反馈的基本概念及在电路中的作用

1 概述

1.1 反馈的基本概念

  反馈也称为“回授”，广泛应用于各个领域。反馈的目的是通过输出对输入的影响来改善系统的运行状况及控制效果。在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。

  按照反馈放大电路各部分电路的主要功能可将其分为基本放大电路和反馈网络两部分，如下图所示。前者的主要功能是放大信号，后者的主要功能是传输反馈信号。基本放大电路的输入信号称为净输入量，它不但取决于输入信号（输入量）还与反馈信号（反馈量）有关。

1.2 有无反馈的判断

  若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，即反馈通路，并由此影响了放大电路的净输入，则表明电路引入了反馈，否则电路中没有反馈。

1.3 反馈类型及其判定

1.3.1 直流反馈与交流反馈

  在放大电路中即有直流分量也有交流分量，因而，必然有直流反馈和交流反馈。存在于放大电路直流通路中的反馈为直流反馈；直流反馈影响放大电路的直流性能，如静态工作点等。

  存在于交流通路中的反馈为交流反馈。交流反馈影响放大电路的交流性能，如增益、输入电阻、输出电阻和带宽等。

1.3.2 正反馈与负反馈

  根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。也可以根据输出量判断极性，反馈的结果使输出量的变化增大时为正反馈，使输出量减小时为负反馈。判断反馈的极性采用瞬时极性法，步骤如下：

• 先假定输入量的瞬时对地极性，并用（+）表示；
• 按信号从输入到反馈取样处的正向放大路径，根据放大电路各级输入与输出的相位关系，确定电路各信号传递点的瞬时极性（+）或（-）；
• 根据反馈取样处的瞬时极性沿反馈网络各信号传递点确定反馈量的瞬时极性（+）或（-）；
• 观察反馈量与输入量对净输量的作用，若二者作用相反，使净输入减少则为负反馈；若二者作用相同，使净输入量增加则为正反馈。

 &emsp**;负反馈具有自动调节作用，这种作用是以牺牲放大器的增益为代价的**。在实际中增益的减少容易得到补偿，而自动调节作用只能用负反馈的方法才能获得。正反馈不具有自动调节作用，正反馈会加剧输出信号的变化，使放大器的其他性能恶化，甚至产生自激振荡而破坏放大器正常的放大作用。但是在振荡器中可以利用正反馈实现信号产生的功能。

1.3.3 串联反馈和并联反馈

  在放大电路输入端，反馈网络与基本放大电路串联连接，以实现电压比较的称为串联反馈；这时$xi,xf,xid$ 均以电压形式出现。反馈网络与基本放大电路并联连接，以实现电流的比较的称为并联反馈，这时$xi,xf,xid$ 均以电流的形式出现。

  若要使反馈的效果最好，对于串联负反馈要求信号源内阻越小越好；对于并联负反馈要求信号源内阻越大越好。

1.3.4 电压反馈和电流反馈

  电压反馈和电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定，如果把输出电压的一部分或全部取出来回送到放大电路的输入回路，则称回电压反馈，如果回送的是电流信号，这是电流反馈。

  判断电压还是电流反馈的常用方法是”输出短路法“，即假设输出电压为0或令负载电阻为0，看反馈信号是否还在，若反馈信号不在了，则说明反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈；若反馈信号还在，则说明是电流反馈。

2 负反馈放大电路的四种组态

  由于反馈网络在放大电路的输出端有电压和电流两种取样方式，在输入端有串联和并联两种连接方式，所以负反馈放大电路有四种基本组态，即电压串联、电压并联、电流串联和电流并联反馈放大电路。

2.1 电压串联负反馈

  这种组态中，反馈网络的输入端口与基本放大电路的输出端口并联连接，而反馈网络的输出端口与基本放大电路的输入端口串联连接。电压负反馈的重要特点是具有稳定输出电压的作用（具有较好的恒压输出特性，因此可以说电压串联负反馈放大电路是一个电压控制的电压源，组成框图和电路实例如下图所示。

2.2 电压并联负反馈

  电路的组成框图即电路实例如下所示。互导反馈系数$F_g=i_F/u_o=(-u_o/R_f)/u_o=-1/R_f$

2.3 电流串联负反馈

  电流串联负反馈的特点是维持输出电流基本恒定（具有近似于恒流的输出特性）。互阻反馈系数：$F_r=u_F/i_o=(i_o{R}_f)/i_o=R_f$.

2.4 电流并联负反馈

3 负反馈放大电路的方框图及增益的一般表达式

3.1 负反馈放大电路的方框图

  上述的四种反馈放大电路可用上图所示的框图表示，其中KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '̇' at position 3: X ̲̇表示一般信号量，可以式电压或电流。由基本放大电路和反馈网络组成的闭合环路叫做反馈环，由一个反馈环组成的放大电路叫做单环反馈放大电路。

  根据方框图分析可得负反馈放大电路增益（闭环）的一般表达式为
A为基本放大电路的增益，F为反馈网络的反馈系数。由上式可以看出引入反馈后，电路的增益改变了。引入反馈后的增益$|A_f|$的大小与$|1+AF|$因素有关。由于 A 和 F 都是频率的函数，它们的幅值和相位角均随频率而改变。有以下三种情况；

• 若$|1+AF|$ > 1,$|A_f|<|A|$，即引入反馈后增益减小了，这种为负反馈；
• 若$|1+AF|$ < 1,$|A_f|>|A|$，即有反馈时，放大电路的增益增加，这种称为正反馈；
• 若$|1+AF|\to 0$ ,$|A_f|\to \infty$，说明放大电路在没有输入信号时，也有输出信号，叫做放大电路的自激。

  负反馈放大电路的$|1+AF|$愈大，放大电路的增益减少越多，因此$|1+AF|$的值是衡量负反馈程度的一个重要指标，称为反馈深度。

四种组态负反馈放大电路的比较

4 负反馈对放大电路性能的改善

1. 提高放大电路的稳定性；放大电路引入负反馈后，使得由于各种原因（温度、负载、器件参数等变化）引起的放大倍数的变化程度减小了，放大电路的工作状态稳定了。
2. 减小非线性失真，在非线性失真不太严重时，输出波形中的非线性失真近似减小为原来的$1/(1+AF)$。同样的道理，采用负反馈可以抑制由载流子热运动所产生的噪声。如果干扰是同输入信号同时混入的，则引入负反馈也不能减小。
3. 扩展通频带：通过基本分析可得：$(B{W}_0.7{)}_f\approx (1+A_{m}F)B{W}_0.7$。引入负反馈后放大电路的通频带展宽为无反馈时的$(1+A_{m}F)$倍，但是中频放大倍数下降为无反馈时的$1/(1+A_{m}F)$,所以中频放大倍数与通频带的乘积基本不变（仅对但时间常数的放大器）。因此，负反馈的反馈深度越深，通频带站的就越宽，但中频放大倍数下降的也越多。
4. 抑制反馈环内噪声：放大器在放大输入信号的过程中，其内部器件还会产生各种噪声（晶体管噪声，电阻热噪声等）。噪声对于有用输入信号的干扰不决定于噪声的绝对值的大小，而决定于放大器有用输出信号与噪声的相对比值，通常称为信噪比（用S/N表示）。信噪比越大，噪声对放大器的有害影响越小。
5. 对输入电阻和输出电阻的影响
     输入电阻是从输入端看进去的等效电阻，与反馈网路在输入回路的连接方式有关，即取决于电路引入的是串联还是并联反馈。
   （1）串联负反馈增大输入电阻；
   （2）并联负反馈减小输入电阻；
     输出电阻是从输出端看进去的等效电阻，与反馈网路在输出回路的连接方式有关，即取决于电路引入的是电压还是电流反馈。
   （3）电压负反馈减小输出电阻；
   （4）电流负反馈增加输出电阻；

5 正确引入负反馈的一般原则

• 要稳定放大器静态工作点，应引入直流负反馈。要改善放大器的交流性能，应引入交流反馈；
• 根据信号源的性质决定引入串联或并联负反馈。当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时，为增大放大电路的输入电阻，以减小信号源的输出电流和内阻上的压降，应引入串联负反馈。当信号源为恒流源或内阻较大的电压源时，为减小放大电路的输入电阻，使电路获得更大的输入电流，应引入并联负反馈。
• 根据负载对放大电路输出量的要求，即负载对其信号源的要求，决定引入电压负反馈或电流负反馈。当负载需要稳定的电压信号时，应引入电压负反馈；当负载需要稳定的电流信号时，应引入电流负反馈。
• 在需要进行信号变换时，选择合适的组态。若将电流信号转换成电压信号，应引入电压并联负反馈；若将电压信号转换成电流信号，应引入电流串联负反馈。

6 负反馈放大电路的稳定性分析

6.1 产生自己振荡的原因

  由反馈的一般表达式可知，当$1+AF=0$时，负反馈放大电路的闭环放大倍数就会趋于无穷，此时即使没有输入信号，放大电路仍将有一定的输出信号，说明放大电路产生了自激振荡。负反馈电路产生自激振荡的条件是：$1+AF=0$。可以用模和相角表示如下：幅度条件：$|AF|=1$,相位条件：${\phi }_A+{\phi }_F=\pm (2n+1)\pi$ 。

6.2 自激振荡的判断方法

  一般来说相位条件是主要的。当相位条件满足之后，在绝大多数情况下只要$|AF|\ge 1$。放大电路就将产生自激振荡。当$|AF|>1$时，输入信号经过放大和反馈，其输出正弦波的幅度要逐步增长，直到由电路元件的非线性所确定的某个限度为止，输出幅度将不再继续增长，而稳定在某一个幅值。

  根据负反馈电路的相频特性可见，当$f=f_o$时，$AF$的相移$∆{\phi }_{A}F=-180^o$，而在此频率，对应的对数幅频特性位于横坐标轴之上，说明当$f=f_o$时电路同时满足自激振荡的相位条件和幅度条件，所以该放大电路将产生自激振荡。反之，电路不会产生自激振荡，能够稳定工作。

6.3 负反馈放大电路的稳定裕度

• 幅度裕度（$G_m=20lg|AF{|}_{(}f=f_o)(dB)$）:对于稳定的负反馈放大电路，其$G_m$应为负值，值愈负，负反馈放大电路越稳定。一般负反馈放大电路要求$G_m\le -10dB$。
• 相位裕度（${\phi }_m=180^o-|{\phi }_{A}F{|}_f=f_c)$）。对于稳定的负反馈放大电路，$|{\phi }_{A}F{|}_{(}f=f_c)<180^o$。${\phi }_m$的值是正值，越大说明电路越稳定。一般的负反馈放大电路要求${\phi }_m\ge 45^0$。

6.4常用的校正措施

  对于三级或更多级的负反馈放大电路来说，为了避免产生自激振荡，保证电路稳定工作，通常需要采取适当的校正措施来破坏产生自激振荡的幅度条件和相位条件。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-613612.html

• 电容校正：在负反馈放大电路的适当位置接入一个电容C。实质是将放大电路的主极点频率降低，从而破坏自激振荡的条件，所以也称为主极点校正。该方法比较简单方便，主要缺点是放大电路的通频带将严重变窄。
• RC校正：可以使通频带变窄的情况有所改善；校正网络应加在时间常数最大，即极点频率最低的放大级。通常可接在前级输出电阻和后级输入电阻都比较高的地方。

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