科普系列——浅谈负反馈

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浅谈负反馈

在很多关于放大器的讨论和商品宣传中都提到了负反馈这个名词，多数的评价都是负面的，说它是导致音质变差的元凶。那么什么是负反馈？负反馈电路是如何工作的？有那些类型的负反馈？负反馈如何会影响呢？这里用一些浅显的方法来说明这些问题，其中可能包含了我个人的一些误解或者不完善之处，欢迎指正和补充。

负反馈这个词起源并不来自与电子线路，而是来自于机械力学，常常用于振动系统中维持振幅稳定的那些措施。自从有了电子信号放大器，这个概念就被应用到电子线路上来了。起初的放大器电路并没有任何负反馈措施，后来在偶然的实验室实验中发现将放大器的输出信号反相后再送回到放大器的输入端会减小放大器的失真，并且放大器的频响也宽了，于是负反馈在放大器中的应用逐渐发展壮大，成为电子放大线路设计中运用最普遍的技术之一。
那么什么是负反馈呢？前面说过，负反馈就是把放大器的输出信号反过来，再送回到输入端去，负反馈的“负”就是把信号反过来的意思。把信号反过来，就是将输入和输出信号相减，得到的是2者之间的差别，再经过放大器的放大将这种差别送到输出端。因为是反相的信号，所以就会将输出端与输入端的差别抵消掉，也就是减少了放大器的失真。理论上电信号的传输速度非常快，因此这种抵消可以瞬间完成，难以觉察。这是负反馈可以减少失真的原理。
负反馈扩展频响是怎么回事呢？那么就要说说什么是频响了。频响的全称是频率响应，也就是说放大器对于不同频率信号的放大能力。我们知道，由于器件的限制，放大器不可能放大无限高频率的信号，一般随着频率的升高，放大器的放大倍数会逐渐下降，直到失去放大能力，当放大器对某一个频率的放大能力降低到1的时候，我们就称这个频率为这个放大器的截止频率。在实际应用中我们不会将放大器用到截止频率，因此采用另一个标准来衡量放大器的频响，即标称工作频率。这个指标是以放大器的放大能力下降到一定程度时作为放大器工作频率的极限，常见的民用电器有-3dB、-6dB等。负反馈不能改变放大器的截止频率，但是可以改变标称工作频率，也就是常说的频响。
负反馈是将输出信号反过来后送回放大器的输入端，适当调整负反馈的多少，不仅会抵消掉失真，还会抵消掉以部分输入信号，因此放大器的放大倍数就会下降了，由于这种放大倍数的下降是按照固定比例的，因此放大器在不同的频率下放大倍数的差别也会相应减小。也就是说，同原来不加负反馈的时候相比，放大器在加了负反馈后放大能力下降到规定的数值的频率要高了。负反馈的量越多，放大器的放大倍数越低，频响也就越宽。
以上就是负反馈降低放大器的失真和展宽频响的原理。
这里有一些名词需要解释一下：
增益：就是放大器的放大倍数
开环：放大器不施加负反馈
闭环：放大器施加了一定的负反馈
增益带宽积：指放大器在一定放大倍数下其频响与这个放大倍数的乘积

但是，负反馈原理仅仅是理论上的，是建立在器件的半理想化的基础上的，即只考虑了放大器增益会随频率升高而下降，没有考虑到放大器的输出信号和输入信号相比是有一定延迟的，即那个瞬间完成的抵消作用其实是不存在的。有关这个延迟的问题要讲的内容实在太多，以后有机会再讨论，这里只要知道这点就行了。
可以想象，当输入信号的频率高到一个值的时候，经过延迟的输出信号被“反过来”送回放大器的输入端，恰好和输入信号是同相的，也就是说放大器的延迟抵消了信号反相，使得负反馈变成了正反馈！那么正反馈会造成什么呢？当然是加强了输入信号，而且当放大器的放大倍数大于1的时候，这种增强会反复加强，直到达到放大器的输出极限，这就是所谓的“自激”现象，自激现象有时是灾难性的，不仅仅导致放大器不能正常工作，而且有可能导致放大器中器件的损坏或者后面负载的烧毁。因此在进行放大器的设计的时候，一定要根据放大器的工作性能来计算放大器的工作频率范围，通过各种措施来防止放大器发生自激现象。

由于有了延迟，那么负反馈抵消的就不仅仅是失真而已，还会“消灭”掉一些本不属于失真的部分。也就是说，当负反馈信号回到输入端时，这时候输入端的信号已经不是刚才的信号了，可是负反馈并不“理睬”这些，还会继续去抵消，结果是用前面的“错误”来抵消后面的“正确”，当然就出现了更大的错误，这就是所谓的“瞬态响应失真”。瞬态响应失真还会出现另一种情况，就是当信号的幅度发生突然变化的时候，负反馈信号来不及到达输入端，此时放大器处于近似于开环状态，输出会突然上升到满幅状态，产生大量输入信号中不存在的谐波失真，造成音频放大器的高频失真严重，这是负反馈经常备受指责的地方。

负反馈的问题还有另外一种情况，就是当放大器外的负载不是纯电阻的时候，其电感或电容会影响到放大器的输出信号，这种影响会通过负反馈送回到放大器的输入端，在多数情况下，这种负反馈是良性的，会将负载的影响减少，但是在一些特殊情况下，还是由于放大器不够快，造成了放大器的失真或者自激。

下面来总结一下负反馈的优点和缺点：
优点：
1、减小失真
2、扩展频响
3、稳定放大器的静态输出电压
4、降低放大器的动态输出阻抗，适应不同的负载
5、通过负反馈可以比较方便地调整放大器的闭环增益。
缺点：
1、为放大器自激提供了可能性
2、产生瞬态失真
3、对容性、感性负载的驱动有一定局限性。
4、放大器的开环增益有限，会影响到负反馈的精度

可以说，现代的晶体管放大器技术中，不可避免的需要用到各种形式的负反馈。从负反馈信号的种类来分可分为电压型负反馈和电流型负反馈，顾名思义，就是放大器的反馈信号是电流型号还是电压信号；从放大器放大信号的类型分有直流负反馈和交流负反馈；从负反馈的回路上分有局部负反馈和大环路负反馈之分；从负反馈量的大小分有深度负反馈和浅度负反馈。如何合理使用负反馈，充分利用负反馈的优点，尽量避免负反馈的缺点，是放大器电路设计中需要仔细研究推敲的地方，一般来说，有下面一些方法：
1、限制输入信号的频率范围，避免放大器产生自激
2、尽量减少放大器的放大级数，以减少放大器的延迟
3、尽量多采用局部负反馈，使得放大器各级失真减少，以尽量减少大环路负反馈甚至取消大环路负反馈
4、采用性能优良的器件以及考究的线路工艺，使得放大器的延迟缩短
5、采用必要的外部吸收网络来消除负载的电容或电感对放大器的影响
6、对负反馈的深度加以控制，使得负反馈对输入信号的不良影响尽量减小
7、提高放大器的开环性能，使得负反馈可以减少（同前面几项有重复的地方）


负反馈技术是现代放大器设计技术的精髓，几乎没有任何一款放大器不采用负反馈技术。负反馈不是放大器性能不好的元凶，真正的元凶是对负反馈技术的不合理运用和器件的非理想化。