反饋是電路設計和控制理論中的核心概念，用于穩定放大器和控制系統行為。本文概述了反饋的基本架構，分類了標準拓撲，并以實際硬件實現為案例研究。

反饋系統的基本架構是什么？

反饋系統由一個帶有開環增益（A）的前饋放大器組成v）以及一個因子（B）的反饋網絡。系統從輸入信號中減去輸出信號的一部分，生成誤差信號，隨后被放大。

圖1。帶有反饋的放大器電路，顯示反饋放大器Av反饋網絡B，以及加法器/減法器機制。（圖片來源：東芝)

如圖1所示，該架構展示了信號流。信號從輸入（V在）通過加法器到放大器（A）v）生成輸出 （V出去).反饋塊（B）采樣輸出并返回給加法器。圖示顯示反饋信號從輸入中減去，形成穩定性所需的負極性。該結構強制輸出根據反饋因子B跟蹤輸入。

對于負反饋系統，閉環增益為ACL定義為：

一個CL= Av/（1+AvB)

開環增益Av在運算放大器中，通常功率較高，但由于溫度波動和制造工藝，會有變化。然而，在閉環配置中，如果環路增益（AvB）足夠大，傳遞函數近似為1/B。

這種效應稱為增益脫敏，使系統性能依賴于反饋網絡中的被動元件，而非主動器件的參數。換句話說，通過反饋網絡實現了精確度。

反饋拓撲是如何分類的？

反饋拓撲根據感官機制（輸出采樣方式）和回波機制（信號在輸入處的組合方式）進行分類。其中一個關鍵方面涉及阻抗變換。

圖2。四種基本反饋拓撲結構：電壓-電壓、電壓-電流、電流-電壓和電流-電流。（圖片來源：德克薩斯農工大學，作者修改）

圖2展示了四種主要配置：

1. 電壓-電壓反饋：反饋網絡在輸出端并聯采樣電壓，并在輸入端串聯混合。串聯混合增加了輸入阻抗，因此適用于電壓感應。

2. 電壓-電流反饋：稱為跨阻抗拓撲，該配置在輸入端使用并聯連接（I在節點）。這降低了輸入阻抗，便于從光電二極管等源處檢測電流。

3. 電流-電壓反饋：該拓撲采樣輸出電流串聯。回路通過負載，增加輸出阻抗并穩定電流驅動。

4. 電流-電流反饋：該配置采樣輸出電流并返回輸入電流，作為電流放大器。

案例研究

精密儀器，如光學接收機，通常需要管理寬的直流動態范圍。在傳感器接口方面，穩定性絕不能妥協。

在標準電容反饋跨阻放大器（CF-TIA）中，直流反饋環中的電阻會消耗背景直流電流。為了在不具飽和的情況下處理高最大直流輸入，該電阻必須具有較低的值。然而，低阻值電阻會產生更高的熱噪聲，這會影響低直流輸入電平下的信噪比。

為解決這個問題，設計可能會在反饋環路中用晶體管（BJT或ECT）替代靜態電阻。晶體管作為可變電流匯起作用。電阻的熱噪聲被晶體管的散射噪聲取代。由于散針噪聲隨電流增長，在正常工作（低直流輸入）時，噪聲底噪聲低于靜態低值電阻的恒定噪聲。例如，用BJT替代電阻可以實現更寬的動態范圍。

圖3。CF-TIA的硬件實現，展示了晶體管和補償網絡在PCB上的集成。（圖片來源：MDPI)

圖3展示了CF-TIA的物理布局。右側的紅色方框表示包含晶體管和補償元件的直流反饋環。將這些元件放置在積分器級（左紅框）附近，可以最小化寄生電容。通過這種補償，CF-TIA能夠在從皮安到微安培的直流輸入電流動態范圍內保持穩定。

摘要

反饋技術允許控制主動器件特性。通過選擇合適的拓撲結構并理解主動與被動反饋網絡之間的權衡，工程師可以設計出針對噪聲性能、線性和穩定性進行優化的系統。