鄒學(xué)玉(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉 洪(重慶市南川區(qū)南川中學(xué)，重慶 408400)

秦紅波(武漢工程大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430205)

信號(hào)流在反饋類(lèi)型判斷中的應(yīng)用

鄒學(xué)玉(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉 洪(重慶市南川區(qū)南川中學(xué)，重慶 408400)

秦紅波(武漢工程大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430205)

反饋是電子線(xiàn)路中重要技術(shù)之一，廣泛用來(lái)改善電子線(xiàn)路的工作狀態(tài)和性能。從反饋概念入手，明確信號(hào)流向在反饋類(lèi)型判斷中的作用，采用信號(hào)流的方法分析了反饋類(lèi)型的判斷步驟、原理和方法，從而更好地理解和掌握反饋類(lèi)型的判斷方法。

信號(hào)流；反饋；反饋類(lèi)型

反饋技術(shù)是電子系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的技術(shù)，對(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要作用。反饋分為正反饋和負(fù)反饋，負(fù)反饋被廣泛用來(lái)改善電子系統(tǒng)中放大器的性能，而正反饋被利用來(lái)產(chǎn)生特定的信號(hào)。因此，反饋類(lèi)型的判斷方法是分析和應(yīng)用反饋技術(shù)的必備基本知識(shí)。由于反饋的概念較抽象以及電路型式復(fù)雜多樣，令初學(xué)者感到難以理解和掌握。針對(duì)上述問(wèn)題，有學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究[1-5]，但都忽視了信號(hào)流在分析該問(wèn)題中的作用。為此，筆者對(duì)信號(hào)流在反饋類(lèi)型判斷中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 信號(hào)流與反饋的概念

在放大電路中，對(duì)輸入信號(hào)Xi放大時(shí)，引入反饋以改善系統(tǒng)性能。反饋是指將放大電路(或電子系統(tǒng))輸出Xo(電壓或電流)的一部分或全部(簡(jiǎn)稱(chēng)輸出采樣)，通過(guò)某種方式(簡(jiǎn)稱(chēng)反饋電路)引回到輸入回路(簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)合成)形成反饋信號(hào)Xf來(lái)影響放大電路的凈輸入信號(hào)Xd(電壓或電流)的過(guò)程[1-2]。在電子線(xiàn)路中，信號(hào)流有正向與反向傳輸之分，由于反饋電路采樣的電壓或電流是電路系統(tǒng)中最基本的信號(hào)參量，因而分析信號(hào)在電子線(xiàn)路中的流動(dòng)情況可以有助于正確理解和快速掌握反饋類(lèi)型的判斷方法。

2 反饋類(lèi)型的判斷

Xd-凈輸入信號(hào)；Xf-反饋輸出信號(hào)；Xo-輸出信號(hào)

在電子線(xiàn)路中，無(wú)論是全局還是局部反饋，反饋放大電路都可以劃分為基本放大電路(用A表示)和反饋電路(用F表示)2大模塊部分，因而可以表示為如圖1所示的方框圖形式，圖中標(biāo)明了主要的信號(hào)流向。由二端口網(wǎng)絡(luò)理論[6]和信號(hào)系統(tǒng)理論[7]可知，基本放大電路有正向傳輸與反向傳輸特性，其中在低頻電路中，正向傳輸特性占主導(dǎo)地位，反向傳輸特性很弱，可以忽略不計(jì)；同理，反饋電路同樣可以忽略其反向傳輸特性，從而形成一個(gè)信號(hào)流正向傳輸?shù)姆糯?反饋回路。在該回路中，信號(hào)Xf與Xd的合成方式?jīng)Q定了是串聯(lián)還是并聯(lián)反饋；對(duì)信號(hào)Xo的采樣類(lèi)型決定了是電壓還是電流反饋。為此，筆者以正向傳輸信號(hào)流向來(lái)判斷反饋類(lèi)型。

在反饋的判斷過(guò)程中，首先必須弄清信號(hào)流在反饋放大器電路中的特點(diǎn)和作用；其次，必須弄清信號(hào)流的主要和次要路徑；再次，必須弄清有無(wú)反饋、反饋電路在哪、反饋的采樣信號(hào)參量是直流還是交流；最后，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅ袛喾答侇?lèi)型，具體步驟如下。

2.1查找反饋電路

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，查找反饋電路是分析反饋的難點(diǎn)之一。筆者提出的反饋電路查找方法簡(jiǎn)稱(chēng)為輸入-輸出信號(hào)流關(guān)聯(lián)法，即分別畫(huà)出放大電路的交直流等效電路，然后根據(jù)電路中信號(hào)(直流或交流)流向，在信號(hào)的輸入與輸出之間列出所有可能前向路徑，對(duì)多條前向路徑，若路徑之間存在關(guān)聯(lián)電路，則表示有反饋存在；否則，表示無(wú)反饋電路; 對(duì)單條路徑，若輸出信號(hào)位于輸入回路中，則該路徑存在反饋，否則，該路徑上無(wú)反饋。若直流電路有反饋，稱(chēng)之為直流反饋；若交流電路有反饋，稱(chēng)之為交流反饋。

2.2判斷信號(hào)合成方式

圖2 Xi置零短路處理示意圖

圖3 電壓反饋中反饋信號(hào)uf≠0示意圖

基本放大器輸入端的信號(hào)合成方式是判斷串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋關(guān)鍵，如果基本放大器的凈輸入信號(hào)Xd與輸入信號(hào)Xi和反饋輸出信號(hào)Xf以電壓形式合成，則稱(chēng)之為串聯(lián)反饋；反之，如果基本放大器的凈輸入信號(hào)Xd與輸入信號(hào)Xi和反饋輸出信號(hào)Xf以電流形式合成，則稱(chēng)之為并聯(lián)反饋。判斷方法為輸入信號(hào)置零法。在該法中，輸入信號(hào)Xi由信號(hào)源(電壓源Vs或電流源Is)與內(nèi)阻Rs(與Rs串接的電阻視為Rs的一部分)構(gòu)成，Xi做置零短路處理(見(jiàn)圖2)后，若基本放大器的凈輸入信號(hào)Xd為0，則屬于并聯(lián)反饋(見(jiàn)圖2(a))；否則，若Xd不為0，則屬于串聯(lián)反饋(見(jiàn)圖2(b))。

由此可得相應(yīng)的直觀(guān)判斷方法，簡(jiǎn)稱(chēng)串并直觀(guān)法，即觀(guān)察反饋輸出信號(hào)Xf的2端與基本放大器輸入端口的連接情況，若反饋電路的輸出端口與基本放大器的輸入端口有2個(gè)共同的連接端子(見(jiàn)圖2(a)中的a、b點(diǎn))，則反饋輸出信號(hào)Xf引回至基本放大器的同一端口，稱(chēng)之為并聯(lián)反饋；否則，若反饋電路的輸出端口與基本放大器的輸入端口只有1個(gè)共同的連接端子(見(jiàn)圖2(b)中的c點(diǎn))，則稱(chēng)之為串聯(lián)反饋。

2.3判斷信號(hào)采樣類(lèi)型

識(shí)別反饋電路的信號(hào)采樣類(lèi)型是判斷電壓反饋還是電流反饋的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)之一。判斷方法是輸出負(fù)載短路法，即將輸出負(fù)載RL短路，使輸出電壓Uo=0，若反饋信號(hào)“消失”，則稱(chēng)之為電壓反饋；否則，若反饋信號(hào)沒(méi)有“消失”，則稱(chēng)之為電流反饋。這里，“消失”的概念是指反饋電路F的輸出信號(hào)Xf中的正向傳輸分量(即與Xo成比例的分量)為0，而不是指Xf=0。

電壓反饋中反饋信號(hào)uf≠0示意圖如圖3所示。對(duì)于圖3中的電壓反饋，初學(xué)者用電路分析的方法無(wú)法得到Xf=0(Re1、Rf構(gòu)成反饋電路)，從而導(dǎo)致誤判為電流反饋。由于uf=ie1(Re1||Rf)≠0，但uf與反饋電路的輸入信號(hào)io無(wú)關(guān)(uo因負(fù)載短接而為0)，所以為電壓反饋。因此，在判斷采樣信號(hào)類(lèi)型時(shí)要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)和把握“Xf中的正向傳輸分量為0”的概念，正確理解反饋“消失”的內(nèi)在含義是表征Xf與Xo無(wú)關(guān)。

圖4 電流反饋圖例

由此可得相應(yīng)的直觀(guān)判斷方法，簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)載直觀(guān)法，即觀(guān)察反饋電路的輸入端口的2個(gè)端子與基本放大器的負(fù)載RL(RL開(kāi)路情形，等效為RL=∞)的連接情況，若反饋電路的輸入端口與基本放大器的負(fù)載有2個(gè)共同的連接端子(見(jiàn)3(b)中的a、b點(diǎn))，則反饋電路采樣的信號(hào)Xo是基本放大器的負(fù)載兩端的電壓信號(hào)uo，稱(chēng)之為電壓反饋(見(jiàn)3(b)中的a、b點(diǎn))；若反饋電路的輸入端口2個(gè)端子與基本放大器的負(fù)載RL只有一個(gè)共同的連接端子(見(jiàn)圖4)，則稱(chēng)之為電流反饋。

2.4判斷反饋極性

由于反饋極性的判斷與反饋電路在信號(hào)流向中的位置有關(guān)，無(wú)論是全局還是局部反饋都存在一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大-反饋的正向傳輸回路。對(duì)于全局的級(jí)間反饋，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、反饋至輸入端的回路，將回路增益最大的回路簡(jiǎn)稱(chēng)為主回路，其指輸入信號(hào)ui經(jīng)過(guò)基本放大電路、反饋電路時(shí)，信號(hào)獲得最大增益所經(jīng)過(guò)的路徑。在該回路中，反饋電路視作為基本放大電路的負(fù)載，簡(jiǎn)稱(chēng)假負(fù)載。在多級(jí)放大電路中存在級(jí)間反饋時(shí)，主回路的認(rèn)知也是初學(xué)者的學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一，將直接影響反饋極性的判斷。

在圖5所示的級(jí)間反饋放大電路中，由Re1、Rf、Re3構(gòu)成的級(jí)間反饋電路，其對(duì)應(yīng)的主回路為ui→C1→b1→c1(b2)→c2(b3)→e3→Rf→e1。

圖5 級(jí)間反饋放大電路

對(duì)于局部反饋，放大、反饋電路構(gòu)成的回路較為簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)稱(chēng)次回路，如圖5中T1管的局部反饋電阻Re1存在交直流反饋，在判斷其反饋極性時(shí)，Re1作為T(mén)1管的假負(fù)載。

反饋極性的判斷方法是回路-瞬時(shí)極性法，其基本步驟如下：①依據(jù)放大-反饋回路確定信號(hào)流正向傳輸路徑；②在信號(hào)流正向傳輸路徑上，從輸入端開(kāi)始，逐級(jí)確定各級(jí)放大器的組態(tài)(說(shuō)明：后一級(jí)或反饋電路(又稱(chēng)假負(fù)載)等效為本級(jí)的負(fù)載來(lái)確定其組態(tài))，根據(jù)其組態(tài)依次判斷各級(jí)放大器在信號(hào)流正向傳輸路徑上的瞬時(shí)極性(用“⊕”表示輸出與輸入之間同相、“?”表示輸出與輸入之間反相)；③判斷反饋極性。對(duì)于串聯(lián)反饋，若反饋電路的輸出極性與基本放大器的輸入極性相同，則為負(fù)反饋，否則，為正反饋；對(duì)于并聯(lián)反饋，若反饋電路的輸出極性與基本放大器的輸入極性相同，則為正反饋，否則為負(fù)反饋。

3 應(yīng)用實(shí)例

以電路是一阻容耦合的多級(jí)放大電路(見(jiàn)圖5)為例，依據(jù)反饋類(lèi)型的判斷方法來(lái)分析其存在的反饋類(lèi)型。

3.1直流反饋情況

1)全局反饋 關(guān)于全局反饋的判斷，存在如下情形：①輸入與輸出之間有2條路徑，即b1→c1(b2)→c2(b3)→c3(簡(jiǎn)稱(chēng)P1)和b1→e1→Rf→e3→c3(簡(jiǎn)稱(chēng)P2)，這2條路徑關(guān)聯(lián)部分為T(mén)1,Rf,T3，因而存在由Re1、Rf、Re3構(gòu)成的反饋電路；②由串并直觀(guān)法可知反饋電路的輸出端子(e1,地)與基本放大器的輸入端子(b1,e1)只有一個(gè)共同的端子，所以信號(hào)的合成方式為串聯(lián)反饋；③由輸出負(fù)載短路法可知，當(dāng)令uo=0時(shí)，Re1上的反饋電壓uf∝io，即反饋未“消失”，故為電流反饋；④在輸入與輸出之間路徑P1和P2中，P1的增益遠(yuǎn)大于P2的增益，因此P1路徑構(gòu)成A，P2中的部分路徑構(gòu)成F，由反饋電路可知放大-反饋主回路為ui→C1→b1→c1(b2)→c2(b3)→e3→Rf→e1，判斷瞬時(shí)極性的各級(jí)放大器組態(tài)依次是T1管共射組態(tài)、T2管共射組態(tài)和T3管共集組態(tài)(注意與實(shí)際輸出uo的共射組態(tài)不同)，根據(jù)回路-瞬時(shí)極性法可知該反饋極性為負(fù)反饋。

綜上所述，反饋電路Re1、Rf、Re3構(gòu)成直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

2)局部反饋 以T2管的局部反饋支路Re2為例，T2與Re2構(gòu)成放大-反饋的次回路為b2→e2→Re2→e2，反饋Re2構(gòu)成直流電流串聯(lián)負(fù)反饋；同理，Re1構(gòu)成T1管的直流電流串聯(lián)負(fù)反饋；Re3構(gòu)成T3管的直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

3.2交流反饋情況

1)全局反饋 反饋電路由Re1、Rf、Re3構(gòu)成，同理可得Re1、Rf、Re3構(gòu)成交流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

2)局部反饋 以T1管的局部反饋支路Re1為例，Re1構(gòu)成交流電流串聯(lián)負(fù)反饋；同理，Re3構(gòu)成T3管的交流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

綜合以上分析可知，Re1、Rf和Re3構(gòu)成全局反饋，反饋類(lèi)型為交直流電流串聯(lián)負(fù)反饋；Re1構(gòu)成局部交直流電流串聯(lián)負(fù)反饋；Re3構(gòu)成局部交直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

4 結(jié) 語(yǔ)

放大器中的反饋是《電子技術(shù)》基本知識(shí)中的難點(diǎn)之一，為了更好地掌握其實(shí)質(zhì)，首先要了解反饋的概念及其類(lèi)型，用方框圖法分析信號(hào)在放大-反饋回路的主要流向及其作用，正確理解全局反饋與局部反饋的關(guān)系，然后深入了解反饋類(lèi)型的判斷方法及其原理，最后通過(guò)典型實(shí)例分析來(lái)增強(qiáng)對(duì)反饋判斷方法的靈活運(yùn)用能力，從而更好地理解和掌握反饋類(lèi)型的判斷方法。

[1]華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分[M]. 第5版.北京：高等教育出版社,2006.

[3] 蔣新庚.關(guān)于放大電路中反饋類(lèi)型判斷方法的探究[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版), 2007，27(1):77-79.

[4] 楊颯.反饋電路教學(xué)的幾點(diǎn)新思路[J].高師理科學(xué)刊, 2005,25(4):90-92.

[5] 聶斌，呂菁華.重構(gòu)反饋放大器理論的基本假設(shè)與理想模型[J].高師理科學(xué)刊,2005,25(3):38-41.

[6] 梁貴書(shū)，董華英.電路理論基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[7] 鄭君里.信號(hào)與系統(tǒng)引論[M].北京：高等教育出版社，2010.

[編輯] 李啟棟

TN721.2

A

1673-1409(2012)05-N147-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.049

2012-02-25

鄒學(xué)玉(1965-)，男， 1988年大學(xué)畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事多媒體通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和電子技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。