1.3 負反饋改善放大器性能

負反饋電路通過降低放大器的放大倍數換取放大器諸多性能的改善，放大器中加入負反饋的根本目的是改善放大器的性能。

負反饋電路可以改善放大器的工作穩定性，減小受溫度等因素的影響；可以降低放大器的噪聲，減小放大器的非線性失真。擴展放大器的頻帶等。

1.3.1 放大器的放大倍數

放大器的性能參數很多，不同放大器對各性能參數的要求也不同，這里只介紹一些常用參數。

放大倍數是表征放大器對信號放大能力的一個重要參數，放大倍數共有下列3種。

（1）電壓放大倍數，它表示了對信號電壓的放大能力；

（2）電流放大倍數，它表示了對信號電流的放大能力；

（3）功率放大倍數，它表示了對信號功率的放大能力。

放大器的放大倍數有下列兩種表示方式。放大了多少倍，這種表示方式的單位為倍；用增益表示，單位是分貝（用dB表示）。

1．電壓放大倍數

圖1-81所示是放大器電壓放大倍數示意圖，電路中Ui是放大器輸入信號電壓，Uo是放大器輸出信號電壓。

（1）倍數表示法。放大器電壓放大倍數的定義公式如下：

式中：AV為放大器的電壓放大倍數；Uo為放大器的輸出信號電壓；Ui為放大器的輸入信號電壓。

當采用上述公式計算放大器的電壓放大倍數時，單位為倍。

（2）增益表示法。當放大器的電壓放大倍數用dB表示時（常說成是放大器的電壓增益），由下列公式來計算：

2．電流放大倍數

圖1-82所示是放大器電流放大倍數示意圖，電路中Ii是放大器輸入信號電流，Io是放大器輸出信號電流。

（1）倍數表示法。放大器電流放大倍數的定義公式如下：

式中：AI為放大器的電流放大倍數；Io為放大器的輸出信號電流；Ii為放大器的輸入信號電流。

當采用上述公式計算放大器的電流放大倍數時，單位為倍。

（2）增益表示法。當放大器的電流放大倍數用dB表示時（常說成是放大器的電流增益），由下列公式來計算：

3．功率放大倍數

圖1-83所示是放大器功率放大倍數示意圖，電路中Pi是放大器輸入信號功率，Po是放大器輸出信號功率。

（1）倍數表示法。放大器功率放大倍數的定義公式如下：

式中：AP為放大器的功率放大倍數；Po為放大器的輸出信號功率；Pi為放大器的輸入信號功率。

當采用上述公式計算放大器的功率放大倍數時，單位為倍。

（2）增益表示法。當放大器的功率放大倍數用dB表示時（常說成是放大器的功率增益），由下列公式來計算：

4．多級放大器的放大倍數

多級放大器中，各單級放大器的放大倍數用放大多少倍表示時，總的放大倍數為各單級放大器放大倍數的積；用增益表示時，總增益為各單級放大器增益的和，單位為dB。

對于電壓、電流和功率放大倍數的計算方法相同。

例如，有一個三級放大器，各級放大器的電壓放大倍數均為100，則這個三級放大器總的電壓放大倍數為100倍×100倍×100倍。

又例如，某三級放大器，各級放大器的電壓增益為20dB，則這一多級放大器總的增益為20+20+20=60dB。

從上述舉例可以看出，在多級放大器采用分貝表示時計算比較方便，所以常用這種方式。表1-1所示是放大器放大倍數兩種表示方式之間的換算。

5．開環增益和閉環增益

當放大器中沒有加入負反饋電路時的放大增益稱為開環增益，加入負反饋后的增益稱為閉環增益。由于負反饋降低了放大器的放大能力，所以閉環增益一定小于開環增益。

不同的負反饋量情況下放大器的閉環增益也是不同的。

1.3.2 放大器頻率響應

1．幅頻特性

圖1-84所示是幅頻特性曲線。圖中，x軸方向為信號的頻率，y軸方向為放大器的增益。

關于這一放大器幅頻特性曲線，主要說明下列幾點。

（1）在曲線的中間部分（中頻段）增益比較大而且比較平坦。

（2）曲線的右側（高頻段）隨頻率的升高而下降，這說明當信號頻率高到一定程度時，放大器的增益下降，而且頻率愈高放大器的增益愈小。

（3）曲線的左側（低頻段）隨頻率的降低而下降，這說明當信號頻率低到一定程度時，放大器的增益開始下降，而且頻率愈低增益愈小。

（4）放大器的中頻段幅頻特性比較好，低頻段和高頻段的幅頻特性都比較差，且頻率愈高或愈低，幅頻特性愈差。

2．通頻帶

由于放大器對低頻段信號和高頻段信號的放大能力低于中頻段，當頻率低到或高到一定程度時，放大器的增益已很小，放大器對這些低頻信號和高頻信號已經不存在有效放大，因而對放大器的工作頻率范圍做出規定，用通頻帶來表明放大器可以放大的信號頻率范圍。

如幅頻特性曲線所示，設放大器對中頻段信號的增益為AVO，規定當放大器增益下降到0.707AVO（比AVO下降3dB）時，放大器所對應的兩個工作頻率分別為下限頻率fL和上限頻率fH。

關于放大器的頻帶問題還要說明以下幾點。

（1）并不是放大器的頻帶愈寬愈好，最好是放大器的頻帶等于信號源的頻帶，這樣放大器只能放大有用的信號，不能放大信號源頻帶之外的干擾信號，放大器輸出的噪聲為最小。

（2）不同用途的放大器，對其頻帶寬度要求不同。

（3）許多放大器幅頻特性曲線在中頻段不是平坦的，有起伏變化，對此有相應的要求，即不平坦度為多少分貝，如圖1-85所示。

3．相頻特性

圖1-86所示是放大器的相頻特性曲線。圖中，x軸方向為信號的頻率，y軸方向為放大器對輸出信號相位的改變量。

關于放大器相頻特性主要說明下列幾點。

（1）放大器對中頻段信號不存在移相問題，而對低頻信號和高頻信號要產生附加的相移，而且頻率愈低或愈高，相移量愈大。

（2）不同用途的放大器，對放大器的相頻特性要求不同，有的要求相移量很小，有的則可以不做要求。例如，一般的音頻放大器對相頻特性沒有嚴格的要求，而在彩色電視機的色度通道中，若放大器產生相移，將影響彩色的正常還原。

1.3.3 放大器信噪比

放大器的信噪比是一項重要指標，它用來表征放大器輸出信號受其他無用信號干擾的程度。信噪比的單位是dB。

1．噪聲

噪聲也是放大器電子電路中的一種“信號”，是一種無用、有害的信號，它愈小愈好，但是放大器中不可避免地會存在噪聲，當噪聲太大時，將成為噪聲大故障。

多級放大器中，前級放大器產生的噪聲會被后級放大器作為“信號”放大，如圖1-87所示，所以在多級放大器中前級放大器的噪聲對整個放大系統的危害最大，對前級放大器要重點進行噪聲抑制。

電路中噪聲產生的主要原因如下。

（1）電路中元器件本身的噪聲。

（2）電路設計不合理產生的噪聲，如電源、地線設置不合理。

（3）外部干擾產生的噪聲。

抑制噪聲的主要措施如下。

（1）在電路的輸入回路中設置濾波器，以消除頻帶之外的各種干擾信號。

（2）精心選擇輸入放大器中的元器件，如采用低噪聲三極管作為放大管等。

（3）適當提高放大器的輸入電阻，這樣可以降低輸入端耦合電容的容量，以減小電容漏電產生的噪聲。

（4）采用各種屏蔽措施，以避免電路受外部的干擾。

（5）精心設計電路。

（6）采用一些噪聲抑制電路，如動態降噪電路。

2．信噪比

許多情況下，避開信噪比只談噪聲的大小是沒有意義的。例如，有兩個輸出功率分別為200W和2W的放大器，前者輸出功率為200W時放大器輸出的噪聲肯定比輸出功率為2W的大，但是不能說200W放大器使用時的噪聲性能沒有2W的好。因為當它輸出200W信號功率時，噪聲輸出是大的，但是它在只輸出2W時，噪聲肯定特別小。所以，用信噪比來說明更加科學。

表1-2所示是某型號集成電路放大器的信噪比指標。

1.3.4 放大器失真度

1．非線性失真

放大器在放大信號過程中，使信號的幅度大小發生了改變，這是線性的失真，是需要的，沒有這種幅度的失真，就沒有對信號的放大。

但是，放大器對信號產生幅度失真的過程中，還會使信號的變化規律產生改變，這就是放大器的非線性失真。圖1-88所示是放大器產生非線性失真的示意圖。

從圖1-88中可以看出，輸入放大器的是標準正弦波信號，它的正半周和負半周幅度大小相等，而從放大器輸出的信號已經不是一個標準的正弦波信號，負半周信號幅度大于正半周信號的幅度（稱這種失真為大小頭失真），或是其他形式的失真（如正半周波形被削去一截，稱為削頂失真），這就是不需要的失真，稱為非線性失真。

2．失真信號的頻率成分

當一個信號產生了非線性失真之后，這一失真的信號可以用一系列頻率不同、幅度不同的正弦波信號來合成。換言之，某單一頻率的信號，由于非線性失真而出現了許多新頻率的不失真信號。

一個具有非線性失真、頻率為f0的信號U0，可以用下列公式來表示：

U0=A1f0+A2(2f0)+A3(3f0)+A4(4f0)+…

式中：U0為已產生非線性失真的信號；f0為失真信號的頻率，f0又稱為基波；2f0為頻率是基頻信號2倍的不失真正弦波信號，又稱為f0的二次諧波；3f0為頻率是基頻信號3倍的不失真正弦波信號，又稱為f0的三次諧波；4f0為頻率是基頻信號4倍的不失真正弦波信號，又稱為f0的四次諧波；A1是不失真基頻信號f0的幅度；

A2是不失真的二次諧波的幅度；A3是不失真的三次諧波的幅度；A4是不失真的四次諧波的幅度。

式中只列出四次諧波，其實還有更多次的諧波，一直會到無數次諧波。在各次諧波中，前幾次的諧波幅度較大，是U0諧波中的主要成分。

3．三次諧波失真度和全諧波失真度

（1）三次諧波失真度。各次諧波中，三次諧波的危害性最大，所以可用三次諧波失真度來表示放大器的非線性失真程度。三次諧波失真度可以用下列公式來表示：

式中：D3為三次諧波失真度；A3為三次諧波幅度；A1為基波幅度。

（2）全諧波失真度。放大器的全諧波失真度等于各次諧波幅度的平方之和開根號，再與基波信號幅度之比，用百分數（%）表示。由于全諧波失真度的測試比較困難，而三次諧波的測試比較方便，所以常用三次諧波失真度。

1.3.5 放大器的輸出功率和動態范圍

1．輸出功率

對于音頻功率放大器而言，這是一項重要的指標。對于其他沒有功率輸出要求的放大器而言，這項指標意義不大。

放大器的輸出功率用來表征放大器在規定失真度下，能夠輸出的最大信號功率。

音頻放大器的輸出功率根據所用測試信號種類的不同、規定的失真度大小不同，有許多種表示方式，而且各種表示方式所得到的輸出功率指標相差較大，也就是說同一個音頻功率放大器，輸出功率指標可以有多種表示形式，如不失真輸出功率、額定輸出功率、音樂輸出功率、最大音樂輸出功率等。

輸出功率的單位是W。一般來說，放大器的輸出功率愈大愈好。

2．動態范圍

放大器的動態范圍是指放大器在保證足夠大信噪比情況下輸出的最小信號與規定失真度情況下最大輸出信號之間的工作范圍。

影響放大器動態范圍的是噪聲大小和輸出功率的大小。放大器的動態范圍單位是dB，這一范圍愈大愈好。

1.3.6 負反饋減小非線性失真

非線性失真是放大器的一項重要指標，電路設計中降低放大器的非線性失真是主要任務之一，采用負反饋電路降低放大器的非線性失真是一般放大器的重要方法。

1．放大器非線性失真過程

這里以大小頭失真為例，說明放大器失真過程。圖1-89所示是放大器非線性失真過程示意圖。輸入放大器的信號Ui是一個標準、光滑的正弦波信號，它的正半周信號和負半周信號幅度一樣大。UO是經過放大器放大后產生了失真的輸出信號，為一個大小頭失真的信號，如圖中輸出信號波形所示，它的正半周信號幅度大于負半周信號幅度（也可以是負半周信號幅度大于正半周信號幅度），說明放大器對正半周信號的放大量大于對負半周信號的放大量。這是放大器的非線性失真的一種。

2．負反饋改善放大器非線性失真

在放大器中加入負反饋電路之后，負反饋電路能夠減小放大器非線性失真。

（1）負反饋信號也失真。由于輸出信號存在正半周信號幅度大、負半周信號幅度小的失真，所以通過負反饋電路后的負反饋信號UF也存在這種正半周信號幅度大、負半周信號幅度小的失真，如圖1-90所示中的負反饋信號UF波形。

（2）凈輸入信號也失真。由于是負反饋電路，所以輸入信號Ui與負反饋信號UF之間是相減的關系。因為負反饋信號UF的正半周幅度大、負半周幅度小，所以與輸入信號Ui相減后的凈輸入信號Ul也是一個大小頭失真的信號，但是正半周幅度小、負半周幅度大，如圖1-91中Ul波形所示，與原放大器輸出信號的失真方向相反。

（3）失真量減小。由于放大器本身存在非線性失真，即對正半周信號的放大量大于對負半周信號的放大量，這樣，凈輸入信號Ul的正半周信號幅度小，得到的放大量大，而凈輸入信號Ul的負半周信號幅度大，得到的放大量小，所以經過負反饋后放大器輸出信號Uo正、負半周信號幅度相差的量減小，達到減小失真的目的。

1.3.7 負反饋擴寬放大器頻帶

在放大器中引入負反饋電路可以擴展放大器的頻帶寬度，圖1-92所示的幅頻特性曲線可以說明其中的原理。圖中，曲線A是沒有加入負反饋電路時的放大器幅頻特性曲線，曲線B是加入負反饋電路后的放大器幅頻特性曲線。

1．B曲線增益小頻帶寬

曲線A中，由于沒有加入負反饋電路，所以放大器增益比較大；曲線B中，由于加入負反饋電路，所以放大器增益比較小。

曲線A中，fL是下限頻率，fH是上限頻率，頻帶寬度為fH?fL；曲線B中，fL1是下限頻率，fH1是上限頻率，頻帶寬度為fH1?fL1。由于fL1低于fL,fH1高于fH，顯然，曲線B的頻帶寬度大于曲線A的頻帶寬度。所以，負反饋能夠擴展放大器的頻帶寬度。

2．B曲線更為平坦

放大器對中頻段信號的增益大于對低頻段信號和高頻段信號的增益，因此輸出信號中的中頻段信號幅度大于低頻段信號和高頻段信號的幅度。

加入負反饋后，放大器對它們的增益都因負反饋而減小，但是因為中頻段信號幅度大，其反饋量就大，低、高頻段信號因幅度小其反饋量就小，所以放大器對中頻段信號的增益減小得多，而對高、低頻段信號的增益減小得少，因此，加入負反饋后的幅頻特性曲線就比原來的低且平坦些，如曲線B所示。

1.3.8 負反饋降低放大器噪聲和穩定放大器工作狀態

1．負反饋降低噪聲原理

負反饋可以降低放大器電路的噪聲，其基本原理是：從負反饋作用中可知，加入負反饋電路之后，放大器的增益將下降，所以對放大器中的噪聲輸出也將減小，可以抑制放大器電路的噪聲。

2．負反饋穩定放大器工作狀態

三極管在工作時會受環境溫度、直流工作電壓波動的影響，出現基極電流微小波動的現象，這就造成了放大器工作的不夠穩定。加入負反饋可以使這一基極電流波動的幅度下降，從而達到穩定放大器工作狀態的目的。