真實運放、回授與穩定度

負回授(negative feedback)

負回授就像放大器的恆溫器。恆溫器不斷把室溫與設定值相比,然後一點一點推動暖氣,直到兩者一致。加了負回授的放大器,也不斷把它的輸出與你要求的值相比,時時刻刻自我修正,使輸出停在你要的地方。這一個觀念,是幾乎每個乖巧的運放電路背後的祕密。

用淺白步驟說明機制:你取輸出的一部分(稱為 beta),回送並從輸入中相減。放大器只對剩下的差值(誤差)以其原始增益 A 放大。寫成式子:Vout = A times (Vin - beta times Vout)。解出輸出得到 Vout/Vin = A / (1 + A times beta)。當原始增益 A 非常巨大,A times beta 這一項遠遠蓋過 1,增益便塌縮為幾乎正好的 1/beta。例如:裸運放增益 200,000,搭配把輸出十分之一回送的分壓器(beta = 1/10),閉迴路增益就非常接近 10,由分壓器決定,而不是由那個飄忽的 200,000 決定。

為何重要:回授把你不需要的原始增益,換成你迫切想要的東西。增益改由精密電阻決定,而非由運放那飄忽又隨溫度漂移的開迴路增益決定。你同時得到更寬的頻寬、更低的失真與更穩定的行為。但要誠實說明陷阱:若訊號繞迴路一圈累積了過多的相位移(延遲),修正可能反相抵達,反而強化擾動而非抵消它。此時回授變成正回授,電路便會振盪。本領域大半的內容,就是在防止這件事發生。

一個非反相放大器,Rf = 90 kΩ、Rg = 10 kΩ,回送輸出的 beta = Rg/(Rf+Rg) = 1/10。閉迴路增益穩定在 1/beta = 10,即使運放自身的增益高達數十萬且各顆不同。

決定增益的是電阻而非運放——這正是回授給的禮物。

運放的黃金法則(輸入不流入電流、兩輸入被迫相等)只有在有負回授且未超出元件極限時才成立。開迴路、或超過轉動率、頻寬或電源軌時,它們會悄悄失效。

又稱
feedback負回饋