【PCB工艺】运放电路中的负反馈机制

通过运算方法器电路设计详细解释负反馈机制（Negative Feedback）

负反馈 是控制系统、电子电路、神经系统等多个领域中非常核心的概念。特别在运算放大器（Op-Amp）电路中，负反馈是实现精确控制和高稳定性的关键机制。

什么是负反馈？

负反馈是指：将输出信号的一部分反向送回输入端，从而抑制原始输入的变化。

通俗解释：* 如果输出`上升`，反馈使其`下降`* 如果输出`下降`，反馈使其`上升`
最终使系统趋于`稳定`或达到某个特定的目标状态。

负反馈的作用和好处

优点	说明
稳定系统	抑制输出过度变化，防止振荡
提高线性度	输出更准确可控
降低增益依赖	整体增益由反馈结构决定，而非由放大器本身决定
提高带宽	带宽随反馈增大而扩大
降低失真	负反馈降低非线性失真，提高信号保真度

负反馈的工作原理（以运放为例）

此处为一个NPN型三极管构成的运放电路，麦克风声音通过左边的耦合电容叠加进来了交流信号，此时，意味着基极（B）的电流一定会上升或者下降（正波的时候电流 Ib 上升，负波的时候电流 Ib 下降）；然而，当基极的电流发生变化时，就会影响到集电极（C）线路上的变化，下面根据电路图，我们来看看这个变化的详细过程：

图1：

电阻Rc固定不变，当正波导致了电流 Ic 上升，

那么，电阻的电压降也会上升，则 C点的电压此时为：

因为电源电压几乎是不变的（会随着使用逐渐损耗），因此此时 Uc 的值减小：

在放大信号的时候，我们以集电极作为输出信号的话，通过控制基极的电流（Ib），最终使得控制集电极电压的变化，此时变化的关系与左侧进入的交流信号的关系呈反向放大的关系。

通过基极叠加进来的交流信号从而影响了集电极C点位置输出的电压信号，这里存在一个前提条件：基极（B）减去发射极（E）要大于0.7V，基极B - 发射极E 必须达到0.7伏的压差才能够导通，可是，如果按照 图1 的接法，本身依靠交流信号的微弱电压是不足以打开三极管的。

因而，我们需要将基极连接电源，让它处于一个打开的状态，那么这个时候，当外部交流信号叠加进来的时候，才能够实现放大效果。

图2：

电源12V直接连接基极对于三极管而言就太大了，基极只需要0.7V就够了，因此为基极加上一个压降为11.3V的上拉电阻。这便是三极管运放最原始的电路设计，交流信号从左侧进来后便能够实现反向放大的效果。

这个电路在现实生活里我们几乎是不会用的，因为这个电路存在一个非常大的缺陷，因为三极管本身是一个半导体元器件，半导体元器件都是用硅材料做的，硅元素会受到环境温度的影响，如果环境温度越高，β 的放大倍数越大。

图3：

假设现在这个交流信号叠加进入了基极，我们原先计算的时候是按照 β：50倍的方式去算好的，但是由于环境温度变化进而导致它的放大倍数上升至了 β：150 倍，这时（先看正波）波形走到中间这个位置（如图3黄线所示）的时候，集电极的电流已经饱和了，三极管提前饱和后，正波继续往上走，这多出来的部分交流信号对于集电极的电流都不会再变化了，因为此时集电极电流（Ic）和 电阻Rc 相应的电压降也已经达到最大了：

图4：

所以此时再继续往上走，接下来输出的波形便会变成一条直线，呈现出这样的状态↓，所以，我们在使用三极管设计电路的时候必须要考虑到环境温度的影响，由于电流饱和之后输出的波形不完整，因此最终我们放大出来的声音是错误的：

图5：

并且，在现实生活当中，电源的电压本身也不是一成不变的，它本身也存在电池损耗和电压的轻微浮动，因此只接一个上拉电阻所分出来的电压一定也会跟着波动，基极的电压如果太小，电流便截止了；如果基极的电压太大，集电极的电流出现饱和，波形不完整。所以，优化此电路设计，再加上一个下拉电阻进行分压。将进入基极的电压钳位住。

图6：

加上两个电阻后，情况会变成什么样呢？

首先，还是一样，环境温度上升， β：50 的放大倍数上升至了 β：150 倍， β 倍的放大倍数上升意味着集电极的电流（Ic）也会上升，Ic 上升意味着流向发射极（Ie）的电流也会上升（Ie = Ib + Ic 基极+集电极=发射极），发射极电流上升，由于电阻（Re）的阻值保持不变，所以电阻 Re 的电压降会上升，Ue↑ = URe↑ + 0V，此时，基极的电压（Ub）由于通过两个电阻分压的方式钳位在 0.7V 的固定电压值，因此 Ub 和 Ue 之间的压差会减小，所以基极的电流 Ib↓ 下降，由于 Ib↓ 下降，所以进而会导致 集电极电流 Ic↓ 减小。

这么做的好处是，我们为此电路增加了一个负反馈机制，这么做可以把交流信号变化的不稳定因素拉下来，当波形往上走，负反馈机制将电流下拉，当温度降低时，波形向下走，负反馈机制将电流上拉，这么接电路的好处很明显：我们能够更好的控制电路。这便是很经典的三极管负反馈电路的原理。

然而，这个电路还是存在缺点：因为电源始终经过电阻 Rb1 和 Rb2 ——> 接地，也就是说我们在不使用的情况下，该电路静态状态下消耗能量，所以我们需要进一步优化此电路，使得它既能够节省能耗，同时又继续保持负反馈机制。

图7：

在集电极 Rc 后方重新延伸一个电阻接在基极上。同样，当环境温度对三极管产生影响导致 β 放大倍数上升时，集电极 Ic 电流上升，根据欧姆定律可得：URc↑ = Rc x I↑，Rc 电阻不变，电流Ic↑ 上升， 电阻URc↑的电压降上升，则 进入三极管基极的电压 Uc↓ = vcc - URc 减小，而 Ub 直接连接三极管接地，因为 Ub 不变，Uc 减小，因此 Ub —> Uc 之间的电压差减小，也就是说，通过 Rb 这条路线的电流 Ib↓ 会减小，因为基极的电流减小，所以集电极的 Ic↓ 也会减小（与上述原因同理，不再重复解释），如图7所示，该电路依然保持负反馈机制，节省了两个电阻，并降低了功耗。

我们需要确保三极管保持着打开状态，所以我们需要通过电阻接上电源的方式通过压降，目的在于给三极管一个刚刚好稳定的开启电压，然后考虑到环境稳定会导致基极端 β 放大倍数的变化，于是要考虑它放大的范围是否会超出它的饱和电压，所以，我们需要给它加上一个负反馈机制，因此，我们在三极管的发射极连接电阻（图6），或者是图7中集电极连接基极端的方式形成负反馈，这样的话，如果电流过大将其拉下来，如果电流太小将其拉上去。

负反馈与正反馈的区别

项目	负反馈	正反馈
控制方向	抵消输入变化	增强输入变化
作用	稳定、线性、可控	放大、触发、不稳定
应用	放大器、稳压器	比较器、震荡器、锁存器

例如，空调系统的恒温控制：室温高→停止加热，室温低→启动加热；工业控制的PID 控制器： 持续检测偏差并调整输出。

负反馈是一种让系统“自我修正”的机制，使输出稳定、线性、可控，是现代电子和控制系统的基础。

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