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5.3 负反馈放大电路的方块图及一般表达式

 

 

5.3 负反馈放大电路的方块图及一般表达式

在电子电路设计中,负反馈放大电路由于其提高性能和稳定性的能力而被广泛应用。为了系统地理解和分析各种负反馈电路的共同行为和原理,方块图和一般表达式成为了重要的工具。本节详细讲述如何使用方块图来表示负反馈放大电路,并提供了计算其性能的一般表达式。

5.3.1 负反馈放大电路的方块图表示法

方块图是理解复杂系统的简化方法,它帮助我们可视化电路的不同部分及其互动。下面是负反馈放大电路的标准方块图:

方块图的组成:

  • 基本放大电路:这是负反馈放大电路的主体部分,负责信号的初步放大。在没有反馈的情况下,即独立于反馈网络的负载效应时的放大电路。
  • 反馈网络:这部分包含所有与反馈系数 𝐹F 相关的元件,负责从输出到输入的信号反馈。

方块图中的信号流向:

  • 𝑋𝑖Xi​:输入信号。
  • 𝑋𝑓Xf​:从输出提取的反馈信号。
  • 𝑋𝑖𝑛Xin​:净输入信号,是输入信号和反馈信号的差值。
  • 𝑋𝑜Xo​:输出信号。

在方块图中,输入信号 𝑋𝑖Xi​ 通过基本放大电路传递到输出,而输出信号 𝑋𝑜Xo​ 通过反馈网络影响输入。输入端的圆圈表示信号的叠加点,其中 𝑋𝑖𝑛=𝑋𝑖−𝑋𝑓Xin​=Xi​−Xf​。

数学表达式:

  • 放大倍数 𝐴A:基本放大电路的放大倍数。
  • 反馈系数 𝐹F:描述反馈网络强度的系数。
  • 闭环放大倍数 𝐴𝑐𝑙Acl​:考虑反馈后的总放大倍数,可表示为 𝐴𝑐𝑙=𝐴1+𝐴𝐹Acl​=1+AFA​,其中 𝐴𝐹AF 是环路放大倍数。

应用和示例

这种方块图和相应的数学表达式允许我们分析和设计各种负反馈电路配置,无论是电压串联、电压并联、电流串联还是电流并联负反馈。通过调整 𝐴A 和 𝐹F 的值,我们可以预测电路的行为,优化性能和稳定性。

例如,在高增益应用中,如果 𝐴𝐹AF 很大,则 𝐴𝑐𝑙Acl​ 接近于 1𝐹F1​,意味着系统的放大倍数主要由反馈网络决定,而不是原始的放大器增益。这有助于实现更加稳定和可预测的放大性能,降低外部变化对输出的影响。

通过这种方法,我们可以系统地分析和设计更为复杂和精确的电子放大系统,确保其在各种应用中的高性能和可靠性。

 

5.3.2 四种组态电路的方块图

在负反馈放大电路中,基本放大电路与反馈网络可被视为两端口网络,其不同的连接方式表现为四种基本的反馈组态。这些组态影响电路的功能和性能,具体表现在信号的放大和控制机制上。本节将详细解释这四种反馈组态的方块图及其工作原理。

电压串联负反馈电路

电压串联负反馈电路通过将输出电压部分或全部取回并与输入电压相减,实现信号的放大控制。这种组态主要用于精确控制输出电压,提高电路的稳定性和线性。

  • 输入信号 𝑋𝑖=𝑈𝑖Xi​=Ui​
  • 反馈信号 𝑋𝑓=𝑈𝑓Xf​=Uf​
  • 净输入信号 𝑋𝑖𝑛=𝑈𝑖−𝑈𝑓Xin​=Ui​−Uf​
  • 输出信号 𝑋𝑜=𝑈𝑜Xo​=Uo​

电流串联负反馈电路

在电流串联负反馈电路中,输出电流通过一定的网络转换成电压并反馈,与输入电压进行叠加。该组态适用于电流驱动的应用,如转换器和电流源设计。

  • 输入信号 𝑋𝑖=𝑈𝑖Xi​=Ui​
  • 反馈信号 𝑋𝑓=𝑈𝑓Xf​=Uf​ (从电流转换而来)
  • 净输入信号 𝑋𝑖𝑛=𝑈𝑖−𝑈𝑓Xin​=Ui​−Uf​
  • 输出信号 𝑋𝑜=𝐼𝑜Xo​=Io​

电压并联负反馈电路

电压并联负反馈电路将输出电压转换为电流,并与输入电流叠加。这种组态广泛应用于放大器和电流调制设备,能够将电压信号转换成电流信号。

  • 输入信号 𝑋𝑖=𝐼𝑖Xi​=Ii​
  • 反馈信号 𝑋𝑓=𝐼𝑓Xf​=If​ (从电压转换而来)
  • 净输入信号 𝑋𝑖𝑛=𝐼𝑖−𝐼𝑓Xin​=Ii​−If​
  • 输出信号 𝑋𝑜=𝑈𝑜Xo​=Uo​

电流并联负反馈电路

电流并联负反馈电路直接使用输出电流作为反馈,与输入电流直接叠加。该组态适合于需要精确控制电流输出的电路,如电流放大器和调整器。

  • 输入信号 𝑋𝑖=𝐼𝑖Xi​=Ii​
  • 反馈信号 𝑋𝑓=𝐼𝑓Xf​=If​
  • 净输入信号 𝑋𝑖𝑛=𝐼𝑖−𝐼𝑓Xin​=Ii​−If​
  • 输出信号 𝑋𝑜=𝐼𝑜Xo​=Io​

总结

每种组态的选择取决于所需的控制类型和电路的应用目标。电压串联和电流串联负反馈主要用于增强信号的放大性能,而电压并联和电流并联负反馈则更关注于信号的转换和控制。理解这些基本组态对于设计高性能的电子电路系统至关重要。

 

5.3.3 负反馈放大电路的一般表达式

理解负反馈放大电路的行为和性能是通过对其数学模型的分析来完成的。在本节中,我们将详细探讨负反馈放大电路的一般表达式,并讨论其在实际应用中的意义。

表达式的推导

负反馈放大电路的闭环放大倍数 𝐴𝑐𝑙Acl​ 可以通过以下关系式定义:

这里:

  • 𝐴A 是基本放大电路的开环放大倍数。
  • 𝐹F 是反馈系数。
  • 𝐴𝐹AF 是环路放大倍数,它是放大倍数和反馈系数的乘积。

负反馈的影响

当电路引入负反馈,即 𝐴𝐹>0AF>0 时,闭环放大倍数 𝐴𝑐𝑙Acl​ 将等于开环放大倍数 𝐴A 的 (1+𝐴𝐹)(1+AF) 分之一。这表明,通过引入负反馈,放大倍数减小,但通常增加了系统的稳定性和线性。

正反馈与自激振荡

如果在分析中发现 𝐴𝐹<0AF<0,即 1+𝐴𝐹<11+AF<1,则闭环放大倍数 ∣𝐴𝑐𝑙∣∣Acl​∣ 大于开环放大倍数 ∣𝐴∣∣A∣,这表明电路中引入了正反馈。如果 𝐴𝐹=−1AF=−1,使得 1+𝐴𝐹=01+AF=0,则电路在没有输入的情况下也能产生输出,这种现象称为自激振荡。

深度负反馈

当 1+𝐴𝐹≫11+AF≫1,称为深度负反馈,此时:

这说明放大倍数几乎完全由反馈网络决定,而与基本放大电路的具体性能关系不大。这种情况下,放大倍数的稳定性极高,因为反馈网络常为无源网络,受环境因素如温度的影响较小。

实际应用

在实际应用中,大多数由集成运放构成的负反馈放大电路均满足 1+𝐴𝐹>11+AF>1 的条件,因此在近似分析中通常可以假设 𝐴𝑐𝑙=1𝐹Acl​=F1​,而不必详细求解 𝐴𝑐𝑙Acl​ 的精确值。这简化了设计过程,允许工程师更多地关注电路的其他设计参数。

频率影响

值得注意的是,通常所讨论的负反馈放大电路是针对中频段的情况。当信号频率进入低频或高频段时,由于附加的相移可能导致负反馈放大电路在某些频率上产生正反馈效果,甚至可能引发自激振荡。这些情况将在后续章节中详细讨论。

 

 

 

http://www.lryc.cn/news/2413846.html

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