每天学习一点：负反馈电路，第3部分：改善噪声，线性和阻抗

pepsicola88 · 发表于 2019-6-3 13:37:01

您可以使用负反馈来提高放大器的信噪比，减少其非线性失真，并改善其输入和输出阻抗特性。

这是第一篇文章中的图表，这样您每次想要思考一般反馈结构时都不必切换页面：

鲜为人知的好处

很难完全没有意识到前一篇文章中讨论的负反馈电路的好处。即使你还没有研究增益减敏和带宽扩展的理论性质，你可能从运算放大器的经验中知道，负反馈放大器电路的好处：

1）不受正在使用的特定运算放大器的开环增益的显着影响；

2）由增益带宽积的控制，该乘积告诉您运算放大器是否能够以您选择的闭环增益提供足够的带宽。

但为了使这个讨论更加全面，我们需要考虑其他三种方式，其中负反馈可以显着提高放大器的性能。

然而，这些有益的特性比前两个更微妙和专业。为什么？主要是因为现在放大器和工程师之间的所有相互作用都由运算放大器主导，而这些其他三个好处并不直接或普遍适用于标准运算放大器电路;随着我们这个系列文章的讲解，其原因将变得更加清晰。

提高您的SNR

我们通常认为反馈放大器会增加电路中的噪声量 - 毕竟，运算放大器会受到输入电压噪声和输入电流噪声的影响，外部电阻也会产生约翰逊噪声。然而，在特殊情况下，我们可以通过添加另一个放大器和大量负反馈来增加现有放大器输出端的信噪比（SNR）。特殊情况如下：如果您从嘈杂（通常是低电压增益）放大器开始，您可以在噪声放大器前放置一个低噪声，高电压增益放大器，并在两个放大器的周围应用负反馈电路设计，这样做的结果是SNR的显着改善。

下图是初始场景的直观表示：

如您所见，我们已将噪声放大器建模为与输入信号中添加的噪声电压串联的增益AHP。我们将增益称为AHP，因为这种降噪技术的典型应用涉及一个高功率输出放大器，后面是一个低噪声前置放大器（用ALN表示）。从上图中我们看到输入信号的SNR是Vsignal / Vnoise，并且由于这两个项被AHP均等地放大，因此输出SNR也是Vsignal / Vnoise。

现在我们需要在噪声放大器前面放置一个低噪声放大器。我知道你在想什么：为了善良，为什么不首先选择低噪音放大器呢？嗯，事实证明，使用从其（可能是滤波不良的）高瓦特数（即高功率）电源吸收大量电流的放大器很难（或昂贵）保持良好的噪声性能。因此，这种基于反馈的降噪技术本质上是一种利用低功率放大器的卓越噪声性能来降低高功率放大器引入的噪声影响的方法。所以下图是这种新的电路模型：

回想一下负反馈放大器的闭环增益公式：

新电路模型的环路增益（对应于通用公式中的Aβ）是ALN*AHP*β，我们需要进一步修改输入 - 输出关系以解释Vsignal乘以ALN和AHP的事实，但Vnoise是仅乘以AHP。这是结果：

从该等式中消除的重要一点是输出电压包括噪声信号和原始输入信号，但是信号分量比噪声分量大ALN因子。因此，信噪比已经乘以了ALN：

这是一个重要的结果，因为几乎没有麻烦和代价，我们可以大大提高信噪比;但请记住，前置放大器的增益不能高到导致信号超过功率放大器电源电压所确定的输入电压限制。此外，由AHP表示的功率放大器级通常具有单位的电压增益;其目的是为负载提供高电流，而不是增加电压幅度。因此，我们选择β= 1来实现SNR改善，同时保持适当的总增益。

处理失真

理想的放大器可为任何输入信号提供一致的增益。我们已经看到，随着输入频率的增加，实际放大器最终会失去增益。实际放大器电路的另一个标准特征是非线性失真，这是非理想放大器对不同幅度的输入信号表现出不同增益量的结果。我们不会讨论这个主题的数学细节，但我们可以从直觉中得出结论，负反馈将减少放大器的非线性失真：如果反馈导致闭环响应仅部分取决于放大器的开环增益，因此闭环响应仅受放大器失真特性的部分影响。

因此，向放大器添加负反馈实际上减少了输出信号中的非线性失真量。如果您发现这个令人惊讶或新颖的结论，请记住我们在文章开头所说的关于这些“鲜为人知的好处”的内容：它们并非直接或普遍适用于所有的运算放大器电路。在失真的情况下，我们不考虑反馈的影响，因为假设运算放大器将始终用于反馈配置。换句话说，运算放大器本身的失真在很大程度上是无关紧要的。这一事实在下面的模拟器件AD8044放大器图中很明显：

如您所见，失真规格是针对各种闭环增益而给出的，但不适用于开环增益。

以下电路演示了非线性失真是什么，以及负反馈可以减少它的直接方式。第一个电路是一个单位增益运算放大器来驱动B类输出级。

现在看一下输入电压从-3 V增加到+3 V时的输出电压：

除了死区之外，输入 - 输出关系是一致的，其中控制电压不足以导通NPN晶体管或低到足以导通PNP晶体管。这是失真的一个例子，因为增益根据输入信号的幅度而变化。通过结合B类放大级输出的负反馈，我们几乎可以完全消除这种失真：

您无法看到Vcontrol跟踪，因为它正好位于Vout跟踪下方。因此，负反馈不仅消除了失真，而且还消除了控制和输出之间的偏移（由晶体管的基极 - 发射极电压降引起）。

提高阻抗。。。有时需要

通常，放大器应具有高输入阻抗和低输出阻抗，这种设计确保了在驱动放大器的电路的阻抗上电压降低最小，并且大部分输出电压被输送到负载。到目前为止，负反馈既可以增加输入阻抗又可以降低输出阻抗也就不足为奇了。当你发现阻抗增加或减少的因素是一个熟悉的数量时，你可能会再次感到惊讶：（1 +Aβ）。想象一下，我们决定使用运算放大器作为开环放大器。

输入阻抗计算为（正输入端电压） - （负输入端电压）除以输入电流：

在这种情况下，负输入端的电压为0 V，有效输入阻抗只是运算放大器的开环输入阻抗RinOL。现在假设我们切换到闭环配置：

负端子的电压不再是0 V而是（Vin +×GCL）×β：

因此，

因此，带反馈的有效输入阻抗（RinFB）是：

类似的（虽然有些更复杂的分析）可以证明输出阻抗降低了相同的因子：

最后一个重要注意事项：精明的读者可能想知道为什么标准的反相运算放大器电路因其低输入阻抗而闻名 - 负反馈对阻抗特性有益吗？嗯，实际上有四种负反馈拓扑，这种阻抗分析并不适用于所有四种。它适用于“串联 - 并联”拓扑，其中标准的非反相运算放大器电路就是一个例子。但是，它不适用于属于“并联 - 并联”拓扑的标准反相运算放大器电路。

结论

我们现在已经非常令人满意地阐述了负反馈可以赋予放大器电路的好处。在下一篇文章中，我们将探讨一个更令人振奋的话题：稳定性；敬请关注！

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