什么是负反馈电路?
反馈是电子技术中的一个重要概念。它是指电子系统的输出量(电压或电流)的一部分,经过一定的电路送回到它的输入端。如果送回的信号加强了原信号,就称为正反馈,反之,则称为负反馈。
根据反馈电路与输入及输出电路的连接方式,负反馈可以归纳为以下四路类型:(1)串联电流负反馈;(2)串联电压负反馈;(3)并联电压负反馈;(4)并联电流负反馈。在放大电路中接入负反馈后可使放大电路放大倍数的稳定性、非线性失真和频率特性等多项性能都得到改善。故负反馈广泛应用于自动控制系统及各种放大电路中。如电视机中的AGC电路就是负反馈电路,视放级也设计为电流负反馈电路以稳定工作点及补偿频响等用。
正反馈可以提高放大倍数,故也得到了广泛应用。如彩电开关电源电路及行、场振荡电路都采用了正反馈电路。
此外还有一种寄生反馈,是指因为某种杂散参数(杂散电容和杂散电感),或电源内阻的存在,将输出信号反馈到输入端。寄生反馈是附加的,有害的。它的存在会导致电路不能正常工作。因此,在电视中的高放电路中,在高放管的基极和集电极两端就加了中和电容,以抵消寄生反馈。
在很多关于放大器的讨论和商品宣传中都提到了负反馈这个名词,多数的评价都是负面的,说它是导致音质变差的元凶。那么什么是负反馈?负反馈电路是如何工作的?有那些类型的负反馈?负反馈如何会影响呢?这里用一些浅显的方法来说明这些问题,其中可能包含了我个人的一些误解或者不完善之处,欢迎指正和补充。
负反馈这个词起源并不来自与电子线路,而是来自于机械力学,常常用于振动系统中维持振幅稳定的那些措施。自从有了电子信号放大器,这个概念就被应用到电子线路上来了。起初的放大器电路并没有任何负反馈措施,后来在偶然的实验室实验中发现将放大器的输出信号反相后再送回到放大器的输入端会减小放大器的失真,并且放大器的频响也宽了,于是负反馈在放大器中的应用逐渐发展壮大,成为电子放大线路设计中运用最普遍的技术之一。
那么什么是负反馈呢?前面说过,负反馈就是把放大器的输出信号反过来,再送回到输入端去,负反馈的“负”就是把信号反过来的意思。把信号反过来,就是将输入和输出信号相减,得到的是2者之间的差别,再经过放大器的放大将这种差别送到输出端。因为是反相的信号,所以就会将输出端与输入端的差别抵消掉,也就是减少了放大器的失真。理论上电信号的传输速度非常快,因此这种抵消可以瞬间完成,难以觉察。这是负反馈可以减少失真的原理。
负反馈扩展频响是怎么回事呢?那么就要说说什么是频响了。频响的全称是频率响应,也就是说放大器对于不同频率信号的放大能力。我们知道,由于器件的限制,放大器不可能放大无限高频率的信号,一般随着频率的升高,放大器的放大倍数会逐渐下降,直到失去放大能力,当放大器对某一个频率的放大能力降低到1的时候,我们就称这个频率为这个放大器的截止频率。在实际应用中我们不会将放大器用到截止频率,因此采用另一个标准来衡量放大器的频响,即标称工作频率。这个指标是以放大器的放大能力下降到一定程度时作为放大器工作频率的极限,常见的民用电器有-3dB、-6dB等。负反馈不能改变放大器的截止频率,但是可以改变标称工作频率,也就是常说的频响。
负反馈是将输出信号反过来后送回放大器的输入端,适当调整负反馈的多少,不仅会抵消掉失真,还会抵消掉以部分输入信号,因此放大器的放大倍数就会下降了,由于这种放大倍数的下降是按照固定比例的,因此放大器在不同的频率下放大倍数的差别也会相应减小。也就是说,同原来不加负反馈的时候相比,放大器在加了负反馈后放大能力下降到规定的数值的频率要高了。负反馈的量越多,放大器的放大倍数越低,频响也就越宽。
以上就是负反馈降低放大器的失真和展宽频响的原理。
这里有一些名词需要解释一下:
增益:就是放大器的放大倍数
开环:放大器不施加负反馈
闭环:放大器施加了一定的负反馈
增益带宽积:指放大器在一定放大倍数下其频响与这个放大倍数的乘积
但是,负反馈原理仅仅是理论上的,是建立在器件的半理想化的基础上的,即只考虑了放大器增益会随频率升高而下降,没有考虑到放大器的输出信号和输入信号相比是有一定延迟的,即那个瞬间完成的抵消作用其实是不存在的。有关这个延迟的问题要讲的内容实在太多,以后有机会再讨论,这里只要知道这点就行了。
可以想象,当输入信号的频率高到一个值的时候,经过延迟的输出信号被“反过来”送回放大器的输入端,恰好和输入信号是同相的,也就是说放大器的延迟抵消了信号反相,使得负反馈变成了正反馈!那么正反馈会造成什么呢?当然是加强了输入信号,而且当放大器的放大倍数大于1的时候,这种增强会反复加强,直到达到放大器的输出极限,这就是所谓的“自激”现象,自激现象有时是灾难性的,不仅仅导致放大器不能正常工作,而且有可能导致放大器中器件的损坏或者后面负载的烧毁。因此在进行放大器的设计的时候,一定要根据放大器的工作性能来计算放大器的工作频率范围,通过各种措施来防止放大器发生自激现象。
输出信号与输入信号的数分成正比的电路,称为微分电路。 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波,此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分,即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关(即电路的时间常数),R*C越小,尖脉冲波形越尖,反之则宽。此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度,否则就失去了波形变换的作用,变为一般的RC耦合电路了,一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。
输出信号与输入信号的积分成正比的电路,称为积分电路。当输入信号电压加在输入端时,电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。 积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单,都是基于电容的冲放电原理,这里就不详细说了,这里要提的是电路的时间常数R*C,构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
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