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2019年东南大学电子信息工程5-4负反馈放大电路的稳定性分析及频率补偿.ppt

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电压反馈运算放大器的稳定性分析及补偿技术

电压反馈运算放大器的稳定性分析及补偿技术

电压反馈运算放大器的稳定性分析及补偿技术1，介绍:电压反馈放大器(VFA)已经有60年的历史，但从第一天起，对电路的设计仍存在问题。

反馈系统是易变的和精密的，但总有不稳定的趋势。

运算放大器电路结构使用了一个高增益放大器，它的参数取决于外部的反馈元件，如果没有反馈元件，放大器的增益非常高。

最轻微的输入信号都会使输出饱合。

运放是一个通用元件，所以这个结构的研究要很细致，但结果在很多电压反馈电路中都是可用的。

电流反馈放大器(CFA)很象电压反馈放大器(VFA)，但其间的差异很重要，在隔离反馈系统中应用时要确保CFA在掌控之中。

稳定性作为电子电路中的术语，常定义为实现无振荡状态，这是一个不准确不恰当的定义词汇。

稳定性是个相对概念，而其饱合使人们不易处理，因为相对地评判已经用尽，它很容易在一个电路之间画一条线，是振荡还是不振荡。

所以我们能了解为什么一些人相信振荡是稳定和不稳定之间的一条边界线。

反馈电路展示出一个拙劣的相位响应，过冲及振荡之前的振铃。

这些现象在电路设计时都要考虑到，而且是不希望有的。

本文不去涉及振荡器，于是相对的稳定性定义为一项性能。

根据此定义，当设计师决定在可接受的相对稳定的电路中有些折衷，相对的稳定性的测量是阻尼的比例(ζ)阻尼比的细节讨论见参考文件1。

阻尼比相对于相位移动是另一个稳定性的测量标准。

多数稳定电路都有较长的响应时间，低的带宽，高的精度及少的过冲。

欠稳定的电路有最快的响应时间，最高的带宽，低的精度及一些过冲。

放大器由有源元件诸如晶体管一类组成。

合适的晶体管参数象晶体管增益，提供一个漂移及初始的来自各方的非精密度。

所以放大器由这些元件组合时就存在了漂移和非精密状态。

而漂移和非精准要用负反馈来消除。

运放电路结构采用反馈系统使电路的传输函数与放大器特性无关。

做到了这一点，电路的传输函数就只取决于外部元件。

外部的无源元件几乎可以满足漂移和精度的规范，仅有成本和几何尺寸限制这些无源元件的使用。

2019年最新-东南大学电子信息工程53深度负反馈放大电路的分析计算-精选文档

2019年最新-东南大学电子信息工程53深度负反馈放大电路的分析计算-精选文档

（2）闭环电压放大倍数
R E1 Fu R F R E1 A uf

1 Fu

1
RF R E1
R3 Fu R2 R3 A uf
2019/4/13

R2 1 R3 Fu 1
6
5.3.2 电压并联负反馈
I 1 f FG ＝－ U 0 RF U 0 1 A Rf RF I F
2019/4/13
解④:求引入电压串联 负反馈后的闭环电压增 益，可把差放和运放合 为一个整体看待。
为了保证获得运放绿 色标号的极性，B1相 当同相输入端，B2相 当反向输入端。
Rf Auf 1 Rb 2
2019/4/13 14
上节课内容提要
1、负反馈对放大电路性能的影响 （1）稳定增益 （2）串联负反馈使输入电阻增大
s i s E2 s
FI A If

I I

f o

o
R3 R3 RF 1 FI

I
9/4/13
R3 RF R3 RL (R3 RF ) R 3 R1
U
o i

I o RL I i R1

U
9
上节课内容提要
U f F R ＝ RF I
0
I ＝ 0 1 1 A Gf U i F R R F R U I RL 0 0 L A uf Ui Ui RF 2019/4/13
8
5.3.4 电流并联负反馈
I I RE 2 f f F I I I RE 2 RF 0 e2 I 1 RE 2 RF AIf 0 I i FI RE 2 R U I RC 2 RE 2 RF 0 0 C2 Ausf r U I R r

反馈与负反馈放大电路5.4

反馈与负反馈放大电路5.4

号，也有一定的信号输出。
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模拟电子技术基础
(2) 如果AF<1 输出信号在不断的减小,不会产生自激振荡。 结论
相位条件是产生自激振荡的必要条件 幅度条件是产生自激振荡的充分条件
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模拟电子技术基础
5.4.2 负反馈放大电路的稳定性
a. 电路包含一或二个惯性环节时，附加相移最大不
会超过180°，不会产生自激振荡。
b. 电路的级数愈多，附加相移
产生自激振荡。
愈大，愈容易
c.反馈系数F愈大，愈容易产生自激振荡。
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模拟电子技术基础
1．判断放大电路是否稳定的方法
(1) 找相位临界频率 fc 即满足
A F
f fc
180
的频率点fc
a. 如果 AF
补偿前
f H1
1 2 πRC1
1 2 πR(C1 C )
R C1 + C
补偿后
f H1
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模拟电子技术基础
(3) 补偿效果
•
补偿后
20lg A /dB
稳定 补偿前 不稳定 f0 fH1 fH2 fH3 f
幅 频 特 性
60 40 20
0
由于电容的并入使滞后的附加相移更加滞后，所以
f fc
20 பைடு நூலகம்g AF
f0
O
fc
f
(dB )
Gm
≤-10(dB)
(2) 相位裕度 m
A F
0
90
f f0
要求
m 180 A F

东南大学电子信息工程33放大电路的稳定偏置2-PPT精选文档

东南大学电子信息工程33放大电路的稳定偏置2-PPT精选文档
1、放大电路的组成 有源器件、直流偏置电路、耦合电路
2、静态和动态、直流通路和交流通路 静态- ui 0 ，直流工作状态 动态- ui 0 ，交流工作状态 直流通路——直流量传递的途径 （耦合电容开路） 交流通路——交流量传递的途径 （直流电源和耦合 电容短路） 动态是目的,静态是保证(不失真!)
r ( 1 ) R i /ib R be E i u
2019/3/7
[ r ( 1 ) R ] R R u be E B i i /i i
9
3)输出电阻－忽略rce的影响
u R o= R , L i
u 0 S
RC
注：如果考虑三极管的rce时,Ro=?
2019/3/7 3
二、放大电路的技术指标 1、放大倍数 2、输入电阻Ri 3、输出电阻Ro 4、通频带BW
2019/3/7
4
三、放大电路的分析方法 静态分析：直流通路，Q点 动态分析：交流通路，放大倍数、Ro、Ri 四、温度对Q点的影响 UBE↓ 温度T↑→ β↑ →IC↑→Q↑ ICBO↑
2019/3/7 5
. .
R e U I [ r + r ] o o ce ce R r b beR e
. .
解得
U R o e R = r (1 + ) r (1 + ) o ce ce . R r R b be e I
o
.
可见三极管基本电流源的内阻较三极管放大区 的输出电阻rce又有较大提高。
精密镜像电流源
2019/3/7 17
4. 微电流源
微电流源电路如图所示，通过接入Re电阻 得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适 用微功耗的集成电路中。 由图可得：

第讲负反馈放大电路的稳定性

第讲负反馈放大电路的稳定性
相位裕度
四、消除自激振荡的方法
常用的方法为滞后补偿方法。 设放大电路为直接耦合方式，反馈网络为电阻网络。
1. 简单滞后补偿
..
20lg│AF│
－20dB/十倍频 －40dB/十倍频
A F
A m Fm
(1 j f )(1 j f )(1 j f )
fH1
fH2
fH3
在最低的上限频率所在回
具有45°的相位 裕度，故电路稳定
2. 密勒补偿
C'
在最低的上限频率所 在回路加补偿电容。
补偿前
C' (1 k )C
在获得同样补偿的 情况下，补偿电容比 简单滞后补偿的电容 小得多。
补偿后
3. RC 滞后补偿：在最低的上限频率所在回路加补偿。
A F
A m Fm
(1 j f )(1 j f )(1 j f )
fc
fc
f0
f0
三、负反馈放大电路稳定性的判断
满足起 振条件
fc
fc
f0
f0
电路不稳定
电路稳定
f0＜ fc，电路不稳定，会产生自激振荡； f0 ＞ fc， 电路稳定，不会产生自激振荡。
稳定裕度
幅值裕度
fc
f0 φm
电路稳定

Gm≤－10dB，且 Gm φm≥45º，负反馈放大
电路才具有可靠的稳 定性。
因没有满足幅值条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。
对于三级放大电路: f 时，A' 270，A 0
对于产生－180º附加相移的信号频率，有可能满足起振条 件，故引入负反馈后可能振荡。
什么样的放大电路引入负反馈后容易产生自激振荡？
三级或三级以上的直接耦合放大电路引入负 反馈后有可能产生高频振荡；同理，耦合电容、 旁路电容等为三个或三个以上的放大电路，引 入负反馈后有可能产生低频振荡

电子电路基础 反馈放大电路及其稳定性分析ppt课件

电子电路基础 反馈放大电路及其稳定性分析ppt课件

开环增益:
xo
A
Xo Xid
Xo Xi Xf
反馈系数:
X
F
f
X
o
(1-19)
§5.1 反馈的基本概念与分类
2.反馈放大电路放大倍数的一般表达式
已知
A
Xo Xid
F
Xf Xo
开环增益（考虑反馈网络的负载效应）
反馈系数
AF
Xo Xi
闭环增益
因为
AF
Xo Xi
Xid Xi Xf 所以
Xo Xid Xf
例3. 分析反馈放大电路
(+)
(-)
Rf 为输入回路和输出回 iS
iI iID
路的公共电阻，故有反馈。
iF
反馈使净输入电流 iid 减 小，为负反馈。
RL = 0，反馈不存在，故 为电压反馈。
iid = ii if ，故为并联反馈。
Fiu=If/ Uo=-1/Rf为反馈网络的反馈系数。
(1-14)
(1) 判断有无反馈，
(2) 并判别反馈元件
方法：看输出回路与输入 回路之间有无起联系作用 的反馈网络。构成反馈网 络的元件均为反馈元件。
电阻RE既包含于输出 回路又包含于输入回路，
把uo反馈到输入回路中， 因此存在反馈，反馈元件
为RE 。
(1-7)
§5.1 反馈的基本概念与分类
（2） 判别反馈极性
Xo /
Xo A
XoF
x i + xid A
比较 环节
–
x f 基本放大电路
xo
即
AF
1
A AF
闭环增益的 一般表达式
反馈网络 F
(1-20)

东南大学电子信息工程课件51


2019/12/15
9
例题5.2: 试判断图示电路的反馈组态(反馈类型)?
交直流 电压 串联 负反馈
2019/12/15
10
5.1.3 反馈的基本方程
1. 闭环放大倍数的一般表达式 2. 反馈深度 3. 环路增益
2019/12/15
11
1. 闭环放大倍数的一般表达式
开环放大倍数：
A

X o X 'i
特别：当 1AF ＞＞1 称为深度负反馈
2019/12/15
A f

1 F
13
3.环路增益 A F



AF
Xo


Xf


Xf

X 'i Xo X 'i
是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益
2019/12/15
14
反馈系数 ：
F

X f X o
闭环放大倍数：
A f

X o X i
X 'iX i X f
量纲说明
Af

Xo Xi

Xo X'iX f
2019/12/15
X o

X 'i
X 'i X 'i

X o X 'i
X f X o

A 1 A F
12
2019/12/15
开环
闭 环
• X o —— 输出 • X i —— 输入 • X f —— 反馈 • X 'i —— 净输入
• X —— U或I 2
5.1.2反馈类型与判别
⑴直流反馈和交流反馈

5负反馈放大电路的稳定性


负反馈放大电路的稳定问题
一、负反馈放大电路的 自激及稳定工作的条件
1.自激振荡现象 自激振荡现象 显然自激振荡的条件之一 是Xf 与Xi 反相 ①自激振荡相位条件 ϕ a+ ϕ f = ( 2n+1 ) × 180°
n=0,1,2, …,
ui 0 Ui ud t t 自激振荡两条件 0 Uid 基本放大电 -1 路 A、 ϕ a uo 0
t Uo
uf 由 AF= -1可得出自激振 AF= Uf t 0 荡满足的相位条件和振幅 反馈网络 条件。 条件。 F、 ϕ f
②自激振荡振幅条件 |A·F | = 1 注意：必须同时符合以上两 注意： 个条件，才会产生自激振荡, 个条件，才会产生自激振荡, 中的任一个被破坏, 两个条件 中的任一个被破坏, 就不能产生自激振荡 .利用这 一点可以想办法稳定负反馈电 路令其不产生自激振荡。 路令其不产生自激振荡。
分析不自激时相位裕 度
0 ϕa
生自激振荡的分界点。 生自激振荡的分界点。 表示。 用ωo表示。
ωo
ω ω
由图线分析稳定工作条件 180° 若 ϕm =ϕ a(ω o) - ( -180°) =180° =180°+ ϕ a(ω o) >0 电路不会自激
0° ° -90° ° ϕm =ϕ a(ω o) - ( -180°) 180° =180° =180°+ ϕ a(ω o)
Ui Uid
此时U 此时Ui 与Uf 反相
uf 0
-1 Uf t
基本放大电 路 A、 ϕ a 反馈网络 F、 ϕ f
Uo
负反馈电路的几个公式 XO A AF = —— = ——— 为书写方 Xi 1+AF 便,本课件凡 XO =AXid 是相量均用 红色字体表 红色字体表 Xf =FXO 示而不在字 Xid =Xi - Xf 上加点“·”。 上加点“·”。 Xi =KXS XO =Af Xi

第五章负反馈放大电路2019.4

通路，分别分析是否存在反馈。
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
+VCC
Rb1 IR Rc+ C2 +
+ C1+ IB IC
ui
Rb2
UB
IE Re
UE +
RL Ce
uo
图 2.4.2 阻容耦合的静态工作点稳定电路
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
例：试分析下列电路为直流反馈还是交流反馈电路。
第三章 负反馈放大电路
合适连接Rf形成四种形式的负反馈
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
该电路可形成的负反馈？如何连接？
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
5.3负反馈放大电路的组成及基本关系式
为输入信号 为净输入信号 为反馈信号 为输出信号
（各信号可以为电压也可以为电流）
放大倍数与负 载无关
放大倍数与 总负载呈线 性关系
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
6.5负反馈对放大电路性能的影响
第五章 放大电路中的反馈
5.1 反馈放大电路的基本概念及判断方法 5.2 负反馈放大电路的四种基本组态 5.3 深度负反馈放大电路放大倍数分析 5.4 负反馈对放大电路性能的影响 5.5 放大电路引入负反馈的一般原则
本章重点和考点：
1.负反馈组态的正确判断 2. 正、负反馈的判断 3.负反馈放大电路反馈深度及放大倍数的计算 4.负反馈的作用
徐州工程学院－－模拟电路多媒体课件
第三章 负反馈放大电路
正负反馈的判别方法
• 判断电路中引入的是正反馈还是负反馈，常采用瞬时 极性法：

负反馈放大电路的稳定性


A F
A m Fm
(1 j f )(1 j f )(1 j f )
fH1
fH2
fH3
1 补偿后产生系数：
j
f
f
' H
2
，取代
1
1
j
f
f
' H1
1 j f fH1
若f
' H
2

fH2，则A F

(1jAm F源自mff' H1
)(1
j
f) fH3
上式表明，最大附加相移为－180o，不满足起振条件，闭 环后一定不会产生自激振荡，电路稳定。
A m Fm
(1 j f )(1 j f )(1 j f )
fH1
fH2
fH3
在最低的上限频率所在回
路加补偿电容。 补偿电容
－60dB/十倍频
O
f
f
' H1
fH1
fH2
fH3
1、简单滞后补偿
A F
A m Fm
(1
j
f
f
' H1
)(1
j
f fH2
)(1
j
f) fH3
补偿后，当f fH2时，20lg A F 0dB。 补偿前
补偿后
最大附加相 移为-135°
滞后补偿法是 以频带变窄为代 价来消除自激振 荡的。
具有45°的相位 裕度，故电路稳定
2、密勒补偿
C'
在最低的上限频率所 在回路加补偿电容。
补偿前
C' (1 k )C
在获得同样补偿的 情况下，补偿电容比 简单滞后补偿的电容 小得多。
补偿后
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（动画10-1）
相频特性曲线的 根据给定的频率 Y 坐标是附加相移A。 特性方程，放大电路 在高频段有三个极点 当A=－180时，即 频率fp1、fp2和fp3。 图中的 S点对应的频 5 10 代表中频电压放 率称为临界频率 fc。 大倍数（100dB）， 当 f= fc时反馈信号与 于是可画出幅度频率 特性曲线和相位频率 输入信号同相，负反 特性曲线。总的相频 馈变成了正反馈，只 特性曲线是用每个极 要信号幅度满足要求， 点频率的相频特性曲 线合成而得到的。 即可自激。
A = A f 1 AF
F = 0 改写为 将1 A
又可写为
F 1 A
幅度条件
相位条件
F | 1 |A AF= A+ F=(2n+1)
n=0,1,2,3…
AF是放大电路和反馈电路的总附加相移，
在许多情况下反馈电路是由电阻构成的，所
以F=0 ，AF = A+F= A。 在中频条件下，放大电路的相位固定。在 其它频段，电路中的容抗将引起附加相移。 如果附加相移满足相位条件，负反馈变为正 反馈。如果幅度条件也满足要求，放大电路 产生自激。
2.自激的判断 有效地判断放大电路是否能自激的方法，是用波
特图。波特图的Y 轴坐标是20lgA，单位是分贝，X
轴是对数坐标，单位是赫兹。有一个放大电路的开环
放大倍数的频率特性方程式如下
5 Uo 10 Au f f f U i 1 j 4 1 j 6 1 j 7 10 10 10
根据以上讨论，可将环路增益波特图分为 三种情况。
(a)稳定:fc>f0 ,Gm<0dB
(b)自激: fc<f0 ,Gm>0dB
(c)临界状态: fc=f0, Gm=0dB
判断自激的实用方法
(动画10-2)
5.4.2 常用的补偿方法
1.电容补偿——滞后补偿
（动画10-3）
2.RC补偿——极零抵消补偿
负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是 负反馈引入不当，会引起放大电路自激。为了使 放大电路正常工作，必须要研究放大电路产生自 激的原因和消除自激的有效方法。
5.4.1 负反馈放大电路的稳定性分析
5.4.2 常用的补偿方法
5.4.1 负反馈放大电路的稳定性分析
1.产生自激的条件
F = 0 时， 根据反馈的基本方程，当1 A 相当放大倍数无穷大，也就是不需要输入, 放大电路就有输出，放大电路产生了自激。
3.密勒效应补偿
第五章总结
1、理解反馈的概念，掌握反馈类型的判别。 2、掌握利用深度负反馈估算法分析反馈放大 电路的性能。 3、了解负反馈对放大电路性能的影响。 4、了解负反馈放大电路产生自激的原因、判 别、稳定裕度及补偿方法。
3.稳定裕度
例如，F＝0.001时， A=－135，
距A=－180有 ຫໍສະໝຸດ =45的裕量，这 个m称为相位裕度。 一般在工程上为了 保险起见，相位裕 度m≥45。
F =1时的频 f0是 A
率。
当A=－180时， F <1，仍以 应使 A F＝0.001为例， Gm称为幅度裕度。 工程上为保险起 见，幅度裕度|Gm | ≥10 dB。