簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)負(fù)反饋放大電路PPT課件面向電子技術(shù)、電路分析等課程的師生用于指導(dǎo)負(fù)反饋放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自主實(shí)操能幫助初學(xué)者將理論中的反饋概念落實(shí)到實(shí)際測(cè)量。課件依次呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟等完整模塊目的部分強(qiáng)調(diào)觀察負(fù)反饋對(duì)電壓放大倍數(shù)、通頻帶和波形失真的影響設(shè)備部分列出直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器、交流數(shù)字毫伏表等常用儀器原理部分講解負(fù)反饋提高增益穩(wěn)定性、改善失真、加寬通頻帶及改變輸入輸出電阻的作用。實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)說明了設(shè)定電源電壓為十二伏、調(diào)節(jié)靜態(tài)電流至二毫安、測(cè)量開環(huán)與閉環(huán)增益、測(cè)試輸出電阻和對(duì)比失真波形等操作細(xì)節(jié)。資源包共一個(gè)文件為PPT格式大小約51KB體量精簡(jiǎn)適合課堂演示或課前預(yù)習(xí)。該課件已吸引207人學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)清晰、貼近實(shí)驗(yàn)流程讀者可借此快速搭建負(fù)反饋電路實(shí)驗(yàn)的知識(shí)框架掌握關(guān)鍵測(cè)量方法與數(shù)據(jù)分析思路。 負(fù)反饋放大電路這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎是每個(gè)電子類專業(yè)學(xué)生在模擬電路課上的第一道分水嶺。記得我第一次進(jìn)實(shí)驗(yàn)室拿到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的時(shí)候滿腦子都是“負(fù)反饋到底反饋了個(gè)什么”之類的困惑直到看清那份名為“實(shí)驗(yàn)負(fù)反饋放大電路”的PPT才稍微有些概念。不少同學(xué)會(huì)覺得這部分公式又長(zhǎng)又多理論課都還沒消化的內(nèi)容到了實(shí)驗(yàn)臺(tái)上又得多加幾個(gè)電壓表和示波器探頭。但我想說負(fù)反饋恰恰是電子技術(shù)里最有“性價(jià)比”的內(nèi)容之一一旦你搞懂了反饋的類型和影響不僅能把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做得干凈后面的運(yùn)算放大器、電源穩(wěn)壓、功率放大這些實(shí)用電路也都能迎刃而解。這篇文章我不會(huì)把PPT內(nèi)容重新抄一遍而是想從做實(shí)驗(yàn)的角度把負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)思路、測(cè)量方法、常見翻車現(xiàn)場(chǎng)一次說清楚。1. 實(shí)驗(yàn)先把理論翻譯成“器材語言”1.1 負(fù)反饋的四種組態(tài)和判別負(fù)反饋放大電路的實(shí)驗(yàn)通常落在兩種典型電路上一種是分立元件搭出來的兩級(jí)交流放大器另一種是基于運(yùn)放的反饋電路。分立元件的實(shí)驗(yàn)更受傳統(tǒng)教學(xué)歡迎因?yàn)槟隳苷嬲吹诫娮?、電容、晶體管如何參與反饋而不是只盯著運(yùn)放的虛短虛斷。四種反饋組態(tài)——電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)、電流并聯(lián)——最讓新手頭疼。我的經(jīng)驗(yàn)是判斷時(shí)永遠(yuǎn)抓住兩個(gè)問題第一反饋網(wǎng)絡(luò)在輸出端取樣的是什么取輸出電壓就是“電壓反饋”取輸出電流就是“電流反饋”。最直觀的判斷辦法把輸出端短路如果反饋信號(hào)消失了就是電壓反饋如果反饋信號(hào)還在就是電流反饋。第二反饋信號(hào)在輸入端怎么接入的反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在同一節(jié)點(diǎn)、以電流形式疊加就是“并聯(lián)”加在不同節(jié)點(diǎn)、以電壓形式串聯(lián)比較就是“串聯(lián)”。你在電路板上可以這樣看反饋電阻接到三極管基極基本就是并聯(lián)反饋反饋電阻接到發(fā)射極往往就是串聯(lián)反饋。這一組判別關(guān)系對(duì)后面的測(cè)量很關(guān)鍵一個(gè)最簡(jiǎn)單的規(guī)律是電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻。串聯(lián)負(fù)反饋提升輸入電阻并聯(lián)負(fù)反饋降低輸入電阻。很多人做實(shí)驗(yàn)只背結(jié)論等到測(cè)輸出電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)亂跳才想起來自己連反饋組態(tài)都沒判斷對(duì)。1.2 實(shí)驗(yàn)電路為什么都愛用兩級(jí)共射我在實(shí)驗(yàn)室見過好幾版負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)板電路形式大同小異基本都是兩級(jí)阻容耦合共射放大器中間用一個(gè)大電阻或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)從第二級(jí)輸出端引回第一級(jí)發(fā)射極。為什么教材和實(shí)驗(yàn)箱都偏愛這個(gè)結(jié)構(gòu)原因很簡(jiǎn)單兩級(jí)共射的電壓增益高開環(huán)增益可以輕松做到幾百倍甚至上千倍給負(fù)反饋留出了足夠的“反饋深度”空間。如果你只用一級(jí)共射放大器開環(huán)增益也就幾十倍引入負(fù)反饋以后增益變化不明顯帶寬展寬和失真改善的測(cè)量效果都會(huì)打折扣。典型參數(shù)大概是這樣的第一級(jí)和第二級(jí)集電極電阻取5.1kΩ到10kΩ發(fā)射極電阻取1kΩ左右反饋電阻選10kΩ到100kΩ耦合電容和旁路電容用10μF。這樣搭出來的中頻電壓增益開環(huán)狀態(tài)下能到200倍以上閉環(huán)后根據(jù)反饋電阻大小降到10到50倍數(shù)據(jù)梯度非常清楚。實(shí)驗(yàn)時(shí)看電路圖容易忽略的一點(diǎn)是反饋電阻引回的位置到底是接到第一級(jí)發(fā)射極還是第一級(jí)基極。接到發(fā)射極是串聯(lián)反饋接到基極是并聯(lián)反饋。很多實(shí)驗(yàn)板在PCB上畫得很密集不掰著原理圖對(duì)照很容易看錯(cuò)。我一開始就吃過這個(gè)虧把串聯(lián)反饋當(dāng)成并聯(lián)反饋測(cè)了半天輸入電阻的結(jié)論完全對(duì)不上。2. 實(shí)驗(yàn)前的參數(shù)估算別急著通電2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算決定測(cè)量下限做負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)前我強(qiáng)烈建議先用萬用表把每一級(jí)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)量一遍。這不是多余動(dòng)作靜態(tài)工作點(diǎn)如果不正常后面測(cè)量出來的動(dòng)態(tài)指標(biāo)全都是“空中樓閣”。以常見電路為例第一級(jí)和第二級(jí)都用NPN硅管電源電壓12V。先算基極電位一般用電阻分壓偏置基極對(duì)地電壓約為電源電壓乘以分壓系數(shù)。再減掉0.7V的發(fā)射結(jié)壓降就能估算出發(fā)射極電流。我通常在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里會(huì)這樣記錄第一級(jí)集電極電流約為0.5~1mA集電極電壓應(yīng)落在電源電壓的一半附近。第二級(jí)為后級(jí)輸出電流取1~2mA保證輸出電壓擺幅足夠大。測(cè)量時(shí)如果發(fā)現(xiàn)集電極電壓直接接近電源電壓或接近0V說明管子截止或飽和了先別測(cè)增益回去查偏置電阻是否焊錯(cuò)。靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)好以后還有一個(gè)容易忽略的細(xì)節(jié)發(fā)射極旁路電容的極性是否接反。電解電容反接后漏電變大會(huì)讓發(fā)射極的直流電位忽高忽低電路工作點(diǎn)怎么調(diào)都飄。實(shí)驗(yàn)箱上這個(gè)問題少一些如果是自己焊接的板子上電前務(wù)必將所有電解電容的極性和原理圖復(fù)核一遍。2.2 開環(huán)增益與反饋深度的估算實(shí)驗(yàn)測(cè)量里開環(huán)增益并不是直接把反饋電阻拆掉測(cè)出來的。嚴(yán)格意義上的開環(huán)應(yīng)該是指反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)放大電路不產(chǎn)生任何影響同時(shí)還要考慮反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)。為了實(shí)驗(yàn)方便大家通常采用兩種近似方法一是把反饋電阻的一端從反饋取樣點(diǎn)斷開并接地二是保留反饋電阻但把反饋?zhàn)⑷朦c(diǎn)短接到地。這兩種方法操作最簡(jiǎn)單但測(cè)出來的“開環(huán)”其實(shí)是放大器在沒有反饋信號(hào)時(shí)的增益不是理想的開環(huán)增益。估算反饋深度1AF時(shí)需要特別注意。A是基本放大器的增益F是反饋系數(shù)。典型兩級(jí)共射放大器中如果反饋電阻Rf從輸出端接到第一級(jí)發(fā)射極那反饋系數(shù)約等于Rf與發(fā)射極等效電阻的分壓倒數(shù)。比如Rf為20kΩ第一級(jí)發(fā)射極電阻為1kΩ且未被旁路那么反饋系數(shù)大約為1kΩ/(20kΩ1kΩ)約等于0.048。如果開環(huán)增益是300反饋深度1AF約等于15倍閉環(huán)增益就是300/1520倍。這個(gè)數(shù)算出來以后你應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一個(gè)心理預(yù)期閉環(huán)電壓增益大概在20倍左右。要是實(shí)測(cè)出60倍或5倍多半是反饋電阻選錯(cuò)、反饋接入點(diǎn)錯(cuò)誤或者反饋深度計(jì)算公式里的F取錯(cuò)了。建議在測(cè)量前先把估算值寫進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)表里實(shí)測(cè)值再往旁邊填對(duì)照起來會(huì)舒服很多。2.3 如何在電路板上“人為”斷開反饋實(shí)驗(yàn)里經(jīng)常要對(duì)比開環(huán)和閉環(huán)兩種狀態(tài)這就涉及怎么可靠地切斷反饋。以前很多同學(xué)直接用鑷子把反饋電阻撬起來這樣操作不僅傷板子而且每次撬完再焊回去接觸熱噪聲和虛焊都會(huì)污染測(cè)量數(shù)據(jù)。更聰明的做法是在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板時(shí)就留一個(gè)跳線帽或短路銅絲串在反饋通路上。測(cè)開環(huán)時(shí)拔出跳線帽測(cè)閉環(huán)時(shí)插回去切換過程完全沒有焊接干擾。如果實(shí)驗(yàn)箱沒有預(yù)留跳線我會(huì)用一個(gè)單刀開關(guān)或者一根短導(dǎo)線來代替。務(wù)必注意斷開反饋后由于輸入級(jí)偏置條件可能發(fā)生變化靜態(tài)工作點(diǎn)需要重新確認(rèn)一次否則開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)的工作點(diǎn)不同測(cè)出來的增益變化就不是純負(fù)反饋效果。3. 分步測(cè)量實(shí)操一臺(tái)示波器走天下3.1 測(cè)增益信號(hào)源和示波器的使用細(xì)節(jié)負(fù)反饋放大電路的電壓增益測(cè)量本質(zhì)上就是輸出正弦波有效值除以輸入正弦波有效值。這里最容易被忽略的是輸入信號(hào)幅度。很多新手一上來就把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)到50mV甚至100mV結(jié)果輸出波形頂部被削平測(cè)出來的增益明顯偏低還以為是電路有問題。正確做法是先把輸出端接示波器從小幅度信號(hào)開始比如輸入10mV、1kHz正弦波然后逐漸增大幅度觀察輸出波形剛剛開始出現(xiàn)失真時(shí)記錄下輸入幅度。正式測(cè)量時(shí)把輸入幅度降到這個(gè)值的60%~70%保證電路工作在線性放大區(qū)。如果是兩級(jí)放大、開環(huán)增益300倍輸出會(huì)達(dá)到3V左右已經(jīng)很接近電源軌了所以輸入信號(hào)必須要小。示波器探頭本身也可能吃掉一部分信號(hào)。普通×1探頭在低頻時(shí)還好但輸入電容會(huì)比較大如果你接入點(diǎn)阻抗很高讀數(shù)就會(huì)偏小。測(cè)量時(shí)盡量用×10探頭并把探頭補(bǔ)償電容校準(zhǔn)到方波平直。我做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)先接上探頭測(cè)一遍信號(hào)發(fā)生器本身的空載電壓再接到電路輸入端重新測(cè)一次確認(rèn)沒有明顯的負(fù)載效應(yīng)后再開始記錄數(shù)據(jù)。3.2 輸入電阻和輸出電阻半壓法負(fù)反饋對(duì)輸入輸出阻抗的影響是這個(gè)實(shí)驗(yàn)最能體現(xiàn)理論價(jià)值的部分。用半壓法測(cè)輸入電阻操作不復(fù)雜在信號(hào)源和放大電路輸入端之間串入一個(gè)已知電阻R比如10kΩ。然后分別測(cè)出電阻兩端的電壓或者說測(cè)出信號(hào)源開路電壓和輸入端實(shí)際電壓。當(dāng)輸入端實(shí)測(cè)電壓等于信號(hào)源電壓的一半時(shí)這個(gè)已知電阻就等于放大器的輸入電阻。更穩(wěn)妥的做法是先測(cè)信號(hào)源開路電壓Vs再接入電路測(cè)輸入端電壓Vi那么輸入電阻RiR×Vi/(Vs-Vi)。這樣不用反復(fù)去湊“半壓點(diǎn)”計(jì)算也更準(zhǔn)確。串聯(lián)負(fù)反饋電路輸入電阻會(huì)明顯比開環(huán)時(shí)大如果測(cè)出來反而變小了就先回頭檢查反饋是不是串聯(lián)進(jìn)輸入端了。輸出電阻的測(cè)量方法類似但要接負(fù)載電阻。先把放大器空載輸出電壓測(cè)為Vo1再接上已知負(fù)載RL測(cè)輸出電壓Vo2。輸出電阻Ro(Vo1/Vo2-1)×RL。注意負(fù)載阻值要處在電路能正常驅(qū)動(dòng)的量級(jí)一般取2.2kΩ到10kΩ。如果負(fù)載太小輸出電流過大三極管會(huì)進(jìn)入非線性區(qū)Vo2測(cè)出來會(huì)跌得很慘算出的輸出電阻會(huì)偏大很多。3.3 頻率特性測(cè)帶寬頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)是負(fù)反饋內(nèi)容的重頭戲。保持輸入電壓幅度不變改變信號(hào)頻率記錄輸出電壓隨頻率變化的趨勢(shì)。中頻段增益基本平坦低頻段因?yàn)轳詈想娙莺团月冯娙莸娜菘乖龃蠖陆蹈哳l段因?yàn)槿龢O管結(jié)電容和導(dǎo)線分布電容而下降。測(cè)帶寬時(shí)不要用耳朵聽也不要用萬用表直接用示波器讀輸出正弦波的峰峰值最直觀。找出中頻增益值以它為基準(zhǔn)乘以0.707找到輸出幅度降到這個(gè)值的高頻點(diǎn)和低頻點(diǎn)兩點(diǎn)之間的頻帶就是該放大器的通頻帶。負(fù)反饋引入以后我在實(shí)驗(yàn)里測(cè)到的上限頻率通常會(huì)從開環(huán)的幾十千赫茲擴(kuò)展到上百千赫茲下限頻率也會(huì)往低頻方向壓。這里有一個(gè)很典型的操作錯(cuò)誤很多人改變頻率以后忘了重新確認(rèn)輸入信號(hào)幅度是否穩(wěn)定導(dǎo)致輸出幅度變化被誤判為頻響曲線不平坦。只要信號(hào)源輸出幅頻特性本身有波動(dòng)就一定要每個(gè)頻率點(diǎn)都回頭看一眼輸入波形。4. 數(shù)據(jù)翻車與排查實(shí)錄4.1 波形一側(cè)被削平這個(gè)現(xiàn)象太常見了。輸出正弦波的正半周或負(fù)半周被削掉說明靜態(tài)工作點(diǎn)偏移輸出信號(hào)擺到了截止區(qū)或飽和區(qū)。排查順序先用萬用表復(fù)測(cè)各級(jí)集電極電壓確認(rèn)工作點(diǎn)是否居中如果工作點(diǎn)正常那就是輸入信號(hào)調(diào)得太大直接把信號(hào)幅度降下來如果工作點(diǎn)在開環(huán)切換后變了重點(diǎn)檢查反饋斷開后是否改變了前級(jí)偏置。我在帶實(shí)驗(yàn)課時(shí)遇到過一種隱蔽情況旁路電容虛焊導(dǎo)致本來應(yīng)該被旁路的發(fā)射極電阻參與了交流負(fù)反饋放大器增益變得很低看起來像是閉環(huán)之后整體幅度偏小。這種問題不把板子翻過來用放大鏡看焊點(diǎn)還真不好發(fā)現(xiàn)。4.2 輸出波形自激振蕩波形沒什么規(guī)律地疊加在正弦波上或者完全亂成一團(tuán)毛刺多半是電路產(chǎn)生了高頻自激振蕩。負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)特別容易在閉環(huán)狀態(tài)下出現(xiàn)這個(gè)問題反饋路徑相移在高頻段超過180度負(fù)反饋就變成了正反饋。排查時(shí)先用示波器看振蕩頻率如果是幾兆赫茲以上的正弦波那基本是分布電容在作怪。解決思路有三個(gè)方向一是把反饋電阻兩端并聯(lián)一個(gè)幾十皮法的小電容壓低高頻增益二是調(diào)整輸入信號(hào)線的走線讓反饋線離輸出線遠(yuǎn)一點(diǎn)三是檢查電源去耦在供電端加一個(gè)100nF陶瓷電容到地。很多實(shí)驗(yàn)箱自激不是設(shè)計(jì)問題而是導(dǎo)線和探頭擺放得太亂輸出線和輸入線纏在一起后寄生耦合增大重新理一下線就能解決。4.3 閉環(huán)增益比理論值低很多這種情況下先從反饋系數(shù)找原因。如果反饋電阻比設(shè)計(jì)值小反饋深度就大閉環(huán)增益自然低。另一個(gè)常見原因是反饋網(wǎng)絡(luò)不只反饋了交流還改變了直流偏置導(dǎo)致三極管工作點(diǎn)被壓低增益進(jìn)一步下降。串聯(lián)負(fù)反饋的反饋電阻接到發(fā)射極以后會(huì)影響發(fā)射極的交流等效電阻如果反饋電阻取值太接近發(fā)射極電阻反饋系數(shù)計(jì)算就不能用簡(jiǎn)單分壓公式。還有一次我見到的案例是學(xué)生誤把反饋電阻當(dāng)成耦合元件從輸出端接到了后級(jí)跟隨器的輸入端結(jié)果形成了兩級(jí)反饋環(huán)路閉環(huán)增益低到只有兩三倍。遇到數(shù)據(jù)異常第一步永遠(yuǎn)是把實(shí)際電路和原理圖逐點(diǎn)核對(duì)不要急著懷疑儀器。4.4 輸入電阻測(cè)量結(jié)果忽大忽小半壓法測(cè)輸入電阻時(shí)如果示波器探頭接到高阻抗節(jié)點(diǎn)測(cè)量值很容易受影響。我常用的解決方式是改用示波器差分測(cè)量或者在前級(jí)加一個(gè)電壓跟隨器做緩沖。不過實(shí)驗(yàn)室條件有限時(shí)更簡(jiǎn)單的方法是采用“電阻箱法”串聯(lián)一個(gè)可變電阻箱調(diào)節(jié)阻值直到輸入電壓恰好為開路電壓的一半這個(gè)阻值就是輸入電阻。這個(gè)方法避免了兩次電壓讀數(shù)的除法誤差測(cè)量結(jié)果很穩(wěn)尤其適合測(cè)高輸入阻抗的串聯(lián)負(fù)反饋電路。另外信號(hào)源輸出阻抗也經(jīng)常被忽視。如果信號(hào)源本身有50Ω或600Ω的內(nèi)阻而你把它當(dāng)作理想電壓源去計(jì)算輸入電阻會(huì)帶上系統(tǒng)誤差。我通常先單獨(dú)測(cè)一下信號(hào)源的開路電壓再帶負(fù)載測(cè)一次反推內(nèi)阻后把這一項(xiàng)從計(jì)算里扣掉。步驟雖然多但數(shù)據(jù)的可信度完全不一樣。寫在最后的小經(jīng)驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)我前前后后帶過不少屆學(xué)生也自己重新搭過好幾塊板子。要說最深的一條體會(huì)就是負(fù)反饋放大電路實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)并不是把電烙鐵玩得多花哨而是培養(yǎng)一種“預(yù)判數(shù)據(jù)”的能力。動(dòng)手測(cè)量之前先把反饋組態(tài)判斷清楚把開環(huán)增益、反饋系數(shù)、閉環(huán)增益大致估算出來再去儀器面前操作你就有了一把尺子哪一步數(shù)據(jù)異常會(huì)立刻提醒你排查。很多同學(xué)習(xí)慣把實(shí)驗(yàn)當(dāng)成“接好電路然后抄數(shù)字”的任務(wù)結(jié)果數(shù)據(jù)怎么測(cè)都缺邏輯實(shí)驗(yàn)報(bào)告里理論值和實(shí)測(cè)值對(duì)不上也不知道該改哪邊。反過來說如果你能在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里養(yǎng)成先分析、再測(cè)量、最后互相印證的習(xí)慣后面做運(yùn)放應(yīng)用電路、電源管理、信號(hào)調(diào)理都會(huì)順利很多。最后分享一個(gè)操作上的小習(xí)慣做完每一步測(cè)量后用手機(jī)拍下示波器波形和萬用表讀數(shù)整理報(bào)告時(shí)這些一手資料比回憶強(qiáng)得多尤其那些看起來不對(duì)勁的波形往往才是真正值得寫進(jìn)思考和總結(jié)里的素材。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取