負回授(negative feedback)
負回授是把一個狂野、不精確的放大器變得沉穩、可靠的小把戲。這個想法聽起來簡單得過分:取出輸出的一部分,把符號翻過來,再送回去和輸入對著幹。想像你在高速公路上開車——你並不會預先算好方向盤要打多少度;你盯著車道,一旦偏了,就立刻往回帶一點。修正量是由誤差本身驅動的,於是整個系統不斷地朝你想去的地方逼近。被這樣包起來的放大器,不再聽從它自己那混亂的、隨溫度變化的、片與片之間各不相同的原始增益,轉而聽從你用精密電阻搭出來的回授網路。
你做的這筆交易,是用增益去換來其餘的一切。一個裸的 op-amp 開迴路增益 A 可能高達 100,000——大得驚人,卻很邋遢:它隨溫度下垂,在不同晶片之間漂移,還隨頻率衰減。把輸出回授一個比例 β,閉迴路增益就變成 A/(1 + Aβ)。乘積 Aβ 就是迴路增益 T,也就是可供調用的修正量;當 T 很大時,整個算式就坍縮成約等於 1/β——這完全由你的電阻比值決定,而不是由那個靠不住的 A 決定。同樣是這份大迴路增益,把失真除了下去、把響應壓平、把可用頻寬拓寬,並穩住了輸入和輸出阻抗。你是有意扔掉了大部分原始增益,換回來的是精度、線性度和可預測性。
這就是那條安靜的原理,讓類比電路得以用不完美的元件做出可靠的東西。你沒法製造出一個增益精確的電晶體,但你能製造出兩個匹配良好的電阻,而負回授讓那個可信的比值壓過那個不可信的元件。問題在於——這也正是相位裕度、主極點(dominant-pole)和 Miller 補償存在的原因——回授回來的訊號是帶延遲到達的。如果當相位已經滑過整整半圈時迴路增益還在 1 以上,你那個減法就悄悄變成了加法,於是放大器不再趨於穩定,反而振盪起來。所以回授從來不是免費的:你既要設計出足夠的迴路增益來保證準確,又要在這麼做的同時留出足夠的相位裕度來保持穩定。
只要迴路增益 A*beta 一直夠大,閉迴路增益就由回授比例 beta 決定,而不是由那個混亂的開迴路增益 A 決定。
迴路增益越大,準確度越高,但穩定裕度越小——每一個回授設計的核心張力,就是在不把迴路推入振盪的前提下買到精度。