op amp 為什要分 negative,positive feedback. close loop...

在運算放大器（op amp）的應用中，經常會提到「負回授（negative feedback）」、「正回授（positive feedback）」、「閉迴路（close loop）」以及「開迴路（open loop）」等概念。這些概念都是理解運放特性與應用電路的重要基礎。以下分幾個面向來說明：

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1. 什麼是開迴路（Open Loop）？

1. 開迴路增益（Open-Loop Gain）
   運放本身（不加任何外部回授電路）時，運放數據手冊上標示的「開迴路增益」通常很高，理想情況甚至假設接近無限大。
2. 開迴路應用的限制
   • 開迴路增益非常高，任何微小輸入電壓差都會使輸出快速飽和到電源電壓附近。
   • 幾乎不會將運放用在「開迴路」的形式作類比線性放大，因為無法穩定控制放大量，也難以精準地設定增益。

因此，在大部分的應用電路中，會使用外部電阻或元件，形成「回授（feedback）」路徑，來設定所需的增益或功能。

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2. 什麼是閉迴路（Close Loop）？

1. 閉迴路增益（Closed-Loop Gain）
   當我們在運放輸出端和輸入端之間加入回授電路，即形成「閉迴路」。藉由回授電阻或電阻網絡，我們可以將高開迴路增益「控制」成所需要的較小增益，並且使電路特性可預測、穩定。
2. 常見的閉迴路電路
   • 反相放大器（Inverting Amplifier）
     輸入訊號透過電阻進到反相端，並在輸出與反相端之間形成回授路徑。此時增益可由外部電阻比設定。
   • 同相放大器（Non-inverting Amplifier）
     輸入訊號接到同相端（+），反相端（−）則用電阻接到輸出形成負回授。此時增益一樣可由電阻比設定。
   • 緩衝器（Buffer / Voltage Follower）
     直接將輸出接到反相端輸入，形成增益約為 1 的緩衝器。

閉迴路的特性是：雖然運放本身的開迴路增益很高，但透過回授使整體電路最終的表現增益、輸入輸出關係以及頻率特性都可以被有效地控制。

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3. 為何要分「負回授（Negative Feedback）」與「正回授（Positive Feedback）」？

1. 負回授（Negative Feedback）

   • 定義：輸出的一部分經由回授路徑「反向」送回到輸入端（通常是反相端）。
   • 作用：減少輸入與輸出之間的誤差，使輸出「趨近」於理想狀況，達到穩定、線性、可預測的增益。
   • 優點：線性放大、降低失真、穩定增益、減少輸出阻抗…等。大部分常見的放大器應用都是使用負回授。

2. 正回授（Positive Feedback）

   • 定義：輸出的一部分「同相」送回到輸入端。
   • 作用：放大輸入端的微小偏差，使得輸出更容易飽和或翻轉。
   • 應用：比較器（Comparator）、施密特觸發器（Schmitt Trigger）、震盪電路（Oscillator）等，主要用於「非線性」或「開關」式應用，需要輸出高速翻轉或固定在某些狀態。

因此，負回授最常見於線性放大電路；正回授則常見於比較器、震盪器或者穩定兩個狀態的切換電路（類似數位電路）。

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4. open loop 與 close loop 之間的關係

• open loop（開迴路）
  代表沒有任何外部的回授路徑，增益幾乎等同於運放本身的「開迴路增益」。通常高達數萬到數百萬倍甚至更多。
• close loop（閉迴路）
  代表在運放外部加入回授網絡（常見是負回授），利用外部元件來設定所需增益或功能。

二者的關係簡單來說就是：

運放在「開迴路」下增益極高且不易受控；
通常透過「閉迴路」負回授來設定一個可預期且穩定的增益或行為。

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5. 總結

1. 負回授通常用於線性放大器設計，可得到穩定、可預測的增益與輸出行為。
2. 正回授常用於比較器、震盪器或需要快速切換及雙穩態的電路。
3. **開迴路（Open Loop）**指沒有任何回授，增益極高，但不適用於大部分「線性放大」場合。
4. **閉迴路（Close Loop）**指在輸出與輸入之間加了回授網絡（大多是負回授），使得整個放大器電路擁有適合的增益、良好的穩定度和可預測性。

這些概念在設計運算放大器電路時非常重要，必須根據想要的功能、增益以及對穩定度的要求，來決定要使用哪種回授方式、如何設計回授路徑以及選擇合適的運放規格。