Negativne povratne informacije v elektroniki

Sistem s povratnimi informacijami ima številne prednosti pred običajnimi sistemi. Pomaga izboljšati izhodno ojačanje vezja in poveča linearni odziv vezja. Prav tako zmanjša možnosti za popačenje signala, ki se pojavi predvsem zaradi šumnih signalov.

Sistemi povratnih informacij se večinoma uporabljajo v ojačevalnih vezjih, krmilnih sistemih na osnovi izhoda in oscilatorskih vezjih. Sistemi povratnih informacij so dve vrsti: Pozitivno povratne informacije in Negativno povratne informacije. Ta članek se bo veliko osredotočil na slednjo vrsto povratnih informacij.

Hitri oris:

• Kaj je sistem negativnih povratnih informacij v elektroniki
• Vezje negativnih povratnih informacij
• Funkcija prenosa negativnih povratnih informacij
• Negativne povratne informacije o operacijskih ojačevalnikih
• Primer 1
• Primer 2
• Primer 3
• Razlika med sistemoma pozitivnih in negativnih povratnih informacij
• Uporaba in lastnosti sistema negativnih povratnih informacij
• Vpliv negativnih povratnih informacij na pasovno širino
• Zaključek

Kaj je sistem negativnih povratnih informacij v elektroniki

Negativna povratna informacija v električnem tokokrogu je nadzorni mehanizem, ki stabilizira in uravnava delovanje električnega tokokroga. Vezja z integriranimi sistemi negativne povratne zveze sprejmejo izhodni signal in ga dajo vhodu kot a fazni opozicijski (obrnjeni) signal . Ta povratni sistem zmanjša morebitna odstopanja ali napake v izhodnih signalih.

Negativne povratne informacije se imenujejo tudi izraz degenerativne povratne informacije . Pri negativni povratni zvezi se izhodni signal, ki prihaja kot povratna informacija, odšteje od vhodnega referenčnega signala. Izhod povzroči napako, znano kot pridobitev povratne informacije . Ta signal napake, ustvarjen po odštevanju, bo ustrezno spremenil odziv sistema. Če je ojačanje sistema pozitivno, je treba povratni signal, ki prihaja iz izhoda, odšteti od vhodnega referenčnega signala, da ohranimo povratno zvezo kot negativno.

Ko je negativna povratna informacija odšteti iz referenčnega vhoda, naredi sistem bolj stabilen. Recimo, da obstaja sistem, ki kaže nenavadno vedenje – da bi preprečil to spremembo, bo sistem ustvaril izhodni signal. Ta izhodni ali povratni signal nasprotuje vhodnemu signalu – ustrezno spremeni vhod, da omogoči učinkovito delovanje celotnega sistema.

Vezje negativnih povratnih informacij

Vezje negativne povratne zveze je prikazano na spodnji sliki. Tukaj lahko vidite, da se izhodni signal vrne na vhodno stran kot povratna informacija. Na vhodni strani se generira razlika med referenčnim signalom in razliko povratnega signala, ki nato poganja sistem naprej.

1. Sestavni deli : Vezje je sestavljeno iz dveh glavnih komponent:

• Ojačevalnik z ojačanjem G.
• Povratna zanka s povratnim faktorjem β.

Vhodni signal je V _v in izhod ojačevalnika je V _ven .

2. Summing Junction : Na vhodu ojačevalnika je seštevalni spoj (pogosto predstavljen s krogom z znakom minus znotraj). Ta spoj bo odštel povratni signal od referenčnega vhoda. Odšteti del je zmnožek faktorja povratne informacije β in izhodne vrednosti Vout – torej je signal napake V _v – bV _ven .

3. Povratna zanka : Ta signal napake (V _v – bV _ven ) je tisto, kar poganja sistem. Predstavlja razliko med želenim vhodom V _v in dejanski izhod V _ven skalirano s povratnim faktorjem β.

4. Negativne povratne informacije : Ključni koncept tukaj je negativna povratna informacija. Ko je izhod V _ven spremembe zaradi morebitnih motenj ali sprememb v vhodu V _v signal napake (Vin – βV _ven ) je ustvarjen. Izračunani signal napake bo ojačal ojačevalnik z ojačanjem G in ga poslal nazaj v seštevalni spoj. Pomembno je, da je ta povratna informacija negativna, ker se odšteje od vnosa.

• Če je V _ven poveča (tj. sistemski izhod je višji od želenega) povratna zveza zmanjša napako, ki prinaša V _ven nazaj proti želeni vrednosti.
• Če je V _ven zmanjša (tj. sistemski izhod je nižji od želenega) povratna zveza poveča napako, ki poganja V _ven nazaj proti želeni vrednosti.

5. Splošna povratna enačba : Splošna povratna enačba za ta sistem je običajno izražena kot

Ta enačba povezuje izhod V _ven na vhod Vin in povratni faktor β preko ojačanja ojačevalnika G. Prikazuje, kako sistem uporablja negativno povratno zvezo za uravnavanje in nadzor izhoda, da se ujema z želenim vhodom.

Funkcija prenosa negativnih povratnih informacij

Prenosna funkcija definira enačbo, ki predstavlja razmerje med vhodom in izhodom. Pove nam, kako spremembe vnosa vplivajo na izhod. Pri negativni povratni zvezi imamo vmesni signal, ki ga predstavlja Z. Ta vmesni signal predstavlja razliko med izhodom in vhodom.

Za prenosna funkcija enačbe negativne povratne zveze, se Z uporablja za izračun signala napake ali popravka, ki je potreben, da se sistem približa želeni izhodni vrednosti.
Naslednji blokovni diagram prikazuje sistem negativne povratne zveze. Z uporabo tega diagrama lahko izračunamo prenosno funkcijo za sistem negativne povratne zveze:

Izhod sistema negativnih povratnih informacij je enak Y(s):

Negativne povratne informacije o operacijskih ojačevalnikih

V konfiguraciji z negativnimi povratnimi informacijami se del izhoda operacijskega ojačevalnika (V) dodeli vhodnemu invertirajočemu (-) terminalu. Ta izhodni signal bo odštet od vhodne reference. Pomaga nadzorovati in stabilizirati ojačanje ojačevalnika.

Z uporabo negativne povratne informacije v vezju operacijskega ojačevalnika lahko nastavite želeno raven ojačanja, hkrati pa ohranite stabilnost sistema. Negativne povratne informacije zmanjšajo nelinearnosti v značilnostih operacijskega ojačevalnika, zaradi česar deluje bližje idealnemu obnašanju.

Vezje operacijskega ojačevalnika (op-amp) z negativno povratno zvezo je zasnovano z uporabo operacijskega ojačevalnika kot osrednje komponente. Operacijski ojačevalnik ima dva vhoda: eden je invertirajoči (-), drugi pa neinvertirajoči (+). Ima en izhodni terminal. Za sistem negativnih povratnih informacij bomo uporabili inverzno stran operacijskih ojačevalnikov.

To vezje običajno vključuje:

• Vhodni upor (Rin), ki povezuje en vir z invertnim (-) vhodom operacijskega ojačevalnika.
• Povratni upor (Rf), ki povezuje izhod operacijskega ojačevalnika z invertirajočim (-) vhodom.
• Povezava z obremenitvijo na izhodu operacijskega ojačevalnika.

Ojačanje lahko ugotovite z uporabo razmerja Rf in Rin. Ta negativna povratna informacija stabilizira in nadzoruje vedenje operacijskega ojačevalnika. Deluje tako, da minimizira razliko napetosti med dvema invertirajočima in neinvertirajočima vhodoma. Med njima ustvari navidezni kratek stik. Posledično operacijski ojačevalnik prilagodi svojo izhodno napetost, da ohrani to ravnovesje – zaradi česar postane učinkovit ojačevalnik z nadzorovanim ojačanjem.

Primer 1: Izračun ojačanja zaprte zanke

Sistem ima ojačanje 60 dB brez povratne informacije. Delež negativne povratne zveze je 1/20, poiščite ojačanje zaprte zanke (v dB) z dodatkom negativne povratne zveze.

rešitev:

Dobiček zaprte zanke z negativno povratno zvezo je podan s formulo:

V tem primeru je ojačanje odprte zanke 60 dB, delež povratne zanke pa 1/20.

Torej, z deležem povratne informacije 1/20, bo ojačanje zaprte zanke sistema 86,02 dB.

Primer 2: Izračun ojačanja napetosti

Če ima ojačevalnik na začetku napetostni dobiček 3000 (brez povratne zveze), nato pa vsebuje negativno povratno napetost z deležem povratne zveze mv = 0,01. Kakšno bo novo napetostno ojačenje ojačevalnika?

rešitev :

Za izračun napetostnega ojačanja ojačevalnika lahko uporabite formulo napetostnega ojačanja za ojačevalnik z negativno povratno zvezo napetosti:

V zgornji formuli:
A _f = Napetostni dobiček s povratno zvezo
A = Napetostni dobiček brez povratne zveze
mv = Delež povratne informacije

Tukaj imamo:
Povečanje napetosti brez povratne zveze (A) = 3000
Frakcija povratne informacije (mv) = 0,01

Zdaj vstavite te vrednosti v formulo:

Torej je napetostni dobiček ojačevalnika z negativno povratno napetostjo približno 96,77.

Primer 3: Izračun povratnih uporov

Določite ustrezne vrednosti povratnih uporov, R ₁ in R ₂ . Neinvertirajoče ojačevalno vezje morate stabilizirati z uporabo operacijskega ojačevalnika z napetostnim ojačenjem odprte zanke (AVOL) 220.000. Vaš ciljni dobiček v zaprti zanki je 40.

rešitev :

Splošna povratna enačba zaprtega kroga je:

Če želite dobiti povratni delež β, preuredite zgornjo enačbo:

V tem primeru je dobiček odprte zanke previsok. Torej bo povratna frakcija β približno enaka recipročnemu ojačenju zaprte zanke 1/G. Ker je vrednost 1/A premajhna, približno enaka (0,025).

Upora R1 in R2 v zgornji konfiguraciji tvorita vezje delilnika potenciala serijske napetosti. Povečanje napetosti zaprte zanke lahko najdete na naslednji način:

Predpostavimo, da je vrednost za R2 1000 Ω (1 kΩ). Nato vrednost za R ₁ lahko zapišemo kot

Torej, za neinvertirajoče ojačevalno vezje z ojačanjem 40 morate izbrati R ₁ 39 kΩ in R ₂ 1 kΩ.

Razlika med sistemoma pozitivnih in negativnih povratnih informacij

Razliko med sistemom pozitivne in negativne povratne informacije najdete v spodnji tabeli:

Uporaba in lastnosti sistema negativnih povratnih informacij

Sistemi z negativnimi povratnimi informacijami imajo veliko aplikacij v splošni elektroniki. Ti sistemi so izboljšali nestabilnost sistema, linearnost sistema, frekvenčni odziv in stopenjski odziv. Zaradi teh prednosti sistemov z negativnimi povratnimi informacijami ima veliko ojačevalnih vezij v elektroniki sisteme z negativnimi povratnimi informacijami.
Spodaj je navedenih nekaj podrobnih opisov sistemov negativnih povratnih informacij:

Stabilnost : Sistem z negativnimi povratnimi informacijami zmanjša odstopanja od želene točke, zaradi česar je sistem bolj stabilen. Na primer, termostat skrbi, da temperatura ostane blizu izbrane vrednosti.

Natančnost: Sistemi negativnih povratnih informacij izboljšajo natančnost sistema z zmanjšanjem napak. V vezju ojačevalnika negativna povratna zveza zmanjša popačenje in ustvari stabilnejši signal na izhodu.

Nadzor pasovne širine : Pasovno širino ojačevalnika lahko nadzorujete tudi s pomočjo sistema negativne povratne zveze. Zaradi tega so primerni za več aplikacij. Te aplikacije vključujejo ojačitev zvoka do ojačitve radijskih frekvenc.

Zmanjšanje hrupa : Negativne povratne informacije lahko zmanjšajo neželeni šum in motnje. Zmanjšanje hrupa ima več aplikacij na področju avdio sistemov in komunikacijskih naprav.

Dinamični odziv : Sistemi z negativnimi povratnimi informacijami imajo sposobnost dinamičnega odziva. Ti sistemi se lahko prilagodijo danim pogojem. Primer dinamičnega odziva vključuje sistem avtomobilskega tempomata.

Vpliv negativnih povratnih informacij na pasovno širino

Pasovna širina pojasnjuje delovno frekvenčno območje za ojačevalnik s konstantnim ojačanjem. Sistem z večjo pasovno širino pomeni, da lahko ojačevalnik prenese več frekvenc. Negativna povratna zveza zmanjša ojačanje ojačevalnika, tako da daje izhod na vhodni strani. To izboljša stabilnost in linearnost sistema, vendar posledično tudi zmanjša sistemski dobiček.

The učinek negativnih povratnih informacij na pasovno širino odvisno od vrste in količine uporabljene povratne informacije. Na splošno negativne povratne informacije povečajo pasovno širino z zmanjšanjem ojačenja sistema. Zmnožek pasovne širine ojačanja, ki je merilo zmogljivosti ojačevalnika, ostane nespremenjen ne glede na povratne informacije.

Na primer , razmislite o ojačevalnem vezju brez povratne zveze, ki ima ojačanje 100 in pasovno širino 10 kHz. Uporaba negativne povratne informacije za zmanjšanje ojačanja na 10. To bo povečalo pasovno širino na 100 kHz. Produkt ojačanja in pasovne širine je v obeh primerih še vedno 100 × 10 kHz = 1 MHz.

Vendar pa negativne povratne informacije vplivajo tudi na mejne frekvence ojačevalnika. To so frekvence, pri katerih pridobitev sistema pade od največje vrednosti. Negativna povratna zveza zniža mejno frekvenco in zviša zgornjo mejno frekvenco. To bo povzročilo razširitev krivulje frekvenčnega odziva ojačevalnika. Neto učinek negativnih povratnih informacij na pasovno širino je menjava dobička za pasovno širino.

To pomeni, da bo uporaba negativne povratne informacije povečala razpon frekvenc, ki jih lahko prenese ojačevalnik. Toda vse to pride na račun zmanjšanja njegovega ojačevalnega faktorja.

Zaključek

Sistem z negativnimi povratnimi informacijami lahko nadzoruje ali prilagaja izhod tako, da del izhoda služi na vhodni strani. Ta povratna informacija ustvari signal o napaki, kar vam bo zagotovilo stabilnejši sistem. Ta signal napake je dinamičen in poganja celoten sistem. Sistem negativnih povratnih informacij lahko izboljša natančnost sistema in nadzoruje pasovno širino. Ta povratni sistem se uporablja v ojačevalnih vezjih, kot so sistemi za dušenje hrupa ali avtomobilski tempomat. Preberite več o podrobnem opisu negativnih povratnih informacij v tem članku.