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Analog: 反馈类型总结归纳

On a mild August morning in 1927, Harold Black was riding the ferry from NewYork to NewJersey, where he worked at Bell Laboratories. Black and many other researchers had been investigating the problem of nonlinearity in amplifiers used in long-distance telephone networks, seeking a practical solution. While reading the newspaper on the ferry, Black was suddenly struck by an idea and began to draw a diagram on the newspaper, which would later be used as the evidence in his patent application. The idea is known to us as the negative-feedback amplifier.

“重大发现的过程往往就是那么朴实无华且枯燥”

说起模电,首先想起的就是 Feedback。相比极零点分析、噪声分析这些知识,反馈的相关知识看上去十分简单,甚至不需要什么公式计算(当然我是指反馈判断这部分),但是偏偏看似最简单的反馈类型判断这部分最容易出错。有时候电路设计是需要靠直觉的,这是建立在长期的经验积累以及牢靠的电路基础之上的,所以像反馈这种模电中的基础知识是必须烂熟于心的。不过对于反馈,我认为它更多偏向于“实践型”的知识点,也就是需要多看、多试,然后才能真正的熟练掌握。

博主最近在复习模电时又陷入了被反馈支配的恐惧之中,回想本科阶段学习模电还算学的不错,结果调了两三年电路反而感觉生疏了不少,大概是年纪大了智商有些下降😥。为了防止有时候犯迷糊,我总结归纳了一些关于反馈类型判断的知识,以此作为参考。

基本反馈结构

基本的反馈结构有4种,Razavi Analog 这几幅图应该是非常详细的描述了不同结构的区别和各自的特性 [1]

基本反馈结构

反馈类型命名规则

在不同的教材和文献中可以看到好几种反馈类型的命名方法,例如 电压(V) - 电压(V)串联(Series) - 并联(Shunt)电压(V) - 串联(Series),这几种表达方法都是指同一种反馈类型。实际应用中我们可以根据个人习惯使用不同的命名方式,但是在别人说起其他命名方式时我们应该第一时间反映过来他表述的什么意思。那么这几种反馈类型的表达方式间到底有什么联系?

根据反馈信号的极性,可以分作:“正反馈”“负反馈”,这在各种命名中都是一致的,除非特别说明,通常情况我们采用的几种命名方法都是指的负反馈。

两种反馈信号类型:电压(Voltage)信号,电流(Current)信号。
两种反馈方式:并联(Shunt)反馈,串联(Series)反馈。对于不同端口,反馈信号类型和反馈方式可以相互转换。

考虑输入输出两个端口以及两种不同的反馈信号类型,对于这4种不同的反馈结构,我们通常使用如下命名方法:

  • 反馈信号类型:输出 - 输入 [电压 - 电压]
  • 反馈方式:输入 - 输出 [串联 - 并联]
  • 反馈信号类型+反馈方式:输出 + 输入 [电压 - 串联]

反馈的特性及判断依据

提到放大器我们常常会想起电压型或者电流型放大器,但是在一些场景中我们也需要用到将电流转化为电压的放大器(Transimpedance Amplifier: TIA),TIA 放大器应该具有较低的输出阻抗和较高的输入阻抗,这就可以通过反馈的方式来实现。

反馈会给原有电路带来一些性能上的转变,Razavi 书上对这部分做了很详细的分析,包括阻抗、增益、噪声以及带宽等性能。个人认为阻抗的变化是最容易混淆的,我根据个人习惯以及网上介绍的一些经验总结了一下快速判断输入输出阻抗变化的方法:

  • 输入阻抗:对于输入串联(电压)反馈,基本放大器与反馈放大器输入电流相同,而基本放大器的输入电压为反馈电压叠加上原有电压,因此输入阻抗增加;同理,输入并联(电流)反馈,电压不变,电流增加,输入阻抗减小。
  • 输出阻抗:对于输出串联(电流)反馈,输出阻抗相当于基本放大器输出阻抗串联反馈放大器输入阻抗,因此阻抗增大;同理,输出并联(电压)反馈,相当于阻抗并联,因此整体阻抗减小。

另外,我们也可以根据以下方法快速判断反馈类型:

  • 输入端(串联/并联反馈):以电压形式叠加是串联反馈,以电流形式叠加是并联反馈。一个判断标识:看反馈通路是否接到输入端。接到输入端一定是并联负反馈,因为这样才能引电流,没接到输入端,接到放大器另一端一定是串联反馈,这样才能引电压。
  • 输出端(电压/电流反馈):定义是看输出端,把输出置为零(输出端两端短接),看反馈量是否存在,反馈量不在的是电压反馈,在的是电流反馈。往往电压反馈的一个特点就是负载电阻一端接地,因为这样置零后,反馈电阻一端接地,反馈量消失。

最后汇总一张表格,可以更加快速的对号入座:

反馈类型总结归纳

Reference

[1] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2nd ed. McGraw-Hill Higher Education, 2016.

Author: Phower
Link: https://phower.me/2020/04/analog-feedback-topologies-summary/
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