4种典型负反馈放大器——原理详解与图解¶
对应教材《电子工程师必备——九大系统电路识图宝典》第1章 1.2 节(图1-41、图1-49、图1-67、图1-72)。 原文把4种电路拆散在好几页里讲,每种电路又反复重画好几次示意图,容易看到后面忘了前面。这份笔记把每种电路的电路图、节点对照表、判断依据、信号极性走向一次性放在一起,方便对照着看。
0. 先建立一张总地图:4种电路到底是怎么分出来的¶
判断一个负反馈电路属于哪一种,其实是回答两个互相独立的问题:
- 反馈信号是从输出端"量电压"还是"量电流"? → 决定是"电压"还是"电流"反馈
- 反馈信号加回输入端时,和原输入信号是"挤在同一个节点"还是"分处两个不同的电极"? → 决定是"并联"还是"串联"反馈
这两个问题的答案任意组合,就是4种电路:
| 反馈信号回到输入端时并联加入 (和 Ui 挤在同一个节点) |
反馈信号回到输入端时串联加入 (和 Ui 分处两个不同电极) |
|
|---|---|---|
| 反馈信号取自输出端电压(电压反馈) | 电路一:电压并联负反馈 | 电路三:电压串联负反馈 |
| 反馈信号取自输出端电流(电流反馈) | 电路四:电流并联负反馈 | 电路二:电流串联负反馈 |
判断口诀(教材原有的,很好用,放在这里备查):
| 要判断的问题 | 方法 | 结论 |
|---|---|---|
| 电压反馈 or 电流反馈? | 把放大器输出端对地交流短路,看反馈信号是否消失 | 消失 → 电压反馈;不消失 → 电流反馈 |
| 电压反馈 or 电流反馈?(等价判据) | 看反馈电阻是否直接接在输出端节点上 | 直接接在输出端 → 电压反馈;不直接接 → 电流反馈 |
| 串联 or 并联? | 看输入信号 Ui 和反馈信号 Uf 是加在三极管同一个电极还是不同电极 | 同一个电极 → 并联;不同电极 → 串联 |
一个很容易搞混的地方:取样 vs 传递
"电压/电流"和"并联/串联"问的是两件完全不同的事:
- 电压/电流反馈,问的是"输出端取样的是什么"——取样电压就是电压反馈,取样电流就是电流反馈,判别法是对输出端做短路/开路实验。
- 并联/串联反馈,问的是"反馈信号在输入端怎么传递"——这里有一条很干净的物理规律:
- 并联传递的东西,本质上永远是电流(两路信号在同一个节点,按基尔霍夫电流定律相加减:\(I_{净} = I_{Ui} - I_{反馈}\))
- 串联传递的东西,本质上永远是电压(两路信号加在三极管不同电极上,在回路方程里相减:如 \(U_{BE} = U_B - U_E\))
所以像"电压并联反馈"这个名字,说的其实是输出端取样的是电压,但送回输入端时是以电流的形式——反馈电阻本身只能传导电流(电阻两端的电压差决定了流过它的电流大小),"电压"指的是决定这个电流大小的源头,不是说真的有一个电压信号沿着电阻"跑"了过去。四种电路都遵守这条规律,别被名字里的字面意思误导成"反馈电阻里流的是电压还是电流"。
下面对每种电路,先给电路图,再给节点表,再用这两条判据逐一验证,最后画出"瞬时极性分析"信号链,直观看到"为什么它是负反馈"。
1. 电压并联负反馈放大器(对应图1-41)¶
1.1 电路图¶
1.2 节点对照表¶
| 图中位置 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 最顶端 | +V | 直流电源正极,给整个电路供电 |
| +V 正下方 | R2 | 集电极负载电阻(把 \(I_C\) 的变化转换成 C点的电压变化,见下方说明) |
| 三极管上方 | C点(集电极) | 整个放大器的输出端 |
| 流经R2、进出C点的电流 | IC | 集电极电流 |
| C点到Uo之间 | C3 | 输出耦合电容 |
| 最右侧输出端 | Uo | 输出电压信号 |
| 跨接在B、C之间,与C2并联 | R1 | 反馈电阻:把C点的电压变化直接送回B点;全频段(直流、交流)都导通 |
| 与R1并联的支路 | C2 | 高频消振电容:容量很小(如100pF),只在高频信号时才导通,专门用来压低高频增益、防止放大器高频自激 |
| 左边输入端 | Ui | 输入电压信号 |
| Ui 后面的电容 | C1 | 输入耦合电容(隔直流,只让交流信号通过) |
| 三极管左侧 | B点(基极) | 净输入信号真正加入的地方 |
| 流入B点的箭头 | IB | 基极电流 |
| 圆圈本体,B/C/E三根引脚 | VT1(NPN) | 放大管本身,图中标注的"NPN"是三极管的类型 |
| 三极管下方 | E点(发射极) | 直接接地(本电路没有发射极电阻) |
| 最下方接地符号 | GND | 电路的公共参考地,E点在这里直接接地 |
为什么集电极(C点)是输出端,不是基极或发射极?
这是共发射极组态本身的放大机制决定的,跟负反馈无关:
- 基极电流 \(I_B\) 只是"控制信号",Ui 经 C1 加到基极,只引起 \(I_B\) 一个很小的变化,这不是放大的结果,只是"指令"。
- 集电极电流 \(I_C\) 受 \(I_B\) 控制,且被放大了:\(I_C \approx \beta \cdot I_B\)(β 是电流放大倍数,通常几十到几百)。\(I_B\) 一个微小变化,引起 \(I_C\) 大得多的变化——放大真正发生在这里。
- R2 把"电流的变化"转换成"电压的变化":\(U_C = V_{CC} - I_C \times R2\)。\(I_C\) 变大,R2 上压降变大,\(U_C\) 就相应变小——\(I_C\) 的变化经过 R2,变成了 C 点电压的摆动,这个摆动幅度远大于基极的原始信号,这就是电压增益的来源。R2 存在的唯一目的就是做这个"电流→电压"的转换;没有 R2,\(I_C\) 的变化会直接被 +V 电源"吸收"掉,C 点电压恒定在 +V 附近,没有信号可取。
基极是输入端,那里只有未放大的原始小信号;发射极在共射组态里是公共端(本电路直接接地),不是信号摆动最大的点。对比另外两种组态更清楚:共集电极(射极输出器)从发射极取输出,只有电流放大没有电压放大;共基极从集电极取输出但输入在发射极,只有电压放大没有电流放大。共发射极(这4种反馈电路全都用这个组态)能同时提供电流和电压放大,所以输出自然就在集电极。后面3种电路的 C点/C1点/C2点 是输出端,道理都一样,不再重复说明。
1.3 为什么是"电压"反馈¶
R1 的一端直接焊在 C 点(输出端)上。如果把 C 点对地交流短路(比如在 C 点并一个大电容到地),R1 上就再也没有信号可以往回送了——反馈直接消失。这正是"电压反馈"的判据:取的是输出端那个点的电压本身。
1.4 为什么是"并联"反馈¶
顺着 R1 往下走,它最终落到的点,正好是 Ui 经 C1 进来的那同一个 B 点。也就是说,输入信号和反馈信号是在 B 点这一个节点上"汇合"的——两股电流在同一节点相加(\(I_{B(净)} = I_{Ui来的} - I_{反馈来的}\))。两个信号源共用一个节点,这就是"并联"的定义。
1.5 瞬时极性分析(信号是怎么被"压回去"的)¶
flowchart LR
A["B点电压 ↑ ( + )<br/>设某瞬间基极信号增大"] --> B["IB ↑<br/>基极电流增大"]
B --> C["IC ↑<br/>集电极电流增大"]
C --> D["C点电压 ↓ ( – )<br/>共射放大器:C点与B点电压反相"]
D -->|"R1两端电压差变化<br/>→流过R1的电流ΔI_R1变化"| A
D -.->|结论| E["送回B点的是「负」的变化<br/>抵消了A的原始升高<br/>结果就是负反馈"]
图中
D --> A这条边写成"R1两端电压差变化→电流变化",而不是简单一句"送回",是故意的:真正流回 B 点、和 IB 相加减的是电流 \(\Delta I_{R1}\),不是电压。\(\Delta I_{R1}\) 的大小由 C 点电压的变化决定(\(\Delta I_{R1} = \Delta U_C / R1\)),这就是为什么它仍然叫"电压"反馈——取样的源头是电压,但传递到 B 点、真正参与 KCL 相加减的是电流。上面"0. 先建立一张总地图"里的取样/传递规律,这里就是最直接的例子。
1.6 这种反馈的效果¶
- 电压反馈 → 能稳定输出电压,降低放大器的输出电阻
- 并联反馈 → 降低放大器的输入电阻(因为R1和输入信号的内阻在B点是并联关系,相当于给输入信号"分流")
- R1 上还并了 C2(很小的高频电容),只在高频信号时才导通,专门用来压低高频增益、防止放大器高频自激(消振)
2. 电流串联负反馈放大器(对应图1-49)¶
2.1 电路图¶
2.2 节点对照表¶
| 图中位置 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 最顶端 | +V | 直流电源正极 |
| +V左侧分支 | R1 | 基极偏置电阻,给VT1提供基极偏置电流 |
| +V右侧分支 | R2 | 集电极负载电阻 |
| 三极管上方 | C点(集电极) | 放大器输出端(本电路的反馈信号不取自这里) |
| 流经R2、进出C点的电流 | IC | 集电极电流 |
| C点到Uo之间 | C4 | 输出耦合电容 |
| 最右侧输出端 | Uo | 输出电压信号 |
| 左边输入端 | Ui | 输入电压信号 |
| Ui 后面的电容 | C1 | 输入耦合电容 |
| 三极管左侧 | B点(基极) | 净输入 \(U_{BE}\) 的正端 |
| 流入B点的箭头 | IB | 基极电流 |
| 圆圈本体,B/C/E三根引脚 | VT1(NPN) | 放大管本身 |
| 三极管下方 | E点(发射极) | 净输入 \(U_{BE}\) 的负端(反馈信号真正的取样点) |
| 流经R3的电流 | IE | 发射极电流 |
| E点下方 | R3 | 反馈电阻:发射极电流 \(I_E\) 流过它产生的压降就是反馈信号 |
| 最下方接地符号 | GND | 电路的公共参考地 |
2.3 为什么是"电流"反馈(不是电压)¶
把 C 点(输出端)开路断掉,\(I_E\)(流过R3的电流)会不会消失?不会——因为集电极支路和发射极支路是两条不同的回路,输出端断不断路,发射结的电流照样存在。反馈信号压根不关心C点电压是多少,它只关心流过R3的电流(约等于 \(I_C\))。这就是电流反馈。
对比电路一:电路一的 R1 直接焊在 C 点上,C 点一断(对地短路),反馈立刻消失;这里的 R3 根本不焊在 C 点,C 点的死活跟它没关系——这是区分两者最直观的方式。
2.4 为什么是"串联"反馈(不是并联)¶
Ui 加在 B点,反馈信号(R3上的压降)却出现在 E点——是三极管的两个不同电极,不是同一个节点。三极管真正起作用的是
这是两个电压"相减",而不是两路电流在同一节点"相加"。凡是反馈信号和输入信号分别加在不同电极上,都是串联反馈。
2.5 瞬时极性分析¶
flowchart LR
A["B点电压 ↑ ( + )"] --> B["IB ↑"]
B --> C["IE ↑<br/>发射极电流增大"]
C --> D["E点电压 ↑ ( + )<br/>IE·R3 压降增大,E点被抬高"]
D -->|"U_BE = U_B − U_E ↓"| A
D -.->|结论| E["E点被抬高,把 U_BE 拉低<br/>抵消了IB原本的升高<br/>→ 负反馈"]
2.6 这种反馈的效果¶
- 电流反馈 → 稳定输出电流,提高放大器的输出电阻
- 串联反馈 → 提高放大器的输入电阻
- R3 上如果并联旁路电容,交流电流会抄近路走电容,不再流过R3 → 只剩直流负反馈(用来稳定静态工作点),交流增益不受影响。这是实际电路里最常用的手法。
3. 电压串联负反馈放大器(对应图1-67,两级阻容耦合)¶
这是一个两级放大器(VT1 → VT2),反馈电阻跨接在"第二级的输出"和"第一级的发射极"之间,形成"大环路"负反馈。
3.1 电路图¶
图中最显眼的是那条绕了一整圈的 R4:从 VT2 集电极(C2点,整个放大器的输出端)出发,绕到最外圈,一路送回 VT1 的发射极(E1点)。这条又长又绕的路径,画出来正好就是"大环路负反馈"这个名字的字面意思——反馈信号跨过了两级放大器才回到输入级。
3.2 节点对照表¶
| 图中位置 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 最顶端 | +V | 直流电源正极,同时给两级放大器供电 |
| 第一级:+V下方左支 | R1 | VT1基极偏置电阻 |
| 第一级:+V下方右支 | R2 | VT1集电极负载电阻 |
| VT1 上方 | C1点(VT1集电极) | 第一级输出端 |
| C1点到B2点之间 | C3 | 级间耦合电容(隔直流,只让交流信号传到第二级) |
| 左边输入端 | Ui | 输入电压信号 |
| Ui 后面的电容 | C1 | 输入耦合电容 |
| VT1 基极 | B1点 | 输入信号 Ui 加入的地方 |
| 第一个圆圈 | VT1 | 第一级放大管 |
| VT1 发射极 | E1点 | 反馈信号 R4 真正落地的地方 |
| E1点下方 | R3 | VT1本级的发射极电阻(局部偏置/稳定用,不是跨级反馈电阻,别和R4搞混) |
| 第二级:+V下方左支 | R5 | VT2基极偏置电阻 |
| 第二级:+V下方右支 | R6 | VT2集电极负载电阻 |
| VT2 上方 | C2点(VT2集电极) | 整个放大器的最终输出端 |
| C2点到Uo之间 | C4 | 输出耦合电容 |
| 最右侧输出端 | Uo | 输出电压信号 |
| VT2 基极 | B2点 | 接收第一级经C3送来的信号 |
| 第二个圆圈 | VT2 | 第二级放大管 |
| VT2 发射极 | E2点 | VT2本级的发射极 |
| E2点下方 | R7 | VT2本级的发射极电阻 |
| 与R7并联的支路 | C5 | R7的旁路电容:让VT2本级只剩直流负反馈,交流负反馈被旁路掉 |
| 跨接 C2点 到 E1点 的长导线 | R4 | 反馈电阻:把最终输出端(C2点)的电压变化,跨两级直接送回第一级的发射极(E1点) |
| R4 旁边的小字 | (跨级环路反馈) | 提示这是跨两级的大环路反馈,不是某一级自己的局部反馈 |
3.3 为什么是"电压"反馈¶
R4 的一端直接焊在 C2点——也就是整个放大器最终的输出端上。把 C2 点对地交流短路,R4 上就没有信号可送,反馈消失。取的是输出端的电压 → 电压反馈。
3.4 为什么是"串联"反馈¶
反馈信号送到 E1点,而输入信号 Ui 加在 B1点——分别是 VT1 的两个不同电极,构成 \(U_{BE1} = U_{B1} - U_{E1}\) 的相减关系。两个信号分处不同电极 → 串联反馈。
3.5 瞬时极性分析(跨两级的信号链)¶
flowchart LR
A["B1点电压 ↑ ( + )"] --> B["VT1: C1点电压 ↓ ( – )<br/>共射放大器:反相"]
B --> C["VT2: B2点电压 ↓ ( – )<br/>经耦合电容,同相传递"]
C --> D["VT2: C2点电压 ↑ ( + )<br/>共射放大器:反相"]
D -->|经R4送回| E["E1点电压 ↑ ( + )"]
E -->|"U_BE1 = U_B1 − U_E1 ↓"| A
E -.->|结论| F["E1点被抬高,拉低U_BE1<br/>抵消了B1点原本的升高<br/>→ 负反馈"]
这条链子跨了两个三极管,一路"+ → - → - → + → +",每一步的正负都由"共射放大器输出与输入反相"或"直接/耦合传递不变号"这两条规则决定,最后落回B1点时正好是能抵消原变化的方向。
3.6 这种反馈的效果¶
- 电压反馈 → 稳定输出电压,降低输出电阻
- 串联反馈 → 提高输入电阻
- 因为是跨两级的大环路反馈,开环增益大,负反馈效果比单级反馈好得多——这也是多级放大器常采用大环路反馈的原因。
4. 电流并联负反馈放大器(对应图1-72,两级直接耦合)¶
也是两级放大器,但两级之间是直接耦合(没有耦合电容,VT1集电极直接接到VT2基极),反馈电阻从"第二级发射极"跨接回"第一级基极"。
4.1 电路图¶
和电路三对比着看最清楚:电路三的大圈子最终绕回了 E1点(发射极);这里的大圈子(R2)最终绕回的是 B1点(基极)——和 Ui 输入信号挤在同一个点上。这一个终点的不同,就是"串联"和"并联"的全部区别。另外注意 VT1 和 VT2 之间没有耦合电容,C1点的直流电压直接决定了 VT2 的偏置(图上已标出"直接耦合"字样)。
4.2 节点对照表¶
| 图中位置 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 最顶端 | +V | 直流电源正极 |
| +V正下方 | R1 | 双重作用:VT1的集电极负载电阻,同时它的直流电压又直接作为VT2的基极偏置(图中已标注"集电极负载+VT2偏置") |
| VT1 基极 | B1点 | 输入信号 Ui 加入的地方;同时也是反馈信号R2落地的地方 |
| VT1 集电极 | C1点 | 直接接到 VT2 基极(无耦合电容) |
| C1点到B2点之间的小字 | 直接耦合(无电容) | 提示这里没有隔直电容,C1点的直流电压直接传给VT2基极 |
| 左边输入端 | Ui | 输入电压信号 |
| Ui 后面的电容 | C1 | 输入耦合电容 |
| 第一个圆圈 | VT1 | 第一级放大管 |
| VT1 发射极 | E1点 | 直接接地(本电路中VT1没有发射极电阻) |
| VT2 基极 | B2点 | 直流电位由 C1点 决定,交流信号也直接传递 |
| +V右侧分支 | R3 | VT2集电极负载电阻 |
| VT2 集电极 | C2点 | 整个放大器的最终输出端 |
| C2点到Uo之间 | C4 | 输出耦合电容 |
| 最右侧输出端 | Uo | 输出电压信号 |
| 第二个圆圈 | VT2 | 第二级放大管 |
| VT2 发射极 | E2点 | 反馈信号真正的取样点 |
| E2点下方 | R4 | VT2的发射极电阻 |
| 与R4并联的支路 | C3 | R4的旁路电容 |
| 跨接 E2点 到 B1点 的长导线 | R2 | 双重作用:反馈电阻(把 E2点 的电流变化送回 B1点),同时也是VT1的偏置电流来源(图中已标注"反馈+VT1偏置") |
4.3 为什么是"电流"反馈¶
把最终输出端(C2点)开路断掉,E2点的电流会不会消失?不会——发射极支路和集电极支路是两条不同回路。R2 上的反馈信号只跟"流过 E2 的电流"有关,跟 C2 点电压是否存在无关 → 电流反馈。
4.4 为什么是"并联"反馈¶
R2 反馈信号最终落到的点,正好是 Ui 进来的同一个 B1点——两路信号在 B1点这一个节点上汇合相加,这是"并联"的定义。
对比电路三:电路三的反馈落点是 E1点(和Ui所在的B1点不是同一个电极)→ 串联;这里的反馈落点直接就是 B1点(和Ui是同一个电极)→ 并联。这是区分电路三和电路四最关键的一步。
4.5 瞬时极性分析¶
flowchart LR
A["B1点电压 ↑ ( + )"] --> B["VT1: C1点电压 ↓ ( – )<br/>共射放大器:反相"]
B --> C["VT2: B2点电压 ↓ ( – )<br/>直接耦合,同相传递"]
C --> D["VT2: IE2 ↓<br/>发射极电流减小"]
D -->|经R2送回B1点| E["流入B1点的反馈电流方向<br/>使净IB1减小"]
E -.->|结论| F["净IB1的增大被抵消<br/>→ 负反馈"]
4.6 这种反馈的效果¶
- 电流反馈 → 稳定输出电流,提高输出电阻
- 并联反馈 → 降低输入电阻
- 因为是直接耦合,R2 同时身兼两职(既是反馈电阻,又是VT1的偏置电阻),这是这种电路结构省元件的巧妙之处,但也导致直流分析和交流反馈分析必须分开看,是4种电路里最容易看晕的一种。
5. 四种电路总对照表¶
| 电压并联 | 电流串联 | 电压串联 | 电流并联 | |
|---|---|---|---|---|
| 对应图 | 图1-41 | 图1-49 | 图1-67 | 图1-72 |
| 级数 | 单级 | 单级 | 两级(阻容耦合) | 两级(直接耦合) |
| 反馈电阻 | R1 | R3 | R4 | R2 |
| 反馈信号取自 | 输出端电压(C点) | 输出电流(经E点/R3) | 输出端电压(第二级C点) | 输出电流(第二级E点) |
| 反馈信号送回 | 输入端同一节点(B点,并联) | 输入端不同电极(E点,串联) | 输入端不同电极(第一级E点,串联) | 输入端同一节点(第一级B点,并联) |
| 输出端短路测试 | 反馈消失 → 电压反馈 | 反馈仍在 → 电流反馈 | 反馈消失 → 电压反馈 | 反馈仍在 → 电流反馈 |
| 对输入电阻影响 | 降低 | 提高 | 提高 | 降低 |
| 对输出电阻影响 | 降低(稳定输出电压) | 提高(稳定输出电流) | 降低(稳定输出电压) | 提高(稳定输出电流) |
记忆技巧:只要抓住"两个独立判断"——① 输出端短路测试(电压/电流)② 反馈落点是否和 Ui 同一电极(并联/串联)——4种电路就是这两个二选一的排列组合,不需要死记4张图。