反馈拓扑与架构解释

反馈是电路设计和控制理论中的核心概念，用于稳定放大器和控制系统行为。本文概述了反馈的基本架构，分类了标准拓扑，并以实际硬件实现为案例研究。

反馈系统的基本架构是什么？

反馈系统由一个带有开环增益（A）的前馈放大器组成v）以及一个因子（B）的反馈网络。系统从输入信号中减去输出信号的一部分，生成误差信号，随后被放大。

图1。带有反馈的放大器电路，显示反馈放大器Av反馈网络B，以及加法器/减法器机制。（图片来源：东芝)

如图1所示，该架构展示了信号流。信号从输入（V在）通过加法器到放大器（A）v）生成输出 （V出去).反馈块（B）采样输出并返回给加法器。图示显示反馈信号从输入中减去，形成稳定性所需的负极性。该结构强制输出根据反馈因子B跟踪输入。

对于负反馈系统，闭环增益为ACL定义为：

一个CL= Av/（1+AvB)

开环增益Av在运算放大器中，通常功率较高，但由于温度波动和制造工艺，会有变化。然而，在闭环配置中，如果环路增益（AvB）足够大，传递函数近似为1/B。

这种效应称为增益脱敏，使系统性能依赖于反馈网络中的被动元件，而非主动器件的参数。换句话说，通过反馈网络实现了精确度。

反馈拓扑是如何分类的？

反馈拓扑根据感官机制（输出采样方式）和回波机制（信号在输入处的组合方式）进行分类。其中一个关键方面涉及阻抗变换。

图2。四种基本反馈拓扑结构：电压-电压、电压-电流、电流-电压和电流-电流。（图片来源：德克萨斯农工大学，作者修改）

图2展示了四种主要配置：

1. 电压-电压反馈：反馈网络在输出端并联采样电压，并在输入端串联混合。串联混合增加了输入阻抗，因此适用于电压感应。

2. 电压-电流反馈：称为跨阻抗拓扑，该配置在输入端使用并联连接（I在节点）。这降低了输入阻抗，便于从光电二极管等源处检测电流。

3. 电流-电压反馈：该拓扑采样输出电流串联。回路通过负载，增加输出阻抗并稳定电流驱动。

4. 电流-电流反馈：该配置采样输出电流并返回输入电流，作为电流放大器。

案例研究

精密仪器，如光学接收机，通常需要管理宽的直流动态范围。在传感器接口方面，稳定性绝不能妥协。

在标准电容反馈跨阻放大器（CF-TIA）中，直流反馈环中的电阻会消耗背景直流电流。为了在不具饱和的情况下处理高最大直流输入，该电阻必须具有较低的值。然而，低阻值电阻会产生更高的热噪声，这会影响低直流输入电平下的信噪比。

为解决这个问题，设计可能会在反馈环路中用晶体管（BJT或ECT）替代静态电阻。晶体管作为可变电流汇起作用。电阻的热噪声被晶体管的散射噪声取代。由于散针噪声随电流增长，在正常工作（低直流输入）时，噪声底噪声低于静态低值电阻的恒定噪声。例如，用BJT替代电阻可以实现更宽的动态范围。

图3。CF-TIA的硬件实现，展示了晶体管和补偿网络在PCB上的集成。（图片来源：MDPI)

图3展示了CF-TIA的物理布局。右侧的红色方框表示包含晶体管和补偿元件的直流反馈环。将这些元件放置在积分器级（左红框）附近，可以最小化寄生电容。通过这种补偿，CF-TIA能够在从皮安到微安培的直流输入电流动态范围内保持稳定。

摘要

反馈技术允许控制主动器件特性。通过选择合适的拓扑结构并理解主动与被动反馈网络之间的权衡，工程师可以设计出针对噪声性能、线性和稳定性进行优化的系统。