使用晶体管和运算放大器的负反馈电路设计

电子系统的主要关注点是稳定性和准确性，为了保持这些关键因素，输出的某些部分连接回系统的输入，这称为反馈。另外，控制系统根据反馈连接分为闭环系统和开环系统两类。开环控制系统不包含任何反馈路径，而闭环系统包含用于自动纠正错误的反馈路径。

根据反馈的性质，闭环系统可以再次分为两种类型，即正反馈系统和负反馈系统。其中负反馈系统称为“负反馈电路”，也称为“负反馈”。典型的负反馈系统的基本框图如下所示，其中X、Y、Z分别作为输入、输出和反馈回路。

电路类型

根据不同的电路设计要求，负反馈系统电路可以设计为多个类型，下面依次介绍使用晶体管和运算放大器的负反馈电路。

1、晶体管反馈电路

用晶体管设计的电路的缺点是增益、失真、输入和输出电阻及信噪比等取决于晶体管的特性，不过可以通过引入负反馈来克服。负反馈减少了电路中的失真，并允许将输入和输出控制到所需的水平。

射极跟随器电路中的反馈

射极跟随器电路如下图所示，晶体管的发射极通过一个电阻接地，输出在发射极和接地电阻的并联节点处测量。其中VBE是晶体管基极和发射极之间的电压降，射极跟随器电路的负反馈操作可以表示为V in=VBE+Vout。

射极跟随器电路的优点如下：

提供电流放大而不提供任何电压增益。

提供阻抗匹配。

共射极电路中的反馈

共发射极电路如下图所示，晶体管的发射极通过电阻器Re接地，输出在集电极和电源电阻器Rc的并联节点处测量。当VBE是晶体管基极和发射极之间的电压降时，共发射极电路的输入可以给出为Vin=V BE+iERE。电路的输出为Vout=-icRc。

电路的增益为Af =–Rc/Re。

在共发射极晶体管中引入负反馈有两种方法，这两种方法的电路设计下图1、2所示：

(图1) (图2)

可以看到，图1、2中的电路显示了相同的电路，采用不同的负反馈连接方法。

2、运算放大器反馈电路

与反馈相连的运算放大器电路称为“运放反馈电路”。具有负反馈连接的运算放大器有两种应用，它们是非反相运算放大器电路反相运算放大器电路。

非反相运算放大器电路

非反相运算放大器电路如下图所示。该电路的输入连接到运算放大器的非反相端，反馈信号连接到反相端，反相端通过电阻接地，因此它具有高输入阻抗。

这里可以很容易地确定同相运算放大器的增益。由于两个输入端的电压相同，运算放大器的增益会非常高。假设没有电流流入运算放大器，则两个电阻器中的电流相同。

由于电路形成分压器电路，反相输入端的电压与非反相输入端的电压相同，这意味着Vin= Vout x R1/ (R1+R2)。非反相运算放大器的增益可以计算为：

Vout/Vin =AV=1+R2/R1

其实，这个可以通过非反相放大器电路的操作很清楚地看出来。

非反相放大器

使用运放的非反相放大器如下图所示，其中输入连接到运放的正端或同相端。

在同相放大器中，输出的性质将与输入信号的性质相同。这意味着，如果输入信号为正，则输出也为正，如果输入信号为负，则输出也为负。

运算放大器的增益方程

如果开环增益为AOL，则非反相运算放大器的输出电压为：

VOut=AOL (Vin – V– ) – – – – – –> (1)

其中V– 是输出电压的函数，由电阻R1和R2形成的分压器产生。由于运算放大器的负端将具有高阻抗，因此等于：

V– =βVOut – – – – – –> (2)

其中β=R1/ (R1 + R2)。

现在将等式(2) 代入等式 (1)，可以得到：VOut = AOL (Vin – βVOut) = Vin (1/(β+1/AOL ))。

如果AOL的值很高，则代入β的值，即可得到：VOut = Vin (1+ R1/R2 )。

反相运算放大器电路

反相运算放大器电路如下图所示。该电路的输入连接到运算放大器的反相端子或负端子，反馈信号也连接到反相端子。与输入信号相比，反相运算放大器电路的输出相位差180°，它提供了一条虚拟路径。

在该电路中，输入本身不消耗电流。所以电阻R1和R2中的电流是相同的。因此Vout/R2 = Vin/R1。现在电路的电压增益Av为：

Vout/Vin = Av = – R2/R1

这可以通过反相放大器电路的操作清楚地解释。

反相放大器

使用运放的反相放大器如下图所示，其中输入连接到运放的负端或反相端。

在反相放大器中，输出的性质将与输入信号的性质相反。这意味着，如果输入信号为正，则输出为负，如果输入信号为正，则输出为负。

运算放大器的增益方程

可以利用同相运放电路的输出电压方程求出反相运放电路的增益。

VOut = AOL (Vin – V– ) – – – – – –> (1)

这里V–由Rf 和Rin形成的分压器计算得出，它是输入和输出电压(Vout 和Vin)的函数，所以等于：

V –=1/(R f + R in ) (R f V in + R in Vout ) – – – – – –> (2)

现在将等式(2) 代入等式 (1)，可以得到：

VOut = -Vin. (A(OL ).R f )/(Rf + Rin + A(OL ).R in )

如果开环增益 AOL的值很高，那么既有：

VOut= -Vin (1+Rf /R in )

有时候，在运算放大器的地和非反相输出之间插入一个电阻器，以降低由于偏置电流压降引起的输入失调电压，这减少了运算放大器的失真。为了消除不需要的直流电流，可以在运算放大器的输入端串联了一个隔直电容器。

主要优点

可以稳定几乎所有类型的干扰或噪声发生。

可以使系统的频率响应变平，并够获得所需的频率响应曲线。

对温度和系统的其它外部属性的依赖性降低。

增加了输入电阻，降低输出电阻。

增加输出信号的带宽。

降低系统对外部属性的敏感性。

提供偏置点稳定性和更好的CMMR。

主要缺点

连接负反馈会降低系统的整体增益。

如果电路设计不当，可能会产生振荡。

总结

简单来说，在负反馈信号中，从输入信号中减去一定量的信号以调节输出。负反馈电路主要是防止放大电路过载，既当输入信号电流过大时，从放大后的输出端反馈给输入端一个负信号电流，从而用来抑制输入信号电流的继续增大。