【PCB工藝】運放電路中的負反饋機制

通過運算方法器電路設計詳細解釋負反饋機制(Negative Feedback)

負反饋 是控制系統、電子電路、神經系統等多個領域中非常核心的概念。特別在運算放大器(Op-Amp)電路中,負反饋是實現精確控制和高穩定性的關鍵機制。

什么是負反饋?

負反饋是指:將輸出信號的一部分反向送回輸入端,從而抑制原始輸入的變化。

通俗解釋:* 如果輸出`上升`,反饋使其`下降`* 如果輸出`下降`,反饋使其`上升`
最終使系統趨于`穩定`或達到某個特定的目標狀態。
負反饋的作用和好處
優點說明
穩定系統抑制輸出過度變化,防止振蕩
提高線性度輸出更準確可控
降低增益依賴整體增益由反饋結構決定,而非由放大器本身決定
提高帶寬帶寬隨反饋增大而擴大
降低失真負反饋降低非線性失真,提高信號保真度
負反饋的工作原理(以運放為例)

此處為一個NPN型三極管構成的運放電路,麥克風聲音通過左邊的耦合電容疊加進來了交流信號,此時,意味著基極(B)的電流一定會上升或者下降(正波的時候電流 Ib 上升,負波的時候電流 Ib 下降);然而,當基極的電流發生變化時,就會影響到集電極(C)線路上的變化,下面根據電路圖,我們來看看這個變化的詳細過程:

圖1:
請添加圖片描述

電阻Rc固定不變,當正波導致了電流 Ic 上升,
在這里插入圖片描述
那么,電阻的電壓降也會上升,則 C點的電壓此時為:
在這里插入圖片描述
因為電源電壓幾乎是不變的(會隨著使用逐漸損耗),因此此時 Uc 的值減小:
在這里插入圖片描述
在放大信號的時候,我們以集電極作為輸出信號的話,通過控制基極的電流(Ib),最終使得控制集電極電壓的變化,此時變化的關系與左側進入的交流信號的關系呈反向放大的關系。

通過基極疊加進來的交流信號從而影響了集電極C點位置輸出的電壓信號,這里存在一個前提條件:基極(B)減去發射極(E)要大于0.7V,基極B - 發射極E 必須達到0.7伏的壓差才能夠導通,可是,如果按照 圖1 的接法,本身依靠交流信號的微弱電壓是不足以打開三極管的。

因而,我們需要將基極連接電源,讓它處于一個打開的狀態,那么這個時候,當外部交流信號疊加進來的時候,才能夠實現放大效果。

圖2:
請添加圖片描述
電源12V直接連接基極對于三極管而言就太大了,基極只需要0.7V就夠了,因此為基極加上一個壓降為11.3V的上拉電阻。這便是三極管運放最原始的電路設計,交流信號從左側進來后便能夠實現反向放大的效果。

這個電路在現實生活里我們幾乎是不會用的,因為這個電路存在一個非常大的缺陷,因為三極管本身是一個半導體元器件,半導體元器件都是用硅材料做的,硅元素會受到環境溫度的影響,如果環境溫度越高,β 的放大倍數越大

圖3:
請添加圖片描述
假設現在這個交流信號疊加進入了基極,我們原先計算的時候是按照 β:50倍的方式去算好的,但是由于環境溫度變化進而導致它的放大倍數上升至了 β:150 倍,這時(先看正波)波形走到中間這個位置(如圖3黃線所示)的時候,集電極的電流已經飽和了,三極管提前飽和后,正波繼續往上走,這多出來的部分交流信號對于集電極的電流都不會再變化了,因為此時集電極電流(Ic)和 電阻Rc 相應的電壓降也已經達到最大了:

圖4:
請添加圖片描述

所以此時再繼續往上走,接下來輸出的波形便會變成一條直線,呈現出這樣的狀態↓,所以,我們在使用三極管設計電路的時候必須要考慮到環境溫度的影響,由于電流飽和之后輸出的波形不完整,因此最終我們放大出來的聲音是錯誤的:

圖5:
請添加圖片描述
并且,在現實生活當中,電源的電壓本身也不是一成不變的,它本身也存在電池損耗和電壓的輕微浮動,因此只接一個上拉電阻所分出來的電壓一定也會跟著波動,基極的電壓如果太小,電流便截止了;如果基極的電壓太大,集電極的電流出現飽和,波形不完整。所以,優化此電路設計,再加上一個下拉電阻進行分壓。將進入基極的電壓鉗位住。

圖6:
請添加圖片描述
加上兩個電阻后,情況會變成什么樣呢?

首先,還是一樣,環境溫度上升, β:50 的放大倍數上升至了 β:150 倍, β 倍的放大倍數上升意味著集電極的電流(Ic)也會上升,Ic 上升意味著流向發射極(Ie)的電流也會上升(Ie = Ib + Ic 基極+集電極=發射極),發射極電流上升,由于電阻(Re)的阻值保持不變,所以電阻 Re 的電壓降會上升,Ue↑ = URe↑ + 0V,此時,基極的電壓(Ub)由于通過兩個電阻分壓的方式鉗位在 0.7V 的固定電壓值,因此 Ub 和 Ue 之間的壓差會減小,所以基極的電流 Ib↓ 下降,由于 Ib↓ 下降,所以進而會導致 集電極電流 Ic↓ 減小。

這么做的好處是,我們為此電路增加了一個負反饋機制,這么做可以把交流信號變化的不穩定因素拉下來,當波形往上走,負反饋機制將電流下拉,當溫度降低時,波形向下走,負反饋機制將電流上拉,這么接電路的好處很明顯:我們能夠更好的控制電路。這便是很經典的三極管負反饋電路的原理。

然而,這個電路還是存在缺點:因為電源始終經過電阻 Rb1 和 Rb2 ——> 接地,也就是說我們在不使用的情況下,該電路靜態狀態下消耗能量,所以我們需要進一步優化此電路,使得它既能夠節省能耗,同時又繼續保持負反饋機制。

圖7:
請添加圖片描述

在集電極 Rc 后方重新延伸一個電阻接在基極上。同樣,當環境溫度對三極管產生影響導致 β 放大倍數上升時,集電極 Ic 電流上升,根據歐姆定律可得:URc↑ = Rc x I↑,Rc 電阻不變,電流Ic↑ 上升, 電阻URc↑的電壓降上升,則 進入三極管基極的電壓 Uc↓ = vcc - URc 減小,而 Ub 直接連接三極管接地,因為 Ub 不變,Uc 減小,因此 Ub —> Uc 之間的電壓差減小,也就是說,通過 Rb 這條路線的電流 Ib↓ 會減小,因為基極的電流減小,所以集電極的 Ic↓ 也會減小(與上述原因同理,不再重復解釋),如圖7所示,該電路依然保持負反饋機制,節省了兩個電阻,并降低了功耗。

我們需要確保三極管保持著打開狀態,所以我們需要通過電阻接上電源的方式通過壓降,目的在于給三極管一個剛剛好穩定的開啟電壓,然后考慮到環境穩定會導致基極端 β 放大倍數的變化,于是要考慮它放大的范圍是否會超出它的飽和電壓,所以,我們需要給它加上一個負反饋機制,因此,我們在三極管的發射極連接電阻(圖6),或者是圖7中集電極連接基極端的方式形成負反饋,這樣的話,如果電流過大將其拉下來,如果電流太小將其拉上去。

負反饋與正反饋的區別
項目負反饋正反饋
控制方向抵消輸入變化增強輸入變化
作用穩定、線性、可控放大、觸發、不穩定
應用放大器、穩壓器比較器、震蕩器、鎖存器

例如,空調系統的恒溫控制:室溫高→停止加熱,室溫低→啟動加熱;工業控制的PID 控制器: 持續檢測偏差并調整輸出。

負反饋是一種讓系統“自我修正”的機制,使輸出穩定、線性、可控,是現代電子和控制系統的基礎。

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