负反馈的作用机理是,当受外在激励或外界干扰时,系统将通过负反馈抑制或者减弱这种外在激励或者干扰,而使系统达到一个新的平衡状态。负反馈系统在工作过程是一个闭环系统,而分析开环特性只是辅助理解,因为闭环系统不容易模拟,模型不直观。
在图1.1(a)所示的负反馈系统中,闭环系统函数求解过程
-----------------------------------------------------------------------------------公式1.1
输入Vin是可以理解为外在激励或外界干扰,当vin=0时,在输出vout反馈处断开,在图1.1(b)中其环路增益求解如下
-----------------------------------------------------------------------------------公式1.2
系统的稳定性。在公式1.2中,如果AF=-1,即phase(AF)=180度,同时|AF|>1,环路增益由原本的负反馈,变为正反馈,且环路增益大于1,系统不稳定。同样地,在公式1.1中,如果AF=-1,即phase(AF)=180度,|AF|=1,输入输出增益将趋于无穷大,系统不稳定。
怎么理解在公式1.1中,phase(AF)=180度,|AF|>1的情况?其实,系统不稳定的根本原因是公式1.2,而非公式1.1。
开环特性分析闭环系统的稳定性。系统的反馈系数F,一般是由电阻分压等电路结构决定,在整个频率范围几乎可能认为是一个恒定值。而系统的开环增益A,一般是指运放的开环增益,由于存在寄生效应,存在零极点,以及PVT等影响,其相位和幅度在整个频率范围一直在变化,有可能造成系统不稳定。由于反馈系数F的取值最大的情况为1,而根据系统开环增益随频率变化的趋势,在系统的反馈系数为最大时,即F=1,情况是最恶劣的。因此,一般通过分析系统的开环增益特性,避免出现phase(A)=180度,同时|A|>1,来保证系统的稳定性。
在公式1.1中,如果系统的开环增益A很大,|AF|>>1,则闭环系统的输入输出增益可近似为1/F。当存在外在激励vin时,经过一段时间,系统回到的一个新的稳定状态,这个稳定状态跟最初没有外在激励vin的稳定状态是不同的。只是说负反馈机制减弱了外在激励对系统的影响。当负反馈系数F=1,输入对输出的影响最小,系统重新稳定后,输出vout等于输入vin,即vout=vin。而负反馈系数F<1,系统重新稳定之后,输出vout等于输入vin的数倍,即vout=vin/F。
几种常见的反馈类型及应
根据反馈支路在输出端是引电压还是电流,在输入端如何与输入信号叠加,串联还是并联,反馈类型共有四类,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈。
电压串联负反馈如图1.2(a)所示,反馈电路检测的是输出端的电压,在输入端与输入信号以电压的形式叠加。最常见的应用如图1.2(b)所示的单位增益放大器,当系统稳定时,系统的输出等于输入,即vout=vin。电压串联负反馈的特点是电压增益和输出阻抗缩小为原来的1/(1+FA),输入阻抗增加为原来的(1+FA)倍。
电流串联负反馈如图1.3(a)所示,反馈电路检测的是输出端的电流,在输入端与输入信号以电压的形式叠加。其特点是跨导增益缩小为原来的1/(1+FGm),输出阻抗和输入阻抗增加为原来的(1+FGm)倍。
电压并联负反馈如图1.3(b)所示,反馈电路检测的是输出端的电压,在输入端与输入信号以电流的形式叠加。其特点是电阻增益、输出阻抗和输入阻抗缩小为原来的1/(1+FRm)。
电流并联负反馈如图1.3(c)所示,反馈电路检测的是输出端的电流,在输入端与输入信号以电流的形式叠加。其特点是电流增益和输入阻抗缩小为原来的1/(1+FA),输出阻抗增加为原来的(1+FA)倍。
如何直观理解负反馈系统输出阻抗和输入阻抗的变化?