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：

電阻Rc固定不變，當正波導致了電流 Ic 上升，

那么，電阻的電壓降也會上升，則 C點的電壓此時為：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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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