負(fù)反饋的基本概念與反饋類型

模擬集成電路中反饋無(wú)處不在，反饋技術(shù)給模擬電路帶來(lái)許多好處。正反饋可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩的振蕩電路，負(fù)反饋可以讓模擬放大器電路更加穩(wěn)定可靠。

負(fù)反饋技術(shù)能夠給放大器電路帶來(lái)以下幾點(diǎn)好處。第一、負(fù)反饋可以穩(wěn)定模擬電路的直流工作點(diǎn)，可以減小模擬放大器增益對(duì)工藝、電源電壓和溫度等參數(shù)波動(dòng)的敏感性；第二、負(fù)反饋也可以提高或者降低電路輸入/輸出阻抗，可以增大或者減小頻率帶寬；第三、負(fù)反饋還可以減小信號(hào)波形的失真，提高系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍。負(fù)反饋帶來(lái)的上述好處是以犧牲模擬放大器增益來(lái)?yè)Q取的，為了彌補(bǔ)模擬放大器增益的損失，需要更多的放大級(jí)電路來(lái)提高負(fù)反饋環(huán)路增益，進(jìn)而需要更多的硬件開銷和功耗。有得必有失，有失必有得！

本章將重點(diǎn)介紹負(fù)反饋相關(guān)內(nèi)容，包括反饋類型、反饋特性、四種負(fù)反饋形態(tài)、負(fù)反饋的兩端口拆環(huán)分析方法以及負(fù)反饋非拆環(huán)分析方法。負(fù)反饋頻率特性和正反饋將在“頻率響應(yīng)和反饋放大器穩(wěn)定性”章節(jié)中論述。

圖1 理想負(fù)反饋系統(tǒng)框圖

1.基本概念

一種理想負(fù)反饋系統(tǒng)框圖，如圖1所示， A ( s )是開環(huán)傳遞函數(shù)， F ( s )是反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，輸出信號(hào)S o ( s )通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)得到反饋信號(hào)S f ( s ) = S o ( s ) F ( s )，輸入信號(hào)S i ( s )減去反饋信號(hào)S f ( s )得到誤差信號(hào)S ε ( s ) = S i ( s ) ?* S* f ( s ) = S i ( s ) ? S o ( s ) F ( s )。輸出信號(hào)S o ( s ) = S ε ( s ) A ( s ) = (S i ( s ) ? S o ( s ) F ( s )) A ( s )，定義 H ( s ) = S o ( s ) /* S* i ( s )為閉環(huán)傳遞函數(shù)，可得

(1)

其中，開環(huán)傳遞函數(shù) A ( s )也稱為開環(huán)增益，閉環(huán)傳遞函數(shù) H ( s )也稱為閉環(huán)增益。

圖2 理想負(fù)反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益

1.1.反饋類型

如何判斷一個(gè)反饋系統(tǒng)是正反饋還是負(fù)反饋呢？我們知道，任何存在反饋的系統(tǒng)都存在一條或者多條反饋環(huán)路。如圖2所示，在理想負(fù)反饋系統(tǒng)框圖的反饋環(huán)路中，讓輸入信號(hào)S i ( s )置零，任意選取一個(gè)切斷點(diǎn)，譬如選取反饋信號(hào)S f (s)所在點(diǎn)，在求差運(yùn)算之前加入激勵(lì)信號(hào)源S t ( s )，可以計(jì)算得到理想負(fù)反饋系統(tǒng)的環(huán)路傳遞函數(shù) LG ( s )，通常也稱環(huán)路增益，是開環(huán)增益和反饋網(wǎng)絡(luò)乘積的負(fù)數(shù)。

(2)

如果環(huán)路傳遞函數(shù) LG ( s )確實(shí)是負(fù)值，該反饋系統(tǒng)為負(fù)反饋；如果為正值，該反饋系統(tǒng)為正反饋。通常情況下，由于環(huán)路傳遞函數(shù) LG ( s )是頻率的函數(shù)，在其負(fù)值的頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)是負(fù)反饋；在其正值的頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)是正反饋。

如果負(fù)反饋環(huán)路增益 LG ( s )足夠大，

(3)

閉環(huán)增益 H ( s )是反饋網(wǎng)絡(luò) F ( s )的倒數(shù)。大多數(shù)情況下，反饋網(wǎng)絡(luò) F ( s )是由與頻率無(wú)關(guān)的電阻或者電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是小于等于1的常數(shù) F ，也稱為反饋系數(shù)。這樣，閉環(huán)增益就等于反饋系數(shù)的倒數(shù)，即1 / F 。

通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)采集輸出信號(hào)并反饋，反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行做差比較得到誤差信號(hào)，然后誤差信號(hào)輸入到正向放大器進(jìn)行放大。

(4)

可得，

(5)

(6)

只要環(huán)路增益足夠高，誤差信號(hào)就非常小，同時(shí)，反饋信號(hào)就是輸入信號(hào)的復(fù)制。輸出信號(hào)就是輸入信號(hào)的反饋系數(shù)倒數(shù)1 / F 倍。