2.7　负反馈放大电路

负反馈常常用于电子放大电路中，用来改善放大电路的工作性能。在放大电路中引入负反馈是提高放大器性能的一个重要手段。负反馈可以提高放大电路的稳定性，减小非线性失真，扩展通频带，改变电路的输入输出电阻等。负反馈在现代科技中的应用十分广泛，所有自动调节作用的系统都是通过负反馈来实现自动控制的。

2.7.1　负反馈的基本概念

1.反馈的定义

所谓反馈，就是在电子系统中把输出量（电流量或电压量）的一部分或全部以某种方式送回输入端，使原输入信号增大或减小并因此影响放大电路某些性能的过程。此时放大器（基本放大器）中的输入信号，就不再仅仅是来自信号源的输入信号，而且还包括来自输出端的反馈信号。

下面通过一个具体的例子建立反馈的概念。

图2-33是第2.4节介绍过的分压偏置静态工作点稳定电路。电路中，当电阻Rb1和Rb2选择适当，满足I1≈I2≫IBQ时，则电阻Rb1和Rb2组成的分压器使基极电位UBQ基本固定，即

此时，当环境温度上升使晶体管的参数ICBO、β、UBEQ发生变化，引起ICQ增加时，IEQ也随之增加，则UEQ=IEQRe必然增加。由于UBQ固定，则UBEQ=UBQ-UEQ将随之减小，从而使IBQ减小，ICQ也随之减小，这样就牵制了ICQ和IEQ的增加，使其基本不随温度而改变，稳定了电路的静态工作电流。其过程表示如下：

上述由输出到输入的负反馈作用结果，抑制了温度变化引起的静态工作点漂移，使静态工作点稳定，这就是负反馈改善放大器性能的一个例子。在这个电路中对负反馈的简单理解就是对集电极电流产生的变化量进行回馈，反馈至输入端去影响输入，进而调节了晶体管的净输入UBEQ，从而调节和稳定了输出。在实际的电子电路中，不仅需要直流负反馈来稳定静态工作点，更多是需要引入交流负反馈实现对交流性能的改善。

反馈现象在电子电路中普遍存在，或以显露或以隐含的形式出现。判断一个电路中是否存在反馈，要分析电路的输出回路与输入回路之间是否有起联系作用的反馈元件（网络）。图2-33所示电路中的Re就是反馈元件，因为它能将输出回路的信息（输出电流在Re上的压降）送回到输入回路。

2.反馈电路框图

要分析负反馈放大电路，就要将电路划分成基本放大电路，反馈网络，信号源等几个部分，如图2-34所示。有反馈的系统又称闭环系统，无反馈的系统又称开环系统。图中表示未引入反馈之前的基本放大电路的放大倍数（开环增益）。表示反馈网络的反馈系数。表示放大电路的输入信号、表示输出信号、表示反馈信号。它们可以是电压，也可以是电流。图中箭头表示信号的传递方向。符号⊗表示比较环节，其输出为放大电路的净输入信号，它们的关系为

式中， 是基本放大电路的放大倍数（开环放大倍数）； 是反馈网络的反馈系数。

由于净输入，若引回的反馈信号使得净输入信号减小，为负反馈；若引回的反馈信号使得净输入信号增大，为正反馈。

2.7.2　负反馈的分类

按照基本放大电路、反馈网络、信号源和负载之间的相互连接关系，根据输出采样的不同及输入比较方式的不同，负反馈可以构成4种基本组态，有电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈4种类型。

1.正反馈与负反馈

所谓负反馈，是指引入的反馈效果是削弱基本放大电路的输入信号的，即当未加入反馈时，基本放大电路的输入信号等于信号源提供的信号；当引入负反馈后，反馈信号会减小输入信号，使输入到基本放大电路的输入信号小于信号源所提供的信号。

如果反馈的效果与上述相反，反馈信号增强了输入信号，则称为正反馈。正反馈一般会造成放大电路的性能变坏，但正反馈可以用到各种振荡电路中去。

反馈放大电路的反馈极性（负反馈还是正反馈），可以用瞬时极性法来判定。

所谓瞬时极性法就是假想将时间固定在某一瞬间，逐级推出此时电路中各点的信号之间存在着确定的相位关系，再由负反馈和正反馈的定义，分析判别出反馈的性质。后面将举例说明。

2.反馈的连接形式

反馈的连接形式是指在输入端，反馈信号与输入信号的连接关系，有串联和并联两种情况。所谓串联反馈，就是在输入端，信号源与基本放大电路、反馈网络以串联的形式相连接，如图2-35（a）、（b）所示；并联反馈就是在输入端，信号源与基本放大电路、反馈网络以并联的形式相连接，如图2-35（c）、（d）所示。

串联反馈和并联反馈的判别：串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，即，以得到基本放大电路的净输入电压，所以反馈信号与输入信号加在两个不同的输入端；并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，即，以得到基本放大电路的净输入电流，所以反馈信号与输入信号加在同一个输入端。从图2-35能够看出，串联反馈电路满足的关系；并联反馈满足的关系。

3.电压反馈与电流反馈

要观察输出端。所谓电压反馈是指反馈信号取自输出电压uo；而电流反馈是指反馈信号取自输出电流io。一般地，电压反馈时，反馈信号的大小与输出电压uo成正比；电流反馈时，反馈信号的大小与输出电流io成正比。

电压反馈和电流反馈的判别：

电压反馈的反馈信号取自输出电压，反馈信号与输出电压成正比，所以反馈电路是直接从输出端引出的，如图2-35（a）、（c）所示。若假定输出端交流短路（即uo=0），则反馈信号一定消失。

电流反馈的反馈信号取自输出电流，反馈信号与输出电流成正比，所以反馈电路不是直接从输出端引出的，若输出端交流短路，反馈信号仍然存在，如图2-35（b）、（d）所示。

4.直流反馈与交流反馈

根据反馈本身的交直流性质，可分为直流反馈和交流反馈。

如果在反馈信号中只包含直流成分，则称为直流反馈；只包含交流成分，则称为交流反馈。不过，在很多情况下，交直流反馈是同时存在的。例如，图2-33中的射极旁路电容器Ce足够大时，对交流信号短路，此时Re引入的反馈为直流反馈，起稳定静态工作点的作用，而对放大电路的动态性能，如放大倍数、输入输出电阻等没有影响；当Re两端不并联电容器Ce时，Re两端的压降同时也反映了集电极电流的交流分量，因而也起交流反馈的作用。

5.反馈性质的判别

反馈极性的判别可采用瞬时极性法。先假定输入信号处于某一个瞬时极性，在电路图中（以或标记）标出，分别表示该点瞬时信号的变化为升高或降低，然后沿放大电路向后逐级标出各点极性，通过反馈网络再回到输入回路，依次推出有关各点的瞬时极性，最后判断反馈到输入端节点的反馈信号的瞬时极性是增强还是削弱了放大电路的净输入信号，增强为正反馈，否则为负反馈。

常见的晶体管电路信号相位间关系如图2-36所示。图2-36（a）是分立元件晶体管组成的放大电路，对于共射极组态，其输入电压和输出电压是反相位的。对于共射极组态（带Re）或共集电极组态，例如图2-36（b）中，其输入电压与射极电压是同相位的，称为射极跟随。

反馈的连接形式是指在输入端，反馈信号与输入信号的连接关系，有串联和并联两种情况。常见的晶体管电路前端连接关系如图2-37所示。

2.7.3　负反馈放大器典型电路

【例2-6】指出如图2-38所示放大电路中的反馈环节，判别其反馈极性和类型。

解：本题电路由两级共射极分压式放大电路组成，其中每级电路存在的反馈称为本级反馈；两级之间存在的反馈称为级间反馈。在既有本级反馈也有级间反馈的多级放大电路中，起主要作用的是级间反馈。

Rf接在第一级放大电路的输入回路和第二级放大电路的输出回路之间，是级间反馈元件，故电路中有反馈存在。由于C3的隔直作用，使得Rf只将输出端的交流电压反馈到输入回路，所以是交流反馈。

设VT1基极的瞬时极性为正，则其集电极的瞬时极性为负，VT2基极的瞬时极性也为负，VT2集电极的瞬时极性为正。经Rf反馈后，使VT1发射极的瞬间极性为正，发射极电位升高，相当于净输入ube1=ub1-ue1下降，即反馈信号与原信号极性相反，减弱输入信号，是负反馈。

若将VT2的输出端短路，则反馈信号也就消失，故为电压负反馈；再看输入端，输入信号ui和Re1上的反馈信号uf在输入回路中的关系是头尾相连接的关系（即电压串联关系），以电压的形式相减，因此属串联负反馈。由此可知，该电路属电压串联负反馈放大电路。

另外，Re1是第一级的负反馈电阻，起电流串联负反馈作用，交流负反馈与直流负反馈同时存在；Re2是第二级VT2的射极电阻，因其两端并有旁路电容器，故Re2仅起直流反馈作用，用来稳定工作点。

补充一点，请思考，如果Rf接到VT1的基极，会是怎样的反馈？（电压并联正反馈）

【例2-7】放音机磁头放大电路如图2-39所示，试说明其工作原理。

解：它为二级直接耦合放大器，在多级放大电路中，为了达到改善放大电路性能的目的，所引入的负反馈主要为级间反馈。

整个电路有4个负反馈：①两管的射极电阻（150Ω）构成本级电流串联负反馈；②150kΩ电阻Rf1构成级间直流电流并联负反馈，用以稳定静态工作点；③VT2集电极至VT1发射极中的元件Rf2、Rf3、Cf构成整个电路的电压串联负反馈，反馈电路中0.02μF为补偿电容器Cf，该电容器在高频时，容抗小，负反馈强，使放大倍数下降；在低频时，容抗大，负反馈弱，使放大倍数上升，目的是补偿磁头的低频损失造成的拾音失真，因为磁头拾音时，输入信号频率低时，感应电动势小；输入信号频率高时，感应电动势大，输入信号相应也大。

2.7.4　负反馈对放大器性能的影响

1.反馈系统的一般表达式

由图2-34可知：

式中， 是基本放大电路的放大倍数（开环放大倍数）； 是反馈网络的反馈系数。则电路的闭环放大倍数为

这是一个经典公式。由上式可见，引入反馈后，放大电路的增益改变了，改变的多少与这一因数有关，称为反馈深度。

若，则，即引入反馈后，闭环增益减小了，该反馈为负反馈；

若，则，即引入反馈后，闭环增益增大了，该反馈为正反馈。

理论分析表明，引入负反馈虽然会降低放大电路放大倍数的数值，但可以改善放大电路的各项性能指标，实际上放大电路增益并不是电路唯一的性能指标，正像人的身高并不是唯一重要的体征指标一样。

2.负反馈对放大电路的主要影响

负反馈主要影响有：

（1）提高放大电路放大倍数的稳定性，使其不随温度等因素的改变而改变。

为简化推导，假设放大电路工作于中频段，反馈网络为纯电阻性的，则、均为实数，则闭环增益可表示为

对A求导数得

整理得

上式两边分别除以Af，得

上式表明，引入负反馈后增益的相对变化量是未加反馈时增益变化量的，也就是说，引入负反馈后，增益下降了（1+AF）倍，但增益的稳定性却提高了（1+AF）倍。

【例2-8】某反馈放大电路的开环增益A=103，反馈系数F=0.02。由于温度变化使A增加了10％，求闭环增益的相对变化量。

解：　　

可见，引入反馈后增益稳定度提高了约20倍。但是，这是以牺牲放大倍数为代价的。

（2）负反馈对输入电阻的影响。放大电路的输入电阻，是从放大电路输入端看进去的交流等效电阻。而输入电阻的变化，取决于输入端的负反馈方式（串联或并联），与输出端采用的反馈方式（电流或电压）无关。具体来说有：

①引入串联负反馈，可以增大放大电路的输入电阻。

②引入并联负反馈，可以减小放大电路的输入电阻。

（3）负反馈对输出电阻的影响。放大电路的输出电阻，就是从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻。而输出电阻的变化，取决于输出端采用的反馈方式（电流或电压），而与输入端的反馈连接方式无关。

①电流负反馈使输出电阻增大。放大电路对输出端而言，可以等效成一个实际电流源，它的内阻就是放大电路的输出电阻。显然，输出电阻越大，输出电流就越稳定。因为电流负反馈可以稳定输出电流，所以，其效果就是增大了电路的输出电阻。

②电压负反馈使输出电阻减小。放大电路对输出端而言，也可以等效成一个实际电压源，它的内阻就是放大电路的输出电阻。显然，输出电阻越小，输出电压就越稳定。因为电压负反馈可以稳定输出电压，所以，其效果就是减小了电路的输出电阻。

因此，如果需要放大器的输入电阻大，就应当采用串联负反馈形式；如果需要放大器的输出电阻小，就应当引入电压负反馈。

反之，如果希望得到恒流源输出，就应当设计一个电流负反馈电路；如果希望是一个直流稳压电路，就应当引入直流的电压负反馈。

（4）负反馈能减小电路的非线性失真，克服晶体管特性曲线非线性的影响。由于晶体管的非线性特性，或静态工作点选得不合适等，当输入信号较大时，在其输出端就产生了正半周幅值大、负半周幅值小的非线性失真信号，如图2-40（a）所示。

引入负反馈后，如图2-40（b）所示，反馈信号来自输出回路，其波形也是上大下小，将它送到输入回路，使净输入信号变成上小下大，经放大，输出波形的失真获得补偿。从本质上说，负反馈是利用了“预失真”的波形来改善波形的失真，因而不能完全消除失真，并且对输入信号本身的失真不能减少。

（5）负反馈扩展了放大电路的通频带。在阻容耦合交流放大电路中，耦合电容器和旁路电容器的存在引起低频段增益下降，而晶体管极间电容和寄生电容的存在又引起高频段增益下降，使通频带变窄。引入负反馈后，由于提高了放大电路增益的稳定度，使得放大电路的增益在低频段和高频段下降的速度减缓，相当于展宽了频带，如图2-41所示。

反馈电路的类型与用途如表2-2所示。

续表

2.7.5　应用实例——万用表电路中的反馈

MF-20型万用表可测量交直流电压、电流、电阻及音频电平等多种电量，是一种灵敏度较高、多量程的指针式电工仪表。以其交流电压测量电路为例，介绍其中引入的负反馈及其对电路性能的影响。

MF-20型万用表的主要优点是内阻高，可测量小信号，其最小量程满刻度交流电压为15mV。交流电压测量电路就是为测量交流小信号而设定的，交流小信号经放大电路放大后，再经整流电路变为直流，然后由直流电流表显示被测信号的大小。交流电压测量电路如图2-42所示。

1.电路的组成

可以把该测量电路分为放大电路和整流显示电路两部分。放大部分主要由晶体管VT1～VT5组成。放大电路部分根据直流通路结构的不同可分为两个单元，第一个单元由VT1～VT3组成，第二个单元由VT4、VT5组成。两单元之间采用阻容耦合的方式。整流显示部分可分解为整流及显示两个单元。整流，简言之就是把交流电转换成直流电，其中整流单元由VD1、VD2、R19、R20组成的桥式整流电路完成整流，通过的电流可以由电位器R18进行调节；显示单元采用直流微安表，它也是整流电路的负载，C11为滤波元件。整流电路的工作原理详见第5章。

2.电路中的反馈

（1）直流通路与直流反馈。由图2-42可知，两个放大单元的直流通路由电容器C4隔开，彼此独立，即两个放大单元的静态工作点的设置互不影响，这样调整起来就比较方便。其中R6～R11为基极偏流电阻器，用来确定各晶体管的静态工作点。

直流负反馈通路：为了稳定晶体管的静态工作点，在两个单元放大电路的直流通路中都设有直流负反馈，在第一单元放大电路中，R6、R7是一个反馈支路，另一个反馈支路是由VT3发射极直接反馈到VT1发射极；此外，VT2的射极电阻R13也有局部直流反馈的作用。这些直流反馈的引入都是为了稳定第一个单元放大电路的静态工作点。同样，为了稳定第二个单元放大电路的静态工作点，在VT5的发射极至VT4的基极之间引入了直流反馈（R10）。注意，晶体管的射极电阻引入的局部反馈，既有直流负反馈的作用，又有交流负反馈的作用。

（2）交流通路与交流反馈。输入的被测交流信号ui经电容器C1耦合进入VT1放大，再经C2耦合到VT2，然后又经电容器C3耦合至VT3，完成第一单元放大电路的放大，由VT3集电极输出。VT3输出的信号经C4输入到第二单元放大电路VT4的基极，再经C5耦合到VT5，最后由VT5集电极输出经C6输送给整流电路。

交流负反馈通路：为保证万用表测量交流小信号的精度，首先要保证放大电路放大倍数的稳定性，因此在放大电路中引入了交流负反馈。从VT3发射极到VT1发射极的级间电流串联负反馈能稳定放大倍数、提高输入电阻；从VT5集电极经整流桥路到VT4发射极的负反馈，不仅可以稳定放大电路的放大倍数，还可以稳定输出电流。

上述的各种负反馈只局限于各单元放大电路内部的级与级之间，而两个单元放大电路之间不设负反馈通路，目的在于防止产生自激振荡。