6.7 放大电路中其它形式的反馈

文章讨论了在放大电路中引入正反馈和负反馈的作用,特别是在高速宽频带电路中电流反馈型运算放大电路的应用。电流反馈运算放大电路以电流为输入,电压为输出,具有高输入电阻和恒流输出的特点,适合于高速系统。此外,文章还介绍了电流反馈运算放大电路的工作原理和频率特性,以及由其组成的负反馈放大电路的幅频特性,展示了其带宽与增益独立的特点。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

在实用放大电路中,除了引入四种基本组态的交流负反馈外,还常引入合适的正反馈,以改善电路的性能;在高速宽频带电路中,还常选用 “电流反馈型” 运算放大电路。

一、放大电路中的正反馈

1、电压 - 电流转换电路

在放大电路中引入电流串联负反馈,可以实现电压 - 电流的转换。实际上,若信号源能够输出足够的电流,则在电路中引入电流并联负反馈也可实现电压 - 电流转换,如图6.7.1(a)所示。设集成运放为理想运放,因而引入负反馈后具有 “虚短” 和 “虚断” 的特点,图中 uN=uP=0u_N=u_P=0uN=uP=0iO=iRi_O=i_RiO=iR,即iO=iR=uIR(6.7.1)i_O=i_R=\frac{u_I}{R}\kern 60pt(6.7.1)iO=iR=RuI(6.7.1)iOi_OiOuIu_IuI 成线性关系。
在这里插入图片描述
在实用电路中,常需要负载电阻 RLR_LRL 有接地端,为此产生了如图6.7.1(b)所示的豪兰德(Howland)电流源电路。设集成运放为理想运放,由于电路通过 R2R_2R2 引入负反馈,使之具有 “虚短” 和 “虚断” 的特点,故图中 uN=uPu_N=u_PuN=uPR1R_1R1R2R_2R2 的电流相等,结点 N\textrm NN 电流方程为uI−uNR1=uN−uOR2\frac{u_I-u_N}{R_1}=\frac{u_N-u_O}{R_2}R1uIuN=R2uNuO因而 N\textrm NN 点电位uN=(uIR1+uOR2)⋅RN(RN=R1//R2)(6.7.2)u_N=(\frac{u_I}{R_1}+\frac{u_O}{R_2})\cdot R_N\kern 10pt(R_N=R_1//R_2)\kern 25pt(6.7.2)uN=(R1uI+R2uO)RN(RN=R1//R2)(6.7.2)
结点 P\textrm PP 的电流方程uPR+iO=uO−uPR3\frac{u_P}{R}+i_O=\frac{u_O-u_P}{R_3}RuP+iO=R3uOuP因而 P\textrm PP 点电位uP=(uOR3−iO)⋅(R//R3)(6.7.3)u_P=(\frac{u_O}{R_3}-i_O)\cdot(R//R_3)\kern 98pt(6.7.3)uP=(R3uOiO)(R//R3)(6.7.3)利用式(6.7.2)和式(6.7.3)相等的关系,并将它们展开、整理,可得R2R1+R2⋅uI+R1R1+R2⋅uO=RR+R3⋅uO−iO⋅RR3R+R3\frac{R_2}{R_1+R_2}\cdot u_I+\frac{R_1}{R_1+R_2}\cdot u_O=\frac{R}{R+R_3}\cdot u_O-i_O\cdot\frac{RR_3}{R+R_3}R1+R2R2uI+R1+R2R1uO=R+R3RuOiOR+R3RR3R2R1=R3R\displaystyle\frac{R_2}{R_1}=\frac{R_3}{R}R1R2=RR3,则 R2R1+R2=R3R+R3\displaystyle\frac{R_2}{R_1+R_2}=\frac{R_3}{R+R_3}R1+R2R2=R+R3R3R1R1+R2=RR+R3\displaystyle\frac{R_1}{R_1+R_2}=\frac{R}{R+R_3}R1+R2R1=R+R3R,消去上式中的公因子,得到iO=−uIR(6.7.4)i_O=-\frac{u_I}{R}\kern 90pt(6.7.4)iO=RuI(6.7.4)与式(6.7.1)仅差符号,说明图6.7.1所示两电路均具有电压 - 电流转换功能。
从物理概念上看,在图(b)所示电路中既引入了负反馈,又引入了正反馈。若负载电阻 RLR_LRL 减小,因电路内阻的存在,则一方面若 RLR_LRL 上电压稳定,则 iOi_OiO 增大,另一方面若 R3R_3R3 上电流减小,uPu_PuP 将下降,即 uP−uNu_P-u_NuPuN减小,从而导致 uOu_OuO 下降,iOi_OiO 将随之减小,其过程简述如下:在这里插入图片描述当满足 R2/R1=R3/RR_2/R_1=R_3/RR2/R1=R3/R 时,因 RLR_LRL 减小引起的 iOi_OiO 增大等于因正反馈作用引起的 iOi_OiO 减小,即正好抵消,因而在电路参数确定后,iOi_OiO 仅受控于 uIu_IuIiOi_OiO 不受负载电阻的影响,说明电路的输出电阻为无穷大。
注: 分析电流反馈需假设电压稳定;同理分析电压反馈时需假设电流稳定。豪兰德电流源引入了电流负反馈和电压正反馈。
为了求解电路的输出电阻,可令 uI=0u_I=0uI=0,且断开 RLR_LRL,在 RLR_LRL 处外加交流电压 Uo′U'_oUo,由此产生电流 IoI_oIo,则 Uo′/IoU'_o/I_oUo/Io 即为输出电阻。此时运放同相输入端电位UP=Uo′U_P=U'_oUP=Uo对于理想运放,由于 “虚短”,输出端电位Uo=(1+R2R1)⋅Uo′(6.7.5)U_o=(1+\frac{R_2}{R_1})\cdot U'_o\kern 50pt(6.7.5)Uo=(1+R1R2)Uo(6.7.5)因而输出电流Io=Uo′R−Uo−Uo′R3I_o=\frac{U'_o}{R}-\frac{U_o-U'_o}{R_3}Io=RUoR3UoUo将式(6.7.5)代入上式Io=Uo′R−R2R1R3⋅Uo′=R3R⋅Uo′R3−R2R1⋅Uo′R3I_o=\frac{U'_o}{R}-\frac{R_2}{R_1R_3}\cdot U'_o=\frac{R_3}{R}\cdot\frac{U'_o}{R_3}-\frac{R_2}{R_1}\cdot\frac{U'_o}{R_3}Io=RUoR1R3R2Uo=RR3R3UoR1R2R3Uo因为 R3/R=R2/R1R_3/R=R_2/R_1R3/R=R2/R1,所以 Io=0I_o=0Io=0,因此Ro=Uo′Io=∞(6.7.6)R_o=\frac{U'_o}{I_o}=\infty\kern 75pt(6.7.6)Ro=IoUo=(6.7.6)可见,只有严格保证 R1R_1R1R2R_2R2R3R_3R3RRR 之间的匹配关系,输出电阻才趋于无穷大,输出电流也才具有恒流特性。

2、自举电路

在阻容耦合放大电路中,常在引入负反馈的同时,引入合适的正反馈,以提高输入电阻,见图6.7.2(a)所示电路。

在这里插入图片描述
为使集成运放静态时能正常工作,必须在同相输入端与地之间加电阻。若不加电容 C2C_2C2,则电路中虽然引入了电压串联负反馈,但输入电阻的值却不大。在理想运放情况下Ri=R1+R2(6.7.7)R_i=R_1+R_2\kern 80pt(6.7.7)Ri=R1+R2(6.7.7)当加 C2C_2C2 时,电路的交流通路如图(b)所示,R2R_2R2R3R_3R3 并联,R1R_1R1 跨接在运放的两个输入端。利用瞬时极性法可以判断出电路中除了通过 R4R_4R4 接反向输入端引入负反馈外,还通过 R1R_1R1 接同相输入端而引入了正反馈;当信号源为有内阻的电压源时,正反馈的结果使输入端的动态电位升高。这种通过引入正反馈使输入端动态电位升高的电路,称为自举电路
由于引入交流正反馈,R1R_1R1 中的交流电流 IR1I_{R1}IR1 大大减小,其表达式为 IR1=UP−UNR1I_{R1}=\frac{U_P-U_N}{R_1}IR1=R1UPUN式中 UP=UiU_P=U_iUP=Ui。若将 R1R_1R1 等效到输入端与地之间,如图中虚线所示,则等效电阻 R1′=UiIR1=UPUP−UN⋅R1R'_1=\frac{U_i}{I_{R1}}=\frac{U_P}{U_P-U_N}\cdot R_1R1=IR1Ui=UPUNUPR1在理想运放情况下,UN=UPU_N=U_PUN=UP,故 R1′R'_1R1 趋于无穷大。因而电路的输入电阻Ri=R1′//Ri′=∞(6.7.8)R_i=R'_1//R'_i=\infty\kern 60pt(6.7.8)Ri=R1//Ri=(6.7.8)与式(6.7.7)比较可知,引入正反馈使输入电阻大大提高。

二、电流反馈运算放大电路

1、什么是电流反馈集成运算放大电路

传统的集成运放均为电压放大电路,以电压作为输入信号和输出信号。当同相输入端和反向输入端有差值电压(即差模输入电压)时,电路产生响应,逐级放大,从而获得相应的输出电压。因此,用开环差模增益来描述输入量和输出量的传递关系。它们的性能指标除了追求尽可能大的电压增益外,还应具有尽可能大的输入电阻,以便获得尽可能大的输入电压。在使用时,无论引入什么形式的反馈,最终必然产生差模输入电压经集成运放放大,故称这类电路为电压反馈运算放大电路,简称 VFA(Voltage Feedback Operational Amplifier)。VFA 电路因受其信号传递方式的限制,在工作速度和频率等性能方面不能满足目前迅猛发展的高速系统的要求。
采用电流模技术设计和制造的模拟集成电路,在工作速度、精度、带宽和线性度等方面均获得很高的性能,电流反馈运算放大电路(简称 CFA:Current Feedback Operational Amplifier)就是其中一种。CFA 电路以电流为输入信号,以电压为输出信号。当其同相输入端与反相输入端产生差值电流时,电路产生响应,逐级放大,最终转换成电压输出。因此,开环增益为输出电压与输入电流之比,其量纲为欧姆,故也称为互阻放大电路。为获得更大的输入电流,CFA 均具有低输入电阻的输入端。在使用时,无论引入什么形式的反馈,最终必须产生差值输入电流,经运放放大,故称之为电流反馈运算放大电路。
由以上分析可知,VFA 和 CFA 的 “电压反馈” 和 “电流反馈” 与反馈组态中的 “电压反馈” 和 “电流反馈” 是不同的概念。

2、电流模电路

以电压作为参量进行处理的电路称为电压模电路,而以电流作为参量进行处理的电路称为电流模电路;即电压模电路的处理对象是电压,而电流模电路的处理对象是电流。由于电流与电压具有相关性,因此难于给电流模电路以一个严格的定义。一般称信号传递过程中除与晶体管 b - e 间电压有关外,其余各参量均为电流量的电路,即为电流模电路。因此,利用电流模技术设计的电流放大电路最具有典型性。由于电流模电路的种种优点,VFA 电路也在局部采用此技术,以获得性能的改善。

在这里插入图片描述

由于电流源电路能够按比例传输电流,因而作为基本单元电路广泛用于各种电流模电路之中。图6.7.3所示为最简单的电流源电路,即镜像电流源。T1T_1T1 管一边注入输入电流 iIi_IiI,产生 b - e 间电压 uBE1u_{BE1}uBE1,并作为 T2T_2T2 管的基极偏压,若 T1T_1T1T2T_2T2 理想对称,且 β>>2\beta>>2β>>2,则输出电流 iO≈iIi_O\approx i_IiOiI。虽然镜像电流源电路简单,但可以看出电流模电路的如下优点:
(1)只要 T2T_2T2 管的管压降 uCE2u_{CE2}uCE2 足够大,保证其工作在放大状态,输出电流的幅值就仅受管子最大集电极电流 ICMI_{CM}ICM 的限制,因此电路可在低电源电压下工作,并且输出电流可以有很大的变化范围。
而电压模电路的输出电压幅值受电源电压的限制。
(2)只要 T1T_1T1T2T_2T2 管理想对称,iOi_OiOiIi_IiI 就具有良好的线性关系,而不受晶体管输入特性非线性的影响,因此电路的非线性失真很小。
而在电压模电路中,输入电压作用于 b - e 之间,产生 ΔuBE\Delta u_{BE}ΔuBE,由于输入特性的指数规律,ΔiB\Delta i_BΔiBΔuBE\Delta u_{BE}ΔuBE 成非线性关系,最终导致输出电压产生非线性失真。
(3)在信号传递过程中,由于 b - e 间电压随 iIi_IiI 的变化仅有微小的变化,而且晶体管的极间电容 Cb′eC_{b'e}Cbe(即 CπC_πCπ)和 Cb′cC_{b'c}Cbc(即 CμC_μCμ)所在回路均为低阻回路,故电路的截止频率很高,可以接近管子的特征频率 fTf_TfT
而在电压模电路中,各级电压放大倍数很大,使得管子发射结等效电容较大,且回路电阻大,因而截止频率很低。
虽然实际的电流模电路要比图6.7.3所示电路复杂得多,但它们所具有的频带宽、速度高、失真小、输出动态范围大等优点是共同的。

3、电流反馈运算放大电路工作原理

电流反馈运算放大电路的简化原理图如图6.7.4所示,T1T_1T1 管的基极为同相输入端,T3T_3T3 管和 T4T_4T4 管的发射极为反向输入端,RRR 为外接电阻。

在这里插入图片描述
输入级是由 T1∼T4T_1\sim T_4T1T4 管组成的射极输出互补电路。反向输入端电位 UNU_NUN 跟随同相输入端电位 UPU_PUP 的变化,即 UN=UPU_N=U_PUN=UP;若静态时,即 Ii=0I_i=0Ii=0 时,且管子理想对称,则每个管子的 uBEu_{BE}uBE相等,所以 I1I_1I1T4T_4T4 管和 T3T_3T3 管的集电极电流相等,所以,若同相输入端电流 IP=IiI_P=I_iIP=Ii,则反向输入端电流 IN=−IiI_N=-I_iIN=Ii;称输入级为单位增益缓冲器。图中虚线箭头为电流的假设正方向。
T5∼T8T_5\sim T_8T5T8 管构成的两个镜像电流源将输入电流传递到输出级,T6T_6T6 管和 T8T_8T8 管的集电极为输出端,输出电阻很大,理想情况下可以认为是无穷大,因而输出呈恒流源特性,且输出电流等于 IiI_iIi。因此,T1∼T8T_1\sim T_8T1T8 管所组成的电路实现了电流控制电流源的功能。
T9∼T12T_9\sim T_{12}T9T12 管组成互补输出级,仅对电流具有放大作用,其电压放大倍数等于1,在电路空载情况下的输入电阻趋于无穷大。因为前级电路均为电流模电路,所以管子极间电容所在回路均为低阻回路,因而电路中唯一的高阻结点为图中所示的 ZZZ 点。设 ZZZ 点到地的等效电容为 CCC,等效电阻是前级的输出电阻与输出级的输入电阻的并联值 RZR_ZRZCCC 的数值主要决定于电路中所接频率补偿电容的大小,一般为 3∼5 pF3\sim5\,\textrm{pF}35pF。因此,图6.7.5所示电路的截止频率主要取决于 RZCR_ZCRZC
图6.7.5所示为图6.7.4电路输入级和输出级的等效电路图。图中,ror_oro 是输入级从反向输入端看进去的输入电阻,也是输入级的输出电阻。
在这里插入图片描述
T6∼T12T_6\sim T_{12}T6T12 具有理想特性,c - e 间动态电阻为无穷大时,则 Rz=∞R_z=\inftyRz=,因而放大倍数为A˙iu=U˙oI˙i=I˙i⋅1jωCI˙i=1jωC\dot A_{iu}=\frac{\dot U_o}{\dot I_i}=\frac{\dot I_i\cdot\displaystyle\frac{1}{j\omega C}}{\dot I_i}=\frac{1}{j\omega C}A˙iu=I˙iU˙o=I˙iI˙iC1=C1画出 A˙ui\dot A_{ui}A˙ui 的幅频特性,如图6.7.6所示。信号频率 fff 愈低,∣A˙ui∣|\dot A_{ui}|A˙ui 愈大;当 fff 趋近零时,∣A˙iu∣|\dot A_{iu}|A˙iu 趋于无穷大。

在这里插入图片描述

4、由电流反馈运算放大电路组成的负反馈放大电路的频率特性

在这里插入图片描述

下面以图6.7.7(a)所示电压并联负反馈放大电路为例,说明电流反馈运放构成的电路的幅频特性的特点。图(b)为图(a)的等效电路,根据对图6.7.5所示电路的分析可知U˙o=I˙i⋅1jωC\dot U_o=\dot I_i\cdot \frac{1}{j\omega C}U˙o=I˙iC1I˙i\dot I_iI˙i 为同相输入端的输入电流,因而在图6.7.7(b)所示电路中,I˙n=−I˙i\dot I_n=-\dot I_iI˙n=I˙i,由于 ror_oro 上端的电位等于同相输入端的电位(电流反馈运算放大电路的单位增益缓冲器),即为零,所以 I˙o=U˙n/ro\dot I_o=\dot U_n/r_oI˙o=U˙n/ro,故U˙o=−I˙n⋅1jωC=−U˙njωroC\dot U_o=-\dot I_n\cdot \frac{1}{j\omega C}=-\frac{\dot U_n}{j\omega r_oC}U˙o=I˙nC1=roCU˙nU˙n=−jωroCU˙o(6.7.9)\dot U_n=-j\omega r_oC\dot U_o\kern 60pt(6.7.9)U˙n=roCU˙o(6.7.9)运放反向输入端的结点电流方程为U˙i−U˙nR1=U˙nro+U˙n−U˙oR2\frac{\dot U_i-\dot U_n}{R_1}=\frac{\dot U_n}{r_o}+\frac{\dot U_n-\dot U_o}{R_2}R1U˙iU˙n=roU˙n+R2U˙nU˙o整理后,得出U˙iR1=−U˙oR2+U˙nRn(Rn=R1//R2//ro)(6.7.10)\frac{\dot U_i}{R_1}=-\frac{\dot U_o}{R_2}+\frac{\dot U_n}{R_n}\kern 15pt(R_n=R_1//R_2//r_o)\kern 20pt(6.7.10)R1U˙i=R2U˙o+RnU˙n(Rn=R1//R2//ro)(6.7.10)R1//R2>>roR_1//R_2>>r_oR1//R2>>ro,则 Rn≈roR_n\approx r_oRnro。将 Rn≈roR_n\approx r_oRnro 和式(6.7.9)代入(6.7.10),可得U˙iR1=−U˙o⋅(1R2+jωC)\frac{\dot U_i}{R_1}=-\dot U_o\cdot(\frac{1}{R_2}+j\omega C)R1U˙i=U˙o(R21+C)因此,电压放大倍数为A˙u=U˙oU˙i≈−R2R1⋅11+jωR2C(6.7.11)\dot A_u=\frac{\dot U_o}{\dot U_i}\approx-\frac{R_2}{R_1}\cdot\frac{1}{1+j\omega R_2C}\kern 40pt(6.7.11)A˙u=U˙iU˙oR1R21+R2C1(6.7.11)ωH=1R2C\omega_H=\displaystyle\frac{1}{R_2C}ωH=R2C1,则上限频率fH=12πR2C(6.7.12)f_H=\frac{1}{2πR_2C}\kern 70pt(6.7.12)fH=2πR2C1(6.7.12)fHf_HfHR1R_1R1 无关。将式(6.7.12)代入式(6.7.11),得出A˙u≈−R2R1⋅11+jffH(6.7.13)\dot A_u\approx-\frac{R_2}{R_1}\cdot\frac{1}{1+j\displaystyle\frac{f}{f_H}}\kern 34pt(6.7.13)A˙uR1R21+jfHf1(6.7.13)因此,A˙u\dot A_uA˙u 的幅频特性如图6.7.8所示。当 R1R_1R1 取值减小为 R1′R'_1R1 时,电路的低频放大倍数的数值增大,但其带宽不变,如图中虚线所示。

在这里插入图片描述
综上所述,在由电流反馈运放组成的负反馈放大电路中,当参数选择合适时,即使改变电压放大倍数,带宽也基本不变。这一点与传统的增益带宽积为常量的概念,全然不同。

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值