深入理解模拟电路中的负反馈理论
深入理解模拟电路中的负反馈理论
本篇文章重点介绍了模拟电路中的负反馈理论，从反馈的基本概念入手，详细解释了正反馈和负反馈的区别，并通过生活中的例子帮助读者理解。接着，文章深入探讨了电路中的反馈环路及其判断方法，最后重点分析了负反馈对放大电路性能的影响，包括增益稳定性、带宽、输入电阻等方面的改善。
一、反馈的概念引入
1.1 反馈的定义
反馈的英文为Feedback，Feed是喂养、提供的意思，从字面意思理解，Feedback是将输出倒送到输入的意思。
在电学系统中，将输出信号通过某种方式回送到输入环节，与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，被成为反馈。
1.2 正反馈和负反馈
反馈分为正反馈和负反馈两种。
当输出信号发生某个方向的变化时，此被称为变化根源。变化根源被回送到输入端后，会再次引起输出信号变化，此被称为二次变化。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。
在如图所示电路中，假设输出的变化为正向的（此为变化根源），则分压后在理想运放的端，变化也是正向的，一个正向变化信号加载到理想运放的端，则输出一定会产生负向变化（此为二次变化），即二次变化与变化根源方向相反，它属于负反馈。
1.3 生活中的正反馈与负反馈举例
在下图中，蓝色物体是一个水泥管道。红色小球放置在外壁顶端，谨慎放置，可以把它稳定在那里。绿色小球放置在内壁底部。当有外力稍稍向左边推动红色小球时，小球会立即滚落。当有外力同样施加在绿色小球时，小球会很快重新稳定在内部底部的中间。
小球的位置是输出量，合力是输入量，力会决定小球的运动，小球的运动会导致位置变化，而位置变化又回送到了输入端，产生了合力的变化，这就形成了一个闭环反馈。注意红色小球，在这个反馈环路中，它构成了一个正反馈，位置偏左，合力向左，使其向左运动，导致位置更加偏左。而绿色小球，则构成了一个负反馈。
二、认识电路中的反馈
2.1 反馈环路
认识反馈电路的核心在于找到其中的反馈环路（Loop）。所谓的环路，就是输出——输入——输出的电路路径，它是封闭的。环路的存在客观上诠释了反馈的定义：没有环路，就没有反馈，只要有反馈，就一定存在环路。
如下两图所示，虚线所示的信号路径是输入信号，实线所示的则是反馈环路。你可以这么理解：信号刚加载到放大电路中，第一次走的是信号路径，到达输出后，就开始在实线的反馈环路中兜圈子。
找寻反馈环路的方法很简单：先找到输出端，然后向回找，找到回到核心放大器输入端的位置，再由核心放大器找到输出端的，就形成了环路。
2.2 判断正反馈和负反馈
认识反馈电路的第二步就是准确判断它的反馈极性，即判断它是正反馈还是负反馈。
在一个原本开环的电路中，引入负反馈和引入正反馈的效果截然不同：负反馈能够实现更加稳定的放大，使放大器具有更加优越的性能，被广泛应用于放大器；而正反馈一般用于产生自激振荡，被广泛应用于信号发生电路中。
前面我们已经初步得到了一些结论：正反馈的效果是推波助澜，核心词是“越来越”；负反馈的作用和核心词都是“稳定”。
三、负反馈对放大电路性能的影响
开环放大器具有极高的开环电压增益，而闭环放大电路的增益会小得多，这是负反馈引入带来的“弊端”，但负反馈的引入对放大电路的其他性能影响巨大，比如提高了增益稳定性，拓展了放大器带宽，降低了失真度等。
利用方框图法，可以分析负反馈对放大电路的性能影响。
3.1 对增益稳定性的影响
当开环放大器的开环增益发生一定数量的改变，比如从10000变到100000，在含有负反馈的情况下，闭环放大器的闭环增益只会出现很小的变化，以50倍放大电路来计算，以上开环增益变化只会引起闭环增益从49.751变到49.975。这就是负反馈对增益的稳定性的影响——负反馈大幅度提高了增益稳定性。
一般增益变化量除以增益，得到增益的相对变化量，用来表示增益的稳定性。这里不对计算做过多赘述，直接说结论：
此式说明，闭环增益的相对变化量是开环增益相对变化量的。换句话说，开环增益发生了很大的变化，闭环增益只发生很小的变化。因此，负反馈提高了增益稳定性。
3.2 负反馈的其他作用
笔者最近在准备各种竞赛，课内的任务也有不少，所以写作时间有限，尽量多说些结论，但推导过程和一些方便读者理解的解释可能会省略，请见谅。以下为负反馈对闭环电路的一些影响结论。
对上限截止频率的影响
引入负反馈后，闭环电路的上限截止频率可以得到很大提高。
对下限截止频率的影响
引入负反馈后，闭环电路的下限截止频率会变得更低，得到很大的拓展。
对输入电阻的影响
当输入信号和反馈信号加载到相同的一个输入端时，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时，则称这种反馈为串联负反馈。
其中串联负反馈能大幅提高输入电阻，而并联负反馈可能会降低输入电阻。
负反馈使放大器通频带展宽及失真减小
负反馈可以减小放大器内部产生的噪声与干扰
总结
本篇文章简单介绍了反馈理论，其中重点说明了负反馈，为我们接下来了解运算放大器的基本应用电路打下基础。读者如果对反馈理论感兴趣，可以学习一些反馈控制相关的书籍。如果仅限于电路方面的反馈，市面上大部分的模拟电路书籍都会细讲电路中的反馈。