Microsoft PowerPoint - Ch12回授與穩定

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楷江
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1 回授的觀念理想回授系統四個理想回授電路之組態串 - 並 ( 電壓 ) 回授放大器並 - 串 ( 電流 ) 回授放大器串 - 串 ( 轉移電導 ) 回授放大器並 - 並 ( 轉移電阻 ) 回授放大器回授電路之迴路增益回授電路之穩定性準則頻率補償技術 ( 藉由補償使得不穩定之回授電路能穩定 )

2 2. 回授的觀念兩種回授正回授 - 輸入信號加上部份的輸出信號負回授 - 輸入信號減掉部份的輸出信號負回授的優點 ) 減少增益的敏感度 2) 擴增電路的頻寬 3) 減少雜訊的敏感度 4) 減少非線性失真 5) 控制電路的輸入 / 出阻抗負回授的缺點 ) 減少電路的增益 2) 減少電路的穩定性

3 : 開迴路增益 (pen-lp gan) β : 回授因子 (feedback factr) f : 閉迴路增益 (clsed-lp gan) T β 為迴路增益 (lp gan) β β β β ε S S T f fb ff 第十二章回授與穩定度 2.2 理想回授系統 2 2 2, f f fb >> β β β 非反相放大器 (Nn-nvertng amplfer):

4 增益的敏感度 df β d d ( β ) ( β ) ( β ) d ( β) f 2 d ( ) β f df d d f ( β) β 上式顯示出閉迴路增益 f 之改變量相較於開迴路增益之改變量約小 (β) 倍負回授減少增益的敏感度

5 減少電路的增益與擴增電路的頻寬 s ω 0 ( ) s H 0 為低頻或中頻增益 ω H 為上限 3 分貝轉角頻率閉迴路增益為 f () s β 0 ( β ) 0 ω H s ( β ) 0 低頻閉迴路增益 0 ( β ) 0 閉迴路頻寬乘積為 ( β ) ω H 0 低頻閉迴路增益與閉迴路頻寬的乘積為 ( β) ( ) 0 H 0 0 H ω β ω

6 降低雜訊的敏感度負回授可降低放大器的雜訊準位 ( 更精確來說負回授可增加信號對雜訊比值 ) 輸入之信號對雜訊比值為輸出之信號對雜訊比值為 S SN N ( ) S SN N v v ( ) T n S N Tn

7 由圖 (a) 由圖 (b) v v v 00v 00v b 2 2 n n S 00v S N 00v N n

8 由圖 (c) v v v v c fb c S N 0 0 βv c 由圖 (d) 2 2 ( v βv ) ( β ) ( β ) 00v 00v 0.v n ε 2 v ε 2 2 v v 0.v c v n n S 000 N v fb 2 v v n 2 βv 2 c v n v d S N ( ) ( v ) vn β 00v 00v n S N 2 00v 00v n

9 減少非線性失真圖 (a) 為基本放大器 ( 開迴路 ) 轉換特性式子中顯現增益隨輸入信號改變而改變圖 (b) 閉迴路轉換特性開迴路增益變動 2 倍時, 其閉迴路增益只改變 % 及 2%

10 2.3 四個理想回授電路之組態依照放大參數 ( 電壓或電流 ) 與輸出參數 ( 電壓或電流 ) 的不同, 回授技術可分為四類 : (a) 串 - 並 > 電壓放大器 (b) 並 - 串 > 電流放大器 (c) 串 - 串 > 轉導放大器 (d) 並 - 並 > 轉阻放大器

11 串 - 並組態 ( 電壓放大器 ) v ε β β fb v - ε fb v vf v v ( β ) 閉迴路電壓增益 β ε fb ε v ( ) ( ) β ε v v ε ε β v v ε β v v ( ) β ( ) f v v 輸入電阻

12 β 0 ε fb ε v x - -β ε fb v x - ( β ) ( ) ( ) x v ε x v v x x v v x x f x v v - -β β 輸出電阻

13 串 - 並回授電路或電壓放大器之等效電路 vf v ( β v v ; ) f 0 ( β ) v v ; f ( β ) v v

14 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) f fb f fb fb O β β β β β β β β ε ε ε ε ε ε ε ε 並 - 串組態 ( 電流放大器 ) 閉迴路電流增益輸入電阻第十二章回授與穩定度

15 β 0 ε fb ε x - -β ε fb x ( ) ( ) - [ - -β ] x x ε x x β ( ) x f x 輸出電阻

16 並 - 串回授電路或電流放大器之等效電路 f ; ( β ) f ( β ) ; f ( β )

17 串 - 串組態 ( 轉導放大器 ) g ε fb β z ε fb gf f f g ( βzg) ( β ) z ( β ) z g g 輸入電阻輸出電阻

18 串 - 串回授電路或轉導放大器之等效電路 gf g ( β z g ; ) f ( β z g ); f ( β z g )

19 並 - 並組態 ( 轉阻放大器 ) z ε β fb g ε fb zf f f z ( βgz) ( β ) g ( β ) g z z 輸入電阻輸出電阻

20 並 - 並回授電路或轉導放大器之等效電路 zf z ; f ; f ( β g z ) ( β g z ) ( β g z )

21 2.2 Cnsder the nnnvertng p-amp crcut n Fgure P2.20. The nput resstance f the p-amp s and the utput resstance s 0, but the p-amp has a fnte gan. (a) Wrte the clsed-lp transfer functn n the frm vf v v s ( β) (b) What s the expressn fr β? (c) f 0 5 and vf 20, what s the requred β and 2 /? (d) f decreases by 0%, what s the % change n vf?

23 2.24 Cnsder the p-amp crcut n Fgure P2.24. The p-amp has a fnte gan, s that ε, and a zer utput mpedance. (a) Wrte the clsed-lp transfer functn n the frm f s β ) ( (b) What s the expressn fr β? (c) f 0 5 and f 25, what s the requred β and F / 3? (d) f decreases by 5%, what s the % change n f?

25 2.4 串 - 並回授組態

27 Draw the crcuts f basc blcks and β, and fnd the value f β. ns:

28 2.36 Cnsder the seres-shunt feedback crcut n Fgure P2.36, wth transstr parameters: h FE 20, BE(n) 0.7, and. (a) Determne the small-sgnal parameters fr Q, Q 2, and Q 3. Usng ndal analyss, determne: (b) the smallsgnal vltage gan vf v /v. (c) the nput resstance f, and (d) the utput resstance f.

31 2.5 並 - 串回授組態 ` fb fb F F F fb ( F) F f β β ε F 就有限放大增益而言 ` fb fb ( ) fb ε fb F F ( fb F) fb F fb fb fb f F

32 基本放大增益為 /ε hfe 閉迴路電流轉換方程式或增益可表示為 f h h FE FE

33 圖 (a) 中為更實際的共基極電流增益電路 f h r FE hfe E r E

34 圖 (a) 為離散電晶體並 - 串回授電路的例子 ; 圖 (b) 為交流等效電路其中負載電流及回授電流 fb 正比於射極電流 e 下圖為小信號等效電路

35 2.46 The crcut n Fgure P2.46 s an example f a shunt-seres feedback crcut. sgnal prprtnal t the utput current s fed back t the shunt cnnectn at the base f Q. Hwever, the crcut may be used as a vltage amplfer. ssume transstr parameter f h FE 20, BE(n) 0.7, and. (a) Determne the small-sgnal parameters fr Q and Q 2. (b) Usng ndal analyss, determne the small-sgnal vltage gan v v /v s.

38 2.6 串 - 串回授組態 z gf β z 考慮放大器電路為理想的並忽略電晶體之基極電流 gf β fb E E E

39 h h fb FE b FE g E fb E ( ) h ε FE g E gf ( h FE g ) ( ) h FE g E ε

40 ( ) C m C L fb m E fb m E C m C L gf m E g g r g r g g r 第十二章回授與穩定度

41 ( ) ( ) g z z z z zf fb fb z fb z g zf fb fb g zf β β β ε ε,, 並 - 並回授組態

42 ( ) F g F z z zf F F C F m FE F C z F F F C F C z zf C FE C m C m z F m F F F C F m zf F F m F F C F F m c r r r g h r r r h r g r g g r g g r g,, 0 0 β pp pp ff

43 2.8 迴路增益第十二章回授與穩定度迴路增益推導 :. S 0 2. 切斷迴路 3. 推導迴路增益 S fb βs βs t S S r t β

44 考慮切斷迴路之影嚮 T β r t 或 T β r t

45 ( ) eq F C eq C m S eq g T r 2 第十二章回授與穩定度例 : r r r r ; t t t r ( ) [ ] ( ) [ ] eq F C eq F eq m t r O eq F eq r eq F C t m O t r t r g T g T β

46 The transstr parameters fr the (transresstance amplfer) crcut are: h FE 80, EB 0.7, and 00. Fnd the lp gan T. (Calculate r, g, and m then T)

47 2.64 The transstr parameters fr the crcut shwn n Fgure P2.54 are: h FE 50, BE 0.7, and 00. Fnd the lp gan T.

49 2.9 回授放大器之穩定性 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ) ( ω ω ω β ω ω ω ω ω β j T j T j j j T j T j j T S S f f 回授放大器之穩定性 : T(jω) > - 卽 T(jω)80 時, T(jω) < 穩定 ( 放大器 ) T(jω) - 卽 T(jω)80 時, T(jω) 不穩定 ( 振盪器 ) 若回授電路為電阻性電路 ( 卽 β(jω)β) T(jω) (jω) 使用 T(jω) 的 Blde plts 判斷回授放大器之穩定性回授放大器之穩定性為迴路增益 T(jω) 之函數

50 . 放大器為簡單之單級共射極電流放大器 tan, f f f f f f j C s g r r where C s sc g L C C m B m L C C 第十二章回授與穩定度

51 圖 (a) 電流增益大小之波德圖圖 (b) 電流增益相位之波德圖低頻時, 輸出電流與輸入電流同相低頻時, 輸出電流與輸入電流之相位差為 90 O

52 B. 放大器為二級放大器 ( )( )( ) ( ) L 2 L m 2 m 2 L 2 L m 2 2 m 2 0 f f tan f f tan f f f f f f j f f j C s C s g g sc sc g g 第十二章回授與穩定度二級放大器之小信號等效電路

53 圖 (a) 電流增益大小之波德圖圖 (b) 電流增益相位之波德圖低頻時, 輸出電流與輸入電流同相低頻時, 輸出電流與輸入電流之相位差為 80 O

54 C. 放大器三級放大器差動放大級放大增益級輸出電路級 ( ) β( jw) T jw ( ) T f f f f j j j f f f 2 3 β f f f j j j f f f 2 3

55 圖 (a) 電流增益大小之波德圖圖 (b) 電流增益相位之波德圖低頻時, 輸出電流與輸入電流同相低頻時, 輸出電流與輸入電流之相角差為 -270 O

58 相位邊限 (phase margn) 與增益邊限 (gan margn):. 增益邊限 : 當 T(jω) -80 操作頻率時, 若 T(jω) < 系統穩定增益邊限 0 - T(jω) (db) - T(jω) (db) 2. 相位邊限 : 當 T(jω) 操作頻率時, 若 T(jω) > -80 系統穩定相位邊限 T(jω)-(- 80 ) T(jω) 80 ( 典型所需之相位邊限落在 45 至 60 度 )

59 2.66 The pen-lp vltage gan f an amplfer s gven by v f j (a) ssumng the feedback transfer functn s nt a functn f frequency, determne the frequency at whch the phase f the lp gan s 80 degrees. (b) t what value f β wll the feedback amplfer break nt scllatn? (c) Usng the value f β fund n part (b), what s the lw-frequency clsedlp gan? (d) s the clsed-lp feedback system stable fr smaller r larger values f clsed-lp gan? f j 0 5

61 0.69 three ple feedback amplfer has a lp gan gven by T ( f ) f j β (0 ) f j 0 4 f j 0 5 Sketch Bde Plts f the lp gan magntude and phase fr (a) β0.005, and (b) β0.05. (c) s the system stable r unstable n each case? f the system s stable, what s the phase margn?

63 2.0 頻率補償. 引入新極點. 在回路增益中引入一個頻率很低的新極點 f PD 致 T(f) 時, 使 ø(f) < 在引入新極點 f PD 時, 假設原始的三個極點不會變動新的回路增益大小與相位波德圖將如圖中之虛線所示

65 B. 米勒補償技術 C F 稱為補償電容 C C ( ) f M P F 2 C 2 M

66 . 米勒補償技術 : 移動極點 f P f P 2. 在移動極點 f P 時, 假設其它兩個極點不會變動使得 T(f) 之頻率較低, 且 ø > ( 放大器穩定 )

67 2.77 lp gan functn s gven by T ( f ) f j f j 5x0 4 f j 0 5 (a) Determne the frequency f 80 (t a gd apprxmatn) at whch the phase f T(f) s -80. (b) What s the magntude f T(f) at the frequency f f 80 fund n part (a)? (c) nsert a dmnant ple such that the phase margn s apprxmately 60. ssume the rgnal ples are fxed. What s the dmnant ple frequency?

4.1 The MOSFET Amplfer (1 前言 : 線性放大器 : 放大輸入訊號, 產生大於且正比於輸入訊號之輸出訊號小訊號 (small sgnal 可使 MOSFET 的 ac 等效電路線性化, 因而可使用重疊定理, 即可分開處理 dc 與 ac 分析圖解技巧 :dc 負載線 ac

4.1 The MOSFET Amplfer (1 前言 : 線性放大器 : 放大輸入訊號, 產生大於且正比於輸入訊號之輸出訊號小訊號 (small sgnal 可使 MOSFET 的 ac 等效電路線性化, 因而可使用重疊定理, 即可分開處理 dc 與 ac 分析圖解技巧 :dc 負載線 ac Ch4 Basc FET Amplfers Prevew 4.1 The MOSFET Amplfer 4. Basc Transstr Amplfer Cnfguratns 4.3 The Cmmn-Surce Amplfer 4.4 The Cmmn-ran (Surce-Fllwer Amplfer 4.5 The Cmmn-Gate Cnfguratn 4.6 The Three Basc