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6.2 負回報放大電路的四種基本組态

通常,引入交流負回報的放大電路稱為負回報放大電路。

一、負回報放大電路分析要點

如圖6.2.1(a)所示電路中引入了交流負回報,輸出電壓 u O u_O uO​ 的全部作為回報電壓作用于內建運放的反向輸入端。在輸入電壓 u I u_I uI​ 不變的情況下,若由于某種原因(例如負載電阻 R L R_L RL​ 變化)引起輸出電壓 u O u_O uO​ 增大,則內建運放反向輸入端電位 u N u_N uN​ 勢必随之升高,導緻內建運放的淨輸入電壓 u D u_D uD​ 減小,進而使 u O u_O uO​ 減小。上述過程可表示為

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

若由于某種原因使 u O u_O uO​ 減小時,則負回報的結果将使 u O u_O uO​ 增大;總之,回報的結果使輸出電壓的變化減小。當開環增益很大時,淨輸入電壓 u D u_D uD​ 必然很小,因而圖6.2.1(a)所示電路的輸出電壓 u O u_O uO​ 近似等于輸入電壓 u I u_I uI​,即 u O ≈ u I u_O\approx u_I uO​≈uI​。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

圖(b)所示電路中也引入了交流負回報,輸出電流 i O i_O iO​ 的全部作為回報電流作用于內建運放的反向輸入端。在輸入電流 i I i_I iI​ 不變的情況下,若由于某種原因(例如負載電阻 R L R_L RL​ 變化)引起輸出電流 i O i_O iO​ 增大, i F i_F iF​ 随之增大,則內建運放反向輸入端的電流 i D i_D iD​ 将減小,導緻 u D u_D uD​ 減小( u D = i D R i u_D=i_DR_i uD​=iD​Ri​),反向輸入端電位 u N u_N uN​ 勢必降低,進而使內建運放的輸出電壓 u O ′ u'_O uO′​ 升高, i O i_O iO​ 随之減小( i O = ( u O − u O ′ ) / R L i_O=(u_O-u_O')/R_L iO​=(uO​−uO′​)/RL​)。上述過程可表示為

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

若由于某種原因使 i O i_O iO​ 減小時,則負回報的結果将使 i O i_O iO​ 增大;總之,回報的結果使輸出電流的變化減小。當淨輸入電流 i D i_D iD​ 很小時,圖6.2.1(b)所示電路的輸出電流 i O i_O iO​ 近似等于輸入電流 i I i_I iI​,即 i O ≈ i I i_O\approx i_I iO​≈iI​。

對上述電路的分析,可以得出如下結論:

(1)交流負回報穩定放大電路的輸出量,任何因素引起的輸出量的變化均将得到抑制。由于輸入量的變化所引起的輸出量的變化也同樣會受到抑制,是以交流負回報使電路的放大能力下降。

(2)回報量實質上是對輸出量的采樣,它既可能來源于輸出電壓,如圖(a)所示電路;又可能來源于輸出電流,如圖(b)所示電路;其數值與輸出量成正比。

(3)負回報的基本作用是将引回的回報量與輸入量相減,進而調整電路的淨輸入量和輸出量。淨輸入量既可能是輸入電壓減回報電壓,如圖6.2.1(a)所示電路;也可能是輸入電流減回報電流,如圖(b)所示。

(4)回報量取自輸出電壓将使輸出電壓穩定,如圖6.2.1(a)所示電路;回報量取自輸出電流将使輸出電流穩定,如圖(b)所示電路。

是以,對于具體的負回報放大電路,首先應研究下列問題,進而進行定量分析。

(1)從輸出端看,回報量是取自于輸出電壓,還是取自于輸出電流;即回報的目的是穩定輸出電壓,還是穩定輸出電流。

(2)從輸入端看,回報量與輸入量是以電壓方式相疊加,還是以電流方式相疊加;即回報的結果是減小淨輸入電壓,還是減小淨輸入電流。

回報量若取自輸出電壓,則稱為電壓回報;若取自輸出電流,則稱為電流回報。回報量與輸入量若以電壓方式相疊加,則稱為串聯回報;若以電流方式相疊加,則稱為并聯回報。是以,交流負回報有四種組态,即電壓串聯、電壓并聯、電流串聯和電流并聯,有時也稱為交流負回報的四種方式。

二、由內建運放組成的四種組态負回報放大電路

1、電壓串聯負回報電路

圖6.2.1(a)所示電路将輸出電壓的全部作為回報電壓,而大多數電路均采用電阻分壓的方式将輸出電壓的一部分作為回報電壓,如圖6.2.2所示。電路各點電位的瞬時極性如圖中所标注。由圖可知,回報量 u F = R 1 R 1 + R 2 ⋅ u O ( 6.2.1 ) u_F=\frac{R_1}{R_1+R_2}\cdot u_O\kern 80pt(6.2.1) uF​=R1​+R2​R1​​⋅uO​(6.2.1)表明回報量取自于輸出電壓 u O u_O uO​,且正比于 u O u_O uO​,并将與輸入電壓 u I u_I uI​ 求差後放大,故電路引入了電壓串聯負回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

2、電流串聯負回報電路

在圖6.2.2所示電路中,若将負載電阻 R L R_L RL​ 接在 R 2 R_2 R2​ 處,則 R L R_L RL​ 中就可得到穩定的電流,如圖6.2.3(a)所示,習慣上常畫成圖(b)所示形式。電路中相關電位及電流的瞬時極性和電流流向如圖中所标注。由圖可知,回報量 u F = i O R 1 ( 6.2.2 ) u_F=i_OR_1\kern 100pt(6.2.2) uF​=iO​R1​(6.2.2)表明回報量取自輸出電流 i O i_O iO​,且轉換為回報電壓 u F u_F uF​,并将與輸入電壓 u I u_I uI​ 求差後放大,故電路引入了電流串聯負回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

3、電壓并聯負回報

在圖6.2.4所示電路中,相關電位及電流的瞬時極性和電流流向如圖中所标注。由圖可知,利用 “虛短”,回報量 i F = − u O R ( 6.2.3 ) i_F=-\frac{u_O}{R}\kern 90pt(6.2.3) iF​=−RuO​​(6.2.3)表明回報量取自輸出電壓 u O u_O uO​,且轉換成回報電流 i F i_F iF​,并将與輸入電流 i I i_I iI​ 求差後放大,是以電路引入了電壓并聯負回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

4、電流并聯負回報電路

在圖6.2.5所示電路中,各支路電流的瞬時極性如圖中所标注。由圖可知,回報量 i F = − R 2 R 1 + R 2 ⋅ i O ( 6.2.4 ) i_F=-\frac{R_2}{R_1+R_2}\cdot i_O\kern 80pt(6.2.4) iF​=−R1​+R2​R2​​⋅iO​(6.2.4)表明回報信号取自輸出電流 i O i_O iO​,且轉換成回報電流 i F i_F iF​,并将與輸入電流 i I i_I iI​ 求差後放大,因而電路引入了電流并聯負回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

由上述四個電路可知,串聯負回報電路所加信号源均為電壓源,這是因為若加恒流源,則電路的淨輸入電壓将等于信号源電流與內建運放輸入電阻之積,而不受回報電壓的影響;同理,并聯負回報電路所加信号源均為電流源,這是因為若加恒壓源,則電路的淨輸入電流将等于信号源電壓除以內建運放輸入電阻,而不受回報電流的影響。換言之,串聯負回報适用于輸入信号為恒壓源或近似恒壓源的情況,而并聯負回報适用于輸入信号為恒流源或近似恒流源的情況。

綜上所述,放大電路中應引入電壓負回報還是電流負回報,取決于負載欲得到穩定的電壓還是穩定的電流;放大電路中應引入串聯負回報還是并聯負回報,取決于輸入信号源是恒壓源(或近似恒壓源)還是恒流源(或近似恒流源)。

三、回報組态的判斷

1、電壓負回報與電流負回報的判斷

電壓回報與電流回報的差別在于基本放大電路的輸出回路與回報網絡的連接配接方式不同。負回報電路中的回報量不是取自輸出電壓就是取自輸出電流;是以,隻要令負回報放大電路的輸出電壓 u O \pmb{u_O} uO​ 為零,若回報量也随之為零,則說明電路中引入了電壓負回報;若回報量依然存在,則說明電路中引入了電流負回報。

利用瞬時極性法可以判斷出圖6.2.6(a)所示電路中引入了交流負回報,輸入電流 i I i_I iI​ 與回報電流 i F i_F iF​ 如圖中所标注。令輸出電壓 u O = 0 u_O=0 uO​=0,即将內建運放的輸出端接地,變得到圖(b)所示電路。此時,雖然回報電阻 R f R_f Rf​ 中仍有電流,但那是輸入電流 i I i_I iI​ 作用的結果,而因為輸出電壓 u O u_O uO​ 為零,是以它在 R f R_f Rf​ 中産生的電流(即回報電流)也必然為零,故電路中引入的是電壓回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

利用瞬時極性法可以判斷出圖6.2.7(a)所示電路中引入了交流負回報,各支路電流如圖中所标注。令輸出電壓 u O = 0 u_O=0 uO​=0,即将負載電阻 R L R_L RL​ 兩端短路,變得到如圖(b)所示電路。因為輸出電流 i O i_O iO​ 僅受內建運放輸入信号的控制,是以即使 R L R_L RL​ 短路, i O i_O iO​ 也并不為零;又因為回報電流 i F i_F iF​ 與 i O i_O iO​ 的關系不變,仍如式(6.2.4)所示,說明回報量依然存在,故電路中引入的是電流回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

2、串聯回報與并聯回報的判斷

串聯回報與并聯回報的差別在于基本放大電路的輸入回路與回報網絡的連接配接方式不同。若回報信号為電壓量,與輸入電壓求差而獲得淨輸入電壓,則為串聯回報;若回報信号為電流量,與輸入電流求差獲得淨輸入電流,則為并聯回報。

結論:若輸入信号與回報信号在相異端子,則為串聯回報;若輸入信号與回報信号在相同端子,則為并聯回報。

在圖6.2.2和圖6.2.3所示兩電路中,內建運放的淨輸入電壓 u D = u I − u F u_D=u_I-u_F uD​=uI​−uF​故它們均引入了串聯回報。

在圖6.2.4和圖6.2.5所示兩電路中,內建運放的淨輸入電流 i D = i I − i F i_D=i_I-i_F iD​=iI​−iF​故它們均引入了并聯回報。

【例6.2.1】試分析圖6.2.8所示電路中有無引入回報;若有回報,則說明引入的是直流回報還是交流回報,是正回報還是負回報;若為交流負回報,則說明回報的組态。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

解: 觀察電路, R 2 R_2 R2​ 将輸出回路與輸出回路相連接配接,因而電路引入了回報。無論在直流通路中,還是在交流通路中, R 2 R_2 R2​ 形成的回報通路均存在,因而電路中既引入了直流回報,又引入了交流回報。

設輸入電壓 u I u_I uI​ 對地為 “+”,內建運放的輸出端電位(即半導體 T T T 的基極電位)為 “+”,是以集電極電流(即輸出電流 i O i_O iO​)的流向如圖中所标注。 i O i_O iO​ 通過 R 3 R_3 R3​ 和 R 2 R_2 R2​ 所在支路分流,在 R 1 R_1 R1​ 上獲得回報電壓 u F u_F uF​, u F u_F uF​ 的極性為上 “+” 下 “-”,使內建運放的淨輸入電壓 u D u_D uD​ 減小,故電路中引入的是負回報。

根據 u I u_I uI​、 u F u_F uF​ 和 u D u_D uD​ 的關系,說明電路引入的是串聯回報。令輸出電壓 u O = 0 u_O=0 uO​=0,即将 R L R_L RL​ 短路,因 i O i_O iO​ 僅受 i B i_B iB​ 的控制而依然存在, u F u_F uF​ 和 i O i_O iO​ 的關系不變,故電路中引入的是電流回報。是以,電路中引入了電流串聯負回報。

【6.2.2】試分析圖6.2.9所示電路中引入了哪種組态的交流負回報。

6.2 負回報放大電路的四種基本組态

解: 在假設輸入電壓 u I u_I uI​ 對地為 “+” 的情況下,電路中各點的電位如圖中所标注,在電阻 R 2 R_2 R2​ 上獲得回報電壓 u F u_F uF​。 u F u_F uF​ 使差分放大電路的淨輸入電壓(即 T 1 T_1 T1​ 管和 T 2 T_2 T2​ 管的基極電位之差)變小,故電路中引入了串聯回報。

令輸出電壓 u O = 0 u_O=0 uO​=0,即将 T 3 T_3 T3​ 管的集電極接地,将使 u F u_F uF​ 為零,故電路中引入了電壓負回報。

可見,該電路中引入了電壓串聯負回報。

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