電子系統(tǒng)的主要關注點是穩(wěn)定性和準確性，為了保持這些關鍵因素，輸出的某些部分連接回系統(tǒng)的輸入，這稱為反饋。另外，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋連接分為閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)兩類。開環(huán)控制系統(tǒng)不包含任何反饋路徑，而閉環(huán)系統(tǒng)包含用于自動糾正錯誤的反饋路徑。

根據(jù)反饋的性質，閉環(huán)系統(tǒng)可以再次分為兩種類型，即正反饋系統(tǒng)和負反饋系統(tǒng)。其中負反饋系統(tǒng)稱為“負反饋電路”，也稱為“負反饋”。典型的負反饋系統(tǒng)的基本框圖如下所示，其中X、Y、Z分別作為輸入、輸出和反饋回路。

電路類型

根據(jù)不同的電路設計要求，負反饋系統(tǒng)電路可以設計為多個類型，下面依次介紹使用晶體管和運算放大器的負反饋電路。

1、晶體管反饋電路

用晶體管設計的電路的缺點是增益、失真、輸入和輸出電阻及信噪比等取決于晶體管的特性，不過可以通過引入負反饋來克服。負反饋減少了電路中的失真，并允許將輸入和輸出控制到所需的水平。

射極跟隨器電路中的反饋

射極跟隨器電路如下圖所示，晶體管的發(fā)射極通過一個電阻接地，輸出在發(fā)射極和接地電阻的并聯(lián)節(jié)點處測量。其中VBE是晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓降，射極跟隨器電路的負反饋操作可以表示為V in=VBE+Vout。

射極跟隨器電路的優(yōu)點如下：

提供電流放大而不提供任何電壓增益。

提供阻抗匹配。

共射極電路中的反饋

共發(fā)射極電路如下圖所示，晶體管的發(fā)射極通過電阻器Re接地，輸出在集電極和電源電阻器Rc的并聯(lián)節(jié)點處測量。當VBE是晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓降時，共發(fā)射極電路的輸入可以給出為Vin=V BE+iERE。電路的輸出為Vout=-icRc。

電路的增益為Af =–Rc/Re。

在共發(fā)射極晶體管中引入負反饋有兩種方法，這兩種方法的電路設計下圖1、2所示：

(圖1) (圖2)

可以看到，圖1、2中的電路顯示了相同的電路，采用不同的負反饋連接方法。

2、運算放大器反饋電路

與反饋相連的運算放大器電路稱為“運放反饋電路”。具有負反饋連接的運算放大器有兩種應用，它們是非反相運算放大器電路反相運算放大器電路。

非反相運算放大器電路

非反相運算放大器電路如下圖所示。該電路的輸入連接到運算放大器的非反相端，反饋信號連接到反相端，反相端通過電阻接地，因此它具有高輸入阻抗。

這里可以很容易地確定同相運算放大器的增益。由于兩個輸入端的電壓相同，運算放大器的增益會非常高。假設沒有電流流入運算放大器，則兩個電阻器中的電流相同。

由于電路形成分壓器電路，反相輸入端的電壓與非反相輸入端的電壓相同，這意味著Vin= Vout x R1/ (R1+R2)。非反相運算放大器的增益可以計算為：

Vout/Vin =AV=1+R2/R1

其實，這個可以通過非反相放大器電路的操作很清楚地看出來。

非反相放大器

使用運放的非反相放大器如下圖所示，其中輸入連接到運放的正端或同相端。

在同相放大器中，輸出的性質將與輸入信號的性質相同。這意味著，如果輸入信號為正，則輸出也為正，如果輸入信號為負，則輸出也為負。

運算放大器的增益方程

如果開環(huán)增益為AOL，則非反相運算放大器的輸出電壓為：

VOut=AOL (Vin – V– ) – – – – – –> (1)

其中V– 是輸出電壓的函數(shù)，由電阻R1和R2形成的分壓器產生。由于運算放大器的負端將具有高阻抗，因此等于：

V– =βVOut – – – – – –> (2)

其中β=R1/ (R1 + R2)。

現(xiàn)在將等式(2) 代入等式 (1)，可以得到：VOut = AOL (Vin – βVOut) = Vin (1/(β+1/AOL ))。

如果AOL的值很高，則代入β的值，即可得到：VOut = Vin (1+ R1/R2 )。

反相運算放大器電路

反相運算放大器電路如下圖所示。該電路的輸入連接到運算放大器的反相端子或負端子，反饋信號也連接到反相端子。與輸入信號相比，反相運算放大器電路的輸出相位差180°，它提供了一條虛擬路徑。

在該電路中，輸入本身不消耗電流。所以電阻R1和R2中的電流是相同的。因此Vout/R2 = Vin/R1?，F(xiàn)在電路的電壓增益Av為：

Vout/Vin = Av = – R2/R1

這可以通過反相放大器電路的操作清楚地解釋。

反相放大器

使用運放的反相放大器如下圖所示，其中輸入連接到運放的負端或反相端。

在反相放大器中，輸出的性質將與輸入信號的性質相反。這意味著，如果輸入信號為正，則輸出為負，如果輸入信號為正，則輸出為負。

運算放大器的增益方程

可以利用同相運放電路的輸出電壓方程求出反相運放電路的增益。

VOut = AOL (Vin – V– ) – – – – – –> (1)

這里V–由Rf 和Rin形成的分壓器計算得出，它是輸入和輸出電壓(Vout 和Vin)的函數(shù)，所以等于：

V –=1/(R f + R in ) (R f V in + R in Vout ) – – – – – –> (2)

現(xiàn)在將等式(2) 代入等式 (1)，可以得到：

VOut = -Vin. (A(OL ).R f )/(Rf + Rin + A(OL ).R in )

如果開環(huán)增益 AOL的值很高，那么既有：

VOut= -Vin (1+Rf /R in )

有時候，在運算放大器的地和非反相輸出之間插入一個電阻器，以降低由于偏置電流壓降引起的輸入失調電壓，這減少了運算放大器的失真。為了消除不需要的直流電流，可以在運算放大器的輸入端串聯(lián)了一個隔直電容器。

主要優(yōu)點

可以穩(wěn)定幾乎所有類型的干擾或噪聲發(fā)生。

可以使系統(tǒng)的頻率響應變平，并夠獲得所需的頻率響應曲線。

對溫度和系統(tǒng)的其它外部屬性的依賴性降低。

增加了輸入電阻，降低輸出電阻。

增加輸出信號的帶寬。

降低系統(tǒng)對外部屬性的敏感性。

提供偏置點穩(wěn)定性和更好的CMMR。

主要缺點

連接負反饋會降低系統(tǒng)的整體增益。

如果電路設計不當，可能會產生振蕩。

總結

簡單來說，在負反饋信號中，從輸入信號中減去一定量的信號以調節(jié)輸出。負反饋電路主要是防止放大電路過載，既當輸入信號電流過大時，從放大后的輸出端反饋給輸入端一個負信號電流，從而用來抑制輸入信號電流的繼續(xù)增大。