放大器回授 Amplifier Feedback ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 6 )

（本文譯自 Integrated Publishing 的 AMPLIFIER FEEDBACK）
也許你曾經遇到過發出高亢尖銳噪音的廣播系統，然後有人將音量關小，噪音停止的經驗。那個噪音表示放大器（至少其中一級放大）已經產生震盪（Oscillation）。關於「震盪（Oscillation）」，在另外的章節中有詳細敘述。現在，你只需要知道震盪的產生，是因為放大器輸出信號的一小部份，被回送到輸入端，再次被放大所引起。這個過程重複發生，結果就是喇叭發出的大噪音。將放大器輸出信號一部份送回輸入端的過程，稱作回授（FEEDBACK）。

放大器的回授（feedback）有兩種。 一種是正回授（POSITIVE FEEDBACK），又稱再生性回授（REGENERATIVE FEEDBACK），另外一種是負回授（NEGATIVE FEEDBACK），又稱退化性回授（DEGENERATIVE FEEDBACK）。兩者的差別在於，回授信號與輸入信號是同相（in phase）或不同相（out of phase）。

當回授信號與輸入信號同相時，產生正回授（POSITIVE FEEDBACK）。圖 1-15 是一個有正回授的放大器方塊圖。 注意回授信號是與輸入信號同相位的，這表示，回授信號將被「加到」或「再生」輸入信號。結果是產生一個比沒有回授時，較大振幅的輸出信號。開頭敘述的廣播系統尖銳噪音，正是這種回授造成的。

Figure 1-15. - Positive feedback in an amplifier.

圖 1-16，是負回授放大器的方塊圖。它的回授信號與輸入信號是不同相位的。 這表示，回授信號會「減去」或「退化」輸入信號。結果會產生一個，振幅比沒有回授時較小的輸出信號。

Figure 1-16. - Negative feedback in an amplifier.

有時候在放大器中，是不希望產生回授的。

這會發生在高頻，而且限制了放大器的高頻響應。有些構成偏壓或耦合電路的元件在應用時，也會有不受歡迎的回授產生。通常採用相反的回授型態電路，解決這些不受歡迎的回授問題。例如，利用一個正回授，來抵銷一個不想要的負回授。

回授也可以用來獲得一個理想的輸入信號。通常，都會希望放大器有最大的輸出信號，而輸出信號的多寡與輸入信號的量有關。

然而，如果輸入信號太大， 在輸入信號的某部份， 放大裝置會過飽和（saturated）或者截止掉（cut off），因而導致失真（distorted），降低放大器的傳真度（fidelity）。放大器必須在增益與傳真度間取得平衡。

圖 1-17，顯示一個回授被用來提供最大輸出，而不損及傳真度的方法。 在 A 中，放大器有好的傳真度，但是增益不如預期。藉著加上一些回授，如 B 中，放大級的增益提高了。再看 C，放大器的增益大，輸入信號又很大的話，輸入信號反而失真了。這個失真，就是放大器變得飽和與截止造成的。如果加上一個負回授，如 D，這一級的增益變小，輸出信號的傳真度也跟著改善。

Figure 1-17A. - Feedback uses in amplifiers.

Figure 1-17B. - Feedback uses in amplifiers.

Figure 1-17C. - Feedback uses in amplifiers.

Figure 1-17D. - Feedback uses in amplifiers.

正回授與負回授可以用許多方式構成，端看需要回授的原因為何。下面是一些構成回授的方法和效益。

正回授  （Positive Feedback）

正如你看到的，輸出信號的一部份，同相地加到輸入信號，構成正回授。共基極（common-base）晶體放大器，要提供一個正回授很容易，因為它的輸入、輸出信號同相，單純只要將部份輸出信號，耦合到輸入信號去就可以了。如圖 1-18 所示。

回授由 R2 和 C2 構成。C2 的值必須要大，電容抗（X_C）變小，讓電容器可以輕易耦合信號。（同樣的，輸入、輸出的 C1 與 C3，也是一樣的道理。） R2 的電阻值也要大，以限制回授信號的量，確保大部份的輸出信號，經由 C3 到下一級去。

Figure 1-18. - Positive feedback in a transistor amplifier.

更常見的晶體放大器為共射級（common-emitter）結構。在這裡，正回授就困難一點，因為它的輸入、輸出信號有 180° 的相位差。正回授可由第二級的部份輸出信號，反饋進第一級的輸入信號中而完成。圖 1-19 顯示這種安排。

Figure 1-19. - Positive feedback in two stages of transistor amplification.

圖形顯示每一級放大有 180° 相位偏移。這表示 Q2 的輸出信號，會與 Q1 的輸入信號同相。Q2 的部份輸出信號，經由 C3 與 R3 的回授電路，耦合回到 Q1 的輸入信號中。 R3 的電阻值應該要大，以限制回授信號的量。C3 的電容值也應該要大，電容抗變小，電容器可以順利耦合信號。

正回授有時候用來消除電路元件造成的負回授。圖 1-20 可以看到電路元件是如何造成負回授的。

A 中是一個共射級（common-emitter）晶體放大器。射級電阻器（R2），在電路中提供適當的偏壓與溫度的穩定性。不過它會有一個不希望發生的效應 – 產生與基極輸入信號同相位的射級信號。信號生成的原因，是當流經電晶體的電流改變時，流過（R2）的電流產生變化而造成。

你可能會想，在射級的這個信號與輸入信號同相，它應該是一種正回授的型態。不過事實上，射級信號是一種負回授。流經電晶體的電流，受到基–射偏壓控制。如果基級與射級同時增加相同的正電壓，電流不會增加。是基與射級間的電位差，控制了流過電晶體的電流。

為了消除射級電阻器引起的負回授，必須要找出某種方法，移除掉射級信號。如果能將信號耦合到 ground（反耦合），電晶體的射級將不受影響。事實上就是這樣做的，在 Q1 的射級與 ground 間放了一個反耦合電容器（B 中的 C3），跨在 R2 上。 這個電容器應該要有很高的電容值，讓信號輕易通過到 ground 去。C3 的數量應該與電路中的耦合電容器（C1 和 C2）一樣多。反耦合電容器也稱作旁路電容器（bypass capacitors）

Figure 1-20A. - Decoupling (bypass) capacitor in a transistor amplifier.

Figure 1-20B. - Decoupling (bypass) capacitor in a transistor amplifier.

不管用什麼方法在電路中加上正回授，目的都在提高輸出信號的振幅。

負回授  （Negative Feedback）

負回授是將部份輸出信號，以不同相位（out of phase）地加到輸入信號來構成。你已經看到射級電阻器，在共射級晶體放大器中如何發展出負回授信號。其他提供負回授的方法，與那些提供正回授的方法類似，差別只在於回授信號與輸入信號的相位關係而已。

圖 1-21，共射級晶體放大器中的負回授。C2 與 R2 的回授電路，將 Q1 的部份輸出信號耦合到輸入端。因為輸出信號與輸入信號有 180° 相位差，形成一個負回授。

Figure 1-21. - Negative feedback in a transistor amplifier.

負回授藉著限制輸入信號來改善放大器的傳真度（fidelity）。也可以用來增加放大器的頻率響應（Frequency response）。當放大器達到頻率響應的限制時，增益會減少。而使用負回授時，回授信號會隨著輸出信號減少而減少。在放大器頻率響應的限制中，較小的回授信號，意味著實質增益（有回授的增益）的增加。這改善了放大器的頻率嚮應。

Q.23 What is feedback?
Q.24 What are the two types of feedback?
Q.25 What type feedback provides increased amplitude output signals?
Q.26 What type feedback provides the best fidelity?
Q.27 If the feedback signal is out of phase with the input signal, what type feedback is provided?
Q.28 What type feedback is provided by an unbypassed emitter resistor in a common-emitter transistor amplifier?