Система обратной связи имеет множество преимуществ по сравнению с обычными системами. Это помогает улучшить выходное усиление схемы и увеличивает линейный отклик схемы. Это также снижает вероятность искажений сигнала, возникающих в основном из-за шумовых сигналов.
Системы обратной связи в основном используются в схемах усилителей, системах управления на основе выходного сигнала и схемах генераторов. Системы обратной связи бывают двух типов: Позитивный обратная связь и Отрицательный обратная связь. В этой статье основное внимание будет уделено последнему типу обратной связи.
Краткое описание:
- Что такое система отрицательной обратной связи в электронике
- Цепь отрицательной обратной связи
- Функция передачи отрицательной обратной связи
- Отрицательная обратная связь в операционных усилителях
- Пример 1
- Пример 2
- Пример 3
- Разница между системами положительной и отрицательной обратной связи
- Применение и свойства системы отрицательной обратной связи
- Влияние отрицательной обратной связи на пропускную способность
- Заключение
Что такое система отрицательной обратной связи в электронике
Отрицательная обратная связь в электрической цепи представляет собой механизм управления, стабилизирующий и регулирующий работу электрической цепи. Схемы со встроенными системами отрицательной обратной связи принимают выходной сигнал и подают его на вход в виде фазовый противофазный (инвертированный) сигнал . Эта система обратной связи уменьшает любые отклонения или ошибки в выходных сигналах.
Отрицательную обратную связь также называют дегенеративная обратная связь . При отрицательной обратной связи выходной сигнал, поступающий в качестве обратной связи, вычитается из входного опорного сигнала. Результатом вывода является ошибка, известная как усиление обратной связи . Этот сигнал ошибки, генерируемый после вычитания, соответствующим образом изменит реакцию системы. Если коэффициент усиления системы положительный, сигнал обратной связи, поступающий с выхода, необходимо вычесть из входного опорного сигнала, чтобы обратная связь оставалась отрицательной.
Когда отрицательный отзыв вычтено от опорного входа, это делает систему более стабильной. Допустим, есть система, которая демонстрирует необычное поведение — чтобы противостоять этому изменению, система генерирует выходной сигнал. Этот выходной сигнал или сигнал обратной связи противодействует входному сигналу, соответствующим образом изменяя входной сигнал, чтобы обеспечить эффективную работу всей системы.
Цепь отрицательной обратной связи
Схема отрицательной обратной связи показана на изображении ниже. Здесь вы можете видеть, что выходной сигнал возвращается на вход в качестве обратной связи. На входной стороне генерируется разница между опорным сигналом и разностью сигналов обратной связи, которая затем приводит систему в движение дальше.
1. Компоненты : Схема состоит из двух основных компонентов:
- Усилитель с коэффициентом усиления G.
- Петля обратной связи с коэффициентом обратной связи β.
Входной сигнал В в а выход усилителя В вне .
2. Суммирующий узел : На входе усилителя имеется суммирующий переход (часто изображается кружком со знаком минус внутри). Этот переход будет вычитать сигнал обратной связи из опорного входа. Вычтенная часть представляет собой произведение коэффициента обратной связи β и выходного сигнала Vout, поэтому сигнал ошибки равен V. в – БВ вне .
3. Петля обратной связи : Этот сигнал ошибки (V в – БВ вне ) — это то, что движет системой. Он представляет собой разницу между желаемым входным сигналом V в и фактическая мощность V вне масштабируется коэффициентом обратной связи β.
4. Отрицательный отзыв : Ключевое понятие здесь — отрицательная обратная связь. Когда выходной сигнал В вне изменения из-за каких-либо помех или изменений входного напряжения V в сигнал ошибки (Vin – βV вне ) создано. Вычисленный сигнал ошибки будет усилен усилителем с коэффициентом усиления G и возвращен обратно в суммирующий переход. Важно отметить, что эта обратная связь отрицательна, поскольку она вычитается из входных данных.
- Если В. вне увеличивается (т.е. выходная мощность системы становится выше желаемой) обратная связь уменьшает ошибку, вызывая V вне обратно к желаемому значению.
- Если В. вне уменьшается (т.е. выходная мощность системы становится ниже желаемой) обратная связь увеличивает ошибку управления V вне вернуться к желаемому значению.
5. Общее уравнение обратной связи. : Общее уравнение обратной связи для этой системы обычно выражается как
Это уравнение связывает выходной сигнал V вне на вход Vin и коэффициент обратной связи β через коэффициент усиления усилителя G. Он показывает, как система использует отрицательную обратную связь для регулирования и управления выходным сигналом в соответствии с желаемым входным сигналом.
Функция передачи отрицательной обратной связи
Передаточная функция определяет уравнение, которое представляет взаимосвязь между входными и выходными данными. Он говорит нам, как изменения на входе влияют на результат. При отрицательной обратной связи у нас есть промежуточный сигнал, представленный буквой Z. Этот промежуточный сигнал представляет собой разницу между выходным и входным сигналом.
Для функция передачи уравнение отрицательной обратной связи, Z используется для расчета сигнала ошибки или коррекции, необходимой для приближения системы к желаемому значению выходного сигнала.
На следующей блок-схеме показана система отрицательной обратной связи. Используя эту диаграмму, мы можем рассчитать передаточную функцию для системы с отрицательной обратной связью:
Выход системы отрицательной обратной связи равен Y(s):
Отрицательная обратная связь в операционных усилителях
В конфигурации с отрицательной обратной связью часть выходного сигнала операционного усилителя (V) подается на входную инвертирующую (-) клемму. Этот выходной сигнал будет вычтен из входного задания. Это помогает контролировать и стабилизировать коэффициент усиления усилителя.
Используя отрицательную обратную связь в схеме ОУ, можно установить желаемый уровень усиления, сохраняя при этом стабильность системы. Отрицательная обратная связь уменьшает нелинейность характеристик операционного усилителя, приближая его работу к идеальному поведению.
Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью (ОУ) спроектирована с использованием операционного усилителя в качестве центрального компонента. ОУ имеет два входа: один инвертирующий (-), другой неинвертирующий (+). Имеет один выходной терминал. Для системы отрицательной обратной связи мы будем использовать инвертирующую сторону операционных усилителей.
Эта схема обычно включает в себя:
- Входной резистор (Rin), соединяющий единственный источник с инвертирующим (-) входом операционного усилителя.
- Резистор обратной связи (Rf), соединяющий выход операционного усилителя с инвертирующим (-) входом.
- Подключение к нагрузке на выходе ОУ.
Вы можете найти усиление, используя отношение Rf к Rin. Эта отрицательная обратная связь стабилизирует и контролирует поведение операционного усилителя. Он работает путем минимизации разницы напряжений между двумя инвертирующими и неинвертирующими входами. Между ними создается виртуальное короткое замыкание. В результате операционный усилитель регулирует свое выходное напряжение для поддержания этого баланса, что делает его эффективным усилителем с контролируемым усилением.
Пример 1. Расчет коэффициента усиления в замкнутом контуре
Система имеет коэффициент усиления 60 дБ без обратной связи. Доля отрицательной обратной связи равна 1/20. Найдите коэффициент усиления замкнутого контура (в дБ) с добавлением отрицательной обратной связи.
Решение:
Коэффициент усиления замкнутого контура с отрицательной обратной связью определяется формулой:
В этом случае коэффициент усиления разомкнутого контура составляет 60 дБ, а доля обратной связи — 1/20.
Итак, при доле обратной связи 1/20 коэффициент усиления замкнутой системы составит 86,02 дБ.
Пример 2. Расчет коэффициента усиления напряжения
Если усилитель изначально имеет коэффициент усиления по напряжению 3000 (без обратной связи), а затем содержит отрицательную обратную связь по напряжению с долей обратной связи mv = 0,01. Каким будет новый коэффициент усиления по напряжению усилителя?
Решение :
Вы можете использовать формулу коэффициента усиления по напряжению для усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению — для расчета коэффициента усиления по напряжению усилителя:
В приведенной выше формуле:
А ж = Коэффициент усиления напряжения с обратной связью
А = усиление напряжения без обратной связи
МВ = Доля обратной связи
Здесь у нас есть:
Усиление напряжения без обратной связи (А) = 3000
Доля обратной связи (мв) = 0,01
Теперь подставьте эти значения в формулу:
Итак, коэффициент усиления по напряжению усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению составляет примерно 96,77.
Пример 3: Расчет сопротивлений обратной связи
Определите соответствующие значения сопротивлений обратной связи, R 1 и Р 2 . Вам необходимо стабилизировать схему неинвертирующего усилителя, используя операционный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению разомкнутого контура (AVOL) 220 000. Ваш целевой коэффициент усиления с обратной связью составляет 40.
Решение :
Общее уравнение обратной связи с обратной связью:
Чтобы получить долю обратной связи β, переформулируйте приведенное выше уравнение:
В этом случае коэффициент усиления разомкнутого контура слишком высок. Таким образом, доля обратной связи β будет примерно равна обратной величине коэффициента усиления замкнутого контура 1/G. Так как значение 1/А слишком мало, оно примерно равно (0,025).
Резисторы R1 и R2 в приведенной выше конфигурации образуют схему последовательного делителя напряжения. Вы можете найти коэффициент усиления напряжения в замкнутом контуре следующим образом:
Предположим, что значение R2 равно 1000 Ом (1 кОм). Тогда значение R 1 можно записать как
Итак, для схемы неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 40 нужно подобрать R 1 39 кОм и R 2 1 кОм.
Разница между системами положительной и отрицательной обратной связи
Вы можете найти разницу между системами положительной и отрицательной обратной связи в таблице ниже:
| Различия в типах обратной связи | Положительный отзыв | Негативный отзыв |
|---|---|---|
| Определение | В эту обратную связь добавляются опорная обратная связь и входные сигналы. | В этом типе выходная обратная связь вычитается из опорного входа. |
| Номенклатура | Положительная обратная связь или регенеративная обратная связь. | Отрицательная обратная связь или дегенеративная обратная связь. |
| Цель | Усиливает или увеличивает сигнал. | Стабилизирует или регулирует сигнал. |
| Влияние на систему | Может привести к непредсказуемому поведению и колебаниям. | Обеспечивает предсказуемость и устойчивую работу. |
| Усиление направления | Увеличивает усиление системы. | Уменьшает коэффициент усиления системы. |
| Применение | Аудиоусилители и релаксационные генераторы. | Операционные усилители (ОУ), системы управления с обратной связью. |
| Стабильность | Часто приводит к нестабильности. | Улучшает стабильность системы. |
| Например | Триггеры Шмитта и триггеры. | Усилители напряжения и регуляторы температуры. |
Применение и свойства системы отрицательной обратной связи
Системы отрицательной обратной связи имеют множество применений в общей электронике. Эти системы улучшили нестабильность системы, линейность системы, частотную характеристику и переходную характеристику. Из-за этих преимуществ систем отрицательной обратной связи многие схемы усилителей в электронике имеют системы отрицательной обратной связи.
Некоторые подробные описания систем отрицательной обратной связи приведены ниже:
Стабильность : Система отрицательной обратной связи уменьшает отклонения от желаемой точки, в результате чего система становится более стабильной. Например, термостат следит за тем, чтобы температура оставалась близкой к выбранному значению.
Точность: системы отрицательной обратной связи повышают точность системы за счет минимизации ошибок. В схеме усилителя отрицательная обратная связь уменьшает искажения и обеспечивает более стабильный сигнал на выходе.
Контроль пропускной способности : Управлять полосой пропускания усилителя можно также с помощью системы отрицательной обратной связи. Это делает их пригодными для нескольких применений. Эти приложения включают в себя усиление звука и усиление радиочастоты.
Подавление шума : Отрицательная обратная связь может уменьшить нежелательный шум и помехи. Снижение шума имеет множество применений в области аудиосистем и устройств связи.
Динамический отклик : Системы отрицательной обратной связи имеют возможность динамического реагирования. Эти системы могут адаптироваться к конкретным условиям. Пример динамического реагирования включает в себя автомобильную систему круиз-контроля.
Влияние отрицательной обратной связи на пропускную способность
Полоса пропускания объясняет диапазон рабочих частот усилителя с постоянным коэффициентом усиления. Система с более широкой полосой пропускания означает, что усилитель может обрабатывать больше частот. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя, передавая выходной сигнал на входную сторону. Это улучшает стабильность и линейность системы, но в результате также снижает коэффициент усиления системы.
влияние отрицательной обратной связи на пропускную способность зависит от типа и количества примененной обратной связи. Обычно отрицательная обратная связь увеличивает полосу пропускания за счет уменьшения усиления системы. Произведение усиления на полосу пропускания, которое является мерой производительности усилителя, остается постоянным независимо от обратной связи.
Например , рассмотрим схему усилителя без обратной связи, имеющую коэффициент усиления 100 и полосу пропускания 10 кГц. Применение отрицательной обратной связи уменьшит коэффициент усиления до 10. Это увеличит полосу пропускания до 100 кГц. Произведение усиления на полосу пропускания по-прежнему составляет 100 × 10 кГц = 1 МГц в обоих случаях.
Однако отрицательная обратная связь влияет и на частоты среза усилителя. Это частоты, на которых коэффициент усиления системы падает от максимального значения. Отрицательная обратная связь снижает частоту среза и повышает верхнюю частоту среза. Это приведет к расширению кривой частотной характеристики усилителя. Конечным эффектом отрицательной обратной связи на пропускную способность является обмен выгоды на пропускную способность.
Это означает, что применение отрицательной обратной связи увеличит диапазон частот, с которыми может работать усилитель. Но все это происходит за счет снижения коэффициента усиления.
Заключение
Система отрицательной обратной связи может контролировать или регулировать выходной сигнал, подавая часть выходного сигнала на входную сторону. Эта обратная связь генерирует сигнал ошибки, что обеспечивает более стабильную работу системы. Этот сигнал ошибки является динамическим и управляет всей системой. Система отрицательной обратной связи может повысить точность системы, а также контролировать полосу пропускания. Эта система обратной связи используется в схемах усилителей, таких как системы шумоподавления или системы круиз-контроля автомобиля. Подробнее о подробном описании негативных отзывов читайте в этой статье.