反馈

如果放大器输出信号的某个百分比连接到输入端，以便放大器放大其输出信号的一部分，我们就会得到所谓的反馈 .

反馈分类

反馈有两种形式： 积极 （也称为 再生 ) , 和 否定 （也称为 退化 ) .

正面反馈

加强放大器输出电压变化的方向，而负反馈则相反。

一个熟悉的反馈示例发生在公共广播 (“PA”) 系统中，有人将麦克风离扬声器太近：随之而来的是高音调的“呜呜声”或“嚎叫”，因为音频放大器系统正在检测并放大其噪音。具体来说，这是一个positive的例子 或再生 反馈，因为麦克风检测到的任何声音都会被扬声器放大并变成更响亮的声音，然后再次被麦克风检测到，依此类推。 . .结果是音量稳定增加的噪音，直到系统变得“饱和”并且无法产生更多音量。

考虑到 PA 系统“啸叫”这样一个烦人的例子，人们可能想知道反馈对放大器电路有什么可能的好处。如果我们将正反馈或再生反馈引入放大器电路，它往往会产生并维持振荡，振荡的频率由处理从输出到输入的反馈信号的组件的值决定。这是制作振荡器的一种方法 从直流电源产生交流电的电路。振荡器是非常有用的电路，因此反馈对我们有明确的实际应用。

负面反馈

另一方面，负反馈对放大器有“阻尼”作用：如果输出信号的幅度恰好增加，则反馈信号对放大器输入端的影响减小，从而对抗输出信号的变化。正反馈将放大器电路推向不稳定点（振荡），而负反馈将其推向相反的方向：趋向稳定点。

配备一定量负反馈的放大器电路不仅更稳定，而且输入波形失真更少，并且通常能够放大更宽的频率范围。这些优势的权衡（只有有 对负反馈不利，对吗？）是增益降低。如果放大器输出信号的一部分被“反馈”到输入以对抗输出中的任何变化，则需要更大的输入信号幅度来将放大器的输出驱动到与以前相同的幅度。这构成了减少的增益。然而，稳定性、低失真和更大带宽的优势值得在许多应用中牺牲增益降低。

让我们检查一个简单的放大器电路，看看我们如何将负反馈引入其中，从下图开始。

无反馈共发射极放大器。

此处显示的放大器配置是一个共发射极，具有由 R1 和 R2 形成的电阻偏置网络。电容器将 Vinput 耦合到放大器，因此信号源不会受到 R1/R2 分压器网络施加的直流电压。电阻器 R3 用于控制电压增益。我们可以省略它以获得最大电压增益，但由于像这样的基极电阻在共发射极放大器电路中很常见，我们将在此原理图中保留它。

像所有共发射极放大器一样，这个反相 输入信号被放大。换句话说，正向输入电压会导致输出电压降低或向负移动，反之亦然。

示波器波形如下图所示。

共射放大器，无反馈，有参考波形比较。

由于输出是反相或镜像再现输入信号，下图中晶体管的输出（集电极）线和输入（基极）线之间的任何连接都会导致负 反馈。

负反馈，集电极反馈，降低输出信号。

R1、R2、R3 和 Rfeedback 的电阻一起用作信号混合网络，因此在晶体管基极（相对于地）看到的电压是输入电压和反馈电压的加权平均值，结果在进入晶体管的幅度减小的信号中。因此，上图中的放大器电路将降低电压增益，但提高线性度（降低失真）并增加带宽。

不过，将集电极连接到基极的电阻器并不是将负反馈引入该放大器电路的唯一方法。另一种方法虽然一开始更难理解，但涉及在晶体管的发射极端和下图中的电路接地之间放置一个电阻器。

发射极反馈：一种将负反馈引入电路的不同方法。

这个新的反馈电阻降低了与通过晶体管的发射极电流成正比的电压，它这样做是为了对抗输入信号对晶体管基极 - 发射极结的影响。让我们仔细看看发射极-基极结，看看这个新电阻在下图中有什么不同。

在下图 (a) 中没有将发射极接地的反馈电阻器，无论输入信号 (Vinput) 的电平如何，通过耦合电容器和 R1/R2/R3 电阻网络都将直接施加在基极 - 发射极结上，如晶体管的输入电压 (VB-E)。换句话说，在没有反馈电阻的情况下，VB-E 等于 Vinput。因此，如果 Vinput 增加 100 mV，则 VB-E 增加 100 mV：一个的变化与另一个的变化相同，因为两个电压彼此相等。

现在让我们考虑在下图（b）中的晶体管的发射极引线和地之间插入一个电阻器（Rfeedback）的影响。

(a) 无反馈 vs (b) 发射器反馈。集电极处的波形相对于基极反相。在 (b) 处，发射极波形与基极同相（发射极跟随器），与集电极异相。因此，发射极信号与集电极输出信号相减。

请注意 Rfeedback 两端的电压降如何与 VB-E 相加以等于 Vinput。有了 Vinput-VB-E 回路中的 Rfeedback，VB-E 将不再等于 Vinput。我们知道，Rfeedback 会降低一个与发射极电流成正比的电压，该电压又由基极电流控制，而基极电流又由晶体管 (VB-E) 的基极-发射极结上的电压降控制。因此，如果 Vinput 沿正方向增加，它会增加 VB-E，导致更多的基极电流，导致更多的集电极（负载）电流，导致更多的发射极电流，并导致更多的反馈电压在 Rfeedback 上下降。然而，反馈电阻两端的压降增加减去 从 Vinput 降低 VB-E，这样 VB-E 的实际电压增加将小于 Vinput 的电压增加。 Vinput 增加 100 mV 不再会导致 VB-E 增加 100 mV，因为这两个电压不是 彼此相等。

因此，输入电压对晶体管的控制比以前更少，放大器的电压增益也降低了：正是我们对负反馈的预期。

在实际的共发射极电路中，负反馈不仅仅是一种奢侈；它是稳定运行的必要条件。在一个完美的世界中，我们可以构建和操作一个没有负反馈的共发射极晶体管放大器，并在晶体管的基极 - 发射极结上施加 Vinput 的全幅度。这会给我们带来很大的电压增益。然而不幸的是，正如“二极管方程”所预测的那样，基极-发射极电压和基极-发射极电流之间的关系会随着温度而变化。随着晶体管升温，对于任何给定的电流，基极-发射极结上的正向压降会更小。这给我们带来了一个问题，因为 R1/R2 分压器网络旨在通过晶体管的基极提供正确的静态电流，以便它可以在我们想要的任何类型的操作中运行（在这个例子中，我已经展示了放大器工作在 A 类模式）。如果晶体管的电压/电流关系随温度变化，则所需操作等级所需的直流偏置电压量将发生变化。对于相同数量的偏置电压，热晶体管会吸收更多的偏置电流，使其发热更多，从而吸收更多的偏置电流。结果，如果未选中，称为热失控 .

然而，共集电极放大器（下图）不会受到热失控的影响。为什么是这样？答案与负面反馈有关。

共集电极（发射极跟随器）放大器。

请注意，共集电极放大器（上图）的负载电阻与上图 (b) 中最后一个电路中的 Rfeedback 电阻放置在同一位置：发射极和地之间。这意味着在晶体管的基极-发射极结上施加的唯一电压是差值 Vinput 和 Voutput 之间，导致电压增益非常低（对于共集电极放大器通常接近 1）。对于该放大器来说，热失控是不可能的：如果基极电流因晶体管发热而增加，发射极电流同样会增加，从而降低负载两端的电压，从而减去 从 Vinput 减少基极和发射极之间的电压下降量。换句话说，负载电阻的放置所提供的负反馈使热失控问题自我修正 .作为大幅降低电压增益的交换，我们获得了极好的稳定性和热失控能力。

通过在共发射极放大器中的发射极和地之间添加一个“反馈”电阻器，我们使放大器的行为不再像“理想的”共发射极，而更像一个共集电极。反馈电阻值通常比负载小很多，从而最大限度地减少负反馈量并保持相当高的电压增益。

在共集电极电路中可以清楚地看到，负反馈的另一个好处是它倾向于使放大器的电压增益较少依赖于晶体管的特性。请注意，在共集电极放大器中，电压增益几乎等于 1 (1)，与晶体管的 β 无关。这意味着，除其他外，我们可以用具有不同 β 的晶体管替换共集电极放大器中的晶体管，并且不会看到电压增益的任何显着变化。在共发射极电路中，电压增益高度依赖于 β。如果我们用另一个不同的 β 替换共发射极电路中的晶体管，放大器的电压增益会发生显着变化。在配备负反馈的共发射极放大器中，电压增益仍会在一定程度上依赖于晶体管β，但不会像以前那样依赖于晶体管β，尽管晶体管β存在变化，但使电路更具可预测性。

我们必须将负反馈引入共发射极放大器以避免热失控这一事实是一个令人不满意的解决方案。是否可以在不抑制放大器固有的高电压增益的情况下避免热失控？如果我们仔细研究这个问题，我们可以找到解决这一困境的两全其美的解决方案：我们必须最小化以避免热失控的电压增益是 DC 电压增益，而不是AC 电压增益。毕竟，导致热失控的不是交流输入信号：而是某类操作所需的直流偏置电压：我们用来“欺骗”晶体管（基本上是直流设备）放大的静态直流信号交流信号。如果我们想办法使负反馈仅在直流下起作用，我们就可以在不抑制交流电压增益的情况下抑制共发射极放大器电路中的直流电压增益。也就是说，如果我们只从输出反馈到输入的反相直流信号，而不是反相交流信号。

Rfeedback 发射极电阻通过降低与负载电流成正比的电压来提供负反馈。换句话说，负反馈是通过在发射极电流路径中插入阻抗来实现的。如果我们想反馈直流而不是交流，我们需要一个对直流高而对交流低的阻抗。什么样的电路对直流阻抗高而交流阻抗低？当然是高通滤波器！

通过将一个电容器与下图中的反馈电阻并联，我们创造了我们所需要的情况：从发射极到地的路径对于交流比对于直流更容易。

通过与 Rfeedback 并联添加 Cbypass 重新建立高交流电压增益

新电容器“旁路”从晶体管发射极到地的交流电，因此不会有明显的交流电压从发射极下降到地，以“反馈”到输入并抑制电压增益。另一方面，直流电不能通过旁路电容，因此必须通过反馈电阻，在发射极和地之间降低直流电压，从而降低直流电压增益并稳定放大器的直流响应，防止热失控。因为我们希望这个电容器 (XC) 的电抗尽可能低，所以 Cbypass 的尺寸应该相对较大。因为这个电容器的极性永远不会改变，所以使用极化（电解）电容器来完成这项任务是安全的。

解决负反馈降低电压增益问题的另一种方法是使用多级放大器而不是单晶体管放大器。如果单个晶体管的衰减增益不足以完成手头的任务，我们可以使用多个晶体管来弥补反馈引起的衰减。一个示例电路显示了下图中的三级共发射极放大器中的负反馈。

围绕“奇数”个直接耦合共发射极级的反馈会产生负反馈。

从最终输出到输入的反馈路径是通过单个电阻器 Rfeedback。由于每一级都是一个共发射极放大器（因此反相），从输入到输出的奇数级将反相输出信号；反馈将是负面的（退化）。可以在不牺牲电压增益的情况下使用相对大量的反馈，因为三个放大器级首先提供了很大的增益。

起初，这种设计理念可能看起来不雅，甚至可能适得其反。为了克服使用负反馈而导致的增益损失，通过逐级添加来简单地恢复增益，这不是一种相当粗糙的方法吗？如果我们只是要通过负反馈衰减所有增益，那么使用三个晶体管级创建巨大的电压增益有什么意义？尽管一开始可能并不明显，但重点是提高了整个电路的可预测性和稳定性。如果将三个晶体管级设计为提供任意高的电压增益（数以万计，或更大）而没有反馈，则会发现添加负反馈会导致整体电压增益变得不那么依赖于个体级增益，大约等于简单的比率 Rfeedback/Rin。电路具有的电压增益越大（无反馈），一旦建立反馈，电压增益将越接近 Rfeedback/Rin。换句话说，该电路中的电压增益由两个电阻的值决定，仅此而已。

这对于电子电路的大规模生产来说是一个优势：如果可以使用具有广泛变化的 β 值的晶体管构建具有可预测增益的放大器，则可以简化组件的选择和更换。这也意味着放大器的增益随着温度的变化而变化很小。这种通过负反馈“驯服”的高增益放大器进行稳定增益控制的原理几乎被提升为电子电路中的一种艺术形式，称为运算放大器 ，或运算放大器 .您可以在本书后面的章节中阅读更多关于这些电路的内容！

评论：

• 反馈 是放大器输出与其输入的耦合。
• 积极 , 或 再生 反馈趋向于使放大器电路不稳定，从而产生振荡 (AC)。这些振荡的频率很大程度上取决于反馈网络中的组件。
• 否定 , 或 退化 反馈具有使放大器电路更稳定的趋势，从而使其输出变化 对于给定的输入信号比没有反馈。这会降低放大器的增益，但具有减少失真和增加带宽（放大器可以处理的频率范围）的优势。
• 通过将集电极耦合到基极，或在发射极和地之间插入一个电阻，可以将负反馈引入共发射极电路。<​​/li>
• 发射极对地“反馈”电阻器通常存在于共发射极电路中，作为防止热失控的预防措施 .
• 负反馈还具有使放大器电压增益更多地依赖于电阻值而较少依赖于晶体管特性的优势。
• 由于在发射极和地之间放置了负载电阻，共集电极放大器有很多负反馈。这种反馈解释了放大器极其稳定的电压增益，以及它对热失控的免疫力。
• 通过连接一个旁路电容器，可以在不牺牲热失控抗扰度的情况下重新建立共发射极电路的电压增益 与发射极“反馈电阻”并联。
• 如果放大器的电压增益任意高（数万或更大），并且使用负反馈将增益降低到合理水平，则会发现增益将近似等于 Rfeedback/Rin。晶体管 β 或其他内部元件值的变化对工作中带有反馈的电压增益几乎没有影响，从而使放大器稳定且易于设计。