📑 本页目录
模拟电子技术基础 · 第六版 · 第五章
反馈放大电路
从判断到计算
这一章不要求你重新把每只三极管算一遍。先找出输出怎样返回输入,再用一条电压式或电流式,把整台放大器管住。
按教材 5.1—5.7 展开,附 5.8 仿真学习方法、章末自测及习题 5.1—5.18。讲解用自己的语言重组推导,保留课本节次和题号以便对照。所有图均以 SVG 重绘;复杂电路的简图会标明省略范围。所提供 PDF 的 5.8 是数字资源入口,本页不声称复述未读取的扫码内容。
从“反馈究竟改变了什么”开始 →这一章的过关标准:会判、会算、会接、会判振
你现在最需要的是把题目分成四类。看到一张电路图,先判断反馈性质;给出电阻,求深度负反馈下的放大倍数;给出性能要求,选择并连接反馈;给出波特图,判断是否振荡及怎样补偿。它们分别对应教材 5.1—5.2、5.3—5.4、5.5、5.6。
| 优先级 | 必须交出的结果 | 不必先耗时间的地方 |
|---|---|---|
| 最高 | 写出净输入量;判出四种组态;用 KCL/KVL 求反馈系数或闭环增益 | 不必把每个实际运放内部电流镜重新展开 |
| 高 | 虚短、虚断的条件;故障后是否仍在线性区;输入/输出电阻的变化 | 理想化指标的长清单,先理解它们怎样简化计算 |
| 高 | 在相位 −180° 处检查环路增益;读相位裕度;识别补偿位置 | 未经老师要求,不必先推完整多极点控制理论 |
| 扩展 | Howland 电流源的匹配关系、自举为什么提高输入电阻 | 具体器件的补偿电容选型、软件操作菜单 |
先约定:ui 是外部输入,uf 是输出返回的反馈电压,ud 或 u′i 是真正作用于基本放大电路的净输入电压。电流同理。F 表示反馈系数,β 仍留给三极管电流放大系数。下面写 A(f)、F(f) 时包含幅值和相位;中频纯电阻题通常可当实数处理。
5.1.1 反馈:输出返回来,改变的是“净输入”
第二章里你已经见过反馈:基极电位暂时不变,集电极电流因温度升高而增大,发射极电流也增大;RE 上电压升高,使 uBE=uB−uE 减小,原来的电流增大受到抑制。这里需要记的不是一串箭头,而是输出电流通过 RE,改变了输入端真正控制管子的 uBE。
对运放也一样。它响应的是 uP−uN,不是随便挑一个输入脚对地的电压。外部信号为 1 V,不代表内部放大电路也承受 1 V 差模输入。反馈可以把另一个端子抬到 0.999 V,使差模输入只剩 1 mV。
框图箭头只表示信号关系,不是导线上真的有一个叫“X”的电流。上面从净输入经 A 到输出,下面由输出经 F 返回。输出对净输入起抵消作用叫负反馈,起加强作用叫正反馈。“负”不是说输出电压一定为负,也不是说电压增益一定为负。
课本先举生活中的反馈,是为了建立“把结果送回去修正作用”的概念。做题时不需要背这些比喻;你需要会在图上指出输出取样点、返回路径、输入比较点这三个位置。
检查:共射放大器输出反相,所以它一定是负反馈电路吗?
不能这样判断。输出反相描述正向放大关系;负反馈描述信号绕回输入后是加强还是抵消。没有返回输入的通路,反相放大仍可以是开环放大。
5.1.2 先找通路:电阻碰到输入脚,不一定构成反馈
从输出往回找,看它能否改变 uBE、uGS、uP−uN 或相应的净输入电流。只有一条画得像“回路”的线,不能证明存在反馈。
图中 R 一端接输出,另一端与运放同相端一样接地。地把这个节点固定在零电位,输出变化不会经 R 改变它。R 只是负载;不是因为电流“流不过去”,而是因为它不能改变净输入量。这正是教材图 5.1.2(c) 要考的区别。
再分清局部反馈与总体反馈。一个多级电路可能每一级都有局部反馈,同时还有从最终输出绕回第一级的反馈。题目问某个电阻引入什么反馈,就只沿该电阻对应的闭合信号路径判断;别把所有环混成一个符号。
5.1.2 瞬时极性法:每个加减号都要有用途
按四步做:①假设输入有一个很小的正向变化;②沿正向放大路径推输出变化;③沿反馈网络推返回量变化;④把返回量放进净输入式,检查它是在抵消还是加强最初的变化。
基本方向先记三条:共射、共源的电压输出反相;射极跟随器、源极跟随器同相;运放同相端升高使输出升高,反相端升高使输出降低。这里说的是工作点附近的小变化,图中的“−”通常是“电位下降”,不等于该节点的直流电位小于 0 V。
同相电压放大器中,输入升高,输出升高;输出经 R2、R1 分压使 uN 升高。净输入式为:
uf 的升高会减小 ud,因此是负反馈。图中从输出经 R2 流向 R1 的箭头,最后要变成分压式或 KCL;理解到这里就够了,不必对每一段导线都另记一个电流名称。
单个运放、普通无源电阻返回网络中,“输出返回反相端”为负反馈是一个快捷判断。但若中间多了反相级,就必须把整条路径算完。教材例 5.1.1 的 A1 和 A2 都反相:输入增大使 uo1 减小,最终 uo 增大;反馈送入 A1 的同相端,反而抵消原来从反相端输入的作用。不能只看最后接到了“+”还是“−”。
5.1.2 直流与交流:把电容分别开路、短路,再看一次
直流反馈是在直流通路中存在的反馈,主要影响静态工作点和慢变漂移;交流反馈是在研究频段的交流通路中存在的反馈,影响动态增益、输入/输出电阻、失真与频带。它们可以同时存在。
上图将电容并在分压下臂 R1 上:直流时 C 开路,分压反馈仍在;中频把 C 视为短路,反相端被交流接地,来自输出的交流反馈量变为零。下图把 C 串在返回支路:直流时通路断开,交流时返回通路接通。因此前者是“只保留直流反馈”的典型,后者是“只保留交流反馈”的典型。
这里的“交流短路”有频段条件。到了低频,电容不能再理想短路,就必须连同容抗一起算。第二章的 RE 并联 CE 也是同一个逻辑:RE 仍能稳定直流 Q 点,但中频反馈电压被旁路。
下图只用来判断这条支路能通过什么信号。实际电路还需要建立直流工作点;不能只按这张简图串一个电容,就假定运放在直流时也能保持正常线性工作。
做题写法:先说直流时哪条支路存在,再说交流时哪条支路存在,最后分别判正负。“直接耦合所以只能有直流反馈”是错的;直接耦合电路也能传递交流。
5.2.1 四种组态,其实只问两个独立问题
第一个问题在输出端:反馈到底在检测输出电压还是某条输出电流?这决定名称前半段“电压/电流”。第二个问题在输入端:输入与返回量是用电压求差,还是在一个节点用电流求差?这决定后半段“串联/并联”。
| 输出检测 | 输入以电压求差 | 输入以电流求差 |
|---|---|---|
| 输出电压 uo | 电压串联:ui 控制 uo | 电压并联:ii 控制 uo |
| 输出电流 io | 电流串联:ui 控制 io | 电流并联:ii 控制 io |
别被“电流串联里为什么出现反馈电压”绊住。检测的是电流,返回到输入的可以是经过电阻转换后的电压。同样,电压并联可以检测电压,再经过电阻变成返回电流。名称的两半分别回答不同问题。
“稳定输出电压”指输入保持不变时,负载、参数等扰动引起的电压变化受到抑制;不是不允许输出随输入信号变化。电流反馈稳定的也可能是管子的集电极电流,未必恰好是某只外接 RL 的电流,必须先读题目标出的 io。
5.2.2 电压串联:把输出分一部分,与输入电压比较
回看前面的同相放大器。R1、R2 分压,运放输入电流近似为零,所以:
ud = ui−uf
第一行证明取样来自输出电压;第二行证明输入以电压比较。因此是电压串联负反馈。将负载 RL 在纸面上短接,输出电压为零,由输出产生的 uf 也为零,判断得到同样结论。
如果放大器的能力很强,只需要很小的 ud 就能产生有限输出,便有 ui≈uf。代入第一行:
例如 R1=10 kΩ、R2=90 kΩ,增益约为 10。RL 不在这个式子里,说明在放大器可提供所需输出电流的范围内,负载变化主要让输出电流变,而输出电压较稳定。
5.2.2 电流串联:负载电流流过取样电阻
这个电路的 RL 下端没有接地,而是接在取样电阻 R 上端。运放输入电流近似为零,因此流过 RL 的电流继续流过 R;图中 io 箭头直接对应下面第一行。
ud = ui−uf
ud≈0 ⇒ io≈ui/R
取样的是电流,比较的是电压,所以是电流串联。负载变化时,io 近似不变,而负载两端电压 uo=ioRL 随 RL 变化。运放输出脚对地电压另为 io(R+RL),两者不可混用。
R=1 kΩ、ui=1 V 时,输出电流约 1 mA。RL 从 2 kΩ 增为 4 kΩ,负载电压由 2 V 变成 4 V,运放输出脚由 3 V 变成 5 V。若所需电压超过实际供电允许范围,恒流关系就不能继续成立。
必须会:看到“将电压转换为稳定电流”,想到电流串联;知道 1/R 的单位为 A/V,不能把它直接当成无量纲电压增益。
5.2.2 电压并联:输入电流在同一节点分流
输入经 Rs 到 N 点,反馈电阻 Rf 从 N 点接到输出。同相端接地。图中 ii 箭头流入 N,if 箭头由 N 流向输出,进入运放的剩余电流为 iN。KCL 是:
若输入电流增加,N 点先有升高趋势,运放输出便降低;这使流经 Rf、离开 N 点的电流增加,从而分走更多输入电流,抵消净输入的增加。因此是并联负反馈。
在线性理想运放条件下,uN≈0、iN≈0,所以 ii≈if。根据箭头的起点减终点:
uo/ii ≈ −Rf
ii≈us/Rs ⇒ uo/us≈−Rf/Rs
反馈来自输出电压,却以电流形式返回,这就是电压并联。负号来自参考方向:正输入电流需要负输出电压把它经 Rf 拉走。箭头到这里已经完成任务:它决定 KCL 和欧姆定律的符号。
运放的输入电流为零,并不表示信号源没有电流。信号电流从 Rs 进入,经 Rf 流向输出端。也不能直接把理想电压源接到求和节点,硬把 uN 钳为非零电压,却还要求“虚地”。
5.2.2 电流并联:输出电流的一部分返回输入节点
这次 RL 跨在运放输出与节点 B 之间;B 通过 R2 接地,又通过 R1 接 N。本图统一规定 io 从运放输出经 RL 向下,uo 为上正下负。参考箭头用于列式,不等于正输入时的实际电流方向;不要与教材标出的瞬时方向混用。
虚地使 N 与地电位相同。输出电流作用时,R1、R2 相当于并联分流;反馈箭头从 N 指向 B,与“io 注入 B 后分流出去”的方向相反,因此:
ii≈if ⇒ io/ii≈−(1+R1/R2)
如果重新把 io 箭头反过来,电流增益会换符号;反馈的物理性质不变。所以不要背“电流并联一定是正增益/负增益”,要按当前图的箭头列式。
最后一个式子先用 Rs 把输入电压换成电流,再用 RL 把输出电流换成电压。它多出两个电阻不是多背一种反馈,而是题目最后要求的量不同。
5.2.3 判断模板:先确认负反馈,再写两个判据
- 先画所需频段的通路。直流电容开路;中频大电容短路、独立直流电源交流接地。
- 用瞬时极性判断正负。说清净输入式里的哪个量被抵消;不能先假设虚短再倒过来证明负反馈。
- 判断输出取样。在纸面上令指定输出电压为零,检查由输出引起的反馈分量是否随之消失。消失为电压反馈;输出电流仍能形成反馈则为电流反馈。
- 判断输入混合。写 u′i=ui−uf 或 i′i=ii−if,分别为串联、并联。
第三步的“输出短路法”是分析方法,不是让你把实际运放输出用导线接地。还有一个容易错的点:输出电压置零后,某电阻仍可能被输入源驱动而有电流;那部分不算由输出返回的反馈量。
教材例 5.2.1 中运放驱动 NPN 管,集电极负载电流经发射极网络取样后返回反相端:是电流串联。例 5.2.2 中差分输入级的另一个基极接输出分压:净输入是两基极电位之差,输出为零时分压反馈消失,是电压串联。即使三极管基极还吸收电流,也不能因此改判成并联反馈。
5.3.1—5.3.3 一般表达式:从三行定义推出来
Xo=A X′i
Xf=F Xo
将后两行代回第一行:Xo=A(Xi−FXo)。把含输出的项移到同一边,得到:
Af ≡ Xo/Xi = A/(1+AF)
A 是基本放大电路的增益,F 是反馈网络的传输系数,AF 是环路增益,Af 是从外部输入到输出的闭环增益。中频按这个减法约定,负反馈对应 AF>0;A、F 本身都可为负,只要乘积为正。
把反馈电阻直接从电路中拆掉再算 A,有时会改变两端负载,得到错误的开环比较值。教材框图中的 A 已考虑反馈网络的负载效应;若题目给出了 A、F,就在这一约定下使用。普通深度反馈习题常可直接求 F,正是为了避开逐管重算 A 的工作。
一个重要边界:式子分母写成 1+AF,是因为前面明确采用“输入减反馈”的符号约定。其他资料若把负号并入环路传递函数,可能写成 1−L。不要把两套符号混着用。
5.3.2 四种组态中的 A、F、Af,单位并不相同
| 组态 | 闭环增益 Xo/Xi | 反馈系数 Xf/Xo | 单位检查 |
|---|---|---|---|
| 电压串联 | uo/ui | uf/uo | Af、F 均无量纲 |
| 电流串联 | io/ui,跨导 | uf/io | Af 为 S;F 为 Ω |
| 电压并联 | uo/ii,跨阻 | if/uo | Af 为 Ω;F 为 S |
| 电流并联 | io/ii | if/io | Af、F 均无量纲 |
四行里 AF 都无量纲,因此可以与 1 相加。若你在电压并联电路里写出 F=−Rf,单位是 Ω,却定义 F=if/uo,就知道写倒了:应为 −1/Rf。单位检查比死记符号可靠。
为什么课本要写这一大张表?因为“闭环增益≈1/F”算出来的,未必是最后要求的电压放大倍数。最稳的写法是先写分子/分母到底是什么,再决定是否补乘负载、补除源电阻。
5.4.1 深度负反馈:忽略净输入,保留外部输入
当 |AF| 远大于 1,且处在稳定的负反馈工作范围时,分母的 1 相对很小:
X′i/Xi = 1/(1+AF)
串联:ui≈uf;并联:ii≈if
“忽略净输入”不是令外部输入为零。输入可以为 1 V,而净输入只有几微伏。也不是说任何一只三极管都不需要基极电流:串联反馈主要忽略净输入电压;并联反馈主要忽略净输入电流,所用近似必须与组态和器件模型一致。
例如 A=10⁴、F=0.01,AF=100,准确闭环增益为 99.01,深度近似为 100。以近似值 1/F 为基准,偏差为 1/(1+AF)≈0.99%。只算到两位有效数字时常足够;若要求 0.1% 精度,就不能不检查环路增益。
这节的核心:不需要先把所有三极管的小信号电路画出来;先利用输入与反馈近似相等,把反馈网络变成普通电阻题。仍要检查工作点、输出摆幅和稳定性允许这一步近似。
5.4.2 反馈网络:把输出当作激励,只求返回的那一份
分离反馈网络时,从输出取样点沿通路走回输入比较点。保留决定分压或分流的电阻;交流电源端变为地;按串联输入近似开路或并联输入近似虚地建立返回端条件。不要把输入源本身造成的电压、电流混进 F。
这个网络对应教材例 5.2.1、5.4.4 的发射极取样。iE 注入 B 后分成两路:一路经过 R3,一路经过 R2+R1。返回端近似不取电流,所以反馈电压取 R1 上的压降:
uf = i12R1
F = uf/io ≈ R1R3/(R1+R2+R3)
最后一步用到 iE≈iC=io,即忽略三极管基极电流。不是“理想运放”就能自动让外围晶体管 β 无穷大。若保留 β,F 还需乘 (β+1)/β,输出电流则乘相应的 α=β/(β+1)。
很多题的难点就在这里:反馈电阻并不是唯一决定 F 的元件。R3 分走了一部分电流,R1 决定反馈压降,两者都必须保留。
5.4.3 四个例题:同一套方法,输出量不同
例 5.4.1:差分级的返回基极由 R2=10 kΩ、R4=100 kΩ 分压。电压串联,所以 F=R2/(R2+R4)=1/11,Auf≈11。输入基极与返回基极构成差分比较,不必重新计算两只管子的 β。
例 5.4.2(场效应管选学):共源加共射,两次反相使总体同相;输出通过 Rf 返回第一级源极,与 Rs1 分压。因此 F=Rs1/(Rs1+Rf),Auf≈1+Rf/Rs1。源极电压升高抵消栅源电压,这就是串联比较。
例 5.4.3:取样的是第二管输出电流,返回输入节点作分流。按课本参考方向,F=Re2/(Re2+Rf),Aif≈1+Rf/Re2。要求电流增益 10、Re2=1 kΩ,得到 Rf=9 kΩ。题目还要电压增益,不能到此停下:
Ausf≈AifR′L/Rs=10×5/1=50
这里被稳定的管子电流流进 Rc2 与 RL 的并联组合,因此应乘 5 kΩ,不能只乘 RL=10 kΩ。
例 5.4.4:用上一节电流取样网络,R1=10 kΩ、R2=100 kΩ、R3=2 kΩ、RL=5 kΩ:
io/ui≈1/F=5.6 mA/V
Auf≈RL/F=28
检验:输入 0.1 V,负载电流约 0.56 mA,负载电压约 2.8 V;这是 28 倍。三个数的单位都对,结果才可信。
5.4.4 虚短、虚断:先判断工作状态,再用两条规则
理想运放把开环差模增益、输入电阻、共模抑制比和带宽看成无穷大,把输出电阻、失调与内部噪声看成零。这些假设是解题模型;实际使用时,有限带宽和输出摆幅仍需另行检查。
有限 uo、Aod→∞ ⇒ uP≈uN(虚短)
输入电阻→∞ ⇒ iP≈iN≈0(虚断)
虚短不是真导线:两端电位相等,但不允许你画一根导线让电流从 P 流到 N。虚断不是输入脚不接电路:只表示流入运放内部的电流忽略不计,外部电阻之间仍可有很大的电流。
只有稳定负反馈、输出未饱和、输入共模范围等条件满足时,才能用虚短计算线性增益。开环、正反馈或输出碰到上限时,uP≈uN 一般不成立。虚断作为理想输入模型仍可使用,但它本身不能推出虚短。
“虚地”还要多一条条件:某个输入端真接地,再由虚短得另一个端子近似 0 V。两个输入端都处于 2 V 时,它们可以虚短,却不是虚地。
故障题固定步骤:先把开路/短路画进图,重新找反馈;若仍是有效负反馈,列节点式并检查输出范围;若返回通路失效,根据 uP−uN 的正负选择正、负饱和。第五章 5.10 和 5.17 的重点就是这件事。
5.5.1 稳定放大倍数:稳定的是“相对变化”
设反馈网络 F 不变,将 Af=A/(1+AF) 对 A 求导:
(dAf/Af) = [1/(1+AF)](dA/A)
第二行才是常用结论。若开环增益变化 10%,反馈深度 1+AF=100,闭环增益的相对变化约 0.1%。这是小变化近似;变化很大时,分别代入变化前后的 A 更稳妥。
把稳定性换来的代价也记住:中频增益同样缩小为原来的 1/(1+AF)。为得到既稳定又有足够大的最终增益,先做出较大的开环增益,再通过反馈确定所需增益。
但 F 自己若变化,深度反馈不会替你消掉它。更完整的微小变化关系为:
深度反馈时,第二项约为 −dF/F。因此精密放大器还要选稳定的电阻比。对基础习题,知道“F 固定”是公式前提即可,不必把误差分析当成本章第一优先级。
5.5.2 输入电阻:串联增大,并联减小
串联负反馈时,同样的输入电流只需在基本放大器上形成较小的净输入电压;外部输入电压还要加上反馈电压,因此从外部看,电压/电流变大:
Rif=Ri/(1+AF) (并联)
并联时,输入电流的一部分经反馈支路流走,同样的节点电压对应更大的外部输入电流,所以电压/电流变小。记这两个物理解释,比分别背四种组态的全部结论容易。
要分清测量端口。反相运放的 N 求和节点近似虚地,节点输入电阻趋近零;但信号源从 Rs 左端看进去,输入电阻约为 Rs,不是零。若题目把 Rs 算在放大电路之外,两种说法才能同时成立。
环外并联偏置电阻也不会一起被乘大。例如晶体管输入支路从 10 kΩ 提高到 1 MΩ,但输入端还并着 100 kΩ 的偏置电阻,整机输入电阻为 1 MΩ∥100 kΩ≈90.9 kΩ,不是 1 MΩ。
5.5.2 输出电阻:电压反馈减小,电流反馈增大
电压源希望负载变化时输出电压不变,所以理想输出内阻越小越好;电流源希望负载变化时输出电流不变,所以理想输出内阻越大越好。由此得到:
Rof=(1+AF)Ro (电流反馈)
| 组态 | 输入电阻 | 输出电阻 | 对应功能 |
|---|---|---|---|
| 电压串联 | 增大 | 减小 | 电压放大 |
| 电压并联 | 减小 | 减小 | 电流转电压 |
| 电流串联 | 增大 | 增大 | 电压转电流 |
| 电流并联 | 减小 | 增大 | 电流放大 |
求实际输出电阻仍是第二章那套方法:独立输入源置零,负载取下,在指定输出端加测试源,算 Ut/It;反馈和受控源必须保留。若环外还有并联电阻,最后再并联它,不能把整机每只电阻都乘上反馈深度。
这里“带负载能力增强”在通常的电压放大语境中,是输出电压不易因接负载而下降,即输出电阻减小。它不等于运放的最大允许输出电流凭空增大。
5.5.3 展宽频带:用增益换带宽,但有条件
沿用第四章的一阶高频模型 A(f)=Am/[1+j(f/fH)],取 F 为实数常量。直接代进一般式:
= [Am/(1+AmF)]/{1+j[f/((1+AmF)fH)]}
所以中频增益降低,上限截止频率提高。对相应的一阶低频模型可同样得到:
fLf=fL/(1+AmF)
图用 Am=1000、fH=1 kHz、F=0.009,反馈深度为 10:中频从 60 dB 降为 40 dB,上限从 1 kHz 升为 10 kHz。两个 −3 dB 点分别相对各自的平台测量,不能一直拿原来 60 dB 的平台作标准。
这些等式建立在纯电阻反馈、一阶主导响应等前提下。多极点电路会出现峰化、相位裕度不足甚至振荡;那时不能直接把“展宽十倍”当作无条件答案。频率升高后 A 变小、反馈变浅,也解释了为什么高频时精密增益开始失准。
5.5.4 减小失真:纠正环内产生的误差
假设放大电路本身使正半周放得太大。这个偏大的输出也被返回输入,并从输入中减掉,于是内部净输入的正半周被压小,抵消原来过大的放大量。内部净输入可能不再是漂亮的正弦波,而外部输出反而更接近正弦,这并不矛盾。
比较失真改善时,应保持输出基波幅度相当;闭环增益变小后,通常要把输入适当增大再比较。否则只因输出变小、工作更接近小信号区,就把改善全部算给反馈,会混淆原因。
已经混在输入信号中的失真或干扰,会被电路当作输入一起放大,反馈不知道哪一部分是你想要的。发生在反馈取样点之后、没有被采到的误差,也不在这一补偿范围内。
还要注意谐波所在频率:抑制第 n 次谐波,依赖的是该谐波频率处的环路增益。不能用很大的直流 AF 去保证所有高频失真都能同样下降。严重饱和、截止或压摆率限制也不能靠这条线性公式“修回来”。
5.5.5 设计反馈:先选功能,再接线验证极性
要求“输入电阻高”选串联,要求“输入电阻低”选并联;要求“稳定输出电压”选电压取样,要求“稳定输出电流”选电流取样。两组条件组合,就确定组态。然后寻找合适的输入、输出节点,最后完整绕一圈验证确实为负反馈。
图为原题端子的重排示意,差分前级与输出级分上下画,端子编号不变。⑦在输出管发射极电阻一侧,用于电流取样;⑧在集电极输出端,用于电压取样。各电源标记对应同一供电,⑨、⑩之间是待接入的反馈电阻。
教材例 5.5.1 是连线题。按原图端子编号:增大输入电阻并增强电压带负载能力,接④—⑥、③—⑨、⑧—⑩;输入电流控制输出电流,接④—⑥、⑦—⑩、②—⑨;输入电流控制输出电压,接⑤—⑥、②—⑨、⑧—⑩。
不必死背端子号。第一组是“输出电压返回差分另一输入端”;第二组是“输出管的电流取样返回输入求和节点”;第三组是“最终输出电压返回求和节点”。选择不同的前级集电极驱动后级,是为了改变正向通道极性,使返回作用抵消输入。
同一张基本放大电路不一定能只换一根线就实现任意组态。尤其不要把反馈接到理想恒流源尾端后,就以为能改变差模输入;必须检查该节点的电位变化究竟如何影响两管的净输入。
练习:传感器近似输出电流,希望送给后级一个稳定电压,选什么?
电压并联负反馈。输入端低阻有利于接收传感电流;输出端低阻有利于提供稳定电压。典型电路就是前面的跨阻放大器,uo≈−iiRf。
5.6.1 为什么负反馈会振荡:回来的信号晚了半圈
中频时,返回量从输入中减去,起纠正作用。第四章已经说明,电容会产生相位变化。若绕环路的附加相移达到 −180°,返回量相对中频翻了方向:原本的“减”变成实际的“加”。一个很小的扰动绕一圈回来,可能被进一步放大。
定义 T(f)=A(f)F(f)。本页使用输入减反馈的约定,因此临界平衡条件为:
T(f0)=−1
|T(f0)|=1,∠T(f0)=−180°(或等价奇数倍 180°)
相位条件说明“回来变成加强”,幅值条件说明“绕一圈刚好维持”。若相位满足时小信号环路幅值大于 1,扰动可增长;实际电路最终会被非线性限制幅度。线性小信号模型能判断稳定性趋势,却不能单靠 |T|=1 算出最终振幅。
这就是为什么改输入幅度通常不能消除自激振荡:振荡由电路自身环路决定,无输入也能由噪声或上电扰动激发。要改变电路的环路增益或相位条件。
5.6.2 级数越多为何越危险:数的是有效极点
在直接耦合、纯电阻反馈、每级只有一个有效高频极点的教材简化模型下:一级最多滞后 90°;两级只在频率趋于无穷大时趋向 180°,此时增益趋零;三级能在有限频率达到 180°,而增益还不一定小于 1,所以可能不稳定。
真正决定相位积累的是环路的极点、零点和延时,不是三极管只数。一只实际运放内部就有多级;外接电容负载还会增加极点。“两级电路永不振荡”只能在刚才的简化条件下说,不能拿去套所有实际电路。
低频同样可能因多个耦合、旁路环节积累相移。采用直接耦合可避免这些低频耦合极点,但不会自动消除高频稳定性问题。反馈深度增加,通常使环路 0 dB 交越点移向更高频,也更容易进入相位滞后较大的区域。
5.6.3 波特图判稳:先找两个频率,再谈裕度
按教材常见的稳定开环、单次交越、低通环路模型,定义 f0 为环路相位达到 −180° 的频率,fc 为 |AF|=1 即 0 dB 的交越频率。
- 先在相频图找到 −180°,向上读同频率的幅值。
- 若该处 20lg|AF|<0 dB,返回的扰动每绕一圈都缩小;若大于 0 dB,存在失稳风险并按本章模型判不稳定。
- 等价地,通常 fc<f0 为稳定,f0<fc 为不稳定。相等为临界,不能当作“可靠稳定”。
图中环路模型为 T=T0/(1+jf/1 kHz)³。T0=4 时,在相位 −180° 的 f0=√3 kHz 处幅值为 0.5,即 −6.02 dB;T0=20 时,同一处幅值为 2.5,即 +7.96 dB。极点没换,只把环路放大能力提高,稳定性就变了。
本教材的幅值裕度 Gm = 20lg|T(f0)|
特别留意教材的符号:这里稳定时 Gm 为负,课本的可靠性参考是 Gm≤−10 dB 且 φm>45°。不少控制教材把“增益裕度”定义成相反数,稳定时记正值。本章作业按本书定义,不要把 −10 dB 改填 +10 dB。
T0=4 的例子虽然稳定,但相位裕度只有约 27.1°、Gm=−6 dB,未达到本书给的两个参考要求。不振荡与有足够裕度是两档要求。若环路有右半平面极点、多个交越或显著延时,需要更完整的稳定性判据,简单比较这两个频率不够。
5.6.4 消振:让增益先降下来,或把相位往前拉
简单滞后补偿:在产生最低高频转折的节点加对地电容,使该极点提前,环路更早下降到 0 dB,避免在幅值还很大时积累到 −180°。它通过牺牲带宽换稳定性。
补偿后 f′H1=1/[2π(Ro前∥Ri后)(Ci+C)]
RC 滞后补偿:用串联 RC 支路代替单电容,除降低一个极点外还能引入零点,适当选参数时可抵消或缓和另一个极点的影响,比简单加电容少损失一些带宽。它不是“随便串一个电阻就一定好”,仍要看补偿后的环路曲线。
密勒补偿:把小电容跨接在反相放大级输入与输出之间,输入侧等效电容约为 (1−K)C。例如 K=−100、C=20 pF,等效约 2020 pF,课本按 2000 pF 估算。第四章中拖慢速度的密勒效应,在这里被用来制造主极点。
例 5.6.1 特别问:同一个 40 pF 电容,普通对地接法与密勒接法都能消振,通常选哪个?按题设通常选对地接法,因为密勒把等效电容放大很多,可能造成不必要的带宽损失。若普通接法容量不够、无法消振,密勒接法才有它的优势,正对应习题 5.15。
超前补偿:在反馈上臂 R2 并联 C,令 F 本身在一定频段提供相位超前:
fz=1/(2πR2C),fp=1/[2π(R1∥R2)C],fz<fp
零点先到、极点后到,中间一段得到正的附加相移。有限电阻比下最大相位超前小于 90°,课本图的 90° 是近似极限示意,不能当任意网络的精确数值。基础考试先掌握“补在哪、破坏哪个条件、代价是什么”,具体补偿器综合并非本章首要任务。
5.6.5 运放补偿与例 5.6.2:低开环带宽不等于不能放大音频
运放内部开环增益很大,主极点可能很低;闭环后,增益降低而可用带宽扩大。对于主极点占优、已补偿的电压反馈运放,闭环带宽可粗略按单位增益频率除以噪声增益估算。同相放大器的噪声增益为 1+R2/R1;反相放大器为 1+Rf/Rs,不是只取信号增益 |−Rf/Rs|。
这里讲噪声增益,是为了防止把第四章的增益带宽关系套错反馈回路;本章基础题通常仍按给定的 A、F 算。不能由“理想运放带宽无穷大”推断实际运放没有相位问题。
例 5.6.2 的折线在 10 Hz 后以 −20 dB/十倍频下降,在 1 kHz 后变成 −60 dB/十倍频,意味着 1 kHz 叠着两个极点。在该处,第一个极点近似贡献 −90°,另两个各贡献 −45°,总相位约 −180°;图上的增益约 60 dB。
⇒20lg|F|<−60 dB ⇒ |F|<0.001
F=1 时显然不稳定。上述 0.001 是按题给折线读数得到的保守估算,不是把三个极点精确计算后的严格临界值。若题目给的是解析表达式,应直接计算对应相位处的实际幅值,习题 5.12 会示范这个区别。
5.7.1 正反馈也有用途:Howland 电流源怎样消去负载影响
进阶选学:先熟练四种基本组态和普通恒流电路,再看这一节。它的用途是回答“负载必须有一端接地,怎样仍得到稳定电流”,不是要求你背一大段代数。
图中 R2 返回反相端,R3 又把输出接到同相端所在节点 P,既有负反馈也有正反馈。以图中向下的 io 为正,在稳定线性工作条件下,令 uN=uP=v,两个输入端都不吸电流。
P 点:(ua−v)/R3 = v/R+io
这里用 ua 表示运放输出脚电压,避免与负载电压 v 混淆。由第一行得 ua=(1+R2/R1)v−(R2/R1)ui,代入第二行:
要让输出电流不随负载电压 v 改变,就让 v 的系数为零:
这时理想输出电阻趋于无穷大。电阻比失配会留下 v 项,恒流特性就变差;实际输出摆幅、供电和稳定性也仍有限制。正反馈在这里用来抵消负载依赖,不代表电路可以不顾反馈强弱随意工作。
5.7.2 自举:让电阻两端一起动,信号电流就变小
若一只 R 一端接输入 ui,另一端固定接地,它索取的信号电流为 ui/R。现在让另一端跟着输入变成 K ui,则:
R等效=ui/iR=R/(1−K)
K=0.99、R=10 kΩ 时,从信号源看来这条支路像 1 MΩ。电阻本身没有变成 1 MΩ;只是它两端一起抬高,差值变小,信号源不用再供那么多电流。
教材图 5.7.2 用电容把跟随电位送到偏置电阻另一端。直流时电容开路,偏置仍能建立;交流时两端近似跟随,输入电阻提高。这是交流正反馈的有益用法。K 还会随频率变化,因此“无穷大输入电阻”只是理想模型的极限,不是每个频率都能实现。
习题 5.16 的射极跟随器做的是同一件事:用射极电压经 C2 抬高 R3 的偏置端。你只需能指出这条通路、写出 R3 两端的交流电压差,并说明输入电流因此减小。
5.8 仿真学习:用三个实验核对本章,而不是只看波形漂亮
所提供书页列出了“开环放大倍数对闭环放大倍数的影响”和“交流负反馈对频率特性的影响”两个数字资源题目,完整操作不在 PDF 中。下面给的是依据本章模型编写的实验路线,可用于支持受控源和交流扫描的电路仿真工具。
- 固定 F,改变 A。同相电路取 R1=10 kΩ、R2=90 kΩ,F=0.1;把有限增益模型 A 分别设为 100、1000、10000。预测闭环增益为 9.091、9.901、9.990,再测量,观察它如何靠近 10。
- 加入单极点并扫描频率。取 A0=1000、fH=1 kHz、F=0.009,比较开环 60 dB/1 kHz 与闭环 40 dB/10 kHz;相对各自中频增益找 −3 dB 点。
- 给三极点环路加补偿。先测环路相位和 0 dB 交越,再加补偿电容;同时观察小阶跃的过冲和振铃。只看“有一段时间没有明显振荡”不足以证明裕度够大。
仿真前先检查 Q 点与输出摆幅;交流小信号扫描建立在静态工作点附近,若放大器已经饱和,线性结果就没有原题假设下的意义。测环路增益需要保持原有偏置和加载条件,不能随手断线后把一个全新电路的增益当成 AF。
正文过关检查:用自己的话回答这八个问题
- 为什么输出反相不等于负反馈?
- 为什么电流串联反馈的返回量是电压?
- 什么时候 1/F 还要乘负载电阻或除源电阻?
- 运放输入端无电流,信号源的电流去了哪里?
- 虚地节点输入电阻近零,为什么反相放大器从信号源看进去仍有 Rs?
- 为什么稳定了输出电流,负载变化时输出电压反而应变化?
- 为什么要在相位 −180° 的同一个频率读环路幅值?
- 为什么补偿电容太大虽能消振,却未必是好设计?
查看短答,检查自己是否真的会解释
反相是正向关系、反馈要绕一圈;电流取样可经电阻变为电压比较;1/F 的输入/输出量未必都是电压;信号电流经反馈支路到输出;输入端口不同;u=Ri,恒流意味着电压随 R 变;幅值与相位条件必须同频同时成立;大电容会压低有效带宽和响应速度。
先做 5.1—5.3 检查概念,再把 5.4—5.9 看成同一组电路的“判断→组态→计算”,最后做故障、设计、稳定性题。不要第一天就要求自己把所有电路一眼认出;能按固定步骤写出理由,才是可迁移的能力。
章末自测:先做四组,把正文变成解题步骤
自测一:电流转电压选电压并联 B;电压转电流选电流串联 C;少向信号源取电流且增强电压带负载能力,选电压串联 A;多接收输入电流且稳定输出电流,选电流并联 D。答案顺序是 B、C、A、D,理由就是输入、输出各问一次。
自测二:四张图分别考四种容易混的结构。下面把结论与关键方程并排,电阻编号与教材图 T5.2 对应。
| 图 | 判断依据 | F 与深度反馈电压增益 |
|---|---|---|
| (a) 运放驱动晶体管,电流表作负载 | 电流经 R3 与 R2+R1 分流,R1 上电压返回反相端:电流串联负反馈 | F≈R1R3/(R1+R2+R3);Auf≈RL/F |
| (b) 两级运放,最终输出经 R2 返回第一级求和点 | A1 反相、A2 同相,返回量分走输入电流:电压并联负反馈 | F=−1/R2;Auf≈−R2/R1 |
| (c) 射极跟随器 | 发射极输出电压全部返回 uBE 的比较:电压串联负反馈 | F=1;深度近似 Auf≈1,实际通常略小于 1 |
| (d) 两个共射级,返回第二管发射极信号 | 第一管基极升高,使第二管基极、发射极降低;R7 使第一管发射极也降低,进一步增大 uBE1 | R7 引入总体正反馈;不能套负反馈增益公式 |
(a) 的 RL 指电流表的等效内阻,电压取电流表两端;不是运放输出脚对地电压。其分流图就是前面的电流取样网络。(d) 中 R3 上的实际电压包含输入作用和返回作用,只有输出引起的分量叫反馈电压。
自测三:互补输出级是同相跟随级,要使输入电阻增大、输出电阻减小,应将输入接运放同相端,反相端通过 R1=10 kΩ 接地,同时将最终输出经 Rf 返回反相端。最终输出需在环内,不能把反馈提前取在功率级之前。Auf≈1+Rf/10 kΩ=20,得到 Rf=190 kΩ。
自测四:图 T5.4 的开环折线在 10⁴ Hz 开始以 −20 dB/十倍频下降,在 10⁵ Hz 后变成 −60 dB/十倍频。按教材折线近似,在 10⁵ Hz 附加相移约 −180°,幅值约 40 dB,因此要求 20lg|F|<−40 dB,即 |F|<0.01。等号是边界,不是稳定工作余量。这里按题给折线估计,若采用精确三个极点模型,临界值会有修正。
5.1 基本概念填空:用定义,不用“看起来像”
| 小问 | 答案 | 理由 |
|---|---|---|
| (1) 开环、闭环 | B、B | 有没有所讨论的反馈通路;与有没有接信号、电源、负载无直接等价关系 |
| (2) 负反馈 | D | 输入保持不变,反馈使净输入量减小;输入电阻不一定增大 |
| (3) 直流负反馈 | C | 在直流通路中的负反馈 |
| (4) 交流负反馈 | C | 在交流通路中的负反馈 |
| (5) 稳 Q、稳增益、改阻抗、抑温漂、展宽频带 | A、B、B、A、B | Q 点与温漂先看直流;动态性能先看交流 |
最值得纠正的是把“交流反馈”理解成“只有输入是交流才存在”。反馈通路是电路的性质;直流分析和交流分析分别回答不同问题,不能只凭信号源符号下结论。
5.2 性能填空:把六个答案压成两对关系
原题 A=电压、B=电流、C=串联、D=并联。六空依次是 A、B、C、D、B、A:稳输出电压用电压反馈,稳输出电流用电流反馈;增输入电阻用串联,减输入电阻用并联;增输出电阻用电流,减输出电阻用电压。
后两空不需要另背:电流源要高输出电阻,电压源要低输出电阻。若题目说“放大器带负载能力强”,还需读出负载要的是稳定电压还是稳定电流,别脱离语境一律回答某一种。
5.3 四个判断题:把错误的因果关系拆开
(1)“只能引入负反馈”不对。自举可以利用适量正反馈提高输入电阻,Howland 电流源也利用匹配的正、负反馈。正反馈不自动等于错误接法。
(2)“越强一定越稳定”不对。中频增益对器件参数的敏感性可能下降,但动态稳定性可能变差,甚至自激。这两种“稳定”不是同一个指标;还需假设反馈网络本身稳定、误差小。
(3)“R3 上的实际电压全部是反馈电压”不对。图 T5.2(d) 中,它同时包含本级输入引起的发射极电流作用与输出经 R7 返回的作用。反馈量只取后一分量。这一题不需要精算所有支路,说明叠加来源即可。
(4)“电压、电流反馈没区别”不对。若 RL 改变,恒压输出对应电流随之改变,恒流输出对应电压随之改变。只有在负载电阻固定时,稳住其中一个才会由 u=iR 同时约束另一个;题目讨论的恰好包括负载变化。
5.4 八个运放电路:电容位置与总体极性一起检查
这组图的关键不是计算。先将电容在直流、交流两种通路中分别处理,然后沿整个环路看极性。下列编号均对应教材图 P5.4。
(a):只有直流负反馈。C 跨 R1,直流开路时输出经 R2 返回反相端;交流短路时,返回节点被接地,输出不能改变反相端交流电位。(c) 也是只有直流负反馈:C 把 T 形反馈网络的中点交流接地,R3 成了输出负载,R2 成了输入侧对地支路,交流返回被切断。
(b):总体交、直流正反馈。输入从 A1 同相端进入,A1 输出上升,经 A2 反相后最终输出下降;分压返回 A1 的反相端,使它的电位下降,进一步增大 A1 的差模输入。因此是正反馈。A2 自己通过 R4 仍有局部负反馈,两者并不冲突。
(d)、(e)、(f)、(g)、(h):均有交、直流负反馈。(e) 的电容在信号输入支路,不能据此说反馈支路没有直流;(f) 的 C 并在反馈上臂,交流时把输出直接送到反相端,成为更强的电压跟随反馈;(g) 要把外围 PNP 管的反相作用计入,不能仅看运放返回同相端;(h) 要把前置差分对的极性也计入。
本题最低要求:能亲手把 (a)、(c)、(f) 的交流通路画对;能解释为什么 (b) 虽然返回反相端,仍然是总体正反馈。后面的 5.17 正会用到这件事。
5.5 分立电路中的反馈:先别把交流、直流混在一张图上
(a):交、直流负反馈。集电极经 Rf 返回基极;基极升高使集电极下降,Rf 让返回电流抵消输入。直流时输入电容开路,但 Rf 仍能改变偏置。
(b):交、直流负反馈。场效应管差分输入级的一侧接信号,另一侧通过 R4 接最终输出,通过 R1 接地。返回电压减小两栅极电压差。计算时它可化为电压串联的分压网络,见 5.9。
(c):既有负反馈,也有自举正反馈。直流时电容开路,Rs 提供源极负反馈;交流时自举电容把 R1、R2 的公共点接到源极,因此 Rs∥R1∥R2 参与源极局部负反馈,同时 C2 与 Rg 构成输入自举通路。原图两只电容均标 C2,这里“自举电容”特指偏置中点与源极之间那只,区别于漏极输出耦合电容。
(d):交、直流负反馈。R4 从第二管发射极返回第一管基极。图线穿过第一管发射极引线处没有连接点,不能误读成接发射极。第一管共射反相、第二管跟随同相,总体反相,返回基极的电流抵消输入。
(e):交、直流负反馈。第一管共基极、第二管跟随,电压输出总体同相;但 R1 从第二管集电极取样,返回第一管发射极输入节点,形成电流分流反馈。不要只盯最终输出端的正负。
(f):两条反馈分开看。R3、R7 的返回支路在直流时有效;交流时 C2 把两电阻中点接地,切断这条总体交流反馈通路。R4 连接第三管发射极和第一管发射极,仍引入交、直流负反馈。C3 旁路第二管发射极,不能把 R4 的返回也一起抹掉。
5.6 接着判组态:P5.4(d) 与其他四张的差别
(d) 为电流并联;(e)、(f)、(g)、(h) 为电压串联。判断时不要受图的摆放方向影响:输入电压通过 R1 转成输入电流,与负载电流在 A1 输入节点相遇,所以 (d) 是并联;负载本身处在返回路径,稳定的是流过它的电流,所以是电流反馈。
(e)、(f) 的输出直接或分压返回运放另一输入端;(g) 的晶体管集电极输出通过分压返回输入比较端;(h) 的输出分压返回差分对另一栅极。它们都先检测电压,再用电压求差,故为电压串联。运放或差分对之前的“加一个输入串联电阻”不会单凭外形把它改成并联组态。
5.7 接着判组态:P5.5 的四条主线与局部反馈
| 电路 | 总体交流负反馈 | 一句话判据 |
|---|---|---|
| (a) | 电压并联 | 集电极电压经 Rf 返回基极节点分流 |
| (b) | 电压串联 | 输出分压与输入在两栅极间比较 |
| (e) | 电流并联 | 第二管电流被 R1、R2 分流,返回输入节点 |
| (f) | 电流串联 | 第三管发射极电流经 R4、R2 形成返回电压,改变 uBE1 |
配套答案重点列出上述四张,刚好对应四种组态。但它没有逐项补全 (c)、(d),读题时不该因此认定它们没有交流负反馈。
(c) 的源极电阻局部负反馈可按电流串联理解:源极电流的变化在等效源极电阻上形成电压,与栅极输入求差;并存的自举支路仍属正反馈,不能把两个环合为一个名称。(d) 经 R4 引入电压并联总体负反馈:输出短路使由输出产生的返回量消失,输入在基极节点以电流混合。以上是根据原图对答案遗漏项目的补充。
5.8 理想运放计算:五张图,只需虚短、虚断和一个节点方程
P5.4(d):A1 反相端接地,总体负反馈使同相输入节点也近似为零;运放不取电流,输入 R1 的电流只能经负载流向 A2 输出。因此:
Auf=RL/R1
uo 的正端在负载上端、负端在 A2 输出;正输入时 A2 输出对地为负,所以这个跨负载增益为正。直接把运放输出脚对地电压当成题给 uo,会错一个负号。
(e):交流时输入电容短路,uP=uN=ui。R1 电流 ui/R1 继续通过 R3,所以 Auf=1+R3/R1。R2 在同相端到地,影响输入加载,不决定理想运放端口间的闭环电压增益。
(f):交流 C 短路,把输出直接接到反相端,uo=uN=uP=ui,故 Auf=1。直流增益仍由电阻分压决定,两种频段不能混用。
(g):返回分压为 R1/(R1+R2),外围 PNP 管在环内;Auf=1+R2/R1。不能再把它的电压增益额外乘一次。
(h):反馈使对称差分前级的两栅极电位近似相等,返回端分压为 R1/(R1+R3);忽略栅极电流,Auf≈1+R3/R1。这里还用到了差分前级对称、正常工作和总体环路增益足够大的假设;并不是只写“后级运放理想”就能省掉所有前级条件。
5.9 分立元件计算:先把被稳定的电流找准
P5.5(a):电压并联,输入与反馈电流近似相等;净输入端电位相对信号源压降很小。
Ausf≈−Rf/Rs
配套书此处的一行把 F 写成 −Rf,下一页却正确使用 −Rf/Rs;按 F=if/uo 的定义,前一行应是 −1/Rf。单位也能检出这个倒数错误。
(b):电压串联,F=R1/(R1+R4),故 Auf≈1+R4/R1。左右输入端串接的 R1 不能凭“同编号”随意合并;要找反馈下臂那一只。
(e):按教材参考方向,第二管输出电流在 R1、R2 中分流,返回比例为 R2/(R1+R2);最终电压取发射极负载。
R′L=R4∥RL
Ausf≈(1+R1/R2)R′L/Rs
这里将集电极、发射极电流近似相等,忽略基极电流。第一管为共基极,第二管为跟随,所以输出相对输入同相,结果正号可作独立检查。
(f):不急着记带负号的 F,先从实际第三管电流变化列式。发射极电流经 R9 与 R4+R2 分流,在 R2 上得到返回电压:
ui≈uf
uo≈−ΔiC3(R7∥R8∥RL)
Auf≈−(R2+R4+R9)(R7∥R8∥RL)/(R2R9)
输出集电极电流增大使集电极电位下降,这一行明确给出负号。若按辅导书把输出电流参考方向另作规定,就得到它写的 F=−R2R9/(R2+R4+R9),最终电压增益相同。R7 不能漏:C2 将其另一端交流接地,因此它也是输出负载的一部分。
5.10 故障题:不能把每种开路都代进 1+R2/R1
正常时为电压串联负反馈,理想输入电阻趋于无穷大,Auf=1+100/10=11。ui=1 V,所需输出 11 V,没有超过 ±14 V,线性解成立。
| 状态(每次只改变一处) | 重新读图 | uo |
|---|---|---|
| R1 开路 | 反相端只经 R2 接输出,输入不取电流使 R2 无压降,成为跟随器 | 1 V |
| R1 短路 | 反相端被固定为 0 V;输出无法再调它。差模输入为正 | +14 V |
| R2 开路 | 输出返回断开,反相端仍经 R1 接地,差模输入为正 | +14 V |
| R2 短路 | 输出直接返回反相端,跟随器 | 1 V |
比如 R1 短路时,盲代公式会给“无穷大增益”;真正要回答的是运放已饱和,输出由题给上限限制为 +14 V。题目问输出电压,不是让你把无穷大写进空格。
5.11 增益与稳定性一起设计:先求反馈深度
开环相对变化 1%,闭环允许相对变化 0.01%,改善因子为 100。注意 1%/0.01%=100,百分号会相消。
Af=A/(1+AF)=20 ⇒ A=2000
AF=99 ⇒ F=99/2000=0.0495
这是一阶灵敏度要求下保留分母“1”的结果。配套书按深度负反馈近似用 AF≈100、F≈1/20=0.05、A≈2000,也是本章通常接受的工程近似;不要把两套精度混着说成完全相等。
按教材近似方案,反馈下臂 10 kΩ、上臂 190 kΩ,理想闭环增益 20。若要在有限 A=2000 的模型中严格得到 20,则 F=0.0495,10 kΩ 下臂对应上臂约 192.02 kΩ。用 190 kΩ 时有限增益模型的闭环值是 2000/101≈19.802。
配套图还在同相端串 9.5 kΩ,约等于 10 kΩ∥190 kΩ,用于实际双极型输入运放的偏置电流平衡;理想输入电流为零时,它不改变电压增益。题目的得分主线是反馈深度、F、A 和电阻比,先把这四个算对。
5.12 解析式判稳:课本近似与严格临界值分别写清
先假设 F 为不引入附加相移的实数负反馈系数。开环中频 80 dB,有 10⁴ Hz 一个极点、10⁵ Hz 两个重合极点。按配套书近似,在 10⁵ Hz 总相移约 −180°,实际幅值约 80−20−3−3=54 dB,所以得到 |F| 约应小于 0.002。
这个近似用于本章练习可接受,但表达式既已给全,可以进一步核对。令 x=f/10⁵,则分母为 (1+j10x)(1+jx)²。它的虚部为 12x−10x³;要使 A 为负实数,令虚部为零且取正频率:
分母实部=1−21x²=−24.2
|A(f0)|=10⁴/24.2≈413.22(52.32 dB)
F临界=24.2/10⁴=0.00242
对这个三实极点、实数正 F 的模型,稳定范围为 0≤F<0.00242;等号临界。配套书的 0.002 更保守,区别来自将 −180° 近似放在 100 kHz。考试若按教材估算,写清“近似 0.002”;要求精确临界时,用 0.00242。不要把 54 dB 直接当成这个函数在准确相位交越点的值。
5.13 画四种电路:每张图都要能说出传输关系
本题要求的四张图已经在正文逐张绘出,可以直接从下面四个入口对照练习:
- 电流转电压:电压并联电路。输入电流送求和点,Rf 接输出与求和点,同相端接地;uo≈−Rfii。
- 电压转电流:电流串联电路。负载放在运放输出与取样 R 之间,返回取样节点;io≈ui/R。
- 高输入电阻、稳定输出电压:电压串联电路。输入接同相端,输出分压接反相端;Auf≈1+R2/R1。
- 低输入电阻、稳定输出电流:电流并联电路。负载放在返回环内,R1、R2 分流;按本页参考箭头,Aif≈−(1+R1/R2)。
作图后一定补地、输入参考端、输出电压正负或电流箭头。尤其是两种电流输出电路,负载不一定接地;少画一个节点,就可能把恒流电路变成恒压电路。
5.14 设计恒流输出:为什么答案不是简单的 500 Ω
要求输入电压控制负载电流,选电流串联负反馈。从输出晶体管发射极经新加 Rf 返回差分对 T2 的栅极。输入升高使输出电流升高,返回栅极电压升高后减小差分输入,极性正确。
只抽出反馈网络:T2 栅极经 R1=10 kΩ 接地,输出管发射极经 R6=1.5 kΩ 接地,二者之间为 Rf。输出管发射极电流在 R6 与 Rf+R1 两条支路分流。
iL/ui≈1/F=10 mA/5 V=2 mS
F=500 Ω=0.5 kΩ
10×1.5/(10+Rf+1.5)=0.5(电阻统一用 kΩ)
Rf=18.5 kΩ
500 Ω 是整个反馈网络的等效“电流转电压系数”,不是新加电阻 Rf。这一题就是检查你会不会把分流和分压都保留下来。沿用题解近似,忽略输出管基极电流;实际实现还要留足负载与管子的电压余量。
5.15 判振与消振:看的是 AF,不要再乘一次 F
原图纵轴已经是 20lg|AF|。三个转折分别在 10³、10⁴、10⁵ Hz,低频平台 100 dB。10⁴ Hz 附近相移约 −135°,10⁵ Hz 附近约 −225°,因此 −180° 出现在它们之间;这一区间环路幅值仍明显高于 0 dB,按题设模型判断会失稳并可能形成自激振荡。
图中蓝线采用与原折线相符的三个一阶极点重建计算曲线,橙线为幅频渐近线。它把“相位在哪一段达到 −180°”与“同频率增益是否大于 1”放在同一横轴上,避免看错频率。
配套答案给出一种接法:在 T2 基极与地之间加补偿电容,利用前级输出电阻与该电容形成更低的主极点。具体容量须使补偿后的环路满足稳定裕度要求,题目没有要求计算容量。
若唯一的 50 pF 电容分别接各管基极与地都不足以消振,可以尝试跨在 T2 基极与集电极之间,借助密勒效应增大输入等效电容。T2 虽为 PNP,其共射电压级仍反相。这里只能说“有可能消振”,不能在没有增益、节点电阻数据时保证一定足够。
原配套文字有“|AF|>0”一类简写;判振需要的是 |AF|>1,或者 20lg|AF|>0 dB。两种表达不要漏掉对数或单位。
5.16 自举电路:把 C2 和 R3 找出来
这是射极跟随器。没有自举时,基极偏置支路要从输入索取交流电流。加 C2 后,在题设“电容交流短路”的频段,R3 的偏置端 A 跟着发射极走;基极电位升高,发射极也升高,R3 两端电压差远小于基极对地电压。
若 K=uE/uB,则 R′3=R3/(1−K)
所以 C2、R3 引入自举正反馈,提高输入电阻,减轻信号源加载,使整个电路的跟随效果改善。射极跟随器本身仍有电压串联负反馈;正反馈作用于偏置支路,不能据此把整个电路一概叫正反馈放大器。
C1 是输入耦合,C3 是输出耦合,它们不是这道题要找的自举电容。做题画箭头时,重点标出“发射极经 C2 到偏置中点,再经 R3 回基极”。
5.17 原图与答案不一致:先把这个坑挑明
这一题不能直接照配套答案套虚短。教材要求使用图 P5.4(b),但该图 A1 的上端是“+”、下端是“−”,A2 是反相级。因此总体是正反馈,5.4 的配套解答也明确这样判断。5.17 的配套解答却把同一电路称为电压串联负反馈,给出正常输出 11 V,两处前提冲突。
对本页已重绘的原图,设 ui=1 V、R1=10 kΩ、R2=100 kΩ。若输出为 +14 V,返回电位为 14/11≈1.273 V,A1 输出负饱和,经 A2 反相得到 +14 V,这个状态能自洽。若输出为 −14 V,返回为 −1.273 V,A1 正饱和,A2 输出 −14 V,也能自洽。因此原图不能唯一得到稳定的 11 V,饱和状态与初始条件有关。
为了继续练本题原本想考的“总体负反馈故障分析”,下面明确给出一个修改版练习:只交换 A1 的两个输入极性,其他接线与电阻编号保持不变。输入现在接 A1 反相端,分压返回同相端;经 A2 再反相后,总体负反馈成立。
| 修改版状态 | 推理 | uo |
|---|---|---|
| 正常 | 返回分压等于输入,且所需输出在 ±14 V 内 | 11 V |
| R1 开路 | 反馈节点只连输出,整体跟随 | 1 V |
| R1 短路 | A1 同相端接地、反相端为 1 V,A1 负饱和;A2 再反相 | +14 V |
| R2 开路 | 总体反馈失效,A1 同相端经 R1 接地,方向同上一行 | +14 V |
| R2 短路 | 最终输出直接返回,整体跟随 | 1 V |
| R4 开路 | A2 的局部反馈断开,但总体负反馈仍在;按理想静态、高环路增益模型求解 | 11 V |
| R4 短路 | A2 成为对地跟随器,输出被保持在 0 V | 0 V |
配套答案原样给出的顺序为“11;1、−14;14、1;11、0 V”。即使按上述修改版解释,其中 R1 短路的 −14 V 也应重新核对,不能说交换极性后整套答案就全部一致。这里保留差异,避免你为了凑答案丢掉极性判断。
修改版的正常线性功能可用5.10 那张单运放同相放大器实现,R1=10 kΩ、R2=100 kΩ。原正反馈图则不能等价成这个线性放大器。做作业时应注明使用的图或更正条件;这一处疑点不值得你反复怀疑自己的“虚短”知识。
5.18 测穿透电流:把几乎看不见的电流变成电压
NPN 管基极开路,集电极接 +VCC,发射极接运放反相求和节点。穿透电流 ICEO 流入节点,运放通过反馈电阻 R 将它转换成输出电压。输出电压经 R 返回求和点,是电压并联负反馈。
ICEO=(uN−uo)/R≈−uo/R
uo≈−ICEOR
例如 R=1 MΩ,输出 −0.20 V,则被测电流约 0.20 μA。输出为负正好能把从晶体管流入节点的电流经 R 拉走,这是参考方向的检查。
实际测微小电流时,输入偏置电流、失调、漏电会进入误差。保留偏置电流时 KCL 应写 ICEO=iN+(uN−uo)/R;仅测 R 两端电压不能自动消除 iN 的误差。课本建议选高输入阻抗、高精度运放,就是为了让这些误差足够小。
本题最重要的迁移是:前面的“电压并联”并非只用于普通电压放大,它天然适合小电流检测。掌握 KCL 和跨阻关系,就理解了测量原理。
第五章学完后,怎样判断自己真的过关
| 能力 | 代表题 | 可以过关的标准 |
|---|---|---|
| 判断反馈 | 5.4、5.5 | 能指出取样点、返回点;电容处理正确;用净输入式解释正负 |
| 判断组态 | 5.6、5.7 | 输出取样与输入混合分开判断,不由电阻位置猜 |
| 算增益 | 5.8、5.9 | 先写 F 的定义与单位,再把 1/F 转为题目要的电压增益 |
| 检查线性条件 | 5.10、5.17 | 能识别反馈失效、饱和与题图矛盾,不机械套虚短 |
| 设计 | 5.11、5.13、5.14 | 由功能选组态,按单位与分流关系求电阻,并检查极性 |
| 稳定性 | 5.12、5.15 | 会在同一频率比较幅值、相位,会指出补偿位置和带宽代价 |
| 解释实际用途 | 5.16、5.18 | 会用电阻两端电压差解释自举,用 KCL 解释微电流测量 |
到这里,第三章的差分与多级、第四章的频响、第五章的反馈已连成一条主线:先提供足够的放大能力,再认识电容怎样限制速度,最后用反馈确定可用的增益、阻抗与稳定性。复习时不必重背所有图;优先从上表挑一题,不看答案把“判断依据→等效关系→方程→结果检查”完整写出来。
本页覆盖所提供纸面第五章正文、自测与习题 5.1—5.18。扫码视频、数字仿真附件和二维码拓展题没有读取,不计入已完成范围。对原图与答案冲突、近似精度、符号约定的差异均在对应位置说明。