消极反馈，第1部分:一般结构和基本概念

本文是本系列文章的第一篇，将向您介绍理解和分析负反馈放大器所需的基本概念。

不仅仅是op-amps。。。

在本文中，我们将介绍一般的负反馈结构和帮助我们分析和实现这个结构的数量。更具体地说，我们将关注负反馈放大器。这里的术语“放大器”是稍微误导的：该结构不限于仅增加信号的幅度。该“放大器”可以是一个单位增益系统，旨在改善电路的输入或输出阻抗特性，或者它可能是在衰减其他频率的同时放大某些频率的滤波器。

为什么反馈?

我们有某种输出变量,必须控制,但之间的关系控制输入和输出的实际行为是如此复杂和不可预测的,它将是困难的,如果不是不可能的话)来精确调节输出只需应用指定的输入。考虑两个例子:我们有一个电压输出数模转换器(DAC)，我们想要控制1)电阻耗散的功率和2)LED的亮度。第一个任务不需要负反馈，因为输入和输出之间的关系简单且可预测:

[P\ =\ \frac{V^2}{R}，\ \ \ \ V\ =\ \sqrt{PR}]

我们要做的就是用期望的功率乘以电阻，然后求平方根。对于现代微控制器来说，这是相当简单的数学计算，更重要的是，这种关系对任何环境条件下的任何电阻都是有效的。然而，第二个任务就没那么简单了。下面是Avago生产的LED的正向电流与正向电压的对比图:

这种关系是高度非线性的，受LED类型的显着影响;虽然未在此图中显示，但这种关系也受到温度的影响。现在看看亮度与前向电流特性：

这种关系是线性的，两种半导体材料之间的差别很小。那么我们从中得出什么结论呢?通过控制电流来精确调节LED的亮度是相当容易的，而通过控制电压来精确调节亮度则是相当困难的。要做什么吗?当然，要带来一些负面的反馈!我们可以使用DAC电压作为负反馈放大器的输入，该负反馈放大器根据流过LED的电流调整其输出电压(电流信息可以通过串联电阻测量)。现在我们有了一个简单的，可预测的电压和亮度之间的关系。

该LED示例是无数情况下的一个，其中实现开环（即非反馈）控制是不希望的或完全不切实际的。想想温度调节：如何开放循环控制可能会占影响温带的所有因素，例如客厅？天气条件，窗户，门，占用者数量。。。。但是，如卑微恒温器的笨蛋所示，用一点负反馈，问题变得几乎是微不足道的。

通用反馈放大器

当你看这张图表时，试着花点时间来欣赏一下负面反馈的优雅。

通过简单地减去实际输出值（乘以β从参考信号出发，将其作为开环放大器的输入，即使输入输出关系不一致或复杂，也可以精确地控制负载。

这里的关键参数是一种和β。绿色斜体标签表示流经系统的信号的变量名称;我们正在使用单词（也是在本文的文本中的斜体）而不是下标变量，希望即将到来的分析不会显着直观，而不是其实际情况。（我们留下来一种和β然而，因为没有反馈放大器，反馈放大器就不是反馈放大器一种和β。）

那么到底是什么一种和β？没有太多话说一种在没有反馈的情况下，整个系统所应用的是放大效应。在运算放大器的情况下，比较是特别恰当的，因为运算放大器是理论反馈放大器的直接表现形式一种对应于运放的开环增益。β不是那么简单：反馈因素β确定有多少输出信号被反馈到减法节点。你可以想到β作为百分比（表示为小数）输出减去控制。当你考虑一个基本的非反相运放电路时，这应该变得更加清楚:

我们用来设置增益的两个电阻只不过是一个分频网络，它将一定百分比的输出应用到运放的反相端。输出电阻器上的电压用比值R表示₁/ (R₁+ R₂)，乘以电阻对上的电压。因此，的百分比(用小数表示)输出反馈并减去控制- i.，反馈因素β——R₁/ (R₁+ R₂）。值得培养对这一概念的直观了解，因为β将在以后讨论稳定性的文章中重点讨论。

再注意一点一种和β它们不必仅仅是常数，例如一种= 10^6.和β= 0.1。它们也可以表示为频率的函数，即的值一种或β根据通过放大器系统的信号的频率而变化。这尤其重要一种- 内部补偿的OP-AMP的开环增益开始在低至0.1 Hz的频率下滚动！

关闭循环

现在我们将简要地介绍一些重要的关系和公式，这些关系和公式将有助于我们进一步理解和分析反馈放大器的行为。首先是数学上的定义β：

\ [反馈\ = \ \ \ \ \ times输出，\ \ \ \ \ \ \ beta = \ FRAC {反馈} {输出} \]

这只是我们在上一节中所描述的象征性表达。接下来是之间的直截了当的关系输入和输出，从上面的一般反馈结构图中很容易看出:

\[output\ =\ A\times input\]

更有趣的是闭环增益(G_CL.），即，当包括负反馈效果时，放大器系统的总增益。

\[G_{CL}=\frac{output}{control}=\frac{A\times input}{input+feedback}=\frac{A\times input}{input+\left(\beta\times output\right)}}=\frac{input\left(1+ beta\frac{output}{input}\right)}}=\frac{A}{1+A\beta}\]

这种关系很简单，但它会变得更好。在典型的反馈放大器应用中，量一个β(称为“环路增益”)比1大得多，例如，开环运放增益为10^6.当反馈系数为0.1时，环路增益为10^5.。因此，我们可以简化闭环增益表达式如下：

\ [g_ {cl} = \ frac {a} {1 + a \ beta} \ intain \ frac {a} {a \ beta} = \ frac {1} {\ beta} \]

从运算放大器电路的经验中我们可以准确地看到增益只取决于β。再看看上面所示的非反相运算放大器电路;当我们回想起标准非反相放大器(G_倪）是1 +（r₂/ R.₁):

\ [g_ {ni} = 1 + \ frac {r_2} {r_1}，\ \ \ \ \ \ g_ {cl} = \ frac {1} {\ beta} = \ frac {r_1 + r_2} {r_1} =\ frac {r_1} {r_1} + \ frac {r_2} {r_1} = 1 + \ frac {r_2} {r_1} \]

结论

在介绍负反馈和使用负反馈的一般动机之后，我们提出了一个理论模型来帮助我们分析负反馈放大器的具体特性。然后，我们使用了一些数学方法来证明引入负反馈的最显著的好处——即，对于所有实际目的来说，系统的整体收益完全由组成反馈网络的简单(和精确的，如果必要的话)外部组件决定。在下一篇文章中，我们将探讨负反馈可以改善放大器电路性能的beplay体育下载不了一些其他方法。

下一篇文章:负反馈，第2部分:提高增益灵敏度和带宽