你關(guān)注到放大電路負(fù)反饋的原理，說(shuō)明你在模擬電路設(shè)計(jì)中非常注重系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)化，這種從反饋機(jī)制入手提升電路性能的思維是打造高精度放大電路的關(guān)鍵。

很多電路設(shè)計(jì)者在使用負(fù)反饋時(shí)，往往只是照搬經(jīng)典電路，卻不理解負(fù)反饋的核心原理，導(dǎo)致電路出現(xiàn)穩(wěn)定性差、增益偏移、帶寬不足等問(wèn)題。接下來(lái)我將從負(fù)反饋的基礎(chǔ)原理、類型分類、性能優(yōu)化、穩(wěn)定性分析四個(gè)維度，為你系統(tǒng)解析放大電路負(fù)反饋的原理及應(yīng)用，幫你建立對(duì)負(fù)反饋的深刻理解。

放大電路負(fù)反饋的原理：從穩(wěn)定性到性能的核心優(yōu)化

在模擬電路設(shè)計(jì)中，放大電路是最基礎(chǔ)的電路之一，廣泛應(yīng)用于信號(hào)放大、傳感器調(diào)理、音頻放大等領(lǐng)域。但單純的基本放大電路存在增益不穩(wěn)定、非線性失真大、帶寬窄、輸入輸出阻抗不匹配等問(wèn)題。負(fù)反饋技術(shù)是解決這些問(wèn)題的核心手段，通過(guò)將輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路性能的全面優(yōu)化。本文將從負(fù)反饋的基礎(chǔ)原理、類型分類、性能優(yōu)化、穩(wěn)定性分析四個(gè)維度，深入解析放大電路負(fù)反饋的原理及應(yīng)用，幫助電路設(shè)計(jì)者建立對(duì)負(fù)反饋的深刻理解。

一、負(fù)反饋的基礎(chǔ)原理：從"閉環(huán)"到"誤差控制"的核心邏輯

負(fù)反饋的定義與基本結(jié)構(gòu)

負(fù)反饋是指將放大電路的輸出信號(hào)的一部分，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較(通常是相減)，從而減小凈輸入信號(hào)，使放大電路的性能得到優(yōu)化的技術(shù)。

負(fù)反饋的基本結(jié)構(gòu)

負(fù)反饋放大電路主要由以下四個(gè)部分組成：

基本放大電路：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，開環(huán)增益為A(輸出信號(hào)與凈輸入信號(hào)的比值);

反饋網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的采樣和反饋，反饋系數(shù)為F(反饋信號(hào)與輸出信號(hào)的比值);

比較環(huán)節(jié)：實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的比較，凈輸入信號(hào)為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的差值(對(duì)于電壓串聯(lián)負(fù)反饋);

負(fù)載：放大電路的輸出負(fù)載，影響輸出信號(hào)的幅值和相位。

負(fù)反饋的基本公式

負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)增益(輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值)為： Af = A / (1 + A×F) 其中，A為開環(huán)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)，1 + A×F為反饋深度。當(dāng)A×F >> 1時(shí)，閉環(huán)增益Af ≈ 1/F，此時(shí)閉環(huán)增益僅與反饋系數(shù)有關(guān)，而與基本放大電路的開環(huán)增益無(wú)關(guān)，這是負(fù)反饋放大電路的核心優(yōu)勢(shì)之一。

負(fù)反饋的核心邏輯：誤差控制與性能優(yōu)化

負(fù)反饋的核心邏輯是通過(guò)誤差控制實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化：

誤差檢測(cè)：通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出信號(hào)，與輸入信號(hào)比較，得到誤差信號(hào)(凈輸入信號(hào));

誤差放大：基本放大電路將誤差信號(hào)放大，得到輸出信號(hào);

誤差修正：輸出信號(hào)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端，修正誤差信號(hào)，使輸出信號(hào)盡可能接近預(yù)期值。

例如，當(dāng)負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓下降時(shí)，反饋信號(hào)也會(huì)下降，凈輸入信號(hào)會(huì)增大，基本放大電路的輸出會(huì)增大，從而補(bǔ)償輸出電壓的下降，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

二、負(fù)反饋的類型分類：從"采樣"到"比較"的四象限分類

負(fù)反饋放大電路的類型可以根據(jù)反饋信號(hào)的采樣方式和輸入信號(hào)的比較方式進(jìn)行分類，主要分為四種類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。

反饋信號(hào)的采樣方式：電壓采樣 vs 電流采樣

電壓采樣(電壓負(fù)反饋)

電壓采樣是指反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，采樣的是輸出電壓的一部分。電壓負(fù)反饋的作用是穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

電流采樣(電流負(fù)反饋)

電流采樣是指反饋信號(hào)與輸出電流成正比，采樣的是輸出電流的一部分。電流負(fù)反饋的作用是穩(wěn)定輸出電流，增大輸出電阻，提高恒流輸出能力。

輸入信號(hào)的比較方式：串聯(lián)比較 vs 并聯(lián)比較

串聯(lián)比較(串聯(lián)負(fù)反饋)

串聯(lián)比較是指反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電壓形式進(jìn)行比較(相減)，凈輸入信號(hào)為輸入電壓與反饋電壓的差值。串聯(lián)負(fù)反饋的作用是增大輸入電阻，提高輸入信號(hào)的電壓利用率。

并聯(lián)比較(并聯(lián)負(fù)反饋)

并聯(lián)比較是指反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電流形式進(jìn)行比較(相減)，凈輸入信號(hào)為輸入電流與反饋電流的差值。并聯(lián)負(fù)反饋的作用是減小輸入電阻，提高輸入信號(hào)的電流利用率。

四種負(fù)反饋類型的特點(diǎn)與應(yīng)用

負(fù)反饋類型采樣方式比較方式主要作用典型應(yīng)用

電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓采樣串聯(lián)比較穩(wěn)定輸出電壓，增大輸入電阻，減小輸出電阻電壓放大器、音頻前置放大器、傳感器調(diào)理電路

電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓采樣并聯(lián)比較穩(wěn)定輸出電壓，減小輸入電阻，減小輸出電阻電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、跨阻放大器、光電二極管放大電路

電流串聯(lián)負(fù)反饋電流采樣串聯(lián)比較穩(wěn)定輸出電流，增大輸入電阻，增大輸出電阻電流放大器、恒流源、儀表放大器

電流并聯(lián)負(fù)反饋電流采樣并聯(lián)比較穩(wěn)定輸出電流，減小輸入電阻，增大輸出電阻電流放大電路、高速放大器、視頻放大器

三、負(fù)反饋的性能優(yōu)化：從"增益"到"帶寬"的全面提升

負(fù)反饋技術(shù)可以對(duì)放大電路的多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，包括增益穩(wěn)定性、非線性失真、帶寬、輸入輸出阻抗、噪聲系數(shù)等。

提高增益穩(wěn)定性

基本放大電路的開環(huán)增益A受元器件參數(shù)、溫度、電源電壓等因素的影響較大，增益穩(wěn)定性較差。而負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)增益Af ≈ 1/F(當(dāng)A×F >> 1時(shí))，僅與反饋系數(shù)F有關(guān)，而反饋系數(shù)F通常由電阻、電容等無(wú)源元器件組成，穩(wěn)定性高，因此閉環(huán)增益的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于開環(huán)增益。

增益穩(wěn)定性的計(jì)算公式

增益的相對(duì)變化量為： ΔAf / Af = (ΔA / A) / (1 + A×F) 其中，ΔA / A為開環(huán)增益的相對(duì)變化量，ΔAf / Af為閉環(huán)增益的相對(duì)變化量。由于1 + A×F >> 1，閉環(huán)增益的相對(duì)變化量遠(yuǎn)小于開環(huán)增益的相對(duì)變化量，從而提高了增益穩(wěn)定性。

減小非線性失真

基本放大電路的晶體管、運(yùn)放等有源元器件存在非線性特性，當(dāng)輸入信號(hào)幅值較大時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)非線性失真。負(fù)反饋技術(shù)可以減小非線性失真，原理是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出信號(hào)的失真部分反饋到輸入端，與輸入信號(hào)比較，使凈輸入信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與失真相反的分量，從而補(bǔ)償輸出信號(hào)的失真。

非線性失真的改善程度

非線性失真的改善程度為反饋深度1 + A×F，即負(fù)反饋可以使非線性失真減小為原來(lái)的1/(1 + A×F)倍。

擴(kuò)展帶寬

基本放大電路的帶寬受限于有源元器件的頻率特性，帶寬較窄。負(fù)反饋技術(shù)可以擴(kuò)展帶寬，原理是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)降低中頻段的增益，從而提高高頻段和低頻段的增益相對(duì)值，使帶寬得到擴(kuò)展。

帶寬的擴(kuò)展公式

負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)帶寬為： BWf = BW × (1 + A×F) 其中，BW為基本放大電路的開環(huán)帶寬，BWf為負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)帶寬。閉環(huán)帶寬是開環(huán)帶寬的1 + A×F倍，從而實(shí)現(xiàn)了帶寬的擴(kuò)展。

改變輸入輸出阻抗

負(fù)反饋技術(shù)可以根據(jù)需要改變放大電路的輸入輸出阻抗，以滿足不同的應(yīng)用需求：

串聯(lián)負(fù)反饋：增大輸入電阻，提高輸入信號(hào)的電壓利用率;

并聯(lián)負(fù)反饋：減小輸入電阻，提高輸入信號(hào)的電流利用率;

電壓負(fù)反饋：減小輸出電阻，提高帶負(fù)載能力;

電流負(fù)反饋：增大輸出電阻，提高恒流輸出能力。

輸入輸出阻抗的變化公式

輸入電阻：串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大為原來(lái)的1 + A×F倍，并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小為原來(lái)的1/(1 + A×F)倍;

輸出電阻：電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小為原來(lái)的1/(1 + A×F)倍，電流負(fù)反饋使輸出電阻增大為原來(lái)的1 + A×F倍。

減小噪聲系數(shù)

基本放大電路的有源元器件會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響輸出信號(hào)的信噪比。負(fù)反饋技術(shù)可以減小噪聲系數(shù)，原理是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)降低中頻段的增益，同時(shí)也降低了噪聲信號(hào)的增益，從而提高了輸出信號(hào)的信噪比。

噪聲系數(shù)的改善程度

噪聲系數(shù)的改善程度為反饋深度1 + A×F，即負(fù)反饋可以使噪聲系數(shù)減小為原來(lái)的1/(1 + A×F)倍。但需要注意的是，負(fù)反饋只能減小基本放大電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，不能減小輸入信號(hào)本身的噪聲。

四、負(fù)反饋的穩(wěn)定性分析：從"自激振蕩" to "相位補(bǔ)償"的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

負(fù)反饋的穩(wěn)定性問(wèn)題：自激振蕩的產(chǎn)生

負(fù)反饋放大電路在反饋深度較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)自激振蕩的問(wèn)題，即輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)仍然存在周期性的振蕩信號(hào)，導(dǎo)致放大電路無(wú)法正常工作。

自激振蕩的產(chǎn)生條件

自激振蕩的產(chǎn)生需要滿足兩個(gè)條件：

幅值條件：|A×F| ≥ 1，即反饋信號(hào)的幅值等于或大于凈輸入信號(hào)的幅值;

相位條件：φA + φF = (2n + 1)×π(n為整數(shù))，即反饋信號(hào)與凈輸入信號(hào)的相位相同，形成正反饋。

自激振蕩的產(chǎn)生原因

基本放大電路的開環(huán)增益A是頻率的函數(shù)，隨著頻率的升高，增益會(huì)下降，相位會(huì)滯后。當(dāng)頻率升高到某個(gè)特定頻率時(shí)，相位滯后達(dá)到180°，此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相同，形成正反饋。如果此時(shí)|A×F| ≥ 1，就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

穩(wěn)定性分析方法：波特圖的應(yīng)用

波特圖是分析負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的常用方法，通過(guò)繪制開環(huán)增益的幅值-頻率特性曲線和相位-頻率特性曲線，判斷放大電路是否會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

穩(wěn)定性的判斷準(zhǔn)則

相位裕度：當(dāng)幅值|A×F| = 1時(shí)，相位φA + φF與-180°的差值稱為相位裕度，通常要求相位裕度≥45°，以保證放大電路的穩(wěn)定性;

增益裕度：當(dāng)相位φA + φF = -180°時(shí)，幅值|A×F|的倒數(shù)稱為增益裕度，通常要求增益裕度≥10dB，以保證放大電路的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性的改善方法：相位補(bǔ)償技術(shù)

相位補(bǔ)償技術(shù)是改善負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的主要方法，通過(guò)在放大電路或反饋網(wǎng)絡(luò)中添加相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改變開環(huán)增益的頻率特性，避免自激振蕩的產(chǎn)生。

常見的相位補(bǔ)償方法

滯后補(bǔ)償：在放大電路的輸入端或反饋網(wǎng)絡(luò)中添加RC滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，降低高頻段的增益，使幅值|A×F| = 1時(shí)的相位滯后減小，提高相位裕度;

超前補(bǔ)償：在放大電路的輸入端或反饋網(wǎng)絡(luò)中添加RC超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，提高高頻段的相位，使相位φA + φF = -180°時(shí)的幅值|A×F|減小，提高增益裕度;

滯后-超前補(bǔ)償：結(jié)合滯后補(bǔ)償和超前補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，在中頻段采用滯后補(bǔ)償降低增益，在高頻段采用超前補(bǔ)償提高相位，同時(shí)提高相位裕度和增益裕度。

五、負(fù)反饋的典型應(yīng)用：從"理論" to "實(shí)踐"的電路實(shí)現(xiàn)

電壓串聯(lián)負(fù)反饋：運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

電壓串聯(lián)負(fù)反饋是運(yùn)算放大器最常用的負(fù)反饋類型，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、增益穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電壓放大、信號(hào)調(diào)理、濾波等電路。

同相比例放大電路

同相比例放大電路是典型的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，輸出電壓與輸入電壓的比值為： Vout = Vin × (1 + Rf / R1) 其中，Rf為反饋電阻，R1為輸入電阻。該電路的閉環(huán)增益僅與Rf和R1有關(guān)，穩(wěn)定性高，輸入阻抗高，輸出阻抗低。

電壓跟隨器

電壓跟隨器是同相比例放大電路的特殊情況，當(dāng)Rf = 0或R1 → ∞時(shí)，閉環(huán)增益為1，即輸出電壓等于輸入電壓。電壓跟隨器具有輸入阻抗極高、輸出阻抗極低的特點(diǎn)，常用于緩沖電路、阻抗匹配等場(chǎng)景。

電壓并聯(lián)負(fù)反饋：電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電壓并聯(lián)負(fù)反饋具有輸入阻抗低、輸出阻抗低、電流-電壓轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光電二極管放大、電流信號(hào)調(diào)理等電路。

反相比例放大電路

反相比例放大電路是典型的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，輸出電壓與輸入電壓的比值為： Vout = -Vin × (Rf / R1) 其中，Rf為反饋電阻，R1為輸入電阻。該電路的閉環(huán)增益僅與Rf和R1有關(guān)，穩(wěn)定性高，輸入阻抗低，輸出阻抗低。

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路是反相比例放大電路的特殊情況，當(dāng)輸入電流為Ii時(shí)，輸出電壓為： Vout = -Ii × Rf 其中，Rf為反饋電阻。該電路可以將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，廣泛應(yīng)用于光電二極管放大、電流傳感器調(diào)理等場(chǎng)景。

電流串聯(lián)負(fù)反饋：恒流源電路

電流串聯(lián)負(fù)反饋具有輸入阻抗高、輸出阻抗高、恒流輸出等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于恒流源、電流放大、儀表放大等電路。

恒流源電路

恒流源電路是典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，輸出電流與輸入電壓的比值為： Io = Vin / R1 其中，R1為采樣電阻。該電路的輸出電流僅與Vin和R1有關(guān)，穩(wěn)定性高，輸入阻抗高，輸出阻抗高。

電流并聯(lián)負(fù)反饋：電流放大電路

電流并聯(lián)負(fù)反饋具有輸入阻抗低、輸出阻抗高、電流放大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速放大、視頻放大、電流驅(qū)動(dòng)等電路。

電流放大電路

電流放大電路是典型的電流并聯(lián)負(fù)反饋電路，輸出電流與輸入電流的比值為： Io = Iin × (1 + Rf / R1) 其中，Rf為反饋電阻，R1為采樣電阻。該電路的閉環(huán)增益僅與Rf和R1有關(guān)，穩(wěn)定性高，輸入阻抗低，輸出阻抗高。

總結(jié)：負(fù)反饋是放大電路設(shè)計(jì)的核心技術(shù)

負(fù)反饋技術(shù)是模擬電路設(shè)計(jì)中最核心的技術(shù)之一，通過(guò)將輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路性能的全面優(yōu)化，包括提高增益穩(wěn)定性、減小非線性失真、擴(kuò)展帶寬、改變輸入輸出阻抗、減小噪聲系數(shù)等。但負(fù)反饋技術(shù)也帶來(lái)了穩(wěn)定性問(wèn)題，需要通過(guò)相位補(bǔ)償技術(shù)保證放大電路的穩(wěn)定性。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的負(fù)反饋類型：

如果需要穩(wěn)定輸出電壓、提高輸入阻抗、降低輸出阻抗，選擇電壓串聯(lián)負(fù)反饋;

如果需要穩(wěn)定輸出電壓、降低輸入阻抗、降低輸出阻抗，選擇電壓并聯(lián)負(fù)反饋;

如果需要穩(wěn)定輸出電流、提高輸入阻抗、提高輸出阻抗，選擇電流串聯(lián)負(fù)反饋;

如果需要穩(wěn)定輸出電流、降低輸入阻抗、提高輸出阻抗，選擇電流并聯(lián)負(fù)反饋。

同時(shí)，電路設(shè)計(jì)者需要通過(guò)波特圖分析放大電路的穩(wěn)定性，采用合適的相位補(bǔ)償技術(shù)保證放大電路的穩(wěn)定性，避免自激振蕩的產(chǎn)生。通過(guò)合理應(yīng)用負(fù)反饋技術(shù)，電路設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)出高性能、高穩(wěn)定性的放大電路，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。