1.3 负反馈改善放大器性能

负反馈电路通过降低放大器的放大倍数换取放大器诸多性能的改善，放大器中加入负反馈的根本目的是改善放大器的性能。

负反馈电路可以改善放大器的工作稳定性，减小受温度等因素的影响；可以降低放大器的噪声，减小放大器的非线性失真。扩展放大器的频带等。

1.3.1 放大器的放大倍数

放大器的性能参数很多，不同放大器对各性能参数的要求也不同，这里只介绍一些常用参数。

放大倍数是表征放大器对信号放大能力的一个重要参数，放大倍数共有下列3种。

（1）电压放大倍数，它表示了对信号电压的放大能力；

（2）电流放大倍数，它表示了对信号电流的放大能力；

（3）功率放大倍数，它表示了对信号功率的放大能力。

放大器的放大倍数有下列两种表示方式。放大了多少倍，这种表示方式的单位为倍；用增益表示，单位是分贝（用dB表示）。

1．电压放大倍数

图1-81所示是放大器电压放大倍数示意图，电路中Ui是放大器输入信号电压，Uo是放大器输出信号电压。

（1）倍数表示法。放大器电压放大倍数的定义公式如下：

式中：AV为放大器的电压放大倍数；Uo为放大器的输出信号电压；Ui为放大器的输入信号电压。

当采用上述公式计算放大器的电压放大倍数时，单位为倍。

（2）增益表示法。当放大器的电压放大倍数用dB表示时（常说成是放大器的电压增益），由下列公式来计算：

2．电流放大倍数

图1-82所示是放大器电流放大倍数示意图，电路中Ii是放大器输入信号电流，Io是放大器输出信号电流。

（1）倍数表示法。放大器电流放大倍数的定义公式如下：

式中：AI为放大器的电流放大倍数；Io为放大器的输出信号电流；Ii为放大器的输入信号电流。

当采用上述公式计算放大器的电流放大倍数时，单位为倍。

（2）增益表示法。当放大器的电流放大倍数用dB表示时（常说成是放大器的电流增益），由下列公式来计算：

3．功率放大倍数

图1-83所示是放大器功率放大倍数示意图，电路中Pi是放大器输入信号功率，Po是放大器输出信号功率。

（1）倍数表示法。放大器功率放大倍数的定义公式如下：

式中：AP为放大器的功率放大倍数；Po为放大器的输出信号功率；Pi为放大器的输入信号功率。

当采用上述公式计算放大器的功率放大倍数时，单位为倍。

（2）增益表示法。当放大器的功率放大倍数用dB表示时（常说成是放大器的功率增益），由下列公式来计算：

4．多级放大器的放大倍数

多级放大器中，各单级放大器的放大倍数用放大多少倍表示时，总的放大倍数为各单级放大器放大倍数的积；用增益表示时，总增益为各单级放大器增益的和，单位为dB。

对于电压、电流和功率放大倍数的计算方法相同。

例如，有一个三级放大器，各级放大器的电压放大倍数均为100，则这个三级放大器总的电压放大倍数为100倍×100倍×100倍。

又例如，某三级放大器，各级放大器的电压增益为20dB，则这一多级放大器总的增益为20+20+20=60dB。

从上述举例可以看出，在多级放大器采用分贝表示时计算比较方便，所以常用这种方式。表1-1所示是放大器放大倍数两种表示方式之间的换算。

5．开环增益和闭环增益

当放大器中没有加入负反馈电路时的放大增益称为开环增益，加入负反馈后的增益称为闭环增益。由于负反馈降低了放大器的放大能力，所以闭环增益一定小于开环增益。

不同的负反馈量情况下放大器的闭环增益也是不同的。

1.3.2 放大器频率响应

1．幅频特性

图1-84所示是幅频特性曲线。图中，x轴方向为信号的频率，y轴方向为放大器的增益。

关于这一放大器幅频特性曲线，主要说明下列几点。

（1）在曲线的中间部分（中频段）增益比较大而且比较平坦。

（2）曲线的右侧（高频段）随频率的升高而下降，这说明当信号频率高到一定程度时，放大器的增益下降，而且频率愈高放大器的增益愈小。

（3）曲线的左侧（低频段）随频率的降低而下降，这说明当信号频率低到一定程度时，放大器的增益开始下降，而且频率愈低增益愈小。

（4）放大器的中频段幅频特性比较好，低频段和高频段的幅频特性都比较差，且频率愈高或愈低，幅频特性愈差。

2．通频带

由于放大器对低频段信号和高频段信号的放大能力低于中频段，当频率低到或高到一定程度时，放大器的增益已很小，放大器对这些低频信号和高频信号已经不存在有效放大，因而对放大器的工作频率范围做出规定，用通频带来表明放大器可以放大的信号频率范围。

如幅频特性曲线所示，设放大器对中频段信号的增益为AVO，规定当放大器增益下降到0.707AVO（比AVO下降3dB）时，放大器所对应的两个工作频率分别为下限频率fL和上限频率fH。

关于放大器的频带问题还要说明以下几点。

（1）并不是放大器的频带愈宽愈好，最好是放大器的频带等于信号源的频带，这样放大器只能放大有用的信号，不能放大信号源频带之外的干扰信号，放大器输出的噪声为最小。

（2）不同用途的放大器，对其频带宽度要求不同。

（3）许多放大器幅频特性曲线在中频段不是平坦的，有起伏变化，对此有相应的要求，即不平坦度为多少分贝，如图1-85所示。

3．相频特性

图1-86所示是放大器的相频特性曲线。图中，x轴方向为信号的频率，y轴方向为放大器对输出信号相位的改变量。

关于放大器相频特性主要说明下列几点。

（1）放大器对中频段信号不存在移相问题，而对低频信号和高频信号要产生附加的相移，而且频率愈低或愈高，相移量愈大。

（2）不同用途的放大器，对放大器的相频特性要求不同，有的要求相移量很小，有的则可以不做要求。例如，一般的音频放大器对相频特性没有严格的要求，而在彩色电视机的色度通道中，若放大器产生相移，将影响彩色的正常还原。

1.3.3 放大器信噪比

放大器的信噪比是一项重要指标，它用来表征放大器输出信号受其他无用信号干扰的程度。信噪比的单位是dB。

1．噪声

噪声也是放大器电子电路中的一种“信号”，是一种无用、有害的信号，它愈小愈好，但是放大器中不可避免地会存在噪声，当噪声太大时，将成为噪声大故障。

多级放大器中，前级放大器产生的噪声会被后级放大器作为“信号”放大，如图1-87所示，所以在多级放大器中前级放大器的噪声对整个放大系统的危害最大，对前级放大器要重点进行噪声抑制。

电路中噪声产生的主要原因如下。

（1）电路中元器件本身的噪声。

（2）电路设计不合理产生的噪声，如电源、地线设置不合理。

（3）外部干扰产生的噪声。

抑制噪声的主要措施如下。

（1）在电路的输入回路中设置滤波器，以消除频带之外的各种干扰信号。

（2）精心选择输入放大器中的元器件，如采用低噪声三极管作为放大管等。

（3）适当提高放大器的输入电阻，这样可以降低输入端耦合电容的容量，以减小电容漏电产生的噪声。

（4）采用各种屏蔽措施，以避免电路受外部的干扰。

（5）精心设计电路。

（6）采用一些噪声抑制电路，如动态降噪电路。

2．信噪比

许多情况下，避开信噪比只谈噪声的大小是没有意义的。例如，有两个输出功率分别为200W和2W的放大器，前者输出功率为200W时放大器输出的噪声肯定比输出功率为2W的大，但是不能说200W放大器使用时的噪声性能没有2W的好。因为当它输出200W信号功率时，噪声输出是大的，但是它在只输出2W时，噪声肯定特别小。所以，用信噪比来说明更加科学。

表1-2所示是某型号集成电路放大器的信噪比指标。

1.3.4 放大器失真度

1．非线性失真

放大器在放大信号过程中，使信号的幅度大小发生了改变，这是线性的失真，是需要的，没有这种幅度的失真，就没有对信号的放大。

但是，放大器对信号产生幅度失真的过程中，还会使信号的变化规律产生改变，这就是放大器的非线性失真。图1-88所示是放大器产生非线性失真的示意图。

从图1-88中可以看出，输入放大器的是标准正弦波信号，它的正半周和负半周幅度大小相等，而从放大器输出的信号已经不是一个标准的正弦波信号，负半周信号幅度大于正半周信号的幅度（称这种失真为大小头失真），或是其他形式的失真（如正半周波形被削去一截，称为削顶失真），这就是不需要的失真，称为非线性失真。

2．失真信号的频率成分

当一个信号产生了非线性失真之后，这一失真的信号可以用一系列频率不同、幅度不同的正弦波信号来合成。换言之，某单一频率的信号，由于非线性失真而出现了许多新频率的不失真信号。

一个具有非线性失真、频率为f0的信号U0，可以用下列公式来表示：

U0=A1f0+A2(2f0)+A3(3f0)+A4(4f0)+…

式中：U0为已产生非线性失真的信号；f0为失真信号的频率，f0又称为基波；2f0为频率是基频信号2倍的不失真正弦波信号，又称为f0的二次谐波；3f0为频率是基频信号3倍的不失真正弦波信号，又称为f0的三次谐波；4f0为频率是基频信号4倍的不失真正弦波信号，又称为f0的四次谐波；A1是不失真基频信号f0的幅度；

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

式中只列出四次谐波，其实还有更多次的谐波，一直会到无数次谐波。在各次谐波中，前几次的谐波幅度较大，是U0谐波中的主要成分。

3．三次谐波失真度和全谐波失真度

（1）三次谐波失真度。各次谐波中，三次谐波的危害性最大，所以可用三次谐波失真度来表示放大器的非线性失真程度。三次谐波失真度可以用下列公式来表示：

式中：D3为三次谐波失真度；A3为三次谐波幅度；A1为基波幅度。

（2）全谐波失真度。放大器的全谐波失真度等于各次谐波幅度的平方之和开根号，再与基波信号幅度之比，用百分数（%）表示。由于全谐波失真度的测试比较困难，而三次谐波的测试比较方便，所以常用三次谐波失真度。

1.3.5 放大器的输出功率和动态范围

1．输出功率

对于音频功率放大器而言，这是一项重要的指标。对于其他没有功率输出要求的放大器而言，这项指标意义不大。

放大器的输出功率用来表征放大器在规定失真度下，能够输出的最大信号功率。

音频放大器的输出功率根据所用测试信号种类的不同、规定的失真度大小不同，有许多种表示方式，而且各种表示方式所得到的输出功率指标相差较大，也就是说同一个音频功率放大器，输出功率指标可以有多种表示形式，如不失真输出功率、额定输出功率、音乐输出功率、最大音乐输出功率等。

输出功率的单位是W。一般来说，放大器的输出功率愈大愈好。

2．动态范围

放大器的动态范围是指放大器在保证足够大信噪比情况下输出的最小信号与规定失真度情况下最大输出信号之间的工作范围。

影响放大器动态范围的是噪声大小和输出功率的大小。放大器的动态范围单位是dB，这一范围愈大愈好。

1.3.6 负反馈减小非线性失真

非线性失真是放大器的一项重要指标，电路设计中降低放大器的非线性失真是主要任务之一，采用负反馈电路降低放大器的非线性失真是一般放大器的重要方法。

1．放大器非线性失真过程

这里以大小头失真为例，说明放大器失真过程。图1-89所示是放大器非线性失真过程示意图。输入放大器的信号Ui是一个标准、光滑的正弦波信号，它的正半周信号和负半周信号幅度一样大。UO是经过放大器放大后产生了失真的输出信号，为一个大小头失真的信号，如图中输出信号波形所示，它的正半周信号幅度大于负半周信号幅度（也可以是负半周信号幅度大于正半周信号幅度），说明放大器对正半周信号的放大量大于对负半周信号的放大量。这是放大器的非线性失真的一种。

2．负反馈改善放大器非线性失真

在放大器中加入负反馈电路之后，负反馈电路能够减小放大器非线性失真。

（1）负反馈信号也失真。由于输出信号存在正半周信号幅度大、负半周信号幅度小的失真，所以通过负反馈电路后的负反馈信号UF也存在这种正半周信号幅度大、负半周信号幅度小的失真，如图1-90所示中的负反馈信号UF波形。

（2）净输入信号也失真。由于是负反馈电路，所以输入信号Ui与负反馈信号UF之间是相减的关系。因为负反馈信号UF的正半周幅度大、负半周幅度小，所以与输入信号Ui相减后的净输入信号Ul也是一个大小头失真的信号，但是正半周幅度小、负半周幅度大，如图1-91中Ul波形所示，与原放大器输出信号的失真方向相反。

（3）失真量减小。由于放大器本身存在非线性失真，即对正半周信号的放大量大于对负半周信号的放大量，这样，净输入信号Ul的正半周信号幅度小，得到的放大量大，而净输入信号Ul的负半周信号幅度大，得到的放大量小，所以经过负反馈后放大器输出信号Uo正、负半周信号幅度相差的量减小，达到减小失真的目的。

1.3.7 负反馈扩宽放大器频带

在放大器中引入负反馈电路可以扩展放大器的频带宽度，图1-92所示的幅频特性曲线可以说明其中的原理。图中，曲线A是没有加入负反馈电路时的放大器幅频特性曲线，曲线B是加入负反馈电路后的放大器幅频特性曲线。

1．B曲线增益小频带宽

曲线A中，由于没有加入负反馈电路，所以放大器增益比较大；曲线B中，由于加入负反馈电路，所以放大器增益比较小。

曲线A中，fL是下限频率，fH是上限频率，频带宽度为fH−fL；曲线B中，fL1是下限频率，fH1是上限频率，频带宽度为fH1−fL1。由于fL1低于fL,fH1高于fH，显然，曲线B的频带宽度大于曲线A的频带宽度。所以，负反馈能够扩展放大器的频带宽度。

2．B曲线更为平坦

放大器对中频段信号的增益大于对低频段信号和高频段信号的增益，因此输出信号中的中频段信号幅度大于低频段信号和高频段信号的幅度。

加入负反馈后，放大器对它们的增益都因负反馈而减小，但是因为中频段信号幅度大，其反馈量就大，低、高频段信号因幅度小其反馈量就小，所以放大器对中频段信号的增益减小得多，而对高、低频段信号的增益减小得少，因此，加入负反馈后的幅频特性曲线就比原来的低且平坦些，如曲线B所示。

1.3.8 负反馈降低放大器噪声和稳定放大器工作状态

1．负反馈降低噪声原理

负反馈可以降低放大器电路的噪声，其基本原理是：从负反馈作用中可知，加入负反馈电路之后，放大器的增益将下降，所以对放大器中的噪声输出也将减小，可以抑制放大器电路的噪声。

2．负反馈稳定放大器工作状态

三极管在工作时会受环境温度、直流工作电压波动的影响，出现基极电流微小波动的现象，这就造成了放大器工作的不够稳定。加入负反馈可以使这一基极电流波动的幅度下降，从而达到稳定放大器工作状态的目的。