测试负反馈放大电路的性能

【任务目标】

（1）熟悉反馈的概念，能够判断出电路中是否存在反馈；

（2）掌握负反馈的基本类型及其判别方法；

（3）重点掌握4种组态的负反馈放大电路的特点；

（4）掌握负反馈对放大电路性能的影响。

一、反馈的作用

1.反馈的意义

在电子系统中，将放大电路输出量 （电压或电流）的一部分或全部通过某些元件或网络 （称为反馈网络），反向送回到输入端，以此来影响原输入量 （电压或电流）的过程称为反馈。引入了反馈的放大电路称为反馈放大电路，也称为闭环放大电路；未引入反馈的放大电路，称为开环放大电路。

反馈可以在一级放大器内存在，称为本级反馈。反馈也可以在多级放大电路中构成，称为级间反馈。本级反馈只改善本级电路的性能，级间反馈改善整个放大电路的性能。

2.反馈放大电路的组成框图

如图2－24所示为反馈放大电路的组成框图。

图2－24 反馈放大电路的组成框图

3.反馈放大电路的一般关系式

放大器的开环放大倍数A为

反馈系数F为

放大电路的闭环放大倍数Af为

净输入信号Xid为

根据上面关系式，可得

式 （2－3）是一个十分重要的关系式，称为闭环增益方程，是分析反馈放大器的基本关系式。当放大电路工作在中频范围，而且反馈网络又是纯电阻性时，开环放大倍数A和反馈系数F皆为实数，则开环放大倍数A可用A表示，反馈系数F可用F表示，则式（2－3）可变为

式中，1＋AF称为反馈深度，一般用D来表示，是衡量放大器信号反馈强弱程度的一个重要指标。

二、负反馈的基本类型及其分析方法

如图2－25（a）所示电路，是一个两级共射放大器。

图2－25 两级共射放大器

（a）电路；（b）反馈网络

1.电路有无反馈的判断

判断方法为，考察放大电路输入回路和输出回路之间是否有起联系作用的反馈网络。

在如图2－25（a）所示的电路中，电阻R4和RF能把输出端交流信号返回到输入端，故本电路中存在反馈网络如图2－25（b）所示，而且是把放大器第二级的输出信号引回到第一级的输入端，所以是级间反馈。

2.反馈极性 （正、负反馈）的判断

放大器中的反馈按照反馈信号极性的不同，可分为正反馈和负反馈。在放大器中，如果引入反馈信号后，放大电路的净输入信号减小，导致放大器的放大倍数降低，则这种反馈称为负反馈；若反馈信号使放大电路的净输入信号增大，导致放大器的放大倍数增大，则这种反馈称为正反馈。判断正、负反馈的方法是瞬时极性法，步骤如下。

（1）先假定放大器输入端的输入信号在某一瞬时的极性为正，说明该点瞬时电位的变化是升高的，在图中用 “＋”号表示。

（2）根据各级放大器对输入信号和输出信号的相位关系，依次推断出由瞬时输入信号所引起的电路中有关各点电位的瞬时极性，从而确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。

（3）再根据反馈信号与输入信号的连接情况，分析净输入量的变化，如果反馈信号使净输入量增强，则为正反馈，反之则为负反馈。

在如图2－25（a）所示电路中，净输入信号Ube＝Ui－Uf，按照（1）、（2）步骤，得出输入信号Ui与反馈信号Uf的瞬时极性相同。电路引入反馈使得净输入信号减小，所以为负反馈。

需要强调的是，当 “＋”信号从三极管的基极输入时，信号从集电极上输出时为“－”，从发射极上输出时则为 “＋”；信号经过电阻和电容时不改变极性；信号在经过集成运放时，从同相端输入，则输出与输入同相，从反相端输入时，则输出与输入反相。

【结论】当输入信号Ui与反馈信号Uf在输入端的不同点时，若反馈信号Uf的瞬时极性和输入信号Ui的瞬时极性相同，则为负反馈；若两者极性相反，则为正反馈。当输入信号Ui与反馈信号Uf在输入的同一点时，若反馈信号Uf的瞬时极性和输入信号Ui的瞬时极性相同，则为正反馈；若两者极性相反，则为负反馈。

3.直流反馈和交流反馈的判断

在反馈放大器中，若反馈回来的信号是直流量，则称为直流反馈；若反馈回来的信号是交流量，则称为交流反馈；若反馈信号中既有交流分量，又有直流分量，则称为交、直流反馈。放大器中引入直流负反馈可以提高静态工作点的稳定性，引入交流负反馈可以提高放大器的动态性能。

区分直流反馈和交流反馈的关键是，抓住电容通交流隔直流的特点。

在如图2－25（a）所示电路中，反馈网络中串联了电容C4，C4对于直流相当于开路，对于交流相当于短路，所以是交流反馈。

4.负反馈组态的判断

交流负反馈在放大器中有着特殊而广泛的应用，按照对放大器性能的要求组成各种类型。

从放大器的输出端看，按照反馈网络在输出端的采样不同，可分成电压反馈和电流反馈。如果反馈取样是输出电压，则称为电压反馈；如果反馈取样是输出电流，则称为电流反馈。

从放大器的输入端看，按照反馈信号与输入信号在输入端的连接方式的不同，可分为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端串联连接，则称为串联反馈；如果反馈信号与输入信号在输入端并联连接，则称为并联反馈。

1）电压反馈和电流反馈的判断

判断电压反馈和电流反馈的方法为负载短路法。假设把输出负载短路，即Uo＝0，若反馈信号因此消失，则为电压反馈；如果反馈信号依然存在，则为电流反馈。

在如图2－25（a）所示电路中，负载RL短路，VT2集电极接地，输出信号Uo直接经导线到地，反馈信号消失，所以为电压反馈。若将C4右端改接到VT2发射极，则成为电流反馈。

2）串联反馈和并联反馈的判断

判断串联反馈和并联反馈的方法为如果反馈信号和输入信号在输入端的同一节点引入，则为并联反馈；如果反馈信号和输入信号不在输入端的同一节点引入，则为串联反馈。

在如图2－25（a）所示电路中，在输入回路中输入信号Ui与反馈信号Uf不在同一节点，以电压形式求和（反馈信号与输入信号串联），所以是串联反馈。若将RF右端改接到VT1基极，则成为并联反馈。

通过分析可知，从放大器输出端看，按反馈信号与输出信号的关系，可分为电压和电流两种反馈；从放大器输入端看，按反馈信号与输入信号的关系，可分为串联和并联两种反馈。于是对交流负反馈而言，存在4种可能的反馈组态 （类型），即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。

【想一想】如何判别负反馈的4种组态？

【例2】说明如图2－26所示各个电路中分别存在哪些反馈网络。分析电路是正反馈还是负反馈，是直流反馈还是交流反馈。并分析出反馈组态。

图2－26 实例电路

解：如图2－26（a）所示电路是一个单管共射放大器。通过反馈电阻Re把放大器的输出信号i C（≈i E）与输入回路连接起来，使三极管的净输入信号u BE（＝ui－i C×Re）受到了输出信号的影响。采用瞬时极性法判断反馈极性为负反馈，且是交、直流负反馈。假设负载短路，反馈信号u F＝i C×Re≠0，因而反馈类型是电流反馈。从输入端看是串联反馈。此放大器组态是电流串联负反馈。

如图2－26（b）所示电路是一个由集成运放构成的放大电路，和由三极管构成的共射放大器相比较，集成运放的同相输入端ui＋对应于三极管的基极输入端，反相输入端ui－对应于三极管的发射极，运放的输出端对应于三极管的集电极输出端。输出信号通过反馈网络R1、R2引回到集成运放的输入端。采用瞬时极性法判断反馈极性为负反馈，且是交、直流负反馈。利用假设负载短路法分析反馈类型是电压反馈。从输入端看，输入信号ui与反馈信号u F不在同一节点，以电压形式求和（反馈信号与输入信号串联），所以为串联反馈。故此放大器组态是电压串联负反馈。

如图2－26（c）所示电路是一个两级共射放大器，电阻R3构成了级间反馈，是交、直流负反馈。从输出端分析反馈类型是电流反馈。从输入端分析，输入信号与反馈信号在同一节点，以电流形式求和（净输入信号I′i＝Ii－If），所以为并联反馈。组态是电流并联负反馈。电阻R2、R5分别构成了本级负反馈。电阻R2构成的反馈是直流负反馈；电阻R5构成的是交、直流负反馈，组态为电流串联负反馈。

三、负反馈对放大性能的影响

放大器引入负反馈后，放大倍数有所下降，却可以改善放大器的性能。直流负反馈可以提高放大电路的静态工作点的稳定性；交流负反馈可以改善放大电路的动态性能。

1.交流负反馈可以提高放大器增益的稳定性

设放大电路工作在中频范围，反馈网络为纯电阻，所以A、F都可用实数表示，则闭环增益方程为

对上式求微分，可得

对上式两边同时除以Af，得

上式 （2－4）表明，负反馈放大器的闭环放大倍数的相对变化量是开环放大倍数相对变化的倍，也就是说，负反馈的引入使放大器的放大倍数稳定性提高到了倍。负反馈越深，稳定性越高。

【结论】电压负反馈使电路的输出电压保持稳定；电流负反馈使电路的输出电流保持稳定。

2.交流负反馈可以扩展放大器的通频带

在放大器的低频段，由于耦合电容阻抗增大等原因，放大器放大倍数下降；在高频段，由于分布电容、三极管极间电容的容抗减小等原因，放大器放大倍数下降。电路引入负反馈后，当高、低频段的放大倍数下降时，反馈信号跟着减小，对输入信号的削弱作用减弱，使放大倍数的下降变得缓慢，因而通频带展宽。

实训

两级电压串联负反馈放大电路的仿真与调试

1.实训目的

（1）通过对有负反馈和无负反馈放大器性能的比较，体会负反馈改善放大器性能的作用；

（2）进一步提高使用仿真软件的水平；

（3）进一步熟悉虚拟仪器的作用；

（4）进一步掌握放大器性能的测试方法。

2.实训步骤

（1）用Multisim10仿真软件搭建仿真电路，如图2－27所示。

图2－27 负反馈实验仿真电路

（2）测量电路的静态工作点。令输入信号为零，用万用表测量出VT1与VT2的基极、集电极、发射极电位UBQ1、UCQ1、UEQ1、UBQ2、UCQ2、UEQ2值的大小，记录于自拟的数据表格中。调节RP使VT1的集电极静态电流ICQ1为1mA左右。

（3）测量基本放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻。X2向左，把反馈网络从输出端断开，在输入端接低频信号发生器，输入频率f＝1kHz、有效值Ui＝10mV的正弦信号ui，从输出端分别测量不接负载电阻R7（断开X3）和接负载电阻R7（闭合X3）两种情况下的输出电压uo和uo L的有效值Uo和Uo L，计算出电压放大倍数Au、输出电阻ro的值，记录于表2－3中。

X1向下，将R1＝4.7kΩ接入回路，调节信号源电压，同时保持Ui＝10mV不变，测出此时的信号源电压us有效值Us大小，计算出输入电阻ri值，并填入表2－3中。

（4）测量电压串联负反馈放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻。X2向右，将反馈网络接在输出端，便构成电压串联负反馈。使输入信号仍为f＝1kHz，Ui＝10mV，按实验内容 （2），测量加了负反馈后的输入电压、无负载输出电压、有负载输出电压及信号源电压Ui、Uof、Uo Lf、Us，并计算出有负反馈后的电压放大倍数、输出电阻及输入电阻Auf、rof、rif，填入表2－3中。

（5）观察负反馈对放大器非线性失真的改善。将放大器处于基本放大电路形式，输入信号频率不变，增大幅度，使放大器输出波形产生明显的非线性失真，画出此时的失真波形；保持输入不变，将放大器处于负反馈形式，画出此时的输出波形，并分析非线性失真的改善程度。

表2－3 动态指标的测试结果

3.总结

负反馈放大器改善电路性能。引入了负反馈后，可使放大器的很多性能得到改善。主要是提高电路的稳定性，改变电路的输入、输出电阻，改善电路的非线性失真等。因此负反馈在各种放大器电路中应用十分广泛。实验中通过测量两级基本阻容放大器和负反馈放大器，对其性能参数进行比较，体会负反馈对于改善放大器各项性能所起的作用。

4.实训要求

（1）整理数据，完成表格；

（2）根据测量、观察的结果，总结出负反馈对放大器的哪些性能有影响，各是如何影响的。