负反馈，第1部分：一般结构和基本概念

本文首次在一系列中，将您介绍理解和分析负反馈放大器所需的基本概念。

不仅仅是运算放大器……

在本文中，我们将介绍一般的负面反馈结构和帮助我们分析和实施这种结构的数量。更具体地说，我们将专注于负反馈放大器．术语“放大器”在这里有些误导:这种结构并不局限于仅仅增加一个信号的幅度。这个“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，或者它可以是一个滤波器，放大某些频率，衰减其他频率。

为什么要反馈？

所以我们有一个必须控制的某种输出变量，但是控制输入与输出的实际行为之间的关系如此复杂或不可预测，即困难的，如果不是不可能，则简单地通过应用指定的输入。考虑两个示例：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} \]

我们需要做的就是通过电阻乘以所需的功率，然后采用平方根。这对现代微控制器来说是相当简单的数学，更重要的是，这种关系对于任何环境条件下的任何电阻都有效。然而，第二任务不是那么简单。这是Avago制造的LED的正向电流与正向电压的曲线图：

该关系具有高度非线性，且受LED类型的显著影响;虽然这张图没有显示，但这种关系也受到温度的影响。现在看看亮度和正向电流特性:

这种关系是线性的，两个半导体材料之间的差异很小。那么我们从中得出结论是什么？通过控制电流准确地调节LED亮度是相当容易的，并且通过控制电压来精确调节亮度是非常困难的。该怎么办？当然，带来一些负面反馈！我们可以使用DAC电压作为负反馈放大器的输入，该输入放大器基于电流流过LED的电流调节其输出电压（当前信息可以通过串联电阻测量）。现在我们有一个简单，可预测的电压和亮度的关系。

这个LED的例子是无数不希望实现开环(即无反馈)控制或完全不切实际的情况之一。想想温度调节:开环控制如何可能考虑到所有影响温度的因素，比如客厅的温度?天气情况，门窗，居住人数. . . .但正如无处不在的普通恒温器所证明的那样，只要有一点负面反馈，问题就变得几乎微不足道。

通用反馈放大器

在你看这个图表时，尝试花一点时间来欣赏否定的负面反馈。

通过简单地减去实际输出值(乘以β）从参考信号和使用结果作为输入到开环放大器的输入，我们可以精确控制负载，即使输入到输出关系不一致或复杂。

这里的关键参数是一个和β．绿色斜体标签表示流经系统的信号的变量名;我们使用单词(本文中也用斜体)而不是下标变量，希望将来的分析不会显得比实际更不直观。(我们保留一个和β但是，因为反馈放大器只是没有反馈放大器而没有一个和β）

所以究竟是什么一个和β？没什么好说的一个：在没有反馈的情况下，整体系统将适用的放大。在运算放大器电路的上下文中 - 比较特别适用，因为OP-AMP是理论反馈放大器的直接表现形式 -一个对应于OP-AMP的开环增益。β不是很直接:反馈因素β确定将大量输出信号馈送回减法节点。你可以想到β的百分比(用小数表示)输出从中减去了控制．当您在基本的非变换运算放大器电路方面思考时，这应该变得更加清晰：

我们用于设置增益的两个电阻仅仅是一个分频器网络，该分频器网络将一个百分比的输出应用于OP-AMP的反相终端。输出电阻上的电压由比率r表示₁/（r.₁+ R.₂），乘以电阻对两端的电压。因此，百分比（表示为小数）输出反馈并减去了控制即:，反馈因子β-is r.₁/（r.₁+ R.₂)．培养对这个概念的直观理解是值得的，因为β当我们讨论稳定时，将在未来的文章中突出。

另一个票据一个和β：他们不需要常量，如一个= 10.⁶和β= 0.1。它们也可以表示为频率的函数，这意味着价值一个或者β根据信号通过放大器系统的频率而变化。这与一个-内部补偿运放的开环增益开始滚下频率低至0.1 Hz!

关闭循环

现在，我们将简要介绍一些突出的关系和公式，帮助我们进一步了解和分析反馈放大器的行为。首先是数学定义β：

\[feedback\ =\ \beta\times output，\ \ \ \ \ \ \beta=\frac{feedback}{output}\]

这只是我们在前一节中描述的内容的符号表达式。接下来是输入和输出，从上面所示的一般反馈结构图中显而易见：

\ [输出\ = \ a \ times输入\]

有趣的是闭环增益的等式（g_CL)，即考虑负反馈影响时放大器系统的总增益。

\ [g_ {cl} = \ frac {输出} {contole} = \ frac {a \ times输入} {input +反馈} = \ frac {a \ times输入} {输入+ \ left（\ beta \ times输出\ light）} = \ frac {输入\ left（a \ lexte）} {输入\ left（1+ \ beta \ frac {输出} {输入}右）} = \ frac {a} {1 + a \ beta} \]

这种关系很简单，但它变得更好。在典型的反馈放大器应用中，数量Aβ.（称为“循环增益”）远远大于1 - 例如，具有10的开环OP-AMP增益⁶和0.1的反馈因子，环增益为10⁵．因此，我们可以将闭环增益表达式简化为:

\ [G_ {CL} = \压裂{一}{1 +β\}\大约\压裂{一}{\β}= \压裂{1}{β\}\]

在这里，我们完全看出我们对OP-AMP电路的经验的预期：增益仅取决于β．再次在上面显示的非变换运算放大器电路中查看;当我们记得标准非变速器放大器的增益方程（G_你) = 1 + (R₂/ R₁）：

\ [G_{倪}= 1 + \压裂{R_2} {R_1 },\ \ \ \ \ \ G_ {CL} = \压裂{1}{\β}= \压裂{R_1 + R_2} {R_1} = \ \压裂压裂{R_1} {R_1} + {R_2} {R_1} = 1 + \压裂{R_2} {R_1} \]

结论

在引入负反馈和使用它的一般动机后，我们提出了一种理论模型，有助于我们分析负反馈放大器的特定特性。然后，我们使用了一点数学来展示掺入负反馈的最突出的好处 - 即，对于所有实际目的，系统的总增益是完全由构成反馈的外部组件的简单（和精确的话）来完全确定。网络。在下一篇文章中，我们将探讨一些额外的方式，其中负反馈可以提高放大器电路的性能。

下一篇文章串联：负反馈，第2部分：提高增益灵敏度和带宽