负反馈的基本概念与反馈类型

模拟集成电路中反馈无处不在，反馈技术给模拟电路带来许多好处。正反馈可以实现持续振荡的振荡电路，负反馈可以让模拟放大器电路更加稳定可靠。

负反馈技术能够给放大器电路带来以下几点好处。第一、负反馈可以稳定模拟电路的直流工作点，可以减小模拟放大器增益对工艺、电源电压和温度等参数波动的敏感性；第二、负反馈也可以提高或者降低电路输入/输出阻抗，可以增大或者减小频率带宽；第三、负反馈还可以减小信号波形的失真，提高系统线性动态范围。负反馈带来的上述好处是以牺牲模拟放大器增益来换取的，为了弥补模拟放大器增益的损失，需要更多的放大级电路来提高负反馈环路增益，进而需要更多的硬件开销和功耗。有得必有失，有失必有得！

本章将重点介绍负反馈相关内容，包括反馈类型、反馈特性、四种负反馈形态、负反馈的两端口拆环分析方法以及负反馈非拆环分析方法。负反馈频率特性和正反馈将在“频率响应和反馈放大器稳定性”章节中论述。

图1 理想负反馈系统框图

1.基本概念

一种理想负反馈系统框图，如图1所示， A ( s )是开环传递函数， F ( s )是反馈网络传递函数，输出信号S o ( s )通过反馈网络得到反馈信号S f ( s ) = S o ( s ) F ( s )，输入信号S i ( s )减去反馈信号S f ( s )得到误差信号S ε ( s ) = S i ( s ) −* S* f ( s ) = S i ( s ) − S o ( s ) F ( s )。输出信号S o ( s ) = S ε ( s ) A ( s ) = (S i ( s ) − S o ( s ) F ( s )) A ( s )，定义 H ( s ) = S o ( s ) /* S* i ( s )为闭环传递函数，可得

(1)

其中，开环传递函数 A ( s )也称为开环增益，闭环传递函数 H ( s )也称为闭环增益。

图2 理想负反馈系统的环路增益

1.1.反馈类型

如何判断一个反馈系统是正反馈还是负反馈呢？我们知道，任何存在反馈的系统都存在一条或者多条反馈环路。如图2所示，在理想负反馈系统框图的反馈环路中，让输入信号S i ( s )置零，任意选取一个切断点，譬如选取反馈信号S f (s)所在点，在求差运算之前加入激励信号源S t ( s )，可以计算得到理想负反馈系统的环路传递函数 LG ( s )，通常也称环路增益，是开环增益和反馈网络乘积的负数。

(2)

如果环路传递函数 LG ( s )确实是负值，该反馈系统为负反馈；如果为正值，该反馈系统为正反馈。通常情况下，由于环路传递函数 LG ( s )是频率的函数，在其负值的频率范围内系统是负反馈；在其正值的频率范围内系统是正反馈。

如果负反馈环路增益 LG ( s )足够大，

(3)

闭环增益 H ( s )是反馈网络 F ( s )的倒数。大多数情况下，反馈网络 F ( s )是由与频率无关的电阻或者电容网络构成，是小于等于1的常数 F ，也称为反馈系数。这样，闭环增益就等于反馈系数的倒数，即1 / F 。

通过反馈网络采集输出信号并反馈，反馈的信号与输入信号进行做差比较得到误差信号，然后误差信号输入到正向放大器进行放大。

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可得，

(5)

(6)

只要环路增益足够高，误差信号就非常小，同时，反馈信号就是输入信号的复制。输出信号就是输入信号的反馈系数倒数1 / F 倍。