运算放大器的四种负反馈方式

运算放大器的负反馈根据取样方式(从输出端取样的方式)和比较方式(反馈信号与输入信号在输入端的比较方式 )的不同,可分为四种基本类型:电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。以下为你详细介绍:

电压串联负反馈

  • 电路结构特点:在输出端,反馈网络从输出电压取样,即反馈信号与输出电压成正比;在输入端,反馈电压与输入电压以串联的方式进行比较,也就是净输入电压Vid=ViVfVi为输入电压,Vf为反馈电压 )。常见的同相比例运算电路就是典型的电压串联负反馈电路,运算放大器的同相输入端接输入信号,反相输入端通过电阻网络连接到输出端构成反馈回路。
  • 主要性能影响输入电阻: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Rin=IiVi,在输入电压不变的情况下,输入电流减小,输入电阻增大,一般可达兆欧级别,能很好地减轻信号源的负载。输出电阻: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,当负载电阻变化时,输出电压基本保持不变。电压增益:闭环电压增益Avf=ViVo=1+R1RfRf为反馈电阻,R1为反相输入端接地的电阻 ),增益主要由反馈网络的电阻决定,稳定性高。

电压并联负反馈

  • 电路结构特点:输出端,反馈网络对输出电压进行取样,反馈信号与输出电压成正比;输入端,反馈电流与输入电流以并联的方式进行比较,净输入电流Iid=IiIfIi为输入电流,If为反馈电流 )。反相比例运算电路是典型的电压并联负反馈电路,输入信号通过电阻接运算放大器的反相输入端,同相输入端接地,输出端通过反馈电阻连接到反相输入端。
  • 主要性能影响输入电阻: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,一般在几十到几百欧的范围。输出电阻:输出电压趋于稳定,输出电阻减小,增强了带负载能力。电压增益:闭环电压增益Avf=ViVo=−R1Rf,负号表示输出与输入反相,增益稳定性好。

电流串联负反馈

  • 电路结构特点:输出端,反馈网络对输出电流进行取样,反馈信号与输出电流成正比;输入端,反馈电压与输入电压以串联的方式进行比较,净输入电压Vid=ViVf 。在一些需要对电流信号进行精确控制或转换的电路中会用到,比如将电流信号转换为电压信号的电路。
  • 主要性能影响输入电阻:反馈电压与输入电压串联,使得输入电流减小,输入电阻增大,有利于从信号源获取电压信号。输出电阻: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,当负载电阻变化时,输出电流基本保持恒定。互导增益:闭环互导增益Agf=ViIo较为稳定,能实现输入电压对输出电流的稳定控制。

电流并联负反馈

  • 电路结构特点:输出端,反馈网络对输出电流进行取样,反馈信号与输出电流成正比;输入端,反馈电流与输入电流以并联的方式进行比较,净输入电流Iid=IiIf 。常用于需要稳定输出电流,并且对输入电阻要求较低的场合。
  • 主要性能影响输入电阻: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。输出电阻:输出电流趋于稳定,输出电阻增大,增强了输出电流的恒流特性。互阻增益:闭环互阻增益Arf=IiVo较为稳定,能实现输入电流对输出电压的稳定控制。


 

这四种负反馈类型各有特点,在实际应用中,根据具体的电路需求,如对输入输出电阻的要求、需要稳定的是电压还是电流、期望的增益形式等,来选择合适的负反馈类型,以达到最佳的电路性能。

### 运算放大器反馈的工作原理 运算放大器通过引入负反馈来稳定增益并改善性能。当负反馈应用于运放时,部分输出信号被反相送回到输入端,从而形成闭环系统[^1]。 在这种配置下,由于虚短特性,即同相输入端和反相输入端之间的电压差几乎为零,使得实际电路中的两个输入端电位趋于一致。对于线性区内的理想运放而言,这种状态意味着输出会自动调整到使两输入端之间保持微小压差的程度。因此,在计算具体参数时可以假设这两个节点上的电压相等[^2]。 #### 负反馈的作用 - **提高稳定性**:减少因温度变化或其他因素引起的漂移现象; - **降低失真度**:有效抑制非线性效应带来的误差; - **控制带宽范围**:适当设置可获得更佳频率响应特性; ```python # Python模拟简单的一阶低通滤波器(基于RC网络) import numpy as np from scipy import signal def low_pass_filter(cutoff, fs=1e3): nyq = 0.5 * fs normal_cutoff = cutoff / nyq b, a = signal.butter(1, normal_cutoff, btype='low', analog=False) return b, a b, a = low_pass_filter(10) # 设定截止频率为10Hz print(f"Coefficients:\nb={b}\na={a}") ``` 此代码片段展示了如何利用Python实现一阶低通滤波器的设计过程,这与采用运算放大器构建的实际硬件电路有相似之处。在该例子中,`signal.butter()`函数用于生成巴特沃斯型IIR滤波器系数,这些系数可用于后续的数据处理或仿真分析。 ### 应用场景实例 - **传感器接口电路**:将来自物理量转换装置的小幅度电信号增强至适合进一步处理的水平; - **音频设备前置级**:提升麦克风拾音后的弱信号强度而不增加噪声成分; - **测量仪器内部架构**:确保读数准确性的同时提供足够的动态范围支持各种测试需求;
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