


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R

_

1

A

i

+

d

+

i

i

+

u

i

o

o

id = ii -if

R

u

-

L

i

R

i

f

-

f

R

  • 电流并联负反馈

反馈电流:

因为反馈量与输出电流成比例,所以是电流反馈。

又因为在输入端有:

故为并联负反馈。

根据瞬时极性判断是负反馈,所以该电路为电流串联负反馈。


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io(ic2) 

if

id (ib) 

io(ic2) 

_

R

1

A

i

+

+

i

i

d

+

u

i

o

o

R

u

-

L

i

R

i

f

-

f

R

  • 电流并联负反馈

分立电路组成的电流并联负反馈

引入电流负反馈的目的——稳定输出电流

RL 

稳定过程:

负载变化时,输出电流稳定——输出电阻↑


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ud = ui -uf

又因为在输入端有

R

1

+

+

u

+

d

-

i

o

u

+

o

A

R

-

u

_

L

i

+

u

R

-

f

f

-

电流串联负反馈

反馈电压:uf=ioRf

因为反馈量与输出电流成比例,所以是电流反馈。

故为串联负反馈。

根据瞬时极性判断是负反馈,所以该电路为电流串联负反馈


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io 

uf 

ud 

io 

R

1

+

+

u

+

+

d

-

i

A

o

u

_

o

R

-

u

L

i

+

u

R

-

f

f

-

电流串联负反馈

引入电流负反馈的目的——稳定输出电流

RL

稳定过程:

负载变化时,输出电流稳定——输出电阻↑

分立电路组成的电流串联负反馈电路


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三.例题

例题1:试判断下图电路中有哪些反馈支路,各是直流反馈还是交流反馈?


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R

f

_

u

o

A

u

R

1

i

+

例题2:试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。


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R

+V

2

CC

R

_

1

A

u

V

i

+

V

u

O

R

3

R

R

2

4

R

1

_

R

_

3

A1

u

V

A2

i

V

+

u

+

O

R

5

R

6


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例题3:试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈。


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R

1

+

+

u

+

d

-

i

o

u

o

R

-

u

L

i

+

u

R

-

f

f

-

+

A

_


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R

R

2

4

R

1

_

R

_

3

A1

u

V

A2

i

V

+

u

+

O

R

5

R

6


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对于三极管电路:

若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极,则为并联反馈。

若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。


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u-

反馈量

u-

u

输入量

+

_

_

_

_

输入量

u

+

A

A

A

A

反馈量

+

+

+

+

u-

u

+

输入量

输入量

u

u-

+

反馈量

反馈量

对于运放电路:

若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈。

若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈。


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R

+V

2

CC

R

_

1

A

u

V

i

+

V

u

O

R

3

例题4:试判断下列电路中引入的反馈是串联反馈还是并联反馈。


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R

R

2

4

R

1

_

R

_

3

A1

u

V

A2

i

V

+

u

+

O

R

5

R

6


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V

+

CC

R

R

2

2

u

+

A

_

R

1

T

T

2

1

+

R

f

u

i

R

R

1

­

1

I

u

V

s

o

+

V

_

+

V

A

EE

u

_

i

+

R

-

u

R

f

f

1

-

V

例题5:试判断下列电路中的反馈组态。

o

V

解:电压串联负反馈。


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f

R

u

1

_

i

u

o

A

+

例题6:试判断下列电路中的反馈组态。

R

解:电压并联负反馈。


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R

s

+

+

u

d

-

+

+

u

u

i

u

S

+

o

-

R

R

u

L

f

-

R

u

f

-

-

1

+

A

_

信号源对反馈效果的影响

(1)串联反馈

ud = ui -uf

要想反馈效果明显,就要求uf变化能有效引起ud的变化。

所以us应为恒压源,即信号源内阻RS越小越好。


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_

A

i

i

d

+

i

+

R

s

i

i

s

u

f

o

R

R

L

f

u

-

(2)并联反馈

id = ii -if

要想反馈效果明显,就要求if变化能有效引起id的变化。

所以is应为恒流源,即信号源内阻RS越大越好。


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放大:

迭加:

反馈:

7.2 负反馈放大电路的一般表达式

一.负反馈放大电路的一般方框图

二.负反馈放大电路的一般关系


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放大:

+

基本放大电路A

迭加:

反馈:

反馈网络

F

设Xf与Xi同相

负反馈放大器

AF=Xo / Xi

【负反馈放大电路的一般方框图】

A称为开环放大倍数

净输入信号

输入信号

输出信号

反馈信号

F称为反馈系数

AF称为闭环放大倍数


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Xo

AF=Xo / Xi =Xo / (Xd+ Xf)= Xo / ( + XoF)

=

A

A

1

=

1

1+AF

+F

A

闭环放大倍数:


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称为反馈深度

三. 关于反馈深度的讨论

一般负反馈

深度负反馈

正反馈

自激振荡


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7.3 负反馈对放大电路性能的影响

在放大器中引入负反馈

降低了放大倍数

使放大器的某些性能得以改善:

  • 提高增益的稳定性

  • 减少非线性失真

  • 扩展频带

  • 改变输入电阻

  • 改变输出电阻


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一. 提高放大倍数的稳定性

闭环时

只考虑幅值有

即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍

另一方面:

在深度负反馈条件下

即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时,闭环增益将有很高的稳定性。


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ui

ui

uo

uo

A

ud

uo

+

A

uf

F

二. 改善放大电路的非线性失真

加反馈前

失真

加反馈后

改善


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20lg|A|(dB)

Am

Amf

0

F(Hz)

fLf

fL

fH

fHf

三.扩展放大器的通频带

  • 放大电路加入负反馈后,增益下降,但通频带却加宽了。

无反馈时放大器的通频带: fbw= f H-fL f H

有反馈时放大器的通频带: fbwf= f Hf-fLf f Hf

可以证明:fbwf = (1+AF) fbw

放大器的一个重要特性:增益与通频带之积为常数。

即:Amf× fbwf= Am× fbw


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四.负反馈对输入电阻的影响

  • (1) 串联负反馈使输入电阻增加

无反馈时:

有反馈时:


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(2)并联负反馈使输入电阻减小

无反馈时:

有反馈时:


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五.负反馈对输出电阻的影响

  • 电压负反馈→稳定输出电压(当负载变化时)→恒压源→输出电阻小。

(1) 电压负反馈使输出电阻减小

(2) 电流负反馈使输出电阻提高

电流负反馈→稳定输出电流(当负载变化时)→恒流源→输出电阻大。


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为改善性能引入负反馈的一般原则

引直流负反馈

  • 要稳定直流量——

引交流负反馈

  • 要稳定交流量——

引电压负反馈

  • 要稳定输出电压——

引电流负反馈

  • 要稳定输出电流——

引串联负反馈

  • 要增大输入电阻——

引并联负反馈

  • 要减小输入电阻——


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举例:在下面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。


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(2)希望接入负载后,输出电压UO基本稳定。


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(3)希望输入端向信号源索取的电流小。


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(4)希望稳定静态工作点。

解:以上两种反馈都同时具有交、直流反馈,所以能够稳定静态工作点。

如果要求只引入直流负反馈,去除交流反馈。怎样接?


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7.4 负反馈放大电路的计算

本节重点讨论深度负反馈条件下的近似计算

一. 估算电压增益

1. 估算的依据

深度负反馈:

方法一:

即,深度负反馈条件下,闭环增益只与反馈系数有关。


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方法二:

根据

代入上式

即:输入量近似等于反馈量

净输入量近似等于零

由此可得深度负反馈条件下,基本放大电路“虚短”、“虚断”的概念


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+

A

_

+

+

A

+

u

_

d

-

u

+

i

R

u

f

R

f

-

-

1

R

i

f

f

u

i

i

i

i+

i

i

i-

“虚短”与“虚断”

深度负反馈条件下:Xd=Xi-Xf≈0

(1)“虚短”——ud≈0

u+=u-(运放电路)

ue=ub(三极管电路)

(2)“虚断”——id≈0

ii+=ii-=0(运放电路)

ib=0(三极管电路)


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(1)电压串联负反馈

2. 举例

例1.分立电路电压串联负反馈

解:用方法一

求闭环电压放大倍数:

求反馈系数:


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R

V

u

+

o

u

+

V

d

-

u

i

+

+

A

R

_

-

u

R

f

f

1

-

V

例2.运放组成的电压串联负反馈电路

解:用方法二

利用虚短和虚断的概念得知

闭环电压增益


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(2)电流并联负反馈

例1.分立电路电流并联负反馈

解:用方法一。

反馈系数:

闭环增益

闭环电压增益


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R

_

1

A

i

+

+

i

d

+

i

i

u

o

o

-

R

u

L

i

R

i

f

-

f

R

例2. 运放组成的电流并联负反馈放大电路

解:用方法二。

利用虚短和虚断可知

ui=ii R1 ii=if

闭环电压增益:


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反馈系数:

(3)电压并联负反馈

例1.分立电路电压并联负反馈

解:用方法一。

闭环增益

闭环电压增益


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i

R

f

f

i

R

d

_

1

u

A

u

i

o

i

1

+

R

L

例2.运放组成的电压并联负反馈

利用虚短和虚断可知

u+=u-=0

VCC_CIRCLE

ii=if

VCC_CIRCLE


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(4)电流串联负反馈

例1. 分立元件组成的电流串联负反馈

解:用方法一。

反馈系数:

闭环增益

闭环电压增益

由第3章知,该电路闭环电压增益:


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R

_

V

+

V

A

+

u

i

i

o

R

L

+

-

+

-

u

u

R

O

f

1

-

V

例2.运放组成的电流串联负反馈

解:用方法二

利用虚短和虚断可知:

闭环电压增益:


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二. 估算输入输出电阻

在深度负反馈条件下:

注:表中的输入、输出电阻均指反馈环中的输入、输出电阻。


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Rif=∞

举例

(1)电压串联负反馈

Rif=Rb1

ROf=0


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Rif=0

(2)电压并联负反馈

Rif=RS

ROf=0


6977544

Rif=0

ROf=∞

(3)电流并联负反馈

Rif=RS

ROf=RC2


6977544

求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。


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求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。


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7.5 负反馈放大电路的自激振荡及消除方法

一. 产生自激振荡的原因及条件

1. 自激振荡现象

在不加输入信号的情况下,放大电路仍会产生一定频率的信号输出。


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+

基本放大电路A

×

反馈网络

F

2. 产生自激振荡的原因

为负反馈。

中频时:

高频或低频时,放大器产生的附加相移达到180°时:

变为正反馈。

此时,若满足

则Xi=0,仍会有输出信号。


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+

基本放大电路A

×

反馈网络

F

自激振荡条件:

幅值条件

相位条件(附加相移)

3. 自激振荡的条件

由以上分析知:

分解为幅值条件与相位条件:


6977544

本章小结

1.将电子系统输出回路的电量(电压或电流),以一定的方式送回到输入回路的过程称为反馈。

2.电路中常用的负反馈有四种组态:电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈和电流并联负反馈。可以通过观察法,输出短路法和瞬时极性法等方法判断电路反馈类型。


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3.负反馈电路的四种不同组态可以统一用方框图加以表示,其闭环增益的表达式为:

本章小结

4.负反馈可以全面改善放大电路的性能,包括:提高放大倍数的稳定性,减小非线性失真,抑制噪声,扩展频带,改变输入、输出电阻等。


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5.在深负反馈条件下,可用 或“虚短” “虚断”法估算电路的闭环增益。

本章小结

6.负反馈电路的反馈深度如果过大,将有可能产生自激振荡。可以采用频率补偿技术消除自激振荡。但这样会使电路的频带变窄。


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5.在深负反馈条件下,可用 或“虚短” “虚断”法估算电路的闭环增益。

本章小结

6.负反馈电路的反馈深度如果过大,将有可能产生自激振荡。可以采用频率补偿技术消除自激振荡。但这样会使电路的频带变窄。


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