唉, 說真的不要恭維我啦, 我能提供的, 多是較簡單基本的東西, 畢竟我不在相關產業; 且因我能力不足與時間有限, 能 po 出來給大家參考的東西實在是很有限哩........
解釋的部分儘我能力予以簡化, 設法讓有興趣的網友能知道是怎麼一回事, 內容不完全或是大夥兒認為需要修正的部分, 也請大家多多幫忙跟貼補充, 這樣除了減輕我的負擔外, 我也能從大夥兒的貼文學到東西; 網路討論本就是這麼一回事不是嗎, 相互交流學習.....
為何負回授在音響放大器非常重要, 甚至比啥 A AB ,B 類等電路還重要, 基本上這可以說是電子電路學的基本功之一:
負回授一般應用上大體上可分為兩種型態, 一個是電壓放大器的負回授, 一個是電流放大器的負回授 (還有兩種是轉導與轉阻, 為簡化說明這邊就不提); 在了解之前, 先簡介運算放大器 OPA, 參考電路如下圖:
|\
V1o---|+\
↗| \
△V | 〉---o Vo
↘| /
V2o---|-/
|/
在電子電路學裡為簡化計算, 假設有一種理想的放大元件, 該元件被稱為運算放大器 (Operational Amplifier), 它有幾個基本特性
1. 無限大的頻寬. BW = ∞
2. 無限大的增益. Aop = ∞
3. 輸入阻抗無限高. Zin = ∞
4. 輸出阻抗為零. Zo = 0
5. 無限大的共模排斥比. CMRR = ∞
前面四項較為一般人所知, 最後一項 "共模排斥比" CMRR (common mode rejection ratio), 其意義就是在正輸入端與負輸入端輸入同樣大小的信號, 放大器不會對其反應, 而只對兩輸入端的電壓差 △V = V1 - V2 有放大作用 (Vo = Aop * △V)..
實際上的 OPA 當然不會那麼理想, 我們暫時先忽略其限制, 先來看看負回授的推演:
閉環路電壓放大器:
|\
Vio---|+\
↗| \
△V | 〉-*-o Vo
↘| / |
+-|-/ /
| |/ \ R1
Vf| /
| |
+-------*
|
/
\ R2
/
|
---
///
因 OPA 真正放大的信號是 △V, 而 Vo = Aop * △V; 由上面電路圖看:
因 Vf 是 Vo 透過串聯電阻 R1 & R2 上的分壓而得:
Vo
Vf = ----- * R2
R1+R2
而 △V = Vi - Vf, 且 Vo = Aop * △V, 所以
Vo = Aop * (Vi - Vf)
Vo*R2
= Aop * (Vi - -----)
R1+R2
兩邊同乘 (R1+R2)
Vo(R1+R2) = Aop * Vi (R1+R2) - Aop * Vo * R2
Vo(R1+R2 + Aop*R2) = Aop * Vi (R1+R2)
Aop*Vi(R1+R2) Aop*Vi(R1+R2)
Vo = -------------- = --------------
Aop*R2 + R1+R2 R1+R2
Aop*(R2+-----)
Aop
Vi(R1+R2)
= ------------
R1+R2
R2 + -----
Aop
從上面這式子可以看到, 當 Aop 越大時, (R1+R2) / Aop 就越小; 當 Aop 無限大時, (R1+R2) / Aop 等於 0; 上式就可被簡化為:
Vi(R1+R2)
Vo = ---------
R2
而 Acl (閉環路增益) = Vo / Vi, 就變成:
Vi(R1+R2)
---------
Vo R2 R1+R2
Acl = ---- = ----------- = -------
Vi Vi R2
閉環路的增益, 變成單純由電阻網路分壓來決定, 而與放大器的特性無關..
若考慮 Aop 存在有限值的情況則是:
Vi(R1+R2)
-------------
R1+R2
R2 + ------
Vo Aop R1 + R2
Acl = ---- = --------------- = -----------
Vi vi R1+R2
R2 + -----
Aop
當 Aop 越大, (R1+R2)/Aop 就越小, 電路增益就越是由電阻網路分壓決定..
因為實際的 OPA 是由電晶體電路所構成, 已知電晶體放大曲線為非線性, 那麼 OPA 的增益越大, OPA 本身的非線性特性就越可以被忽略..
也因為 Aop 如此的大, 而輸出 Vo 因為電源電壓之故卻是有限的, 所以正常操作範圍內 △V = Vo / Aop 是如此的小幾乎等於零, 變成在正常動作範圍內的計算, 常常視 Vi = Vf 以簡化計算..
除此之外, 當放大器開環增益或輸出, 因溫度或電源電壓的改變而變化偏移時, 也能因負回授之故而大大減小其影響; 所以負回授對放大器的線性與穩定性是相當重要的..
舉個例子, 電路如上圖, R1 = 9K ohm, R2 = 1K ohm, 開環增益因電源電壓或溫度之故, 在 5000~10000 之間變動:
將開環增益上下值分別代入 Aop 存在有限值的那個式子, 得出閉環增益的差異:
當 Aop = 5000 時:
9k + 1k
Acl = ----------- = 9.98
9k+1k
1k+ -----
5000
當 Aop = 10000 時:
9k + 1k
Acl = ----------- = 9.99
9k+1k
1k+ -----
10000
由以上兩個式子可以看到, 雖然放大器本身因故導致增益變動如此巨大 (5000~10000), 但因為使用了負回授, 對閉環路增益實際影響卻小得可以忽略..
再舉個電路例子如下:
Vcc= +20v
|
+----*
| |
/ |
\ |
/ |
| |/ Q1
*--|
| |↘
--- |
\ / *---o
|\ --- |
o--|+\ | /
| 〉--* \
+-|-/ | /
| |/ | |
| | VEE= -15v
+-------+
在此電路中, 電晶體 Q1 會因溫度升高漏電流增加, 或是因正電源電壓升高, 或其它因素, 使得原本 Vi = 0 Vdc 時應有的輸出 Vo = 0 Vdc, 偏移成 +10 Vdc; 於是我們將電路改成:
|
|\ |
o---|+\ |/
| 〉-----|
+-|-/ |↘
| |/ |
| |
+------------*---o
|
/
\
/
|
假設 OPA 的 Aop = 10000, 在電路動作上當同樣電晶體因溫升導致漏電流增加, 或其它因素使得輸出增加, 因而 Vf 也升高 > Vi, 使得 △V < 0, opa 輸出變成負, 拉低電晶體 Vb 偏壓, 使得 Vo 降低..
因為 OPA 的 Aop 如此巨大, 就算 OPA 輸出拉低到等於 VEE (-20V), 其 △V 也只等於 -20 / 10000 = -0.002V, 也就是說 Vi 幾乎與 Vf 相同, 而此電路 Vf = Vo, 故 Vi = 0 時, Vo 也很接近零.
所以負回授也可以大幅降低電路偏壓偏移的影響性並提供自我補償..
再來看閉環路電流放大器:
R2
+---/\/---+
| |
R1 |Vf |
| |\ |
Vio--/\/--*--|-\ |
↗| \ |
△V | 〉--*--o Vo
↘| /
+--|+/
| |/
|
|
---
///
跟前面的電壓放大器一樣, OPA 真正放大的信號是 △V, 而 Vo = Aop * △V; 由上面電路圖看, 因為 OPA 的 Zin = ∞, 所以流經 R1 的電流等於流經 R2 的電流:
Vi-Vf Vf - Vo
----- = --------
R1 R2
R2 * Vi- R2 * Vf = R1 * Vf - R1 * vo
-(R2+R1)Vf = - (R1*Vo + R2*Vi)
得出 Vf 為
R1*Vo + R2*Vi
Vf = -------------
R2 + R1
而 △V = 0 - Vf, 且 Vo = Aop * △V
R1*Vo+R2*Vi
Vo = Aop * △V = Aop * (0 - -----------)
R2 + R1
R1Vo+R2Vi
= -Aop * ---------
R2 + R1
兩邊乘上 (R2 + R1) 成為
Vo(R2+R1) = -Aop * R1Vo -Aop * R2 * Vi
Vo (R2+R1+Aop*R1)= - Aop * R2 * Vi
Aop * R2 * Vi Aop * R2 * Vi
Vo = - --------------- = - --------------------
(R2+R1+Aop*R1) R2+R1
Aop * (----- + R1)
Aop
Vi * R2
= - ------------
R2+R1
----- + R1
Aop
從這邊可以看到, 若 Aop 越大, (R2+R1) / Aop 就越小, 當 Aop 無限大, (R2+R1) / Aop 等於零, 上式就可被化簡為:
Vi * R2
Vo = - ---------
R1
而 Acl (閉環路增益) = Vo / Vi, 就變成:
Vi * R2
- --------
Vo R1 R2
Acl = ----- = ------------ = - ----
Vi Vi R1
由上式可知, 閉環路增益之所以成為負號, 是因為信號是從負端輸入, 所以輸出是反向; 而閉環路的增益, 變成單純由電阻比例來決定, 而與放大器的特性無關..
若考慮 Aop 存在有限值的情況則是:
Vi * R2
- ----------
R2+R1
----- + R1
Vo Aop R2
Acl = ----- = ------------ = - ------------
Vi Vi R2+R1
----- + R1
Aop
因為實際的 OPA 是由電晶體電路所構成, 已知電晶體放大曲線為非線性, 那麼 OPA 的增益越大, OPA 本身的非線性特性就越可以被忽略, 音響電路也是如此..
也因為 Aop 如此的大, 而輸出 Vo 因為電源電壓之故卻是有限的, 所以正常操作範圍內 △V = Vo / Aop 是如此的小幾乎等於零, 變成在正常範圍內的計算, 常常視 Vf = 0 以簡化計算, 也就是大夥兒以前所學到的虛接地..
由上面的簡介可知, 負回授可以減少放大器本身諸多特性與變化的影響, 而由回授電阻網路決定特性; 也因為如此, 負回授能拓展頻寬, 直到 Aop 因頻率升高而降低到不能忽略其影響性為止; 除此之外, 放大器輸出入阻抗 Zo 與 Zi 也會與負回授有關; 因我文章一次打太長校稿不易容易出錯, 這些及其它部分, 就請各位網友協助補充說明..