运算放大器负反馈的作用

运算放大器的负反馈是将运算放大器输出信号的一部分或全部，以一定方式送回到其输入回路，与输入信号相叠加，从而改善电路性能。负反馈在运算放大器电路中有着至关重要的作用，主要体现在以下几个方面：

稳定增益

• 原理：运算放大器的开环增益通常非常高（可达105甚至更高），但受温度、电源电压波动、器件老化等因素影响，其增益并不稳定。引入负反馈后，根据负反馈放大电路的增益公式Avf=1+AvFAv（其中Av为开环增益，F为反馈系数），当Av很大且1+AvF≫1时，Avf≈F1，增益主要由反馈网络决定，而反馈网络一般由性能稳定的电阻等无源元件组成，所以闭环增益Avf相对稳定，几乎不受运放开环增益变化的影响。
• 举例：假设一个运算放大器的开环增益Av原本为100000 ，反馈系数F=0.01 ，根据公式计算闭环增益Avf=1+100000×0.01100000≈100 。当开环增益由于某种原因变为200000时，重新计算闭环增益Avf=1+200000×0.01200000≈99.5 ，可见闭环增益变化很小，基本稳定在100附近。

拓展通频带

• 原理：对于开环状态的运算放大器，其频率响应特性决定了它的通频带较窄。引入负反馈后，负反馈能够展宽通频带。从本质上来说，负反馈对不同频率信号的反馈量不同，对高频信号的反馈作用相对更强，抑制了高频段增益的下降速度，从而使通频带得到拓展。具体可从波特图（频率响应曲线）的角度理解，负反馈使增益 - 频率曲线变得更加平坦，在保持一定增益的前提下，能够处理更宽频率范围的信号。
• 举例：某运算放大器开环时的通频带为10Hz，引入负反馈后，通过调整反馈系数，其闭环通频带可拓展到10kHz甚至更宽，适用于高频信号的放大和处理，比如在视频信号处理电路中，能保证视频信号的各个频率成分都得到有效放大。

减小非线性失真

• 原理：运算放大器内部的晶体管等有源器件存在非线性特性，在对信号进行放大时，会产生非线性失真，使得输出信号波形与输入信号波形不一致。引入负反馈后，当输出信号产生失真时，反馈信号也会带有同样的失真成分，反馈信号与输入信号相叠加，相当于对输入信号进行了修正，从而减小了输出信号的失真程度。
• 举例：假设输入信号是一个标准的正弦波，开环状态下的运算放大器输出的正弦波出现了顶部削平的失真。引入负反馈后，失真的输出信号通过反馈网络产生的反馈信号与输入正弦波叠加，使得运算放大器的净输入信号产生一定的预失真，经过放大后，输出信号更接近标准的正弦波，有效改善了失真情况。

改变输入输出电阻

• 对输入电阻的影响：根据负反馈类型的不同，对输入电阻的影响也不同。在电压串联负反馈中，由于反馈电压与输入电压串联，使得输入电流减小，根据输入电阻的定义Rin=IinVin，在输入电压不变的情况下，输入电流减小，输入电阻增大。而在电流并联负反馈中，反馈电流与输入电流并联，使得输入电流增大，输入电阻减小。
• 对输出电阻的影响：在电压负反馈（包括电压串联负反馈和电压并联负反馈）中，输出电压趋于稳定，相当于输出电阻减小，使运算放大器的输出更接近理想电压源，带负载能力增强。在电流负反馈（包括电流串联负反馈和电流并联负反馈）中，输出电流趋于稳定，相当于输出电阻增大，使运算放大器的输出更接近理想电流源。

提高信噪比

• 原理：运算放大器在工作过程中会引入噪声，包括内部器件产生的热噪声等。负反馈对输入信号和噪声的作用不同，对于与输入信号同频的噪声，负反馈会同时对信号和噪声进行调整，但由于信号是需要放大的，通过合理设计反馈网络，可以保证信号的放大倍数；而对于与输入信号不同频的噪声，负反馈能够抑制其对输出的影响。此外，负反馈拓展通频带的特性也有助于减少带外噪声的干扰。
• 举例：在音频放大电路中，外界干扰等因素会引入噪声。通过引入负反馈，可以在保证音频信号有效放大的同时，降低噪声对输出音频质量的影响，使听到的声音更加清晰、纯净。