负反馈电路的优缺点，运算放大器反馈电路分析

负反馈电路的优缺点，运算放大器反馈电路分析

在电子系统中，稳定性和准确性是至关重要的关注点。为了保持这些关键因素，输出的某些部分需要连接回系统的输入，这称为反馈。本文将详细介绍负反馈电路的基本原理、在晶体管和运算放大器中的应用，以及其优缺点。

一、负反馈电路的基本概念

控制系统根据反馈连接分为两种类型：开环系统和闭环系统。开环控制系统不包含任何反馈路径，而闭环系统包含用于自动纠正错误的反馈路径。

根据反馈的性质，闭环系统又分为两种类型：正反馈系统和负反馈系统。在正反馈系统中，反馈与输入信号相加。在负反馈系统中，从输入信号中减去一定量的信号以调节输出。基于负反馈系统工作的电路被称为“负反馈电路”，这也称为“退化反馈”。

二、晶体管反馈电路

用晶体管设计的电路的缺点是增益、失真、输入和输出电阻以及信噪比等特性取决于晶体管的特性。这个困难可以通过引入负反馈来克服。负反馈减少了电路中的失真，并使我们能够将输入和输出控制到所需的水平。

1. 射极跟随器电路中的反馈

射极跟随器电路如下图所示。晶体管的发射极通过电阻接地，输出在发射极和接地电阻的并联节点处测量。其中 VBE 是晶体管的基极和发射极之间的压降，射极跟随器电路的负反馈操作可表示为 Vin = VBE + Vout。

现在 VBE = Vin – Vout。如果电路的反馈商 B = 1，则增益可以计算为 A = 1/B = 1。

2. 射极跟随器电路的优点

这种射极跟随器电路提供了两个主要优点：

• 它提供电流放大而不提供任何电压增益
• 它提供阻抗匹配

3. 共发射极电路反馈

共发射极电路如下图所示。晶体管的发射极通过电阻 Re 接地，输出在集电极和电源电阻 Rc 的并联节点处测量。

当 VBE 是晶体管的基极和发射极之间的压降时，共发射极电路的输入可表示为 Vin = VBE + iER E。该电路的输出为 Vout = -iCřC。

在共发射极晶体管中引入负反馈有两种方法。这两种方法如下所示：

上图a、b中的电路是同一个电路，采用不同的负反馈连接方式。

三、运算放大器反馈电路

与反馈相连的运放电路称为“运放反馈电路”。带负反馈连接的运算放大器有两种应用：非反相运算放大器电路和反相运算放大器电路。

1. 同相运放电路

同相运算放大器电路如下所示。该电路的输入连接到运算放大器的同相端子，反馈信号连接到通过电阻接地的反相端子。因此它具有高输入阻抗。

我们可以轻松确定同相运算放大器的增益。由于两个输入端的电压相同，运算放大器的增益将非常高。假设没有电流流入运算放大器，则两个电阻中的电流相同。

由于电路形成分压器电路，反相输入端的电压与同相输入端的电压相同，这意味着 Vin = Vout x R1 /（R1 + R2）。同相运算放大器的增益可以计算为

Vout/Vin = AV = 1 + R2/R1

这可以通过非反相放大器电路操作清楚地解释。

2. 同相放大器

使用运放的同相放大器如下图所示，其中输入连接到运放的正端或同相端。

在同相放大器中，输出的性质将与输入信号的性质相同。也就是说，如果输入信号为正，则输出同样为正，如果输入信号为负，则输出也为负。

3. 运算放大器的增益方程

如果开环增益为 AOL，则同相运算放大器的输出电压为：

VOut = AOL（Vin – V – ） → （1）

其中 V- 是输出电压的函数，由电阻器 R1 和 R2 形成的分压器产生。由于运算放大器的负端将具有高阻抗，因此等于

V- = β VOut → （2）

其中 β = R1 /（R1 + R2）。

现在将方程（2）代入方程（1），我们得到：

VOut = AOL（Vin – β VOut）

通过解决这个问题，我们得到：

V¬Out = Vin（1/（β+1/AOL））

如果AOL的值很高，那么代入β的值，我们得到：

V¬Out = Vin（1+ R1/R2）

4. 反相运放电路

反相运算放大器电路如下所示。该电路的输入连接到运算放大器的反相端或负端，反馈信号也连接到反相端。反相运算放大器电路的输出与其输入信号相比相差 1800 倍，并且提供了一条虚拟路径。

在这个电路中，输入本身没有消耗电流。所以流过电阻 R1 和 R2 的电流是相同的。因此 Vout/R2 = Vin/R1。现在电路 Av 的电压增益为

Vout/Vin = AV = – R2/R1

这可以通过反相放大器电路操作清楚地解释。

5. 反相放大器

使用运放的反相放大器如下图所示，其中输入连接到运放的负端或反相端。

在反相放大器中，输出的性质将与输入信号的性质相反。也就是说，如果输入信号为正，输出也为负，同样，如果输入信号为正，输出也为负。

6. 运算放大器的增益方程

我们可以用同相运放电路的输出电压方程求出反相运放电路的增益。

VOut = AOL（Vin – V – ） → （1）

这里 V-由 Rf 和 Rin 形成的分压器计算得出，它是输入和输出电压（Vout 和 Vin）的函数。所以

V- = 1/（Rf + Rin）（RfVin + RinVout） → （2）

现在将方程（2）代入方程（1），我们得到：

V输出= -V输入。（A（OL）.Rf）/（Rf + Rin + A（OL）.Rin）

如果开环增益值 AOL 非常高，则：

VOut = -Vin（1+ Rf/Rin）

有时，在运算放大器的接地和非反相输出之间插入一个电阻器，以降低由于偏置电流电压下降引起的输入失调电压。这减少了运算放大器的失真。为了消除不需要的直流电流，在运算放大器的输入端串联一个隔直流电容器。

四、负反馈的优点

1. 负反馈可以稳定几乎任何类型的干扰或噪声发生。
2. 它用于克服系统的非线性。
3. 它帮助我们拉平系统的频率响应，并允许我们获得所需的频率响应曲线。（减少频率失真）
4. 负反馈使系统较少依赖于系统的温度和其他外部特性。
5. 它增加了输入电阻，即它增加了输入阻抗
6. 降低输出电阻，即降低输出阻抗
7. 增加输出信号的带宽
8. 降低系统对外部特性的敏感性。
9. 提供偏置点稳定性和更好的 CMMR。

五、负反馈的缺点

1. 连接负反馈会降低系统的整体增益。
2. 如果系统设计不当，可能会导致产生振荡。