【题目编号】MC3-1216
【题目】业余无线电设备的放大器设计大量采用负反馈技术。负反馈放大器的特点是:
【答案】ABC(多选题)
[A]失真小,工作稳定,但增益也有所减小
[B]输入、输出阻抗易于控制,与源和负载更易匹配
[C]工作带宽得以扩展,更利于实现宽带放大
[D]偶次谐波等元素增加,更加适合音频放大
考点速览
负反馈(negative feedback)是放大器设计里最常用的一招:从输出端取一部分信号,反相送回输入端与输入信号相减。这一取一送,放大器的几乎所有指标都被重新分配了一遍。本题的四个选项里,前三项说的正是这次重新分配带来的好处,第四项把方向说反了。判断这类题只需要抓住一个总纲:负反馈牺牲的是增益,换来的是稳定、线性与带宽。
增益降下来,换来的是可预测
设开环增益为 A,反馈系数为 β(反馈网络把输出送回输入的比例),闭环增益为 A 除以(一加 Aβ)。分母那个「一加 Aβ」叫反馈深度,它大于一,所以闭环增益一定小于开环增益,这是负反馈最直接、也最容易被当成缺点的一条。
但降下来的增益换来了一件很值钱的东西。当反馈深度远大于一时,闭环增益近似等于 β 的倒数,只由反馈网络的元件决定——通常是两只电阻的分压比。晶体管本身的参数离散、随温度漂移、随电源波动,这些在深度负反馈下几乎不再影响整机增益。批量生产的设备能做到增益一致、长期使用不跑偏,靠的就是这个性质。所以选项里说它「工作稳定」,说的既是增益稳定,也是工作点与工作状态稳定。
失真与带宽:同一次交换的两种表现
放大器自身产生的非线性失真与内部噪声,只要产生在反馈环以内,就会被反馈深度按同样的倍数压下去。一个开环失真百分之五的放大器,加上二十分的反馈深度,闭环失真就降到千分之二点五的量级。这是负反馈在音频功放和射频线性放大里不可或缺的原因。
带宽的扩展出自增益带宽积(gain-bandwidth product)近似守恒。开环时增益高、带宽窄,加上反馈后增益降了二十倍,带宽就宽了大约二十倍:上限频率被抬高,下限频率被压低。对于需要覆盖多个业余频段、或者需要处理宽带调制信号的放大器,这一点比增益本身更重要。
输入、输出阻抗的可控性同样来自反馈的取出与注入方式。输入端串联注入电压反馈抬高输入阻抗,输入端并联注入则压低输入阻抗;输出端取电压反馈降低输出阻抗,取电流反馈抬高输出阻抗。四种组合一搭,就能把放大器的端口阻抗调到与信号源、负载相配合的数值,这就是选项里说的「易于控制、更易匹配」。
逐项辨析
选项 A 成立。反馈回路把输出端的偏差反相送回输入端,任何使输出偏离理想值的因素(器件非线性、温度、电源纹波)都被削弱,失真因此变小、工作因此稳定;代价是闭环增益小于开环增益,两者是同一件事的两面。
选项 B 成立。反馈信号在输入端的接入方式决定输入阻抗,在输出端的取出方式决定输出阻抗,设计者可以通过选择串联或并联、电压或电流反馈,把端口阻抗调到需要的值。阻抗可设计,匹配才有余地,这是负反馈在宽带放大器与射频小信号放大器里被大量采用的原因。
选项 C 成立。增益带宽积守恒,增益与带宽此消彼长,负反馈把增益让出去,带宽就跟着扩展开来,宽带放大正是靠深度负反馈把增益平坦地铺到很宽的频率范围上。
选项 D 不成立。负反馈的作用方向是压制谐波,不会让偶次谐波增加。单端甲类放大器因为器件传输特性的弯曲,本来就会产生以二次谐波为主的偶次谐波,改用推挽结构可以让偶次谐波在输出变压器里相互抵消,而负反馈则是在全频段上把所有谐波一起压低。至于「更加适合音频放大」,音频功放用负反馈恰恰是为了减小失真,不是靠增加谐波来修饰音色,这个说法把因果关系也弄反了。
负反馈在业余电台设备里的位置
几乎每一级有源电路都在用它。运算放大器不加负反馈就只有极大的开环增益,无法当放大器用;接收机的中频放大器用负反馈换来稳定的增益与足够的带宽;发射机的线性放大器用射频负反馈压低互调产物,减少对邻道的干扰;音频末级用负反馈把输出阻抗压得很低,让扬声器的阻尼变好。
代价也必须说清楚。反馈环路上有晶体管带来的附加相移,频率越高相移越大,当某个频率上的附加相移积累到一百八十度,负反馈就会变成正反馈,放大器自激振荡。所以负反馈的稳定性是有条件的,需要相位补偿与足够的相位裕度。深度负反馈还能把开环增益的优势吃光,若开环增益本身不够,闭环后既没有增益也没有带宽。
应试要点
四个关键词串起来记:增益降、失真小、带宽宽、阻抗可控。凡是出现「负反馈提高增益」「负反馈减小带宽」「负反馈增加谐波」「负反馈与阻抗无关」这类说法,一律判错。判断题的落点永远是那一条:把输出送回输入并相减,多余的部分被削掉,付出的代价是增益。