使用晶體管和運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為了保持這些關(guān)鍵因素，輸出的某些部分連接回系統(tǒng)的輸入，這稱為反饋。另外，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋連接分為閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)兩類。開環(huán)控制系統(tǒng)不包含任何反饋路徑，而閉環(huán)系統(tǒng)包含用于自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的反饋路徑。

根據(jù)反饋的性質(zhì)，閉環(huán)系統(tǒng)可以再次分為兩種類型，即正反饋系統(tǒng)和負(fù)反饋系統(tǒng)。其中負(fù)反饋系統(tǒng)稱為“負(fù)反饋電路”，也稱為“負(fù)反饋”。典型的負(fù)反饋系統(tǒng)的基本框圖如下所示，其中X、Y、Z分別作為輸入、輸出和反饋回路。

電路類型

根據(jù)不同的電路設(shè)計(jì)要求，負(fù)反饋系統(tǒng)電路可以設(shè)計(jì)為多個(gè)類型，下面依次介紹使用晶體管和運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路。

1、晶體管反饋電路

用晶體管設(shè)計(jì)的電路的缺點(diǎn)是增益、失真、輸入和輸出電阻及信噪比等取決于晶體管的特性，不過可以通過引入負(fù)反饋來克服。負(fù)反饋減少了電路中的失真，并允許將輸入和輸出控制到所需的水平。

射極跟隨器電路中的反饋

射極跟隨器電路如下圖所示，晶體管的發(fā)射極通過一個(gè)電阻接地，輸出在發(fā)射極和接地電阻的并聯(lián)節(jié)點(diǎn)處測(cè)量。其中VBE是晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓降，射極跟隨器電路的負(fù)反饋操作可以表示為V in=VBE+Vout。

射極跟隨器電路的優(yōu)點(diǎn)如下：

提供電流放大而不提供任何電壓增益。

提供阻抗匹配。

共射極電路中的反饋

共發(fā)射極電路如下圖所示，晶體管的發(fā)射極通過電阻器Re接地，輸出在集電極和電源電阻器Rc的并聯(lián)節(jié)點(diǎn)處測(cè)量。當(dāng)VBE是晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓降時(shí)，共發(fā)射極電路的輸入可以給出為Vin=V BE+iERE。電路的輸出為Vout=-icRc。

電路的增益為Af =–Rc/Re。

在共發(fā)射極晶體管中引入負(fù)反饋有兩種方法，這兩種方法的電路設(shè)計(jì)下圖1、2所示：

(圖1) (圖2)

可以看到，圖1、2中的電路顯示了相同的電路，采用不同的負(fù)反饋連接方法。

2、運(yùn)算放大器反饋電路

與反饋相連的運(yùn)算放大器電路稱為“運(yùn)放反饋電路”。具有負(fù)反饋連接的運(yùn)算放大器有兩種應(yīng)用，它們是非反相運(yùn)算放大器電路反相運(yùn)算放大器電路。

非反相運(yùn)算放大器電路

非反相運(yùn)算放大器電路如下圖所示。該電路的輸入連接到運(yùn)算放大器的非反相端，反饋信號(hào)連接到反相端，反相端通過電阻接地，因此它具有高輸入阻抗。

這里可以很容易地確定同相運(yùn)算放大器的增益。由于兩個(gè)輸入端的電壓相同，運(yùn)算放大器的增益會(huì)非常高。假設(shè)沒有電流流入運(yùn)算放大器，則兩個(gè)電阻器中的電流相同。

由于電路形成分壓器電路，反相輸入端的電壓與非反相輸入端的電壓相同，這意味著Vin= Vout x R1/ (R1+R2)。非反相運(yùn)算放大器的增益可以計(jì)算為：

Vout/Vin =AV=1+R2/R1

其實(shí)，這個(gè)可以通過非反相放大器電路的操作很清楚地看出來。

非反相放大器

使用運(yùn)放的非反相放大器如下圖所示，其中輸入連接到運(yùn)放的正端或同相端。

在同相放大器中，輸出的性質(zhì)將與輸入信號(hào)的性質(zhì)相同。這意味著，如果輸入信號(hào)為正，則輸出也為正，如果輸入信號(hào)為負(fù)，則輸出也為負(fù)。

運(yùn)算放大器的增益方程

如果開環(huán)增益為AOL，則非反相運(yùn)算放大器的輸出電壓為：

VOut=AOL (Vin – V– ) – – – – – –> (1)

其中V– 是輸出電壓的函數(shù)，由電阻R1和R2形成的分壓器產(chǎn)生。由于運(yùn)算放大器的負(fù)端將具有高阻抗，因此等于：

V– =βVOut – – – – – –> (2)

其中β=R1/ (R1 + R2)。

現(xiàn)在將等式(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，則代入β的值，即可得到：VOut = Vin (1+ R1/R2 )。

反相運(yùn)算放大器電路

反相運(yùn)算放大器電路如下圖所示。該電路的輸入連接到運(yùn)算放大器的反相端子或負(fù)端子，反饋信號(hào)也連接到反相端子。與輸入信號(hào)相比，反相運(yùn)算放大器電路的輸出相位差180°，它提供了一條虛擬路徑。

在該電路中，輸入本身不消耗電流。所以電阻R1和R2中的電流是相同的。因此Vout/R2 = Vin/R1?，F(xiàn)在電路的電壓增益Av為：

Vout/Vin = Av = – R2/R1

這可以通過反相放大器電路的操作清楚地解釋。

反相放大器

使用運(yùn)放的反相放大器如下圖所示，其中輸入連接到運(yùn)放的負(fù)端或反相端。

在反相放大器中，輸出的性質(zhì)將與輸入信號(hào)的性質(zhì)相反。這意味著，如果輸入信號(hào)為正，則輸出為負(fù)，如果輸入信號(hào)為正，則輸出為負(fù)。

運(yùn)算放大器的增益方程

可以利用同相運(yùn)放電路的輸出電壓方程求出反相運(yùn)放電路的增益。

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

這里V–由Rf 和Rin形成的分壓器計(jì)算得出，它是輸入和輸出電壓(Vout 和Vin)的函數(shù)，所以等于：

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

現(xiàn)在將等式(2) 代入等式 (1)，可以得到：

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

如果開環(huán)增益 AOL的值很高，那么既有：

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

有時(shí)候，在運(yùn)算放大器的地和非反相輸出之間插入一個(gè)電阻器，以降低由于偏置電流壓降引起的輸入失調(diào)電壓，這減少了運(yùn)算放大器的失真。為了消除不需要的直流電流，可以在運(yùn)算放大器的輸入端串聯(lián)了一個(gè)隔直電容器。

主要優(yōu)點(diǎn)

可以穩(wěn)定幾乎所有類型的干擾或噪聲發(fā)生。

可以使系統(tǒng)的頻率響應(yīng)變平，并夠獲得所需的頻率響應(yīng)曲線。

對(duì)溫度和系統(tǒng)的其它外部屬性的依賴性降低。

增加了輸入電阻，降低輸出電阻。

增加輸出信號(hào)的帶寬。

降低系統(tǒng)對(duì)外部屬性的敏感性。

提供偏置點(diǎn)穩(wěn)定性和更好的CMMR。

主要缺點(diǎn)

連接負(fù)反饋會(huì)降低系統(tǒng)的整體增益。

如果電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生振蕩。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來說，在負(fù)反饋信號(hào)中，從輸入信號(hào)中減去一定量的信號(hào)以調(diào)節(jié)輸出。負(fù)反饋電路主要是防止放大電路過載，既當(dāng)輸入信號(hào)電流過大時(shí)，從放大后的輸出端反饋給輸入端一個(gè)負(fù)信號(hào)電流，從而用來抑制輸入信號(hào)電流的繼續(xù)增大。