模电反馈电路 | 概念 / 原理 / 分析 / 判断 / 实验

斐夷所非

于 2025-05-28 13:31:58 发布

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分类专栏： electronic engineering 文章标签：模电反馈电路 |

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模拟电路的负反馈理论

一只电子鸭于 2025-03-15 11:51:47 发布

前言

本文重点引入并简要介绍电路反馈理论，该理论是许多运算放大器应用电路的基础。
本文部分内容来源于模电和信号处理相关教材。限于水平，若有疏漏或错误，恳请指正。

一、反馈的概念引入

1.1 反馈的定义

反馈的英文为 Feedback，“Feed” 意为提供。从字面理解，“Feedback” 是将输出回送至输入的过程。
在电学系统中，将输出信号通过特定方式回送至输入环节，与原输入信号结合形成净输入信号或单独作为输入信号，进而影响输入/输出性能的机制，称为反馈。

1.2 正反馈和负反馈

反馈分为正反馈和负反馈两类：

正反馈：当输出信号发生某方向变化（称为变化根源），回送至输入端后引起的二次变化与变化根源方向相同。
负反馈：二次变化与变化根源方向相反。
正反馈的作用是加剧变化过程，负反馈的作用是稳定系统。

在如图所示电路中，假设输出发生正向变化（变化根源），经分压后理想运放的 $u_{-}$ 端产生正向变化。由于理想运放反相输入端的正向信号会导致输出负向变化（二次变化），二次变化与变化根源方向相反，因此属于负反馈。

1.3 生活中的正反馈与负反馈举例

下图中，蓝色物体为水泥管道：

红色小球置于外壁顶端，受外力左推时会滚落。此时位置偏左（输出量）使合力向左（输入量），进一步加剧位置偏左，形成正反馈。
绿色小球置于内壁底部，受外力左推时会回到中心。位置变化回送至输入端后，合力变化抵消初始扰动，形成负反馈。

二、认识电路中的反馈

2.1 反馈环路

认识反馈电路的核心是识别反馈环路（Loop），即 “输出—输入—输出” 的闭合路径。环路的存在是反馈的必要条件：无环路则无反馈，有反馈必有环路。
如下两图所示，虚线为输入信号路径，实线为反馈环路。信号首次经输入路径到达输出后，通过反馈环路形成循环。

寻找反馈环路的方法：从输出端反向追踪至核心放大器的输入端，再由核心放大器回到输出端，即可确定环路。

2.2 判断正反馈和负反馈

识别反馈电路的第二步是判断反馈极性（正反馈或负反馈）。
在开环电路中引入反馈的效果差异显著：

负反馈用于稳定放大，提升放大器性能，广泛应用于放大电路；
正反馈用于产生自激振荡，常见于信号发生电路。
基本结论：正反馈的特征是 “加剧变化”，负反馈的特征是 “稳定系统”。

三、负反馈对放大电路性能的影响

开环放大器具有极高的开环电压增益，而闭环放大器的增益较低，这是引入负反馈的 “代价”。但负反馈对放大电路的其他性能有显著优化作用，如提高增益稳定性、拓展带宽、降低失真度等。利用方框图法可分析负反馈对放大电路性能的影响。

3.1 对增益稳定性的影响

当开环增益发生显著变化（如从 10 000 增至 100 000）时，含负反馈的闭环增益仅发生微小变化。以放大倍数为 50 的电路为例，开环增益变化会导致闭环增益从 49.751 微增至 49.975。
增益稳定性可用相对变化量表示：
$\frac{dA_{uf}}{A_{uf}} = \frac{1}{1 + FA_{uo}} \times \frac{dA_{uo}}{A_{uo}}$
该式表明，闭环增益的相对变化量是开环增益相对变化量的 $\frac{1}{1 + FA_{uo}}$ 。因此，负反馈显著提高了增益稳定性。

3.2 负反馈的其他作用

以下为负反馈对闭环电路性能影响的结论（推导过程从略）：

对上限截止频率的影响

引入负反馈后，闭环电路的上限截止频率显著提高。

对下限截止频率的影响

引入负反馈后，闭环电路的下限截止频率降低，低频特性得到拓展。

对输入电阻的影响

串联负反馈：输入信号与反馈信号分别作用于不同输入端，可大幅提高输入电阻；
并联负反馈：输入信号与反馈信号作用于同一输入端，可能降低输入电阻。

其他影响

展宽放大器通频带；
减小非线性失真；
抑制放大器内部噪声与干扰。

模拟电路第四章（反馈放大电路）

Zevalin爱灰灰于 2024-04-26 13:29:00 发布

一、反馈的基本概念与分类

1、反馈的概念和术语

（1）将电子系统输出回路的电量（电压或电流）送回到输入回路的过程，称为反馈。下图所示的是反馈放大电路的基本框图。

图 24

（2）反馈的相关术语：

① 反馈通路：信号反向传输的渠道（从输出端传输到输入端）。

② 开环——电路中无反馈通路；闭环——电路中有反馈通路。

2、直流反馈与交流反馈

（1）反馈到输入端的信号是交流信号，则是交流反馈；反馈到输入端的信号是直流信号，则是直流反馈。

（2）判断一个反馈是直流反馈还是交流反馈，可画出电路图的直流通路和交流通路，看看反馈通路处在哪个通路中。（需要注意的是，一条反馈通路可能同时存在直流反馈与交流反馈）

图 25

图 26

3、正反馈与负反馈

（1）从输出端看：

① 正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大。

② 负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小。

（2）从输入端看：

① 正反馈：引入反馈后，使净输入量变大。

② 负反馈：引入反馈后，使净输入量变小。

（3）正反馈与负反馈的判别方法：从反馈环路中的任意一点开始，假设其瞬时极性为正，若沿反馈环路一周回到该点的瞬时极性为负，则为负反馈，否则为正反馈。（本章出现的反馈电路基本都是负反馈）

图 27

图 28

4、串联反馈与并联反馈

（1）串联反馈：输入以电压形式求和，即 $v_{id} = v_{i} - v_{f}$ 。

图 29

（2）并联反馈：输入以电流形式求和，即 $i_{id} = i_{i} - i_{f}$ 。

图 30

（3）判断串联反馈和并联反馈的方法：反馈端是否为信号的输入端，如果不是则为串联反馈，否则为并联反馈。

图 31

5、电压反馈与电流反馈

（1）电压反馈：反馈信号和输出电压成比例，即 $x_{i} = F_{vo}$ 。

图 32

对于电压负反馈，有 $x_{id} = x_{i} - x_{f}$ ，能够稳定输出电压。

图 33

（2）电流反馈：反馈信号和输出电流成比例，即 $x_{i} = F_{io}$ 。

图 34

对于电流负反馈，有 $x_{id} = x_{i} - x_{f}$ ，能够稳定输出电流。

图 35

（3）电压反馈与电流反馈的判断方法：将负载短路（未接负载时输出对地短路），反馈量为零则为电压反馈，反馈量仍然存在则为电流反馈。

图 36

二、负反馈放大电路的四种组态

1、电压串联负反馈放大电路

图 37

2、电压并联负反馈放大电路

图 38

3、电流串联负反馈放大电路

图 39

4、电流并联负反馈放大电路

图 40

三、负反馈放大电路增益的一般表达式

1、闭环增益的一般表达式

（1）下图所示的负反馈放大电路的开环增益为 $\frac{x_{o}}{x_{id}}$ ，反馈系数为 $\frac{x_{f}}{x_{o}}$ ，闭环增益为 $A_{f} = \frac{x_{o}}{x_{i}}$ 。

图 41

（2）四种反馈组态的输入量、输出量及反馈量的选择：

图 42

（3）四种反馈组态的增益：

图 43

（4）因为 $x_{id} = x_{i} - x_{f}$ ，所以有

[
\frac{A}{1 + AF}
]

即为闭环增益的一般表达式。

2、反馈深度

（1）通常把 $(1 + A F)$ 的大小称为反馈深度，而将 $A F$ 称为环路增益。

（2）一般情况下， $A$ 和 $F$ 都是频率的函数，当考虑信号频率的影响时， $A_{f}$ 、 $A$ 和 $F$ 分别用 $\dot{A_{f}}$ 、 $\dot{A}$ 和 $\dot{F}$ 表示。下面分几种情况对 $\dot{A_{f}}$ 的表达式进行讨论：

图 44

四、负反馈对放大电路性能的影响

1、提高增益的稳定性

（1）闭环增益的一般表达式是 $A_{f} = \frac{A}{1 + AF}$ ，对 $A$ 求导，可得

图 45

该式表明引入负反馈后，增益的相对变化量为开环增益相对变化量的 $\frac{1}{1 + AF}$ ，即闭环增益的相对稳定度提高了，反馈深度越大，闭环增益的稳定性越好。

（2）在深度负反馈条件下有 $A_{f} \approx \frac{1}{F}$ ，即闭环增益只取决于反馈网络，当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。

2、扩大线性输入范围

多级放大电路中输出级的输入信号幅度较大，在动态过程中，放大器件可能工作到它的传输特性的非线性部分，因而使输出波形产生非线性失真，引入负反馈后可使这种非线性失真减小。

某电压放大电路的开环电压传输特性如下图中曲线 1 所示（该曲线在上一章的最后一图中近似为折线），该曲线斜率的变化反映了增益随输入信号的大小而变化，在很窄的一段区域内， $v_{O}$ 和 $v_{I}$ 呈线性关系，但随着信号幅度的增大， $v_{O}$ 和 $v_{I}$ 之间呈非线性关系，输出会产生非线性失真。引入深度负反馈 $\gg 1]$ 后，闭环增益近似为 $\frac{1}{F}$ ，所以该电压放大电路的闭环电压传输特性可近似为一条直线，如下中曲线 2 所示，与曲线 1 相比，在输出电压幅度相同的情况下，斜率（即增益）虽然变小了，但增益因输入信号的大小而改变的程度却大为减小，这说明 $v_{O}$ 与 $v_{I}$ 之间几乎呈线性关系，亦即减小了非线性失真。负反馈减小非线性失真的程度与反馈深度有关。

图 46

应当注意的是，负反馈减小非线性失真所指的是反馈环内的失真，如果输入波形本身就是失真的，这时即使引入负反馈也是无济于事的。

3、对输入电阻和输出电阻的影响

（1）对输入电阻的影响：（基本放大电路的输入电阻为 $R_{i}$ ）

① 串联负反馈对输入电阻的影响：

图 47

图 48

② 并联负反馈对输入电阻的影响：

图 49

（2）对输出电阻的影响：（基本放大电路的输出电阻为 $R_{o}$ ）

① 电压负反馈对输出电阻的影响：

图 50

② 电流负反馈对输出电阻的影响：

图 51

4、放大电路引入负反馈的基本原则

（1）负反馈对放大电路性能的改善，是以牺牲增益为代价的，且仅对环内的性能产生影响。

（2）若要求直流工作点稳定，则引入直流负反馈。

（3）若要求抑制温漂和共模干扰，则引入共模负反馈。

（4）当负载改变时，若要求输出电压变化不大，带负载能力强，则引入电压负反馈。

（5）当负载改变时，若要求负载中的电流变化不大，则引入电流负反馈。

（6）若要求放大电路从信号源吸取电流小，则引入串联负反馈。

（7）若要求放大电路的输入电阻小，则引入并联负反馈。

（8）若信号源的内阻比较小，则引入串联负反馈时，反馈效果显著。若信号源内阻为无限大，则串联反馈作用失效。

（9）若信号源的内阻很大，则引入并联负反馈，反馈效果显著。若信号源内阻为零，则并联反馈作用失效。

五、深度负反馈条件下的近似计算

1、深度负反馈的特点

深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关，即 $A_{f} \approx \frac{1}{F}$ ，又因为 $\frac{x_{f}}{x_{o}}$ 、 $A_{f} = \frac{x_{o}}{x_{i}}$ ，可得 $x_{f} \approx x_{i}$ ，即输入量近似等于反馈量，于是有 $x_{id} = x_{i} - x_{f} \approx 0$ ，即净输入量近似等于零，由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚”的概念。

① 串联负反馈中：

图 52

② 并联负反馈中：

图 53

2、举例

（1）例 1：

图 54

例 2：

图 55

（3）例 3：

图 56

模电 – 反馈电路的综合判断

七月的和弦于 2019-06-10 14:17:58 发布

反馈

通常，将输出量引回并影响净输入量的电流通路称为反馈通路。只要输出回路与输入回路之间存在反馈通路，则说明电路引入了反馈，而反馈通路并不一定将放大电路的输出端和输入端相连接。

图 1

如图所示，在反馈放大电路中， $R_{2}$ 构成反馈电路，但它并未将输出端和输入端连接起来。

快速判断反馈连接的方式（串并联）

接法	联接状态
两端接（反馈将输出引入到输入端的另一端）	串联
一端接（将输出都引入到同一输入端）	并联

根据不同的连接方式以及极性判断反馈（正负反馈）

需明确极性（瞬时极性）。

连接方式	极性（引回的与输入的相比）	反馈
串联	相同	-
并联	相同	+
串联	相反	+
并联	相反	-

以图 a 为例，假设此时输入 $u_{I}$ 为正，经过放大器的同相端后，在 $u_{o}$ 处得到正，经反馈引入到输入的反相端，即为瞬时极性。同理，对于图 b，假设此时输入 $u_{I}$ 为正，经过放大器的反相端后，在 $u_{o}$ 处得到负，经反馈引入到输入反相端。

由此可知，a 为串联负反馈，b 为串联正反馈。

直流交流反馈判断

直流 / 交流反馈与放大电路的耦合方式无关，仅需观察反馈通路。

图 2

仅需关注反馈通路。第一个图为直流反馈（若为交流，电容将 $R_{1}$ 短路，输出量引入 GND，无反馈）；第二个图为交流反馈（若为直流，电容隔断电流，无反馈）；第三个图则为交直流反馈。

对于分立电路，输出量从最后一个三极管的发射极和集电极引出。但无论电路如何复杂，判断时仍只需关注反馈通路。

图 3

以 e 图为例，只需观察输出量引入到输入部分的情况。仅 $R_{1}$ 是反馈通路。

若输入直流， $V_{cc}$ 上的电压被反馈通路引入到 $T_{1}$ 的输入端，因此存在直流反馈。
若输入交流，信号从 $T_{2}$ 的集电极通过 $R_{1}$ 被引入到输入端，因此存在交流反馈。
综上所述， $R_{1}$ 引入交直流反馈。

再看 f 图：

若输入交流，信号通过 $R_{4}$ 和 $R_{2}$ 被引入到输入端。
若输入直流， $V_{cc}$ 一部分从 $R_{3}$ 和 $R_{7}$ 引入到输入端，一部分从 $R_{4}$ 引入到输入端。
因此， $R_{3}$ 和 $R_{7}$ 引入直流反馈； $R_{4}$ 引入交直流反馈。

是电压还是电流反馈？

将输出部分短路，若仍能反馈回去，则为电流反馈，否则为电压反馈。

图 4

若将 $u_{o}$ 短路，直接接地，无法将输出量引入到 $A_{1}$ ，这是电压反馈。

图 5

对于 e 图，将 $u_{o}$ 短路后，仍能将交流电流引入到输入端，因此是电流反馈。综合判断，通入交流时为电流并联负反馈（一般说引入何种反馈时，通常针对交流而言）。
对于 f 图，无法将任何信号引回输入端，因此是电压反馈。交流通过 $R_{4}$ 到 $R_{2}$ 上， $R_{2}$ 才真正地将反馈引给输入回路，若无 $R_{2}$ ，交流将流向 GND。这是一个电压串联负反馈。

【模电】（放大电路中的反馈）反馈的概念及判断

二进制人工智能已于 2024-02-29 17:10:44 修改

A 反馈的概念及判断

A.a 反馈的基本概念

1 什么是反馈

放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入电路，影响输入，这一过程称为反馈。

反馈放大电路可用方框图表示：

图 8

需研究的问题包括：

输出量是从输出电压还是输出电流引出反馈。
反馈量是多少。
以什么方式引出，引回。
反馈影响的是放大电路的输入电压还是输入电流。

2 正反馈和负反馈

图 9

从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，反之则为正反馈。或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，反之则为正反馈。

3 直流反馈和交流反馈

直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。

图 10

在交流情况下， $C_{c}$ 短路。

4 局部（本级）反馈和级间反馈

仅对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部（本级）反馈，将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输入回路的称为级间反馈。

图 11

通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。

A.b 反馈的判断

1 有无反馈的判断

“找联系”：寻找输入回路与输入回路的联系，若有则存在反馈，否则无反馈。

第二个图中的 R 是负载电阻，无反馈。

图 12

2 直流反馈和交流反馈的判断

“看通路”：即观察反馈是存在于直流通路还是交流通路。

设以下电路中所有电容对交流信号均视为短路。

图 13

3 正、负反馈（反馈的极性）的判断

“看反馈的结果”，即观察净输入量是被增大还是被减小。

瞬时极性法：给定 $\dot{X}_{i}$ 的瞬时极性（正或负），并以此为依据分析电路中各电流电位的极性从而得到 $\dot{X}_{o}$ 的极性；

$\dot{X}_{o}$ 的极性 $\rightarrow \dot{X}_{f}$ 的极性 $\rightarrow \dot{X}_{i}$ 、 $\dot{X}_{f}$ 、 $\dot{X}_{i}$ 的叠加关系：

图 14

结构	$U_i$ 与 $U_0$ 的相位关系	说明
共源/共射	反相	输入与输出相位差 $180^\circ$
共漏/共集	同相	电压跟随特性，相位相同
共栅/共基	同相	输入输出电压趋势一致
集成运放	同相输入同相输出；反相输入反相输出	需区分输入端口（+/-）
差分放大电路	同相输入同相输出；反相输入反相输出	双端输出时需考虑差模信号相位关系