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负反馈与虚短条件

解释输入电压近似相等为什么依赖正常工作的反馈环路。

开环方程

输出保持在允许范围内时,电压反馈运放在直流下可近似为 Vo=A(V+−V−)V_o=A(V_+-V_-)。大的开环增益表示小差分输入也能要求很大输出,并不意味着两个输入自动相等。真实器件还存在输入偏置电流和共模限制。

负反馈将输出变化返回反相输入,使差分误差减小。稳定线性反馈环路具有足够增益和输出裕量时,V− 接近 V+。这就是“虚短”近似。两个输入之间并没有导线短接;输出饱和、输入超过共模范围或环路不稳定时,该条件失效。

有限增益示例

电压跟随器将输出直接连接 V−,把 Vin 加到 V+。则 Vo=A(Vin−Vo)V_o=A(V_{in}-V_o),增益为 A/(1+A)。A = 100000、Vin = 1 V 时,输出为 0.999990 V,差分输入约为 10 μV。结果接近 1 V,是因为环路可以修正误差,而不是开环输入方程消失了。

如果假定 3.3 V 电源下允许输出范围为 0.2–3.1 V,则要求跟随器输出 3.2 V 违反该假设,小误差预测无效。这些限制是教学数值;真实器件需检查数据手册条件、输出负载和温度。

检查反馈方向

设想输出略微增加。跟随器中 V− 增加,输入差减小,所要求输出向下调整,这就是负反馈。改为把输出连接 V+,可能强化增加并驱动类似比较器的状态;虚短规则不能修复这种拓扑。

计算电阻增益前,画出反馈路径,明确输入和输出限制。TI 的增益与带宽讨论介绍了放大器架构和补偿要求的区别。

自己试试

跟随器的直流开环增益为 1000,输入为 2 V,所有限制均满足。有限增益模型预测输出是多少?

阅读解释

Vo = 2 × 1000/1001 = 1.998002 V。差分输入为 1.998002 mV。假定闭环工作状态稳定。

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