一、反馈的引入

为什么要有反馈?

使用反馈最经典的场景就是在运算放大器中。可以把运放想象为一个差模足够大的差分放大器,差模足够大看似是优点,但其实会导致很多问题。假设某一运放输入电压为 ,由于功放存在 ,实际的输出电压可能只有 左右。假设这个运算放大器的增益为 ,即

若要使此运放工作在线性放大区,输入的最大电压为

这个量级的电压几乎和噪声一个数量级,因此基本上无法使其工作在线性放大区。

而另一方面,此运放的上限频率只有 ,因此容易产生频率线性失真

由此产生的两个问题

  • 增益太大
  • 带宽太窄

如何解决这个问题?引入负反馈

使其增益减小,拓展带宽,使得这两个问题同时得到解决(用增益换带宽)

将电路的输出引回输入端,与信号做一个运算,对原来的输入信号产生影响

在本章中只讨论外部电路反馈,不考虑器件内部自身的反馈

1. 反馈

在系统中,输出信号被「反馈网络」以一定比例,与输入信号结合,这样的电路称为「反馈」(Feedback)。反馈被广泛应用于放大电路中。

没有反馈网络存在的放大器称为开环放大器,反之称为闭环放大器

2. 反馈的类型

2.1 正反馈和负反馈

  • 正反馈:在反馈下,输入信号相同时,输出增加
  • 负反馈:在反馈下,输入信号相同时,输出减少

对于负反馈而言:

  • 优点:
    • 提高敏感度
    • 拓展带宽
    • 减小噪声
    • 减少非线性失真
    • 改善阻抗
  • 缺点:
    • 增益减小
    • 稳定性变差

判断方法:瞬时极性法

在某一时刻,认为信号有一个瞬时的增加量(减少量),然后带着这个变化量分析整个电路的变化状态,直到反馈网络回到输入端,比较反馈信号和原输入信号的正负关系。若反馈信号能与原输入信号产生抵消,则为负反馈,反之为正反馈。

  • 通过电容电阻,正负不变
  • 通过运算放大器,正端输入正,输出为正,正端输入负,输出为负
  • 通过 BJT, 极同相, 极反相

2.2 直流反馈和交流反馈

根据反馈回来的信号是直流还是交流信号,可以将反馈分为「直流反馈」和「交流反馈」。

  • 图一为旁路电容,使得交流接地,反馈部分只有直流,因此为直流反馈
  • 图二为耦合电容,隔断直流信号,只有交流信号反馈,因此为交流反馈
  • 图三不存在电容,直流和交流同时通过,因此为交直流反馈

2.3 反馈组态

根据反馈网络与输入端或输出端的连接拓扑关系,可以分为「串联连接」和「并联连接」两种「反馈组态」(Feedback Configuration)。对于一个完整的反馈电路,反馈网络同时连接在输入和输出两端,故可以分为

  • 输入串联-输出串联
  • 输入并联-输出串联
  • 输入串联-输出串联
  • 输出并联-输出并联

2.3.1 连接方式

对于输入端而言

  • 若反馈信号和输入信号直接连接,则有KCL方程,这是一个电流反馈,即并联
  • 若反馈信号和输入信号连在一个元件的不同端上,则存在一个压差,有KVL方程,这是一个电压反馈,即串联

输出端的定义

  • 反馈网络接在负载两端,此时相当于电压表,对负载两端电压采样,为并联
  • 反馈网络与负载串联,相当于电流表,对负载电流采样,为串联

对于输出端,有一种简明的判断方法

  • 若负载短路,反馈信号消失,则为并联
  • 若负载短路,反馈信号仍存在,则为串联

其实只要是浮地的负载,基本上可以确定是输出串联

本质上,是对输出电压还是电流来「取样」

二、负反馈电路的特点

任何一个反馈电路,都可以由上面的关系图来表示。其中,为输入和输出信号,为反馈信号,而定义为「净输入信号」(Net signal),为输入信号和反馈信号合成后输入放大电路的信号。

之前提到负反馈电路存在「减小增益」、「提高灵敏度」、「拓展带宽」和减少非线性失真等特点,接下来根据上面的基本关系,定量地逐一进行分析。

1. 减小增益

根据反馈的定义,反馈信号是输出信号「以一定比例传输回输入端」,因此反馈信号可以表示为

其中比例系数定义为「反馈比例」。根据负反馈信号的定义,显然有关系

而对于放大器有

其中为放大器的开环放大倍数。将代入,则有

定义此时输出信号与输入信号的比为「闭环放大倍数,则

可以发现,在引入反馈后,电路的放大倍数乘以了倍。因此我们说负反馈电路会减小增益。

定义 ,,称之为「回路增益」(Loop gain),则可以发现,当 时,,此时

此时,闭环放大倍数为只与反馈网络本身有关的的函数,与放大器本身的放大倍数无关。

2. 增益灵敏度

定义

为增益灵敏度(Gain Sensitivity)

根据公式 ,对 求导可得

移到等式另一边,得到

又由

对于负反馈而言,则有

这说明,由于某些电路参数的变化,导致 产生变化时,的百分比变化比的百分比变化小一个反馈量

只取决于反馈网络,因此反馈网络上的元件应该为线性且稳定的

3. 带宽拓展

(Bandwidth Extension)

假设放大器的频率响应为单极点,则可以被以下公式描述

其中 为低频或中频增益, 为频率上限,则闭环增益有

假定与频率无关,即反馈电路是纯阻性网络,则 为常数,有

与原来的频率响应比较可以发现

即频率上限提高,频率下限降低,带宽被拓展。

4. 抑制非线性失真

在原有放大器工作时,若线性区过载,可能导致非线性失真。

在不改变输入信号的情况下,如何改善失真?此时可以引入负反馈,让失真的输出信号与原输入信号生成一个更「线性」的净输入信号,从而抑制非线性失真

5. 阻抗改善

根据反馈串并联关系的不同,阻抗改善的讨论也不同。

  • 输入串联-输出并联(Series-Shunt)
  • 输入并联-输出串联(Shunt-Series)
  • 输入并联-输出并联(Shunt-Shunt)
  • 输入串联-输入串联(Series-Series)

在接下来的几部分,将对四种反馈结构的阻抗即增益作讨论。

四种组态的判别方法

输入端

反馈网络和输入信号连接到同一端,说明是并联组态,如下图

反馈网络和输入信号连接到不同端,说明是串联组态,如下图

输出端

若负载短路,反馈信号为零,说明是并联组态

若负载短路,反馈信号仍存在,说明是串联组态

三、输入串联-输出并联

输入串联-输出并联电路(Series-Shunt),观察其电路结构可以发现,由于输出端为并联,因此相当于像是个电压表一样「采集了输出端电压信号」,传输给输入端时,与输入端串联,因此实现负反馈的工作原理,即 的公式,是通过 KVL 方程实现的。

这一工作过程,是采集输出端的电压信号,与输入端的电压信号做运算,因此这种组态也被称为电压放大器。(Voltage-Voltage Amplifier)

根据之前的反馈电路基本结构,画出小信号模型。

由于信号为电压信号,则根据反馈的分析有

1. 输入阻抗

根据输入阻抗的定义,先表示出输入电压

此时输入电流为「从放大器两端看进去的电流」,因此输入电流应表示为加在放大器上的电压信号比输入阻抗

定义此时有反馈的输入电阻为「闭环输入电阻」,记为,则

结论:串联输入会增大输入电阻,即乘上了

2. 输出阻抗

再考察输出电阻,记输出端电压和电流分别为 ,求输出电阻时需要对输入源置零,即 ,则有关系

对于电流而言,电流 只流过了放大器,反馈网络仅作为电压采样。因此有

定义此时有反馈的输出电阻为「闭环输出电阻」,记为,则

结论:并联输出会减小输出电阻,即除以了

3. 闭环放大倍数

由负反馈三大方程

可以直接得到闭环电压增益

结论:会减小电压增益,即除以了

四、输入并联-输出串联

输入串联-输出并联电路,观察其电路结构可以发现,由于输出端为串联,因此相当于像是个电流表一样「采集了流过输出端的电流信号」,传输给输入端时,与输入端并联,因此实现负反馈的工作原理,即 的公式,是通过 KCL 方程实现的。

这一工作过程,是采集输出端的电流信号,与输入端的电流信号做运算,因此这种组态也被称为电流放大器(Current-current Amplifier)

1. 输入阻抗

要求输入阻抗,根据定义就要求输入电压和电流

首先写出输入电压的表达式

再求输入电流

由反馈的三大方程,可以很容易得到

得到

因此输入电阻为

结论:输入并联-输出串联会减小输入电阻,即除以了

2. 输出阻抗

再考察输出电阻,记输出端电压和电流分别为,求输出电阻时需要对输入源置零,即,则有关系

由反馈的三大方程,可以很容易得到

得到关系

然后再表示出输出电压

最后得到输出阻抗

结论:输入并联-输出串联会增大输出电阻,即乘上了

3. 闭环电流增益

得到闭环电流增益

结论:输入并联-输出串联会减小电流增益,即除以了

五、输入串联-输出串联

根据前面两种组态的分析,输出端串联表示采集电流,输入端串联表示电压运算。因此这种放大器称为电压-电流放大器(Voltage-current Amplifier)或跨导放大器(Transconductance Amplifier)

1. 输入阻抗

输入电流显然可以直接表示为

电压为

因此输入阻抗为

结论:输入串联-输出串联会增大输入电阻,即乘上了

2. 输出阻抗

再考察输出电阻,记输出端电压和电流分别为,求输出电阻时需要对输入源置零,即

由输入端置零,此时,即

而对于电压,相当于恒流源内部的内阻两端电压

可以直接表示出输出阻抗

结论:输入串联-输出串联会增大输出电阻,即乘上了

3. 闭环增益

输入串联-输出串联是输出端电流和输入端电压的反馈。因此在表示闭环增益时,表示为跨导形式,即表示出了输出端电流和输入端电压之间的关系。

对于输入端

对于输出端

在根据小信号模型可以写出

综上直接写出闭环增益

可以发现其量纲为电导。

结论:输入串联-输出串联会减小增益,即除以了

六、输入并联-输出并联

根据前面两种组态的分析,输出端并联表示采集电压,输入端并联表示电流运算。因此这种放大器称为电流-电压放大器(Current-voltage Amplifier)或互阻放大器(Transresustabce Amplifier)

1. 输入阻抗

输入电流被分为两部分,即

输入电压就是放大器输入电阻两端的电压

因此输入阻抗可以表示为

结论:输入并联-输出并联会减小输入电阻,即除以了

2. 输出阻抗

再考察输出电阻,记输出端电压和电流分别为,求输出电阻时需要对输入源置零,即

由输入端置零,此时,可以得到

而对于输出端有

代入得到

结论:输入并联-输出并联会减小输出电阻,即除以了

3. 闭环增益

输入并联-输出并联是输出端电压和输入端电流的反馈。因此在表示闭环增益时,表示为互阻形式,即表示出了输出端电压和输入端电流之间的关系。

对于输入端

对于输出端

根据小信号模型可以写出

综上直接写出闭环增益

可以发现其量纲为电阻。

结论:输入并联-输出并联会减小增益,即除以了

七、深度负反馈分析

通常来说,放大器如运算放大器的非常大,满足,进一步,称这种情况为「深度负反馈」。深度负反馈时,由之前的分析可以知道,无论是何种反馈组态,闭环电路增益可以改写为

根据此近似得到重要关系

由此重要关系,可以得到几个结论。

根据定义,

又因为,则

根据净输入定义

综上得到两个在深度负反馈下的重要结论

  • 输入近似等于反馈
  • 净输入近似为零

在接下来的分析中,将会频繁使用这两个结论进行分析和化简。值得一提的是,在「运算放大器」一章中提到的「虚短虚断」,本质上就是由这两个结论推导得到的。接下来根据反馈组态的不同举几个例子进行深度负反馈分析。

1. 电压放大器

如图,是一个电压放大器。求其闭环电压增益

根据深度负反馈的输入信号等于反馈信号特性,则根据定义

由深度负反馈净输入为零特性,运算放大器两端均无电流,流过的电流等于流过的,因此有电压关系

因此其闭环电压增益为

2. BJT 单管放大器

与上面的分析类似,可以直接写出

某种意义上来说,这里的 BJT 管在深度负反馈下也满足「虚短虚断」,即 =0,

但在 BJT 一章我们很清楚,B-E 两端在工作时必然存在 的压降,又如何与这里的虚短虚断理论解释呢?

其实这里的深度负反馈是一种交流分析,因此我们默认直流分量已经「打开」了B-E两端,即那 的压降是施加在直流分量上的。在模拟电路的学习中,一定时时刻刻要分清楚直流分析和交流分析

3. 电流放大器

求下图电路的闭环电流增益和电压增益

根据深度负反馈的「反馈信号等于输入信号」

由虚短,运放的反相输入端接地,则 相当于两支由地流入的电流 组成。根据串并联关系有

因此闭环电流增益可以表示为

接下来求电压增益。由于 其实是接地的,因此没有办法求 ,只能求对源增益

由上面已经求得的电流增益

4. BJT 电流放大器

求此电流放大器的闭环电流增益和电压增益

不难判断,是输入并联-输出串联组态的负反馈网络。先求电流增益

由于交流把 视为接地,因此从 端看来, 并联,因此根据深度负反馈的虚短虚断, 的集电极有关系

的发射极反馈虚地, 接地。因此也是并联,分

得到闭环电流增益

八、环路增益

对于通常的反馈电路来说,构成了净输入-放大器-反馈网络-净输入的环路

我们想要分析,一个信号在此环路循环一次后发生了什么变化,即探讨反馈电路的「环路增益」

首先需要在某处断开环,防止无限循环;然后将输入信号置零。比如下图

那么环路增益等于信号经过放大器和反馈网络后到达的变化,因此定义环路增益为

注意:环路增益和闭环增益不同!

八、反馈稳定性

此部分内容十五章还会再次讲到

根据频率响应部分的知识,放大器本身的放大倍数是频率的函数,因此频率改变时,一个含有反馈电路的放大电路的闭环增益也会随之改变。在某些情况下,甚至会改变反馈的极性。接下来,我们分析频率变化对反馈电路工作的影响。

设反馈网络为纯阻性网络, 和频率没有关系。同时定义复频率 ,此时由于放大倍数 的函数,则此时的闭环增益可以表示为

之前已经定义环路增益 也是频率的函数,即

其中 可以拆分为大小和幅值

1. 自激振荡

负反馈的定义是净输入小于输入。因此只有当三个信号同相,才能保证满足关系

但是当频率变化时,因为 与频率有关,所以某些情况下可能无法维持负反馈。在某些情况下,若反馈回来的信号与净输入大小相等,方向相反,

根据方程 ,则在没有输入信号的情况下,即 S\varepsilon=-S{fb}=-T(j\omega)\cdot S\varepsilon=S\varepsilon$。此时电路中出现了一个信号的无限增益。

或者从另外一个角度分析,由于 ,即 ,导致 ,任何一个噪声都会被无限放大下去。

在不外加输入信号时,电路自行产生了持续的震荡。这种现象称为「自激

根据刚刚的分析,产生自激的条件是

2. 自激的条件分析

根据频率响应方面的知识,一阶电路移相最大值 90 度,无法满足自激条件,因此一阶电路不可能出现自激

对于二阶电路,频率趋于无穷大时,移相达到最大值 180 度。此时,两个自激条件无法同时满足,故二阶电路也不可能出现自激。

当电路为三阶,就有可能出现震荡了

3. 避免自激

为了防止自激,必须破坏

在自激破坏的情况下,有关系

为「增益余量」,为「相位余量」。即与自激条件留有一定的余量来防止自激。一般情况下要求


考试要求

连接反馈

闭环增益,闭环电压增益

除了反馈本身,其他题目之中可能时刻参杂着反馈。