System sprzężenia zwrotnego ma wiele zalet w porównaniu z systemami konwencjonalnymi. Pomaga poprawić wzmocnienie wyjściowe obwodu i zwiększa odpowiedź liniową obwodu. Zmniejsza także ryzyko zniekształceń sygnału, które powstają głównie na skutek sygnałów szumowych.
Systemy sprzężenia zwrotnego są najczęściej stosowane w obwodach wzmacniaczy, systemach sterowania opartych na wyjściu i obwodach oscylatorów. Systemy informacji zwrotnej dzielą się na dwa typy: Pozytywny informacje zwrotne i Negatywny informacja zwrotna. W tym artykule skupimy się głównie na tym drugim rodzaju informacji zwrotnej.
Szybki zarys:
- Co to jest system negatywnego sprzężenia zwrotnego w elektronice
- Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego
- Funkcja przesyłania negatywnych opinii
- Negatywne sprzężenie zwrotne we wzmacniaczach operacyjnych
- Przykład 1
- Przykład 2
- Przykład 3
- Różnica między systemami pozytywnego i negatywnego sprzężenia zwrotnego
- Zastosowania i właściwości systemu negatywnego sprzężenia zwrotnego
- Wpływ negatywnego sprzężenia zwrotnego na przepustowość
- Wniosek
Co to jest system negatywnego sprzężenia zwrotnego w elektronice
Ujemne sprzężenie zwrotne w obwodzie elektrycznym to mechanizm kontrolny, który stabilizuje i reguluje działanie obwodu elektrycznego. Obwody ze zintegrowanymi układami ujemnego sprzężenia zwrotnego pobierają sygnał wyjściowy i przekazują go na wejście jako: Sygnał przeciwieństwa fazowego (odwrócony). . Ten system sprzężenia zwrotnego redukuje wszelkie odchylenia i błędy w sygnałach wyjściowych.
Negatywna informacja zwrotna jest również nazywana sprzężenie zwrotne zwyrodnieniowe . W przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego sygnał wyjściowy będący sprzężeniem zwrotnym jest odejmowany od wejściowego sygnału odniesienia. Dane wyjściowe powodują błąd znany jako zysk sprzężenia zwrotnego . Ten sygnał błędu wygenerowany po odjęciu odpowiednio zmodyfikuje odpowiedź systemu. Jeśli wzmocnienie systemu jest dodatnie, sygnał sprzężenia zwrotnego pochodzący z wyjścia należy odjąć od wejściowego sygnału odniesienia, aby utrzymać sprzężenie zwrotne jako ujemne.
Kiedy jest negatywna opinia odjęte z wejścia odniesienia sprawia, że system jest bardziej stabilny. Załóżmy, że istnieje system, który wykazuje nietypowe zachowanie — aby przeciwdziałać tej zmianie, system wygeneruje sygnał wyjściowy. Ten sygnał wyjściowy lub sygnał sprzężenia zwrotnego przeciwdziała sygnałowi wejściowemu, modyfikując odpowiednio sygnał wejściowy, aby cały system działał wydajnie.
Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego
Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego pokazano na poniższym obrazku. Tutaj widać, że sygnał wyjściowy jest przesyłany z powrotem na stronę wejściową jako sprzężenie zwrotne. Po stronie wejściowej generowana jest różnica pomiędzy sygnałem odniesienia i różnicą sygnału sprzężenia zwrotnego, która następnie napędza system dalej.
1. Komponenty : Obwód składa się z dwóch głównych elementów:
- Wzmacniacz o wzmocnieniu G.
- Pętla sprzężenia zwrotnego ze współczynnikiem sprzężenia zwrotnego β.
Sygnał wejściowy to V W a moc wyjściowa wzmacniacza wynosi V na zewnątrz .
2. Złącze sumujące : Na wejściu wzmacniacza znajduje się złącze sumujące (często reprezentowane przez okrąg ze znakiem minus w środku). To złącze odejmie sygnał sprzężenia zwrotnego od wejścia odniesienia. Odjęta część jest iloczynem współczynnika sprzężenia zwrotnego β i sygnału wyjściowego Vout, zatem sygnałem błędu jest V W – bV na zewnątrz .
3. Pętla sprzężenia zwrotnego : Ten sygnał błędu (V W – bV na zewnątrz ) jest tym, co napędza system. Reprezentuje różnicę między pożądanym wejściem V W i rzeczywista moc wyjściowa V na zewnątrz skalowany przez współczynnik sprzężenia zwrotnego β.
4. Negatywne opinie : Kluczową koncepcją jest tutaj negatywne sprzężenie zwrotne. Gdy wyjście V na zewnątrz zmiany spowodowane zakłóceniami lub zmianami na wejściu V W sygnał błędu (Vin – βV na zewnątrz ) jest tworzone. Obliczony sygnał błędu zostanie wzmocniony przez wzmacniacz o wzmocnieniu G i wprowadzony z powrotem do złącza sumującego. Co ważne, ta informacja zwrotna jest ujemna, ponieważ jest odejmowana od danych wejściowych.
- Jeśli V na zewnątrz wzrasta (tj. moc wyjściowa systemu wzrasta powyżej pożądanej), sprzężenie zwrotne zmniejsza błąd powodujący V na zewnątrz z powrotem do żądanej wartości.
- Jeśli V na zewnątrz maleje (tzn. moc wyjściowa systemu spada poniżej pożądanej), sprzężenie zwrotne zwiększa błąd sterujący V na zewnątrz cofnij się do żądanej wartości.
5. Ogólne równanie sprzężenia zwrotnego : Ogólne równanie sprzężenia zwrotnego dla tego systemu jest zwykle wyrażane jako
To równanie wiąże wyjście V na zewnątrz do wejścia Vin i współczynnikiem sprzężenia zwrotnego β poprzez wzmocnienie wzmacniacza G. Pokazuje, w jaki sposób system wykorzystuje ujemne sprzężenie zwrotne do regulacji i sterowania mocą wyjściową w celu dopasowania do pożądanego wejścia.
Funkcja przesyłania negatywnych opinii
Funkcja transferu definiuje równanie reprezentujące relację między danymi wejściowymi i wyjściowymi. Mówi nam, jak zmiany na wejściu wpływają na wynik. W przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego mamy sygnał pośredni reprezentowany przez Z. Ten sygnał pośredni reprezentuje różnicę między wyjściem a wejściem.
Dla funkcja przenoszenia równanie ujemnego sprzężenia zwrotnego, Z służy do obliczenia sygnału błędu lub korekty potrzebnej do zbliżenia systemu do pożądanej wartości wyjściowej.
Poniższy schemat blokowy przedstawia system ujemnego sprzężenia zwrotnego. Korzystając z tego diagramu, możemy obliczyć funkcję przenoszenia dla systemu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym:
Sygnał wyjściowy układu ujemnego sprzężenia zwrotnego jest równy Y:
Negatywne sprzężenie zwrotne we wzmacniaczach operacyjnych
W konfiguracji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym część wyjścia wzmacniacza operacyjnego (V) jest podawana do wejściowego zacisku odwracającego (-). Ten sygnał wyjściowy zostanie odjęty od sygnału wejściowego. Pomaga kontrolować i stabilizować wzmocnienie wzmacniacza.
Wykorzystując ujemne sprzężenie zwrotne w obwodzie wzmacniacza operacyjnego, można ustawić żądany poziom wzmocnienia, zachowując jednocześnie stabilność systemu. Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza nieliniowość charakterystyki wzmacniacza operacyjnego, dzięki czemu jego działanie jest bliższe ideału.
Obwód wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacza operacyjnego) z ujemnym sprzężeniem zwrotnym został zaprojektowany przy użyciu wzmacniacza operacyjnego jako elementu centralnego. Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia: jedno odwracające (-), a drugie nieodwracające (+). Posiada jeden zacisk wyjściowy. W przypadku systemu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym będziemy używać strony odwracającej wzmacniaczy operacyjnych.
Obwód ten zazwyczaj obejmuje:
- Rezystor wejściowy (Rin) łączący pojedyncze źródło z wejściem odwracającym (-) wzmacniacza operacyjnego.
- Rezystor sprzężenia zwrotnego (Rf) łączący wyjście wzmacniacza operacyjnego z wejściem odwracającym (-).
- Podłączenie do obciążenia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego.
Zysk można znaleźć, korzystając ze stosunku Rf do Rin. To ujemne sprzężenie zwrotne stabilizuje i kontroluje zachowanie wzmacniacza operacyjnego. Działa poprzez minimalizowanie różnicy napięć między dwoma wejściami odwracającymi i nieodwracającymi. Tworzy pomiędzy nimi wirtualne zwarcie. W rezultacie wzmacniacz operacyjny dostosowuje napięcie wyjściowe, aby utrzymać tę równowagę, co czyni go skutecznym wzmacniaczem o kontrolowanym wzmocnieniu.
Przykład 1: Obliczanie wzmocnienia pętli zamkniętej
System ma wzmocnienie 60 dB bez sprzężenia zwrotnego. Ułamek ujemnego sprzężenia zwrotnego wynosi 1/20. Znajdź wzmocnienie pętli zamkniętej (w dB) z dodatkiem ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Rozwiązanie:
Wzmocnienie w pętli zamkniętej z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wyraża się wzorem:
W tym przypadku wzmocnienie w otwartej pętli wynosi 60 dB, a ułamek sprzężenia zwrotnego wynosi 1/20.
Zatem przy ułamku sprzężenia zwrotnego wynoszącym 1/20 wzmocnienie systemu w pętli zamkniętej wyniesie 86,02 dB.
Przykład 2: Obliczanie wzmocnienia napięcia
Jeśli wzmacniacz początkowo ma wzmocnienie napięciowe 3000 (bez sprzężenia zwrotnego), a następnie zawiera ujemne sprzężenie zwrotne napięciowe z ułamkiem sprzężenia zwrotnego mv = 0,01. Jakie będzie nowe wzmocnienie napięciowe wzmacniacza?
Rozwiązanie :
Aby obliczyć wzmocnienie napięciowe wzmacniacza, można skorzystać ze wzoru na wzmocnienie napięciowe dla wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym napięciowym:
W powyższym wzorze:
A F = Wzmocnienie napięcia ze sprzężeniem zwrotnym
A = Wzmocnienie napięcia bez sprzężenia zwrotnego
mw = Część informacji zwrotnej
Mamy tutaj:
Wzmocnienie napięcia bez sprzężenia zwrotnego (A) = 3000
Część informacji zwrotnej (wm) = 0,01
Teraz wstaw te wartości do wzoru:
Zatem wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym napięcia wynosi około 96,77.
Przykład 3: Obliczanie rezystancji sprzężenia zwrotnego
Określ odpowiednie wartości rezystancji sprzężenia zwrotnego, R 1 i R 2 . Należy ustabilizować nieodwracający obwód wzmacniacza za pomocą wzmacniacza operacyjnego o wzmocnieniu napięcia w otwartej pętli (AVOL) wynoszącym 220 000. Twoje docelowe wzmocnienie w pętli zamkniętej wynosi 40.
Rozwiązanie :
Ogólne równanie sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej wygląda następująco:
Aby uzyskać ułamek sprzężenia zwrotnego β, przekształć powyższe równanie:
W tym przypadku wzmocnienie w pętli otwartej jest zbyt duże. Zatem część sprzężenia zwrotnego β będzie w przybliżeniu równa odwrotności wzmocnienia w pętli zamkniętej 1/G. Ponieważ wartość 1/A jest zbyt mała, w przybliżeniu równa (0,025).
Rezystory R1 i R2 w powyższej konfiguracji tworzą obwód dzielnika potencjału napięcia szeregowego. Wzmocnienie napięcia w pętli zamkniętej można znaleźć w następujący sposób:
Załóżmy, że wartość R2 wynosi 1000 Ω (1 kΩ). Następnie wartość R 1 można zapisać jako
Tak więc dla nieodwracającego obwodu wzmacniacza o wzmocnieniu 40 należy wybrać R 1 39 kΩ i R 2 o wartości 1 kΩ.
Różnica między systemami pozytywnego i negatywnego sprzężenia zwrotnego
Różnicę pomiędzy systemami pozytywnego i negatywnego sprzężenia zwrotnego można znaleźć w poniższej tabeli:
| Różnice w typach opinii | Pozytywne opinie | Negatywne opinie |
|---|---|---|
| Definicja | Do tego sprzężenia zwrotnego dodawane są referencyjne sprzężenia zwrotne i sygnały wejściowe. | W tym typie wyjściowe sprzężenie zwrotne jest odejmowane od wejścia odniesienia. |
| Nomenklatura | Pozytywna informacja zwrotna lub informacja zwrotna regeneracyjna. | Negatywna informacja zwrotna lub informacja zwrotna zwyrodnieniowa. |
| Zamiar | Wzmacnia lub zwiększa sygnał. | Stabilizuje lub reguluje sygnał. |
| Wpływ na system | Może prowadzić do nieprzewidywalnych zachowań i oscylacji. | Promuje przewidywalność i stabilną pracę. |
| Zyskaj kierunek | Zwiększa wzmocnienie systemu. | Zmniejsza wzmocnienie systemu. |
| Stosowanie | Wzmacniacze audio i oscylatory relaksacyjne. | Wzmacniacze operacyjne (wzmacniacze operacyjne), systemy kontroli sprzężenia zwrotnego. |
| Stabilność | Często prowadzi do niestabilności. | Poprawia stabilność systemu. |
| Na przykład | Spusty i przerzutniki Schmitta. | Wzmacniacze napięcia i regulatory temperatury. |
Zastosowania i właściwości systemu negatywnego sprzężenia zwrotnego
Systemy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym mają wiele zastosowań w elektronice ogólnej. Systemy te poprawiły niestabilność systemu, liniowość systemu, charakterystykę częstotliwościową i reakcję skokową. Ze względu na zalety systemów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wiele obwodów wzmacniaczy w całej elektronice posiada systemy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.
Poniżej podano szczegółowe opisy systemów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym:
Stabilność : System ujemnego sprzężenia zwrotnego zmniejsza odchylenia od pożądanego punktu, co skutkuje bardziej stabilnym systemem. Na przykład termostat pilnuje, aby temperatura utrzymywała się w pobliżu wybranej wartości.
Dokładność: Systemy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym poprawiają dokładność systemu, minimalizując błędy. W obwodzie wzmacniacza ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza zniekształcenia i wytwarza bardziej stabilny sygnał na wyjściu.
Kontrola przepustowości : Możesz także kontrolować szerokość pasma wzmacniacza za pomocą systemu ujemnego sprzężenia zwrotnego. Dzięki temu nadają się do wielu zastosowań. Zastosowania te obejmują wzmacnianie dźwięku do wzmacniania częstotliwości radiowych.
Redukcja szumów : Negatywne sprzężenie zwrotne może zmniejszyć niepożądane szumy i zakłócenia. Redukcja szumów ma wiele zastosowań w dziedzinie systemów audio i urządzeń komunikacyjnych.
Dynamiczna odpowiedź : Systemy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym mają zdolność dynamicznej reakcji. Systemy te potrafią dostosować się do danych warunków. Przykładem dynamicznej reakcji jest tempomat samochodowy.
Wpływ negatywnego sprzężenia zwrotnego na przepustowość
Szerokość pasma wyjaśnia zakres częstotliwości roboczej wzmacniacza o stałym wzmocnieniu. System o większej przepustowości oznacza, że wzmacniacz może obsłużyć więcej częstotliwości. Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza wzmocnienie wzmacniacza, dając sygnał wyjściowy po stronie wejściowej. Poprawia to stabilność i liniowość systemu, ale w rezultacie zmniejsza również wzmocnienie systemu.
The wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na szerokość pasma zależy od rodzaju i ilości zastosowanej informacji zwrotnej. Ogólnie rzecz biorąc, ujemne sprzężenie zwrotne zwiększa szerokość pasma, zmniejszając wzmocnienie systemu. Iloczyn pasma wzmocnienia, który jest miarą wydajności wzmacniacza, pozostaje stały niezależnie od sprzężenia zwrotnego.
Na przykład rozważmy obwód wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego o wzmocnieniu szerokości pasma 100 i 10 kHz. Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego w celu zmniejszenia wzmocnienia do 10. Zwiększy to szerokość pasma do 100 kHz. Iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma w obu przypadkach nadal wynosi 100 × 10 kHz = 1 MHz.
Jednakże ujemne sprzężenie zwrotne wpływa również na częstotliwości odcięcia wzmacniacza. Są to częstotliwości, przy których wzmocnienie systemu spada od wartości maksymalnej. Ujemne sprzężenie zwrotne obniża częstotliwość odcięcia i podnosi górną częstotliwość odcięcia. Spowoduje to poszerzenie krzywej odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniacza. Ostatecznym skutkiem negatywnego sprzężenia zwrotnego na przepustowość jest zamiana zysku na przepustowość.
Oznacza to, że zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego zwiększy zakres częstotliwości, jakie może obsłużyć wzmacniacz. Ale wszystko to odbywa się kosztem zmniejszenia współczynnika wzmocnienia.
Wniosek
System z ujemnym sprzężeniem zwrotnym może kontrolować lub regulować moc wyjściową, obsługując część sygnału wyjściowego po stronie wejściowej. Ta informacja zwrotna generuje sygnał błędu, który zapewni bardziej stabilny system. Ten sygnał błędu ma charakter dynamiczny i napędza cały system. System ujemnego sprzężenia zwrotnego może poprawić dokładność systemu, a także kontrolować przepustowość. Ten system sprzężenia zwrotnego jest stosowany w obwodach wzmacniaczy, takich jak systemy redukcji szumów lub tempomaty samochodowe. Więcej o szczegółowym opisie negatywnej opinii przeczytasz w tym artykule.