通过运算方法器电路设计详细解释负反馈机制(Negative Feedback)
负反馈 是控制系统、电子电路、神经系统等多个领域中非常核心的概念。特别在运算放大器(Op-Amp)电路中,负反馈是实现精确控制和高稳定性的关键机制。
什么是负反馈?
负反馈 是指:将输出信号的一部分反向送回输入端,从而抑制原始输入的变化。
通俗解释:
* 如果输出`上升`,反馈使其`下降`
* 如果输出`下降`,反馈使其`上升`
最终使系统趋于`稳定`或达到某个特定的目标状态。
负反馈的作用和好处
优点 | 说明 |
---|---|
稳定系统 | 抑制输出过度变化,防止振荡 |
提高线性度 | 输出更准确可控 |
降低增益依赖 | 整体增益由反馈结构决定,而非由放大器本身决定 |
提高带宽 | 带宽随反馈增大而扩大 |
降低失真 | 负反馈降低非线性失真,提高信号保真度 |
负反馈的工作原理(以运放为例)
此处为一个NPN型三极管构成的运放电路,麦克风声音通过左边的耦合电容叠加进来了交流信号,此时,意味着基极(B)的电流一定会上升或者下降(正波的时候电流 Ib 上升,负波的时候电流 Ib 下降);然而,当基极的电流发生变化时,就会影响到集电极(C)线路上的变化,下面根据电路图,我们来看看这个变化的详细过程:
图1:
电阻Rc固定不变,当正波导致了电流 Ic
上升,
那么,电阻的电压降也会上升,则 C点的电压此时为:
因为电源电压几乎是不变的(会随着使用逐渐损耗),因此此时 Uc
的值减小:
在放大信号的时候,我们以集电极作为输出信号的话,通过控制基极的电流(Ib),最终使得控制集电极电压的变化,此时变化的关系与左侧进入的交流信号的关系呈反向放大的关系。
通过基极叠加进来的交流信号从而影响了集电极C点位置输出的电压信号,这里存在一个前提条件:基极(B)减去发射极(E)要大于0.7V
,基极B - 发射极E 必须达到0.7伏的压差才能够导通,可是,如果按照 图1
的接法,本身依靠交流信号的微弱电压是不足以打开三极管的。
因而,我们需要将基极连接电源,让它处于一个打开的状态,那么这个时候,当外部交流信号叠加进来的时候,才能够实现放大效果。
图2:
电源12V直接连接基极对于三极管而言就太大了,基极只需要0.7V就够了,因此为基极加上一个压降为11.3V的上拉电阻。这便是三极管运放最原始的电路设计,交流信号从左侧进来后便能够实现反向放大的效果。
这个电路在现实生活里我们几乎是不会用的,因为这个电路存在一个非常大的缺陷,因为三极管本身是一个半导体元器件,半导体元器件都是用硅材料做的,硅元素会受到环境温度的影响,如果环境温度越高,β 的放大倍数越大。
图3:
假设现在这个交流信号叠加进入了基极,我们原先计算的时候是按照 β:50倍的方式去算好的,但是由于环境温度变化进而导致它的放大倍数上升至了 β:150 倍,这时(先看正波)波形走到中间这个位置(如图3黄线所示)的时候,集电极的电流已经饱和了,三极管提前饱和后,正波继续往上走,这多出来的部分交流信号对于集电极的电流都不会再变化了,因为此时集电极电流(Ic
)和 电阻Rc 相应的电压降也已经达到最大了:
图4:
所以此时再继续往上走,接下来输出的波形便会变成一条直线,呈现出这样的状态↓,所以,我们在使用三极管设计电路的时候必须要考虑到环境温度的影响,由于电流饱和之后输出的波形不完整,因此最终我们放大出来的声音是错误的:
图5:
并且,在现实生活当中,电源的电压本身也不是一成不变的,它本身也存在电池损耗和电压的轻微浮动,因此只接一个上拉电阻所分出来的电压一定也会跟着波动,基极的电压如果太小,电流便截止了;如果基极的电压太大,集电极的电流出现饱和,波形不完整。所以,优化此电路设计,再加上一个下拉电阻进行分压。将进入基极的电压钳位住。
图6:
加上两个电阻后,情况会变成什么样呢?
首先,还是一样,环境温度上升, β:50 的放大倍数上升至了 β:150 倍, β 倍的放大倍数上升意味着集电极的电流(Ic
)也会上升,Ic 上升意味着流向发射极(Ie
)的电流也会上升(Ie = Ib + Ic
基极+集电极=发射极),发射极电流上升,由于电阻(Re)的阻值保持不变,所以电阻 Re
的电压降会上升,Ue↑ = URe↑ + 0V
,此时,基极的电压(Ub)由于通过两个电阻分压的方式钳位在 0.7V 的固定电压值,因此 Ub 和 Ue 之间的压差会减小,所以基极的电流 Ib
↓ 下降,由于 Ib
↓ 下降,所以进而会导致 集电极电流 Ic
↓ 减小。
这么做的好处是,我们为此电路增加了一个负反馈机制 ,这么做可以把交流信号变化的不稳定因素拉下来,当波形往上走,负反馈机制将电流下拉,当温度降低时,波形向下走,负反馈机制将电流上拉,这么接电路的好处很明显:我们能够更好的控制电路。这便是很经典的三极管负反馈电路的原理。
然而,这个电路还是存在缺点:因为电源始终经过电阻 Rb1 和 Rb2 ------> 接地,也就是说我们在不使用的情况下,该电路静态状态下消耗能量,所以我们需要进一步优化此电路,使得它既能够节省能耗,同时又继续保持负反馈机制。
图7:
在集电极 Rc
后方重新延伸一个电阻接在基极上。同样,当环境温度对三极管产生影响导致 β 放大倍数上升时,集电极 Ic
电流上升,根据欧姆定律可得:URc↑ = Rc x I↑
,Rc 电阻不变,电流Ic
↑ 上升, 电阻URc
↑的电压降上升,则 进入三极管基极的电压 Uc↓ = vcc - URc 减小,而 Ub 直接连接三极管接地,因为 Ub 不变,Uc 减小,因此 Ub ---> Uc 之间的电压差减小,也就是说,通过 Rb 这条路线的电流 Ib
↓ 会减小,因为基极的电流减小,所以集电极的 Ic
↓ 也会减小(与上述原因同理,不再重复解释),如图7所示,该电路依然保持负反馈机制,节省了两个电阻,并降低了功耗。
我们需要确保三极管保持着打开状态,所以我们需要通过电阻接上电源的方式通过压降,目的在于给三极管一个刚刚好稳定的开启电压,然后考虑到环境稳定会导致基极端 β 放大倍数的变化,于是要考虑它放大的范围是否会超出它的饱和电压,所以,我们需要给它加上一个负反馈机制,因此,我们在三极管的发射极连接电阻(图6),或者是图7中集电极连接基极端的方式形成负反馈,这样的话,如果电流过大将其拉下来,如果电流太小将其拉上去。
负反馈与正反馈的区别
项目 | 负反馈 | 正反馈 |
---|---|---|
控制方向 | 抵消输入变化 | 增强输入变化 |
作用 | 稳定、线性、可控 | 放大、触发、不稳定 |
应用 | 放大器、稳压器 | 比较器、震荡器、锁存器 |
例如,空调系统的恒温控制:室温高→停止加热,室温低→启动加热;工业控制的PID 控制器: 持续检测偏差并调整输出。
负反馈是一种让系统"自我修正"的机制,使输出稳定、线性、可控,是现代电子和控制系统的基础。
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