电流串联负反馈网络的完整作用机制新解

于红兵，邹天乐

电流串联负反馈网络的完整作用机制新解

于红兵1，邹天乐2

（1. 成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610225；2. 桂林理工大学 理学院，广西 桂林 541006）

负反馈；电流串联反馈接法；三端钮网络；等效模型

1 问题的提出

对于利用正反馈产生振荡信号的振荡器，目前已有一系列文章[1-5]依据严密的数理分析重新表述了振荡器电路中正反馈物理机制的真实过程，修正或重构了振荡器理论的概念系统，并对有关公式作出了一定的改造．对于利用负反馈来改善性能的放大器，也有必要重新审视其中负反馈网络各方面影响的确切机制．

一般认为，对于含有负反馈的晶体管放大器，如果负载电阻不是反馈网络的一部分，反馈网络接入后会产生3个方面的直接影响，即反馈作用、在放大器输入回路及输出回路的电阻效应、直通作用．但作为所有理论分析的起点，如何统一而严谨地阐释这3种作用的产生机制，在现有的电子线路教材理论体系中，却仍然具有不小的逻辑缺憾．

在一些教材[6-7]中，对反馈网络的反馈作用和电阻效应，是分开讨论引入的．但问题在于，面对负反馈放大器这个整体上较为复杂的电路结构，这些分析并没有找到对反馈网络这些零散分析完备性的保证．原则上，人的理性不应该停留在以这种方式来这样解决问题：找到反馈网络的一种影响，再找到另一种影响，没有更多发现了，就宣布考虑得很完备．事实上，直通作用并没有得到适当的讨论．为什么反馈网络不会产生其他直接影响，这需要证明．负反馈放大器的理论基础正如叠加定理、戴维南定理这样的电路基础理论和分析方法一样，必须建立在严谨的理论分析推导上，无论所需的论证过程简单或复杂，这一工作不能缺失．无论从学科体系还是教材体系上说，基础性理论分析的自洽应是论述者的自我要求．

为此，也有教材试图采取所谓的“AB分离法”来解决问题[8-10]：先将负反馈放大器拆分为基本放大器A和反馈网络B，再将基本放大器A和反馈网络B都视为双口网络；这2个双口网络在输入端口的联接可能有串联或并联2种方式，在输出端口的联接也有串联或并联2种方式，于是将负反馈放大器画成显示2个相连接的双口网络的方框图，并在此基础上进行讨论．

电流串联负反馈放大器（交流通路，见图1）对应的AB分离的方框图一般形式（见图2），即2个双口网络的输入端口串联，输出端口也串联．这样的操作，在现行教材中已是常见的通例[8-10]，是进一步的概念推理乃至分析计算的出发点，但连接后的2个双口网络相关计算将变得极为繁复，这种繁复的运算对于厘清有关概念机制助益不大，反而是其自身的立论基础仍有待商榷．

将图1做AB分离后，实际得到的电路结构为图3．仔细看来，其中基本放大器单元A的对外连接点有5个，而不像双口网络那样只有4个对外连接点．分离出的基本放大器单元A实际上是五端钮网络，这时不能武断地判定哪个点的电流无关紧要而无视其存在，不能削足适履地将基本放大器单元A视为四端钮网络，更不能进一步当成双口网络进行分析．

图1 电流串联负反馈放大器（交流通路）

图2 输入端口串联，输出端口也串联的AB分离方框图

图3 电流串联负反馈放大器作AB分离后的实际结构

然而，AB分离法的思路至少在一点上是可取的，这就是将整个电路的某些部分用与双口网络类似的方法来分析处理．只不过前面已说明，基本放大器单元是不能这样处理的．其实反过来可以发现，对于电流串联负反馈放大器而言，并不存在对基本放大器单元作如此操作的必要性，因为要说明反馈网络的作用，只需要单独处理反馈网络即可．事实上，没有必要将基本放大器和反馈网络作等量齐观，硬性地将它们看成上下对称的2个双口网络，本质上反馈网络是嵌入在放大器内部的一小部分结构而已．本文将证明对反馈网络而言，它可以用与双口网络类同的参数等效模型来实现等效，而且只需利用这一点，就可以正确地阐释反馈网络接入后的反馈作用、电阻效应和直通作用．

2 论证过程

第1步 证明反馈网络可以用与双口网络类同的参数等效模型来实现等效．

默认电路或网络为线性电路或线性网络．一般而言，反馈网络对外有3个接线点，即基本放大器输入回路上的接点（左接点）、基本放大器输出回路上的接点（右接点）、接地点，它是三端钮网络．因此，需要证明任意三端钮网络的等效与双口网络类同．

图4 左右两侧均与单口网络相联的三端钮网络

需要注意的是，常用晶体管放大器（指放大器整体，不是所谓的基本放大器）、反馈网络这样的电路或网络在结构本质上是三端钮网络．虽然三端钮网络的外部特性与双口网络的端口特性类似，然而两者在结构上仍然可能存在区别：对于变压器这样的双口网络，其输入端口与输出端口可以没有共用端钮；但对于三端钮网络，正如图4的虚线框中所示，端钮N3是左右2个端口的共用端钮．三端钮网络与双口网络不能混为一谈，但三端钮网络与双口网络的等效数学模型是一样的．

所以，将常用晶体管放大器或反馈网络这样的电路或网络视为三端钮网络而不是双口网络，这将是更准确的用词，也更真实地反映了其结构特征，应成为表述这类电路或网络特征并加以分类时的标准称谓.

第2步 对反馈网络用与双口网络类同的等效数学模型进行等效，据此阐释反馈网络的作用．

图5 改画后的电流串联负反馈放大器

图6 反馈网络等效后的电流串联负反馈放大器

一般来说，从在晶体管放大器中引入负反馈的方式来看，反馈网络是放大器中的由若干电阻构成的局部结构，可以作为三端钮网络来单独进行等效．也就是说，反馈网络嵌入放大器电路在起着作用，而这些作用可以运用合理的等效来轻易地获知．对比之下，抽离了反馈网络的放大器（即所谓基本放大器）却难以应用恰当等效模型单独处理．

3 结语

本文对电流串联负反馈放大器的分析论证过程，原则上也可以用于讨论其他组态的负反馈放大器，只是采用的参数等效模型不同．

AB分离法不加审视地把基本放大器A和反馈网络B 2部分都按双口网络进行分离并分别等效，既无依据，也无必要，反而将关于反馈网络分析的基础性理论依据导向一个较为繁复，然而却因背离学术规范而并无说服力的方向，这是反馈网络基本理论论述中长期存在而未得到纠正的问题．

本文的理论论证力求细节的详尽，而整体上希望反馈网络分析的基础性理论也能满足对于一般科学论述所要求的“如无必要，勿增实体”奥卡姆剃刀原理[11-12]．将反馈网络视为三端钮网络，证明了三端钮网络可以用与双口网络同样的端口等效数学模型实现等效．针对电流串联负反馈放大器，证明对于其中的反馈网络等效后，反馈网络3方面的影响可以用等效后新获得的对应元件来得到完备的阐释．这种论述方式直接切合解决问题的需要，惜在现有反馈网络理论分析中未获表达．简单的效用例举不能实现逻辑自洽，繁琐却根基不稳的复杂分析亦不能．通过本文的论证，电流串联负反馈放大器中反馈网络的基本作用及其产生机制得以厘清，使这一最基础的分析步骤获得了充分的逻辑保证．

[1] 于红兵，王天宝．反馈型正弦波振荡器起振的元件参数分析[J]．四川师范大学学报（自然科学版），2005（6）：118-120．

[2] 于红兵．反馈型振荡器起振条件的新研究[J]．电子科技大学学报，2005（4）：573-576．

[3] 于红兵，张金华．关于三点式振荡器关键问题的探讨[J]．电气与电子教学学报，2012，34（6）：34-37．

[4] Yu Hongbing，Chen Qixing．Various Behaviors of Wien-Bridge Circuit and Quasi-Wien-Bridge Circuit in Different Situations[C]//2012 Spring World Congress on Engineering and Technology，Xi′an，China，2012：611-614．

[5] 于红兵，陈启兴，张金华．奇异振荡现象与多模振荡现象以及一类新型振荡器的研究[J]．电子器件，2013，36（3）：325-331．

[6] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．3版．北京：高等教育出版社，2001：263-265．

[7] 康华光，陈大钦．电子技术基础：模拟部分[M]．4版．北京：高等教育出版社，1999：301-306．

[8] 张凤言．电子电路基础：高性能模拟电路和电流模技术[M]．2版．北京：高等教育出版社，1995：273-283．

[9] 谢嘉奎，宣月清，冯军．电子线路：线性部分[M]．4版．北京：高等教育出版社，1999：271-280．

[10] Rashid M H．Microelectronic Circuits：Analysis and Design[M]．Boston：PWS，1999：472-506．

[11] 董皓，詹志华．论奥卡姆的“剃刀原则”在科学实践中的运用[J]．合肥工业大学学报（社会科学版），2014（6）：75-77．

[12] 杨雪特．简单性原理之源[J]．内江师范学院学报，2005（4）：26-29．

Reinterpretation for the mechanism of intact effects produced by feedback network in series-series topology

YU Hongbing1，ZOU Tianle2

（1. School of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2. School of Science，Guilin University of Technology，Guilin 541006，China）

negative feedback；series-series topology；three-terminal network；equivalent model

1007-9831（2023）07-0084-05

TN721.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.07.017

2023-03-16

2022年度成都信息工程大学本科教育教学研究与改革项目（JYJG2022087）——“通信电子线路”多介质教材建设

于红兵（1965-），男，山东文登人，副教授，硕士，从事电路理论与微波测量研究．E-mail：yhbyh@cuit.edu.cn