Transcript 第五章负反馈放大电路

第五章 负反馈放大电路
第五章 负反馈放大电路
5.1 反馈的基本概念
5.2 负反馈对放大器性能的影响
5.3 负反馈放大器的指标计算
5.4 负反馈放大器的自激振荡
第五章 负反馈放大电路
5.1 反馈的基本概念
5.1.1
输入量
Xi
£«
Xf
净输入
£-
X¡ä
i
反馈量
基本放大电路
A
反馈网络
F
图 5 – 1 反馈放大器的方框图
输出量
Xo
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定义：
因为
Xo
A '
Xi
Xf
F '
Xo
Xo
Af 
Xi
叫开环放大倍数；
叫反馈系数；
叫闭环放大倍数。
X i  X i'  X f  X i'  FAXi' ,
所以
Xo
A
Af 

X i 1  FA
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5.1.2 反馈类型及其判定
1.
电压反馈与电流反馈
(1) 电压反馈：
£«
Xi
X¡ä
i
基本放大器
RL
£«
Uo
£-
£Xf
反馈网络
图 5 – 2 电压反馈示意图
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(2) 电流反馈：
£«
Xi
X¡ä
i
基本放大器
£Xf
反馈网络
图 5 – 3 电流反馈示意图
RL
£«
Uo
£-
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(3) 电压反馈和电流反馈的判定：
判定方法之一——输出短路法。将反馈放大器的输出
端对交流短路, 若其反馈信号随之消失, 则为电压反馈, 否
则为电流反馈。 因为输出端对交流短路后, 输出交变电压
为零, 若反馈信号随之消失, 则说明反馈信号正比于输出电
压,
故为电压反馈；若反馈信号依然存在, 则说明反馈信
号不正比于输出电压, 故不是电压反馈, 而是电流反馈。
判定方法之二——按电路结构判定：在交流通路中,若放大
器的输出端和反馈网络的取样端处在同一个放大器件的同
一个电极上, 则为电压反馈； 否则是电流反馈。
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£« UCC
Rc
C2
£«
Rf
Rb
Cl
£«
Rs
£«
£«
Ui
Us
£-
Cl
£«
RL
Uo
£-
£-
Rs
£«
£«
Ui
Us
£-
£«UCC
Rc
C
£« 2
£«
£«
RL
Re
£-
£-
(a)
图 5 – 4 反馈电路举例
Uo
(b)
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2.
(1) 串联反馈：
Rs
£«
Us
£-
£«
Ui
£-
£«
U¡ä
i
££«
Uf
£-
基本放大器
反馈网络
图 5 – 5 串联反馈示意图
U  Ui  U f
'
i
Xo
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(2) 并联反馈：
I¡ä
i
Ii
Rs
Us
£«
If
基本放大器
£反馈网络
图 5 – 6 并联反馈示意图
I  Ii  I f
'
i
Xo
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(3) 串联反馈和并联反馈的判定方法：对于交变分量
而言,
若信号源的输出端和反馈网络的比较端接于同一
个放大器件的同一个电极上, 则为并联反馈；否则, 为串
联反馈。
按此方法可以判定, 图 5 - 4(a)是并联反馈, 图 5 4(b)是串联反馈。
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3.
(1) 直流反馈：若反馈环路内, 直流分量可以流通, 则
该反馈环可以产生直流反馈。直流负反馈主要用于稳定静
态工作点。
(2) 交流反馈： 若反馈环路内, 交流分量可以流通, 则
该反馈环可以产生交流反馈。交流负反馈主要用来改善放
大器的性能； 交流正反馈主要用来产生振荡。
若反馈环路内, 直流分量和交流分量均可以流通, 则该
反馈环既可以产生直流反馈, 又可以产生交流反馈。
图 5 - 4(a)中的Rf既可以引入直流反馈, 也可以引入交流
反馈。
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4. 负反馈和正反馈
若反馈信号使净输入信号减弱, 则为负反馈；若反馈信
号使净输入信号加强, 则为正反馈。负反馈多用于改善放大
器的性能；正反馈多用于振荡电路。
反馈极性的判定多用瞬时极性法, 其步骤如下：
(1) 首先在基本放大器输入端设定一个递增(或递减)的净
输入信号, 对并联反馈, 设定一个电流信号； 对串联反馈,
设定一个电压信号。
(2) 在上述设定下, 推演出反馈信号的变化极性。
(3) 判定在反馈信号的影响下, 净输入信号的变化极性。
若该极性与前面设定的变化极性相反, 则为负反馈；若相同,
则为正反馈。
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按上述方法可以判定图 5- 4(a)是负反馈。判定过程
如下：因为是并联反馈,所以设定一个增大的iB, 则
iB↑→iC↑→UC↓→if↑
i B↓
由于在if的影响下, iB的变化极性与原设定的变化
极性相反,表明反馈信号使净输入信号减弱, 所以是负
反馈。
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5.1.3 负反馈放大器的四种基本组态
为了使闭环增益Af 与开环增益A满足Af=A/(1+FA)
的关系, 应作如下约定：
被取样的输出信号
闭环增益A f 
参与比较的原始输入信号
被取样的输出信号
开环增益A 
比较后产生的净输入信号
反馈信号
反馈系数F 
被取样的输出信号
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1. 串联电压负反馈
£«UCC
Rc
Rb
1
Rb
1
Rc
22
C
£« £²
£«
£«
£«
Vl
£«
Ui
Re
1
2
£«
£«
Ui
£«
U¡ä
i
£-
£-
£-
Rc
基
本
放大电路
V2
Rb
Uo
21
Re
2
£-
£«
Ce
£-
£«
Rf
Uf
Re
£«
Uo
1
£-
£-
Rf
(a) 电路图
(b) 方框图
图 5 – 7 串联电压负反馈放大器电路
2
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被取样的输出信号
Uo
开环放大倍数
 '  Au
比较后产生的净输入信号 U i
称作开环电压放大倍数, 无量纲。
Uf
反馈信号
反馈系数 

 Fu
被取样的输出信号 U o
称作互阻反馈系数, 无量纲。
闭合放大倍数
被取样的输出信号
U
U
 o  ' o
参与比较的原输入信号 U i U i  U f
AuU i'
Au
 '

 Auf
'
U i  Fu AuU i 1  Fu Au
称作闭环电压放大倍数,无量纲。
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2.
被取样的X o
Io
开环放大倍数 
 '  Ag
'
比较产生的X i U i
称作开环互导放大倍数, 其量纲是电导。
反馈系数 
反馈信号X f
被取样的X o

Uf
Io
 Fr
称作互阻反馈系数, 其量纲是电阻。
Ag
被取样的X o
Io
闭合放大倍数 


 Agf
参与比较的X i U i 1  Fr Ag
称作闭环互导放大倍数, 其量纲是电导。
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4
Rc
Rb
2
1
£«
£«UCC
I¡ä
o
3
Ic
C1
C£²
£«
Ube
Rs
Us
Rf
Ui
Uf
RL
Uo
Rb
1
Re
2 £-
Ce
£-
(a) 电路
基本放大电路
1
£« £«
U¡ä
£«
i
Ui ££-
£«
Uf
£-
Ic
Fr
£«
Uo
R¡ä
L
Io
Ag
£2
3
£«
Rf
£-
反馈网络
(b) 方框图
图 5 – 8 串联电流负反馈放大器
4
£-
Io£½£-Ic
Ic ¡ÖIo
R¡ä£½
Rc ¡ÎRL
L
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并联电压负反馈
3.
Rf
1
£«
Ii
Rs
£«
Cl
Ui
Rc
C2
£«U
CC
3
If
Uo
Ii
Rs
Us
Ib
RL
Re
Ce
Us
£- £-
1 Ib
£«
£«
£-
Ui
£2
基本放大电路
If
£«
Ar
R¡ä
L
4
反馈网络
Rf
Fg
4
2
(a) 电路
3
(b) 方框图
图 5 – 9 并联电压负反馈放大器
R¡ä£½
Rc ¡ÎRL
L
Uo
£-
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开环放大倍数
被取样的X o
Io

 Ar
'
'
比较产生的X i U i
称作开环互阻放大倍数, 其量纲是电阻。
反馈系数 
反馈信号X f
被取样的X o

Uf
Io
 Fg
称作互导反馈系数, 其量纲是电导。
被取样的X o
Uo
Ar
闭合放大倍数


 Arf
参与比较的X i
I i 1  Fg Ar
称作闭环互阻放大倍数, 其量纲是电阻。
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并联电流负反馈
4.
Rc
Ib
Ii
C1
Rs
£«
Us
Rc
£«UCC
2
1
Ic
1
Rf
If
2
Ue
Re
1
Ce
1
£-
Re
2
2
I¡ä
o
2
Ie
Ui
Ii
C£²
Rs
Us
Uo
RL
Ib
£«
£« Ui
£-
基本放大电路
1
If
Io
Ai
£«
R¡ä
L Uo
£-
£反馈网络
Rf R
e
2
Ie
2
R¡ä
RL¡ÎRc
L £½
2
Io£½
£-Ic
2
Ie ¡ÖIc
2
Fi
(a) 电路
(b) 方框图
图 5 – 10 并联电流负反馈放大器
2
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被取样的X o
Io
开环放大倍数
 '  Ai
'
比较产生的X i U i
称作开环电流放大倍数, 无量纲。
反馈系数 
反馈信号X f
被取样的X o

Uf
Io
 Fi
称作电流反馈系数, 无量纲。
闭合放大倍数
被取样的X o
I
Ar
 o 
 Aif
参与比较的X i I i 1  Fi Ai
称作闭环电流放大倍数, 无量纲。
第五章 负反馈放大电路
表5-1 四种反馈组态下，A，F和Af的不同含义
反馈方式
串联电压型
并联电压型
串联电流型
并联电流型
被取样的输出
信号Xo
Uo
Uo
Io
Io
Ii、I f 、Ii'
Ui、U f 、Ui'
Ii、I f 、Ii'
Uo
Ar  '
Ii
If
Fg 
Uo
Io
Ag  '
Ui
Uf
Fr 
Io
Io
Au  '
Ii
If
Fi 
Io
参与比较的输
'
U
、
U
、
U
’
i
f
i
入量Xi、 Xf、 Xi
Xo
'
X
i
开环放大倍数
A
F
Xf
反馈系数 X o
Xo
A
A


f
闭环放大倍数
X i 1  AF
Uo
Au  '
Ui
Uf
Fu 
Uo
Ag
Au
Ar
A

Auf 
Auf 
gf
1  Fr Ag
1  Fu Au
1  Fg Ar
Aif 
Ai
1  Fi Ai
对Rs的要求
小
大
小
大
对RL的要求
大
大
小
小
第五章 负反馈放大电路
5.2
5.2.1 使放大器的放大倍数下降
根据负反馈的定义可知, 负反馈总是使净输入信号减弱。
所以, 对于负反馈放大器而言,必有
所以
即
X i  X i'
Xo Xo
 '
Xi Xi
A
Af  A, Af 
1  FA
可见, 闭环放大倍数Af, 仅是开环放大倍数A的(1+FA)分之一。
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5.2.2 稳定被取样的输出信号
1.
电压负反馈
对于图 5-7 所示的串联电压负反馈电路, 当某一因素使Uo
增大时, 就会产生如下反馈过程：
Uo↑→UE1↑→UBE1↓→UC1↑→UB2↑
Uo↓
UC2↓←
从而使Uo的变化量大大减小, Uo的稳定性大大提高。
第五章 负反馈放大电路
对于图 5 - 9 所示的并联电压负反馈电路, 当某一因素使Uo
增大时, 则
Uo↑→If↓→IB↑→IC↑
Uo↓
UC↓
结果使Uo的变化量减小, Uo的稳定性提高。
第五章 负反馈放大电路
2.
因为电流负反馈,
被取样的输出信号是输出电流, 所以,
凡是电流负反馈, 必然能稳定输出电流。
对于图 5 - 10 所示的并联电流负反馈电路, 当某一因素使
Ie2增大时, 则：
Ie2↑→If↓→Ib1↑→Ic1↑→Uc1↓→Ub2↓
Ie2↓
结果使得Ie2 的增量减小,
Ib2↓
稳定性提高；因为Ic2≈Ie2,
所以Ie2稳定,Ic2也稳定。值得说明的是, 该反馈电路所稳
定的电流是流过RL′的电流, 不是流过RL的电流。
第五章 负反馈放大电路
5.2.3 使放大倍数的稳定性提高
A f  A f 2  A f 1
把Af2=A2/(1+FA2)和Af1=A1/(1+FA1)代入上式得：
A f 
A2  A1
A

(1  FA1 )(1  FA2 ) (1  FA1 )(1  FA2 )
用Af1=A1/(1+FA1)除以上式两边得：
A f
Af 1
A
1


1  FA2 A1
当ΔA足够小时,ΔAf≈dAf, 并且A1≈A2≈A, Af1≈Af2≈Af。 此种
情况下, 上式可写为：
A f
1 dA

A1
1  FA A
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5.2.4 可以展宽通频带

Af 

Ah 

A
 
1 F A
Am
f
1 j
fh
第五章 负反馈放大电路
当反馈系数F不随频率变化时, 引入负反馈后的高频特性为

Am /(1  jf / f h )
Am
Ahf 



1  F A 1  F [ Am /(1  jf / f h )] 1  FAm  jf / f h

A
Amf
Am /(1  FAm )


1  j[ f /(1  FAm ) f h ] 1  j[ f /(1  FAm ) f h ]
f hf  (1  FAm ) f h
f1 f
1

f1
1  FAm
第五章 负反馈放大电路
按照通频带的定义：
开环放大器的通频带为： fbw=fh-fl
闭环放大器的通频带为：fbwf=fhf-flf
由于fhf>>fh, flf<<fl, 所以, 闭环通频带远远大于开环通频带。
当fh>>fl时, fbw=fh-fl≈fh, 所以
fbwf=fhf-flf≈fhf=(1+FAm)fh≈(1+FAm)fbw
第五章 负反馈放大电路
5.2.5 对输入电阻的影响
1. 串联负反馈使输入电阻提高
ri
Ii
£«
U¡ä
i
Ui
ri
A或 Ag
u
£-
£«
£rif
£«
Uf
»òFr
uF
£-
图 5 - 11 串联负反馈方框图。
Xo
第五章 负反馈放大电路
开环输入电阻：
U i'
ri 
Ii
闭环输入电阻：
U
rif  i 
Ii
U i'  U f
Ii
U i'  FAUi'
U i'

 (1  FA)  (1  FA)ri
Ii
Ii
第五章 负反馈放大电路
2.
Rs
£«
Ii
I¡ä
i
ri
£«
Us
Ui
£-
ri
A或 Ai
r
£rif
If
或
gF
F
图 5 - 12 并联负反馈的方框图。
Xo
第五章 负反馈放大电路
开环输入电阻：
Ui
ri  '
Ii
闭环输入电阻：
Ui
Ui
Ui
rif 
 '
 '
I i I i  I f I i  FAIi'
1
Ui
1

 ' 
ri
1  FA I i 1  FA
第五章 负反馈放大电路
5.2.6 对输出电阻的影响
1.电压负反馈使输出电阻减小
I¡ä
o
Xi
£«
£-
X¡ä
i
Xf
£«
£-
£«
ro
U¡ä
o
Ao X¡ä
i
F
图5 – 13 电压负反馈方框图
£-
rof
第五章 负反馈放大电路
Ao X   X f Ao  U o FAo
'
i
'
'
'
'
'
U

A
X
U

U
A
F
U
'
o
o i
o
o o
o (1  Ao F )
Io 


ro
ro
ro
U o'
ro
rof  ' 
I o 1  Ao F
可见, 引入电压负反馈后可使输出电阻减小到ro ／
(1+AoF) 。不同的反馈形式,其A、F的含义不同。串联电
压 负 反 馈 F=Fu=Uf/Uo, A=Au=Uo/Ui′; 并 联 电 压 负 反 馈
F=Fg=If/Uo, A=Ar=Uo/Ii′。
第五章 负反馈放大电路
2. 电流负反馈使输出电阻增大
I¡ä
o
Xi
£«
£-
X¡ä
i
AX¡ä
i
£«
U¡ä
o
£-
ro
Xf
F
图5 – 14 电流负反馈方框图
rof
第五章 负反馈放大电路
'
o
U
I  AX 
ro
'
o
'
i
(A为RL=0 时的短路开环放大倍数)
AX i'   AX f   FAIo'
'
U
I o'   FAIo'  o
ro
'
U
(1  AF ) I o'  o
ro
'
o
'
o
U
rof 
 (1  AF ) ro
I
第五章 负反馈放大电路
5.2.7 减小非线性失真和抑制干扰、噪声
小
Xi
A
Xi
Xo
大
 t
大
X¡ä
i
 t
 t
小
Xf
 t
A
大
小
F
(a) 无反馈
(b) Óиº
反馈
图 5 – 15 负反馈减小非线性失真
Xo
 t
第五章 负反馈放大电路
【 例 1】 某 放 大 器 的 Au=1000,
ri=10kΩ, ro=10
kΩ,fh=100kHz,, fL=10kHz,在该电路中引入串联电压负反馈
后, 当开环放大倍数变化±10%
时, 闭环放大倍数变化不
超过±1%, 求Auf, rif, rof, fhf, flf。
解
Au / Au
 10
1  Fu Au 

 10
Auf / Auf
1
Fu Au  9
9
Fu 
 0.009
Au
第五章 负反馈放大电路
Au
1000
Auf 

 100
1  Fu Au
10
rif  (1  Fu Au ) ri  10  10  100k
1
1
rof 
  10  1k
1  Fu Au 10
rhf  (1  Fu Au ) rh  10  100  1000kHz
1
1
r1 f 
f1   10  1kHz
1  Fu Au
10
第五章 负反馈放大电路
5.3 负反馈放大器的指标计算
5.3.1
把反馈放大器中的非线性器件用线性电路等效, 然
后根据电路理论来求解各项指标。其求解过程可借助
计算机实现。
第五章 负反馈放大电路
5.3.2 分离法
把负反馈放大器分离成基本放大器和反馈网络两
部分,
然后分别求出基本放大器的各项指标和反馈网
络的反馈系数, 再按上一节的有关公式, 分别求得Af, rif、
rof, fhf等。
第五章 负反馈放大电路
5.3.3 强负反馈放大器的增益估算法
1. 强负反馈的概念
若AF>>1, 则称之为强负反馈。通常, 只要是多级负
反馈放大器, 我们就可以认为是强负反馈电路。因为多
级负反馈放大器, 其开环增益很高, 都能满足AF>>1 的
条件。
第五章 负反馈放大电路
2.
对于强负反馈放大器来说, 因为AF>>1, 所以
A
A
1
Af 


1  FA AF F
强负反馈条件下：
1
Af 
F
把Af=Xo/Xi, F=Xf/Xo 代入上式得
Xo Xo

Xi X f
对于串联负反馈
Ui  U f
对于并联负反馈
Ii  I f
第五章 负反馈放大电路
【例2】估算图5-16(a)所示串联电压负反馈放大器的闭
环电压增益Auf=Uo/Ui。
Rb
Rc
Rb
1
22
Rc
£«UCC
2
C3
£«
1
C1
£«
£«
Ui
£-
£«
C2
£«
V2
V1
R¡ä
e
1
Re
£«
Ce
£«
CF
Rf
Rb
21
Re
1
£«
Uo
1
2
£«C
e
Rf
2
£-
Uf
Re
1
£-
(a) 电路
图 5-16 串联电压负反馈电路
£«
Uo
£-
(b) 反馈网络
第五章 负反馈放大电路
解 由于是串联电压负反馈, 故Ui≈Uf。由图5-16(b)
可知, 输出电压Uo经Rf和Re1分压后反馈至输入回路, 即
Uf 
Re1
Re1  R f
Uo
Rf
U o U o Re1  R f
Auf 


 1
U1 U f
Re1
Re1
第五章 负反馈放大电路
【例3】 求图5-17(a)所示的串联电流负反馈电路的闭环
电压增益Auf=Uo/Ui。
Rb
Rc
12
1
Rb
Rc
22
Rb
2
Rc
32
£«
3
£«
£«
£«
£«
V1
£«
Ui
£«UCC
Rb
Re
V2
Rb
11
21
1
V3
Ie
Re
£«
2
£-
Rb
3
Uo
RL
31
Re
3
If
Rf
3
£«
Re
Uf
1
££-
Rf
(a) 电路
Ie
(b) 反馈网络
图 5-17 串联电流负反馈电路
Re
3
第五章 负反馈放大电路
解 因为是串联负反馈, 所以Ui≈Uf。
Re3
If 
I e3
Re1  R f  Re3
U f  I f Re1 
Re3 Re1
Re1  R f  Re3
I e3
U o   I c3 RL' (式中RL'  Rc3 // RL )
Uo
I e3  I c3   '
RL
 Re3 Re1
Uo
Uf Uf 
 '
Re1  R f  Re3 RL
U o Re1  R f  Re3 '
Auf 

 RL
Ui
Re3 Re1
第五章 负反馈放大电路
【例4】 求图 5-18 所示的并联电压负反馈电路的源电
压闭环增益Ausf=Uo/Us。
£«UCC
Rb
12
Rc
Rb
1
Rc
22
Rb
2
Rc
32
3
£«
Is
£«
£«
£«
£«Uo
V1
V3
V2
Rs
Rb
11
Us
Re
Rb
21
1
RL
Re
£«
2
Rb
31
£«
Re
Rf
If
Uo
3
££-
Rf
rif
£«
£« Cf
I¡ä
f
(a) 电路
图 5 – 18 并联电压负反馈电路
(b) 反馈网络
第五章 负反馈放大电路
解
Us
Us
Ii 

Rs  rif Rs
Uo
If  
Rf
Us
Uo

Rs
Rf
Ausf
Rf
Uo


Us
Rs
第五章 负反馈放大电路
【例 5】 求图 5 - 19(a)所示并联电流负反馈电路的闭环源
电压增益Ausf。
Rc
Ii
Rc
1
2
£«
£«
V2
£«
Rs
V1
Ie
Rf
Rb
Re
1
Rf
Re
Ie
Re
RL
£«
If
2
If
Us
£«UCC
Uo
2
£r if
(a) 电路
图 5 – 19 并联电流负反馈电路
(b) 反馈网络
2
2
第五章 负反馈放大电路
解 由于是并联强负反馈, 所以Ii≈If, 并且Rs>>rif。
Us
Us
Ii 

Rs  rif Rs
If 
 Re2
R f  Re2
I e2 
 Re2
R f  Re2
Uo
I c2   '
RL
I c2
第五章 负反馈放大电路
Re2
Uo
If 
 '
R f  Re2 RL
Re2
Us
Uo

 '
Rs R f  Re2 RL
Ausf
U o R f  Re2 '


 RL
Us
Rs Re2
第五章 负反馈放大电路
5.4 负反馈放大电路的自激振荡
5.4.1 产生自激振荡的原因及条件
产生自激的条件为: 负反馈变为正反馈; 反馈信号要
 
足够大。公式1  A F  0
 
A F  1
它含有幅值和相位两个条件：
 
 A F  1

 

arg A F  ( 2n  1) (n为整数)
第五章 负反馈放大电路
5.4.2 自激振荡的判断方法
判断方法是, 首先看相位条件, 只有相位条件满足了, 绝
 
大多数情况下, 只要 A F  1 , 放大器将产生自激。如相位条
件不满足, 则肯定不自激。
 
根据放大电路的 A F 的频率特性, 即用波特图分析能否
产生自激振荡。
由自激条件可知, 当相位条件满足附加相移φ=±180°,
 
 
A F  1 时, 即 201g A F  0dB 时,电路稳定；否则不稳定, 将
产生自激。图 5 - 20(a)和(b)分别表示不稳定与稳定的两种情
 
况。图中fc为附加相移φ=180°时的频率;f0为 201g A F  0dB时
的频率。
第五章 负反馈放大电路
..
20lg| A F |/dB
20lg|A F |/dB
60
60
40
40
..
20
20
20lg|A F |£¾0
0
fc
f0
f
f0
0
..
fc
Gm
20lg|A F | £¼0
f


fc
0¡ã
f0
f
£-90¡ã
0¡ã
£-90¡ã
|(f0) |£¾180¡ã
£-180¡ã
f0
£-180¡ã
f
|(f0) |£¼180¡ã
 m
£-270¡ã
£-270¡ã
(a) 不稳定
fc
(b) Îȶ¨
第五章 负反馈放大电路
5.4.3 常用的消除自激的方法
C
C
C
(a )
(b )
图 5-21 常用的消振电路
(c)