8.4 负反馈对放大器性能的影响
8.4 负反馈对放大器性能的影响
由前面的讨论我们已经知道，负反馈可以稳定相应的输出变量，还可改变输入、输出电阻。这些都是我们所需要的。其实负反馈的效果还不止这些，引入负反馈还会使放大倍数稳定，展宽通频带，减小非线性失真等。因此，在实际放大电路中通常都要引入负反馈。当然，这些性能的改善都是以降低放大倍数为代价的。下面分别加以讨论。
8.4.1 提高放大倍数的稳定性
放大器的放大倍数是由电路元件的参数决定的。若元件老化或更换、电源不稳、负载变化或环境温度变化，则可能引起放大器的放大倍数变化。为此，通常都要在放大器中引入负反馈，用以提高放大倍数的稳定性。
负反馈之所以能够提高放大倍数的稳定性，是因为负反馈对相应的输出量有自动调节作用。比如，引入了电压串联负反馈，当放大倍数由于某种原因增大时，会使输出电压增大，反馈电压也随之增大，便使净输入电压减小。从而抑制了输出电压的增大，也就是稳定了放大倍数。
为了从数量上分析负反馈对放大倍数稳定性的贡献，设未引入负反馈时，放大倍数的相对变化量为 
，引入负反馈后，相对变化量为
。若A、F为实数，则
（8.4.1）
对其求导有
（8.4.2）
即 
（8.4.3）
所以 
（8.4.4）
上式表明，负反馈放大器的闭环放大倍数的相对变化量
是开环放大倍数相对变化量
的1/(1+AF)，也就是说，负反馈的引入使放大器的放大倍数稳定性提高到了（1+AF）倍。
8.4.2 展宽通频带
无反馈时，由于电路中电抗元件的存在，以及寄生电容和晶体管结电容的存在，会造成放大器放大倍数随频率而变，使中频段放大倍数较大，而高频段和低频段放大倍数较小，放大电路的幅频特性如图8-13所示。图中fH、fL分别为上限频率和下限频率，其通频带
较窄。加入负反馈使放大器的闭环通频带比开环时较宽。关于这一点，可以定性为：在放大器频率特性的低频段和高频段，输出信号减少，反馈信号也随之减少，净输入信号相对增大，从而使放大器输出信号的下降程度减少，放大倍数相应提高。上、下限频率分别向高、低频段扩展了（1+AF）倍。
图8-13 负反馈扩展放大器的同频带
扩展后的上、下限频率为
（8.4.5）
（8.4.6）
通常在放大电路中，可近似认为通频带只取决于上限截止频率，所以闭环通频带
（8.4.7）
所以
（8.4.8）
上式的结论适用于单级放大器。对于多级放大器，负反馈可扩展通频带，但展宽为开环带宽fBW的（1+AF）倍的结论不成立。
8.4.3 减小非线性失真
由于放大电路中元件（如晶体管）具有非线性，因而会引起非线性失真。一个无反馈的放大器，即使设置了合适的静态工作点，但当输入信号较大时，仍会使输出信号波形产生非线性失真。引入负反馈后，这种失真可以减小。
图8-14为负反馈减小非线性失真示意图。图（a）中，输入信号
为标准正弦波，经基本放大器放大后的输出信号
产生了前半周大、后半周小的非线性失真。若引入了负反馈，如图（b）所示，失真的输出波形反馈到输入端，在反馈系数不变的前提下，反馈信号
也将是前半周大、后半周小，与
的失真情况相似。这样，失真了的反馈信号
与原输入信号
在输入端叠加，产生的净输入信号
就会是前半周小、后半周大的波形。这样的净输入信号经基本放大器放大后，由于净输入信号的“前半周小、后半周大”与基本放大器的“前半周大、后半周小”二者相互补偿，因而可使输出的波形前后两半幅度趋于一致，接近原输入的标准正弦波，从而减小了非线性失真。
（a）无反馈 （b）有负反馈
图8-14 负反馈减小非线性失真
8.4.4 改变输入电阻和输出电阻
1．负反馈对输入电阻的影响
根据反馈在输入端连接的方式，可以分为串联反馈和并联反馈。这两种负反馈电路对输入电阻的影响是不同的。
（1）串联负反馈使输入电阻提高。对于串联负反馈，输入端各个信号相互之间的关系如图8-15所示，无反馈时，开环输入电阻为
（8.4.9）
闭环输入电阻
（8.4.10）
上式表明，串联负反馈使闭环输入电阻
比开环输入电阻
增大(1+FA)倍。
（2）并联负反馈使输入电阻减小。对于并联负反馈，放大器输入端各个信号相互之间的关系如图8-16所示。
图8-15 串联负反馈方框图 图8-16 并联负反馈的方框图
开环输入电阻
（8.4.11）
闭环输入电阻
（8.4.12）
上式表明，并联负反馈使闭环输入电阻
减少为开环输入电阻
的
。放大电路的负反馈对输入电阻的影响只取决于放大器输入端的连接方式是串联负反馈，还是并联负反馈，而与放大器输出端的连接方式——电压负反馈还是电流负反馈无关。
2．负反馈对输出电阻的影响
负反馈对输出电阻的影响仅取决于放大器输出端的连接方式，而与输入端的连接方式无关。
（1）电压负反馈使输出电阻减小。图8-17是电压负反馈的方框图，按照输出电阻的定义，求输出电阻
时应去掉输入信号（即令
=0），断开负载电阻（即令
），在输出端向放大器施加一个电压
，则
与它为放大器所提供的电流
的比值就是输出电阻
。
为了计算
与
的比值，需要用戴维南定理对此方框图中的开环放大器作等效处理。开环放大器对它自己的输出端而言，应等效为一个电压源，该电压源的内阻即为开环放大器的输出电阻
，该电压源的电压即为开环放大器输出端上的开路电压，也就是负载开路时的输出电压。因此，这个开路电压应等于开环放大器的输入信号
及与放大倍数
的乘积
，这里
为开环放大器负载开路时的放大倍数。由于理想情况下，反馈网络只从输出端上获取输出信号（这里是电压），而对开环放大器没有负载效应，故反馈网络的输入端为开路。
（8.4.13）
（8.4.14）
（8.4.15）
图8-17 电压负反馈方框图
可见，引入电压负反馈后可使输出电阻减小到
。不同的反馈形式其A、F的含义不同。串联电压负反馈
（8.4.16）
（8.4.17）
并联电压负反馈
（8.4.18）
（8.4.19）
（2）电流负反馈使输出电阻增大。在输入量不变的条件下，电流负反馈使输出电流保持稳定。若将放大器输出端等效成受控电流源，输出电阻即是与受控恒流源并联的内阻，电流负反馈使放大器更加趋向于受控恒流源（对于理想恒流源，
），所以增大了输出电阻。求解电流负反馈放大器的输出电阻如图8-18所示。采用与上面类似的方法可以求出
。令Xi=0，并且忽略
在反馈网络F上的压降时，有
（8.4.20）
因为
（8.4.21）
所以
（8.4.22）
（8.4.23）
（8.4.24）
（A为RL=0时的短路开环放大倍数）
图8-18 电流负反馈方框图
所以，电流负反馈使闭环输出电阻rof比开环输出电阻ro增大了（1+AF）倍。
综上所示，负反馈对放大器性能的改善均与反馈深度（1+AF）有关，并以放大倍数降低作为代价。