下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
放大器电路中加入负反馈电路之后，可以改善放大器的诸多性能指标，但是同时也会给放大器带来一些不利之处，最主要的问题是负反馈放大器会出现高频自激。
所谓负反馈放大器高频自激就是负反馈放大器会自行产生一些高频振荡信号，这些信号不仅不需要，而且对负反馈放大器稳定工作十分有害，甚至出现高频的啸叫声。为此，要在负反馈放大器中采取一些消除这种高频自激的措施，即采用消振电路。
所谓自激就是不给负反馈放大器输入信号放大器也会有输出信号的现象，这一输出信号由放大器本身产生。当负反馈放大器同时满足下列相位正反馈和幅度两个条件时，放大器将产生自激。
（1）相位正反馈条件。 在负反馈放大器中，负反馈信号与输入信号之间的相位是反相的，即输入信号与负反馈信号之间相位相差180°，所以这两个信号混合是相减的关系。
但是放大器会对不同频率的信号产生不同的附加相移，如果负反馈放大器对某频率的负反馈信号又产生了180°的附加相移，则当此负反馈信号从放大器输出端反馈到放大器输入端时已经移相360°，这时反馈信号与输入信号之间是同相位的关系，是两个信号相加的关系，这是正反馈过程。
放大器对信号相位的附加相移量与信号频率有关，不同频率信号的相移量是不同的，只有一个频率的信号附加相移为180°，所以当负反馈放大器出现自激时，放大器输出的叫声为单一频率的，不像一般噪声的频率范围那么宽，这种单频率叫声称为啸叫。
（2）幅度条件。 放大器对产生正反馈的信号具有放大能力。对于负反馈放大器而言这一点也是不成问题的，因为放大器本身具有放大作用。由于这是正反馈，反馈信号与原输入信号相加，净输入增大，又对净输入放大，使反馈信号更大，这样愈反馈信号幅度愈大，最终便会产生自激振荡。
负反馈放大器出现自激后，就会影响放大器对正常信号的放大，所以必须加以抑制，这由称为消振电路的电路来完成，消振电路又称为补偿电路。
消振电路是根据自激产生的机理设计的。根据产生自激的原因可知，只要破坏它两个条件中的一个条件，自激就不能发生。由于破坏相位条件比较容易做到，所以消振电路一般根据这一点设计。
一般情况下，消振电路用来对自激信号的相位进行移相，通过这种附加移相，使产生自激的信号相位不能满足正反馈条件。
负反馈放大器中的消振电路种类比较多，但是它们的基本工作原理相似。 消振电路主要有以下几种常见电路。
（1）超前式消振电路；
（2）滞后式消振电路；
（3）超前－滞后式消振电路；
（4）负载阻抗补偿电路。
19.电阻串联电路3
为了更容易理解消振电路，必须掌握RC移相电路的工作原理，因为消振电路的工作原理是建立在RC移相电路基础上的。
RC电路可以用来对输入信号的相位进行移相，即改变输出信号与输入信号之间的相位差，根据RC元件的位置不同有两种RC移相电路：RC滞后移相电路和RC超前移相电路。
在讨论RC移相电路工作原理之前，先要对电阻器、电容器上的电流相位和电压降相位之间的关系进行说明。
（1）电阻器上电流与电压之间的相位关系。 电压和电流之间的相位是指电压变化时所引起的电流变化的情况。当电压在增大时，电流也在同时增大，并始终同步变化，这说明电压和电流之间是同相位的，即相位差为0°，如图1-93所示。
图1-93 电阻器上电流与电压之间的相位关系示意图
当电压增大时，电流减小，这说明它们之间是不同相的。电压与电流之间的相位差可以是0°～360°范围内的任何值。不同元件上的电流与电压的相位差是不同的。
电阻器上的电流和电压是同相的，即流过电阻器的电流和电阻器上的电压降相位相同。
（2）电容器上电流与电压之间的相位关系。 电容器上的电流和电压相位相差90°，如图1-94所示，并且是电流超前电压90°，这一点可以这样来理解：只有对电容器充电之后，电容器内部有了电荷，其两端才有电压，所以流过电容器的电流是超前电压的。
图1-94 电容器上电流与电压之间的相位关系示意图
图1-95所示是RC滞后移相电路。电路中的 U i 是输入信号电压， U o 是经这一移相电路后的输出信号电压， I 是流过电阻R1和电容C1的电流。
图1-95 RC滞后移相电路
分析移相电路时要用到矢量的概念，并且要学会画矢量图。为了方便分析RC移相电路的工作原理，可以用画图分析的方法。具体画图步骤如下。
（1）第一步，画出流过电阻和电容的电流 I 。 第一步是画出流过电阻和电容的电流 I ，图1-96所示是一条水平线（其长短表示电流的大小）。
图1-96 第一步示意图
（2）第二步，画出电阻上的电压矢量。 如图1-97所示，由于电阻上的电压降 U R 与电流 I 是同相位的，所以 U R 也是一条水平线（与 I 矢量线之间无夹角，表示同相位）。
图1-97 第二步示意图
（3）第三步，画出电容上电压矢量。 如图1-98所示，由于电容两端电压滞后于流过电容的电流90°，所以将电容两端的电压 U C 画成与电流 I 垂直的线，且朝下（以 I 为基准，顺时针方向为相位滞后），该线的长短表示电容上电压的大小。
图1-98 第三步示意图
（4）第四步，画出平行四边形。
从RC滞后移相电路中可以看出，输入信号电压，
，这里是矢量相加，要画出平行四边形，再画出输入信号电压
，如图1-99所示。
图1-99 第四步示意图
矢量
与矢量
相加后等于输入电压
，从图1-99中可以看出，
与
之间是有夹角的，并且是
滞后于
，或者讲是
超前
。
由于该电路的输出电压是取自于电容上的，所以
，输出电压
滞后于输入电压
一个角度。由此可见，该电路具有滞后移相的作用。
20.电阻串联电路4
图1-100所示是RC超前移相电路。这一电路与RC滞后移相电路相比，只是电路中电阻和电容的位置变换了，输出电压取自于电阻R1。
图1-100 RC超前移相电路
根据上面介绍的矢量图画图步骤，可画出如图1-101所示矢量图，输出信号电压 U o 超前于输入电压 U i 一个角度。
图1-101 画图示意图
具体的画图步骤是：①画出电流
；②画出电阻上压降
；③画出电容上压降
，并画出平行四边形；④画出输入电压
。
这种RC移相电路的最大相移量小于90°，如果采用多级RC移相电路则总的相移量可以大于90°。改变电路中的电阻或电容的大小，可以改变相移量。
图1-102所示是分立元器件构成的音频放大器，其中R5 和C4构成超前式消振电路。电路中，VT1和VT2构成一个双管阻容耦合音频放大器，在两级放大器之间接入一个R5和C4的并联电路，R5和C4构成超前式消振电路，这一电路又称为零-极点校正电路。
图1-102 分立元器件放大器中的超前式消振电路
（1）直流电路。 R1是VT1固定式偏置电阻，R2是VT1集电极负载电阻，R3是VT1发射极负反馈电阻；R6是VT2固定式偏置电阻，R7是集电极负载电阻，R8是发射极负反馈电阻。图1-103所示是VT1、VT2管直流电流回路示意图。
图1-103 VT1、VT2管直流电流回路示意图
（2）信号传输过程。 输入信号 U i →输入耦合电容C2→VT1基极→VT1集电极→级间耦合电容C3→超前消振电路R5和C4→VT2基极→VT2集电极→输出端耦合电容C5→输出信号 U o ，送到后级电路中。图1-104所示是信号传输过程示意图。
图1-104 信号传输过程示意图
（3）超前相移。 由于在信号传输回路中接入了R5和C4，这一并联电路对信号产生了超前的相移，即加在VT2基极上的信号相位超前于VT1集电极上的信号相位，破坏了自激的相位条件，达到消除自激的目的。
在这一消振电路中，起主要作用的是电容C4而不是电阻R5，即C4与第二级放大器（由VT2管构成）的输入阻抗构成了RC超前移相电路，如图1-105所示。由RC超前移相电路特性可知，加到VT2管基极的信号电压相位超前了。
图1-105 超前移相等效电路
（4）扩展放大器高频段。 这种超前式消振电路在消振的同时还能够扩展放大器的高频段，其原理可以这样理解：由于C4对高频信号的容抗小，从VT1集电极输出的高频信号经C4加到VT2基极，而对于中频信号和低频信号而言，由于C4容抗大而只能通过R5加到VT2基极，信号受到了一定的衰减，这样放大器输出的高频信号比较大，实现了对高频段的扩展。
对于音频放大器而言，电容C4的容量大小在皮法级（pF级）,C4容量不能大，否则没有消振作用。
图1-106所示是集成电路放大器中的超前式消振电路。电路中，A1是集成电路，它构成音频放大器“，+”端是A1的同相输入端（即①脚），“−”是它的反相输入端（即②脚），俗称负反馈端。
图1-106 集成电路放大器中的超前式消振电路
电路中的C2和R1、R2和C3构成负反馈电路。当R1阻值大小不变时，R2的阻值愈小负反馈量愈大，集成电路A1放大器的增益愈小；反之则相反。
这一集成电路放大器信号传输过程是：输入信号 U i →C1（输入端耦合电容）→A1的①脚（A1的输入引脚）→A1的③脚（经过A1的放大，从输出引脚输出）→C4（输出端耦合电容）→ U o （这一放大器的输出信号）。图1-107所示是信号传输过程示意图。
图1-107 信号传输过程示意图
（1）消振分析。 由于负反馈电容C3与R2并联，对于高频信号而言，C3容抗很小，使集成电路A1放大器的负反馈量很大，放大器的增益很小，破坏了高频自激的幅度条件，达到消除高频自激振荡的目的。
（2）另一种理解方法。 由于接入了高频消振电容C3，加到集成电路A1反相输入端的负反馈信号相位超前，破坏了自激振荡的相位条件，实现消振。
21.电阻串联电路课堂讨论1
由于这一集成电路构成音频放大器，所以高频消振电容C3的容量大小在皮法（pF）级。
图1-108所示是音频负反馈放大器，其中R5和C4构成滞后式消振电路，滞后式消振电路又称主极点校正电路。电路中的VT1、VT2构成双管阻容耦合放大器。R1是VT1固定式偏置电阻，R2是VT1集电极负载电阻，R3是VT1发射极负反馈电阻；R6是VT2固定式偏置电阻，R7是VT2集电极负载电阻，R8是VT2发射极负反馈电阻。
图1-108 滞后式消振电路
这一电路的信号传输过程是：输入信号 U i →输入耦合电容C2→VT1基极→VT1集电极→级间耦合电容C3→滞后消振电阻R5→VT2基极→VT2集电极→输出端耦合电容C5→输出信号 U o ，送到后级电路中。图1-109所示是信号传输过程示意图。
图1-109 信号传输过程示意图
在两级放大器之间接入了电阻R5和电容C4，这两个元件构成滞后消振电路。关于这一消振电路的工作原理说明如下。
（1）从移相角度理解。 从VT1集电极输出的信号经过C3耦合，加到滞后消振电路R5和C4上，R5和C4构成典型的RC滞后移相电路，信号经过R5和C4后，相位得到滞后移相（增加了附加的滞后移相），也就是加到VT2基极的信号相位比VT1集电极输出的信号相位滞后，这样破坏了高频自激信号的相位条件，达到消除高频自激的目的。
（2）从信号幅度角度理解。 这一电路能够消除自激的原理还可以从自激振荡信号的幅度条件这个角度来理解：R5和C4构成对高频自激信号的分压电路，由于产生自激的信号频率比较高，电容C4对产生自激的高频信号容抗很小，这样由R5、C4构成的分压电路对该频率信号的分压衰减量很大，使加到VT2基极的信号幅度很小，达到消除高频自激的目的。在电路分析的理解中，对信号幅度变化的理解易于对信号相位变化的理解。
（3）电路变形情况。 在滞后式消振电路中，如果前级放大器（即VT1构成的放大器）的输出阻抗很大，可以将消振电路中的电阻R5省去，只设消振电容C4，即电路中不出现消振电阻R5，如图1-110所示。这时的电路分析容易出现错误，要了解滞后式消振电路存在这样的变异电路，这是电路分析中的难点之一。
图1-110 变形电路示意图
音频放大器中，滞后式消振电路中的消振电阻R5一般为2kΩ，消振电容一般取几千皮法。
（4）单级放大器中的消振电路形式。 滞后式消振电路还有一种电路形式，即在三极管基极与集电极之间加一只几百皮法的高频负反馈小电容，如图1-111所示。从消振的角度来讲，接入高频负反馈小电容后由于其对高频信号存在强烈的负反馈作用，放大器的高频增益小于1，达到消振的目的。
图1-111 滞后式消振电路
图1-112所示是双管阻容耦合放大器电路，电路中的R5、R7和C4构成超前-滞后式消振电路，这种消振电路又称为极-零点校正电路。
图1-112 超前-滞后式消振电路
这一放大器的信号传输过程是：输入信号 U i →输入耦合电容C2→VT1基极→VT1集电极→级间耦合电容C3→消振电阻R5→VT2基极→VT2集电极→输出端耦合电容C5→输出信号 U o ，送到后级电路中。图1-113所示是信号传输过程示意图。
图1-113 信号传输过程示意图
前面所介绍的滞后式消振电路中，由于消振电容C4接在第二级放大器输入端与地之间（VT2基极与地线之间），这一电容对音频信号中的高频信号存在一定的衰减作用，使多级放大器的高频特性变劣（对高频信号的放大倍数下降）。为了改善放大器的高频特性，在消振电容回路中再串联一只电阻，构成了超前-滞后式消振电路，即电路中的电阻R7。
R7和C4串联电路阻抗对加到VT2基极上的信号进行对地分流衰减，这一电路的阻抗愈小，对信号的分流衰减量愈大。图1-114所示是R7和C4串联电路的阻抗特性，从曲线中可以看出，当信号频率高于转折频率 f 0 时，R7和C4串联电路总阻抗不再随着频率升高而下降，而是等于 R 7 ，这样对于更高频率信号的衰减量不再增大。相对滞后式消振电路而言，放大器的高频特性得到改善。
图1-114 R7和C4串联电路阻抗特性曲线
超前-滞后式消振电路的工作原理与滞后式消振电路基本一样，只是加入一个电阻后改善了高频特性。当前级放大器的输出电阻比较大时，也可以省去消振电路中的电阻R5，只接入消振电阻R7和电容C4。
有些情况下，负反馈放大器的自激是由于放大器负载引起的，此时可以采用负载阻抗补偿电路来消除自激。图1-115所示是负载阻抗补偿电路。电路中，BL1是扬声器，是功率放大器的负载。这一电路由两部分组成：一是R1和C1构成的负载阻抗补偿电路，这一电路又称为“茹贝尔”电路；二是由L1和R2构成的补偿电路。
图1-115 负载阻抗补偿电路
电路中的扬声器BL1不是纯阻性的负载，而是感性负载，它与功率放大器的输出电阻构成对信号的附加移相电路，这是有害的，会使负反馈放大器电路产生自激。
在加入R1和C1电路后，由于这一RC串联电路是容性负载，它与扬声器BL1感性负载并联后接近为纯阻性负载，一个纯阻性负载接在功率放大器输出端不会产生附加信号相位移，所以不会产生高频自激。
如果不接入这一“茹贝尔”电路，扬声器的高频段感抗明显增大，放大器产生高频自激的可能性增大。
电路中的L1和R2用来消除扬声器BL1分布电容引起的功率放大器高频段不稳定影响，也具有消除高频段自激的作用。
22.电阻串联电路课堂讨论2
上面介绍了各种负反馈放大器中的消振电路的工作原理，以下对这些电路进行小结。
（1）当自激信号的频率落在音频范围内时，可以听到啸叫声；当自激信号的频率高于音频频率时，为超音频自激，此时虽然听不到啸叫声，但仍然影响放大器的正常工作，例如可能造成放大管或集成电路发热。
（2）负反馈放大器中，自激现象一般发生在高频段，这是因为放大器对中频信号的附加相移很小，对低频信号虽然也存在附加相移，但频率低到一定程度的信号，放大器的放大倍数已经很小，不符合自激的幅度条件，所以不会发生低频自激。
（3）对音频放大器而言，放大器电路中容量小于0.01µF的小电容一般都起消振作用，称为消振电容。音频放大器中的消振电容没有大于0.01µF的。
（4）一个多级负反馈放大器中，消振电容一般设有多个，放大器级数愈多，消振电容数目也会愈多。
（5）音频放大器中，消振电容对音质是有害而无益的，所以在一些高保真放大器中，不设大量的负反馈电路。
（6）除音频放大器之外，其他一些高频放大器中也存在负反馈电路，所以也会存在高频自激问题。