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新概念模电：负反馈与运放的深入解析

创作时间:

作者:

@小白创作中心

新概念模电：负反馈与运放的深入解析

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/2301_79690545/article/details/144974221

本文是对杨建国老师《新概念模拟电路》第二册中关于负反馈与运放内容的总结。文章详细介绍了运放的分类、反馈的定义、正反馈与负反馈的区别、环路极性法判断运放正负反馈、运放的方框图分析法、衰减系数M与反馈系数F的计算、闭环增益放大倍数的求解、M与F的意义、负反馈对运放性能的影响等内容。通过理论结合实际的讲解方式，帮助读者深入理解运放和负反馈的相关知识。

运放分类

到目前为止，我们所学过的放大器，包括运算放大器，都是压压放大器，也称电压放大器，即输入为电压信号，输出也是电压信号。理论上说，还存在如下几种放大器：

压流放大器：输入为电压，输出为电流，也称为跨导放大器，增益单位是西门子 S。
流压放大器：输入为电流，输出为电压，也称为跨阻放大器，增益单位是欧姆 Ω。
流流放大器：输入为电流，输出为电流，也称电流放大器，无增益单位。

传统教科书在讲授反馈时，多采用上述几种放大器共存的形式。但是，遗憾的是，实际生产出的放大器，绝大多数为压压放大器。特别在以标准运放为核心放大器的电路中，多种概念的并存，很容易让学生产生困惑，难以将理论和实践紧密联系。为此，本书不再强调多种放大器共存的分析方法，也不强调传统教科书中的经典概念：电流负反馈和电压负反馈的分类，而是就事论事。

反馈定义

在电学系统中，将输出信号通过某种方式，回送到输入环节，和原输入信号合并形成净输入信号，或者单独作为输入信号，进而影响输入输出性能的举措，称为反馈。

正反馈与负反馈

当输出信号发生某个方向的变化，此称为变化根源。变化根源回送到输入端后，会再次引起输出信号变化，此称为二次变化。如果二次变化与变化根源具有相同的方向，则属于正反馈。如果二次变化与变化根源具有相反的方向，则属于负反馈。

正反馈的作用类似于推波助澜，会加剧变化过程。负反馈的作用是稳定。应用当中，正反馈可以实现振荡，加剧系统的不稳定程度，能够产生各种波形。对于负反馈来讲则可以保持稳定拓展带宽，使得输出在我们想要的范围内。

环路极性法判断运放正负反馈

从输出出发，找到反馈环路。
在反馈环路中任意确定一个节点 A。
在节点 A 处假设存在一个正的变化量，用○+ 表示。
沿着反馈环路，让这个变化量依次行进，每过一个关键节点，对变化量方向进行判断并标注，用○+ 表示正变化量，用○- 表示负变化量，用○0 表示没有变化量。
等这个行进过程再次回到 A 点时，如果变化量仍是○+，则表明反馈的作用是赞成初始的变化，起到了推波助澜的作用，属于正反馈。如果变化量为○-，则表明反馈的作用是反对初始的变化，起到了唱反调的作用，属于负反馈。如果变化量为○0，则表明反馈环路被打断，不存在反馈。

常见的电阻、电容、二极管等无源元件，一般只能实现同相传递，但在敏感频率处，需要另议。这里说的频率敏感处对电容电感来讲主要是容抗与感抗与频率是有关的，相位也会随之改变。运放和晶体管可以同相传递，也可以反相传递。

牢记：

在晶体管中，共射极电路的输入是基级，输出是集电极，两者反相，取负。
共集电极电流的输入是基极，输出是发射极，两者是同相的。
共基极电路的输入是发射极，输出是集电极，两者是同相的。
在运放中，同向输入端取正时，输出端变化量也取正，负极变化量取正时，输出端变化量取正。
在运放中，反向输入端取正时，输出端变化量也取负，负极变化量取负时，输出端变化量取正。

运放的方框图分析法

注意到下方的字母都是带点的，代表着他们都是有方向的，为什么呢？因为信号经过运放之后会发生相移，我们看看一个运放的数据手册：

这是TI的OPA189的开环增益与相位与频率的关系。从中看出，随着频率的增大，运放开环增益也在不断减小，当频率大于10M左右时，运放已经不具有放大能力，输出将会小于输入信号。同时可以知道随着频率的增大，运放的输入信号与输出信号之间有相位的变化，这里的相位变化是相对于输入信号来讲的，在10到10M的范围内运放的相位偏移都能维持在90度左右，说明运放在较为大的频率范围内都能够有一段稳定的相位偏移，重点是我们知道了运放是存在相位偏移的。

方框图过程

将上面的式子化简得到上方的式子，神奇的事情就发生了，运放的闭环增益与开环放大倍数无关了，只要它足够大就行。运放开环时的放大倍数与反馈系数的乘积远远大于1时，运放处于深度负反馈状态，此时的运放的增益与开环放大倍数无关，只与运算的反馈系数和衰减系数有关。但是要注意前提条件，只有运放的开环放大倍数足够大时，我们在前面也看到运放的开环增益与频率也是有关的，这一点要注意，但是只要不是太小，一般都是满足上式的。

可以看出运放的开环增益越大，越接近与我们的计算数值。具体的讲，此时运放的闭环放大倍数等于衰减系数比上反馈系数，反馈系数越大，增益越小，带宽越宽，设计时需要注意。

求解运放的衰减系数M与反馈系数F

衰减系数M的计算

将输出端信号看作是零，求解运放的同向输入端的电压值与反向输入端的电压值，用同向电压值减去反向输入端的电压值得到差值比上同向输入端的电压值得到衰减系数，用输入端信号i表示全部。

反馈系数F的计算

将输入端信号看作是零，根据输出计算输入端的电压值，此时全部由反馈提供，用反向输入端减去同向输入端的电压值的差值比上输出电压值得到，用输出端信号0表示全部。

闭环增益放大倍数求解

Auf = M/F（衰减系数比上反馈系数）。如果计算出来存在负号，代表着反向，存在相位偏移。

详解

输出看作零代表着输出部分给到输入部分的是零，也就是没有反馈的时候，这时候我们计算的实际上就是输入端真正作用的值。输入看做是零的时候，只有反馈部分存在，这一部分代表着输出端真正送回到输入端的值，实际上就是将输入输出当成两个独立的源用叠加定理进行求解。下面是一个具体的例子，两个电路的区别仅仅在于运放的两个输入端之间的那个电阻，我们将通过这个例子来具体看看M与F的作用。只是因为一个电阻的作用，输出端就有了完全不同的表现下面我们将对其进行虚短虚断与MF分析看看到底有什么区别。对于虚短虚短的分析这里不做过多的计算，实际中得出来的都是-10，也就是放大10倍，输入与输出信号反向，但是对于M与F的分析中就有不同的地方了，表现在M与F的大小不同，比值相同。

具体分析与计算如下

可以看到对于M，F来讲，他们比值是一样的，代表着闭环放大倍数是一样的（前提是运放的开环放大倍数要足够大，闭环放大倍数足够大时，运放的闭环放大倍数将不断趋近于我们的M/F。

M与F的意义

好的，接下来我们将讲讲重点也就是M与F，衰减与反馈。结合下面的仿真图进行分析：

红色蓝色分别代表着上面的电路和下面的电路的频率响应与相位响应。我们可以看到的是，上方电路的-3db带宽小于下方电路的-3db带宽。主要原因在于上方电路的衰减系数和反馈系数都小于下方电路。

对带宽来讲

M的作用：衰减系数M大反馈系数如果不变，那么信号在低频段的增益会较大，在高频段则会使得高频增益下降得更快，带宽变窄。反之，M减小时，那么信号在低频段的增益会较小，在高频段则会使得高频增益下降会减缓，使得带宽增加。
F的作用：通常来讲，反馈系数F越大代表反馈越强烈，电路的闭环增益会越低，同时带宽会增加，从字面上看，反馈越强烈，运放能够更加快速的改变这个信号，所以带宽越大，能够在更大的频率范围内保持稳定的放大性能，增益带宽积不变的情况下，F越大，增益越小，带宽越大。

对相位裕度的影响

反馈系数的影响：反馈系数越大，反馈信号对输入信号的影响越大，可能会使运放的相移增加。在高频段，较大的反馈系数可能会导致运放的相位裕度减小，如果相位裕度减小到一定程度，电路可能会出现不稳定现象，如振荡等。
衰减系数的影响：衰减系数本身对相位裕度的直接影响相对较小，但它会通过影响闭环增益进而间接影响相位裕度。当衰减系数变化导致闭环增益改变时，运放的增益频率特性曲线会发生变化，从而可能会使穿越频率和相位裕度等参数发生改变。从图中的-3db点可以看出带宽之比基本上是1/2的，同时反馈系数上方的电路只有下方的电路的1/2，验证了我们上面的说法，反馈系数越大，增益越小，带宽越宽（前提是衰减系数不变）。

负反馈对运放性能的影响

讲这个之前先谈谈串联负反馈与并联负反馈。

串联负反馈与并联负反馈

摘录：如果核心放大器有两个输入端和一个输出端，且输入信号为单端输入。那么，对负反馈电路来说，当输入信号和反馈信号加载到相同的一个输入端，则称这种反馈为并联负反馈。当输入信号和反馈信号分别加载到两个不同的输入端，则称这种反馈为串联负反馈。由于全差分运放的存在，输入有可能是差分信号，输出也可能是两个输出端，此时上述定义就失去了意义。因此本书不重点强调这种分类，而仅在本小节使用。同样的，在传统教科书中，还存在电压反馈和电流反馈的概念，因其使用局限性很大，本书也不强调。