Het feedbacksysteem heeft meerdere voordelen ten opzichte van conventionele systemen. Het helpt de uitgangsversterking van het circuit te verbeteren en verhoogt de lineaire respons van het circuit. Het vermindert ook de kans op signaalvervormingen die voornamelijk optreden als gevolg van ruissignalen.
Feedbacksystemen worden meestal gebruikt in versterkercircuits, op output gebaseerde besturingssystemen en oscillatorcircuits. Feedbacksystemen zijn er in twee typen: Positief feedback en Negatief feedback. In dit artikel zal veel aandacht worden besteed aan dit laatste type feedback.
Snel overzicht:
- Wat is een negatief feedbacksysteem in de elektronica
- Negatief feedbackcircuit
- Overdrachtsfunctie voor negatieve feedback
- Negatieve feedback in operationele versterkers
- voorbeeld 1
- Voorbeeld 2
- Voorbeeld 3
- Verschil tussen positieve en negatieve feedbacksystemen
- Toepassingen en eigenschappen van het negatieve feedbacksysteem
- Effect van negatieve feedback op bandbreedte
- Conclusie
Wat is een negatief feedbacksysteem in de elektronica
Negatieve feedback in een elektrisch circuit is een controlemechanisme dat de werking van het elektrische circuit stabiliseert en reguleert. Circuits met geïntegreerde negatieve feedbacksystemen nemen een uitgangssignaal en geven dit als een signaal aan de ingang fase-tegenstellingssignaal (omgekeerd). . Dit feedbacksysteem vermindert eventuele afwijkingen of fouten in de uitgangssignalen.
Negatieve feedback wordt ook wel genoemd degeneratieve feedback . Bij negatieve terugkoppeling wordt het uitgangssignaal dat als terugkoppeling komt, afgetrokken van het ingangsreferentiesignaal. De uitvoer resulteert in een fout die bekend staat als feedbackwinst . Dit foutsignaal dat na het aftrekken wordt gegenereerd, zal de systeemreactie dienovereenkomstig wijzigen. Als de versterking van het systeem positief is, moet het feedbacksignaal afkomstig van de uitgang worden afgetrokken van het ingangsreferentiesignaal om de feedback negatief te houden.
Wanneer er negatieve feedback is afgetrokken van de referentie-invoer maakt het systeem stabieler. Laten we zeggen dat er een systeem is dat ongewoon gedrag vertoont. Om deze verandering tegen te gaan, genereert het systeem een uitgangssignaal. Dit uitgangs- of feedbacksignaal neutraliseert het ingangssignaal en past de ingang dienovereenkomstig aan om het algehele systeem efficiënt te laten werken.
Negatief feedbackcircuit
Het negatieve feedbackcircuit wordt geïllustreerd in de onderstaande afbeelding. Hier zie je dat een uitgangssignaal als feedback wordt teruggevoerd naar de ingangszijde. Aan de ingangszijde wordt een verschil tussen het referentiesignaal en het feedbacksignaalverschil gegenereerd, wat het systeem vervolgens verder aandrijft.
1. Componenten : Het circuit bestaat uit twee hoofdcomponenten:
- Een versterker met versterking G.
- Een feedbacklus met feedbackfactor β.
Het ingangssignaal is V in en de uitgang van de versterker is V uit .
2. Optelknooppunt : Aan de ingang van de versterker bevindt zich een optelpunt (vaak weergegeven door een cirkel met een minteken erin). Deze junctie zal het feedbacksignaal aftrekken van de referentie-ingang. Het afgetrokken deel is het product van de feedbackfactor β en de uitvoer Vout, dus het foutsignaal is V in – bv uit .
3. Feedbacklus : Dit foutsignaal (V in – bv uit ) is wat het systeem aandrijft. Het vertegenwoordigt het verschil tussen de gewenste invoer V in en de werkelijke output V uit geschaald met de feedbackfactor β.
4. Negatieve feedback : Het sleutelconcept hier is negatieve feedback. Wanneer de uitgang V uit veranderingen als gevolg van eventuele storingen of veranderingen in de ingang V in het foutsignaal (Vin – βV uit ) is gecreëerd. Het berekende foutsignaal wordt door de versterker versterkt met versterking G en teruggekoppeld naar het sommeringsknooppunt. Belangrijk is dat deze feedback negatief is omdat deze van de input wordt afgetrokken.
- Als de V uit neemt toe (d.w.z. de systeemuitvoer gaat hoger dan gewenst), de feedback vermindert de fout die V oplevert uit terug naar de gewenste waarde.
- Als de V uit neemt af (d.w.z. de systeemuitvoer wordt lager dan gewenst), de feedback verhoogt de foutaansturing V uit terug naar de gewenste waarde.
5. Algemene feedbackvergelijking : De algemene feedbackvergelijking voor dit systeem wordt doorgaans uitgedrukt als
Deze vergelijking relateert de uitvoer V uit aan de ingang Vin en de feedbackfactor β via de versterkerversterking G. Het laat zien hoe het systeem negatieve feedback gebruikt om de uitgang te regelen en te regelen zodat deze overeenkomt met de gewenste ingang.
Overdrachtsfunctie voor negatieve feedback
De overdrachtsfunctie definieert een vergelijking die de relatie tussen zowel invoer als uitvoer weergeeft. Het vertelt ons hoe veranderingen in de input de output beïnvloeden. Bij negatieve feedback hebben we een tussensignaal dat wordt weergegeven door Z. Dit tussensignaal vertegenwoordigt het verschil tussen de uitvoer en de invoer.
Voor de overdrachtsfunctie vergelijking van negatieve feedback, Z wordt gebruikt om het foutsignaal of de correctie te berekenen die nodig is om het systeem dichter bij de gewenste uitgangswaarde te brengen.
Het volgende blokdiagram toont het negatieve feedbacksysteem. Met behulp van dit diagram kunnen we de overdrachtsfunctie voor een negatief feedbacksysteem berekenen:
De uitvoer van het negatieve feedbacksysteem is gelijk aan de Y(en):
Negatieve feedback in operationele versterkers
In een configuratie met negatieve feedback wordt een deel van de uitvoer (V) van de op-amp aan de ingangsinverterende (-) aansluiting gegeven. Dit uitgangssignaal wordt afgetrokken van de ingangsreferentie. Het helpt de versterking van de versterker te controleren en te stabiliseren.
Met behulp van negatieve feedback in een op-amp-circuit kunt u het gewenste versterkingsniveau instellen terwijl de stabiliteit van het systeem behouden blijft. Negatieve feedback vermindert niet-lineariteiten in de karakteristieken van de op-amp, waardoor deze dichter bij het ideale gedrag werkt.
Een operationele versterkerschakeling (op-amp) met negatieve feedback is ontworpen met behulp van een op-amp als centrale component. Een op-amp heeft twee ingangen: de ene is inverterend (-) en de andere is niet-inverterend (+). Het heeft één uitgangsterminal. Voor het negatieve feedbacksysteem zullen we de inverterende kant van op-amps gebruiken.
Dit circuit omvat doorgaans:
- Ingangsweerstand (Rin) die de enkele bron verbindt met de inverterende (-) ingang van de op-amp.
- Een feedbackweerstand (Rf) die de uitgang van de op-amp verbindt met de inverterende (-) ingang.
- Een verbinding met de belasting aan de uitgang van de op-amp.
U kunt de winst vinden door de verhouding Rf tot Rin te gebruiken. Deze negatieve feedback stabiliseert en controleert het gedrag van de op-amp. Het werkt door het spanningsverschil tussen de twee inverterende en niet-inverterende ingangen te minimaliseren. Het creëert een virtuele kortsluiting tussen hen. Als resultaat hiervan past de op-amp zijn uitgangsspanning aan om deze balans te behouden, waardoor het een effectieve versterker met gecontroleerde versterking wordt.
Voorbeeld 1: Gesloten lusversterking berekenen
Een systeem heeft zonder feedback een versterking van 60 dB. De negatieve feedbackfractie is 1/20e, zoek de gesloten-lusversterking (in dB) met toevoeging van negatieve feedback.
Oplossing:
De gesloten-lusversterking met negatieve feedback wordt gegeven door de formule:
In dit geval is de open-lusversterking 60 dB en is de feedbackfractie 1/20.
Met een feedbackfractie van 1/20 zal de gesloten-lusversterking van het systeem dus 86,02 dB bedragen.
Voorbeeld 2: Spanningsversterking berekenen
Als een versterker aanvankelijk een spanningsversterking heeft van 3000 (zonder terugkoppeling) en vervolgens een negatieve spanningsterugkoppeling omvat met een terugkoppelfractie van mv = 0,01. Wat zal de nieuwe spanningsversterking van de versterker zijn?
Oplossing :
U kunt de formule van de spanningsversterking voor de versterker met negatieve spanningsfeedback gebruiken om de spanningsversterking van de versterker te berekenen:
In de bovenstaande formule:
A F = Spanningsversterking met feedback
A = Spanningsversterking zonder feedback
mv = Feedbackfractie
Hier hebben we:
Spanningsversterking zonder feedback (A) = 3000
Feedbackfractie (mv) = 0,01
Plaats nu deze waarden in de formule:
De spanningsversterking van de versterker met negatieve spanningsfeedback is dus ongeveer 96,77.
Voorbeeld 3: Feedbackweerstanden berekenen
Bepaal de juiste waarden voor feedbackweerstanden, R 1 en R 2 . Je moet een niet-inverterend versterkercircuit stabiliseren met behulp van een operationele versterker met een open-lus spanningsversterking (AVOL) van 220.000. Uw beoogde closed-loop-winst is 40.
Oplossing :
Een algemene feedbackvergelijking met gesloten lus is:
Om de feedbackfractie β te krijgen, herschikt u de bovenstaande vergelijking:
In dit geval is de open-lusversterking te hoog. De feedbackfractie β zal dus ongeveer gelijk zijn aan het omgekeerde van de gesloten-lusversterking 1/G. Omdat de waarde van 1/A te klein is, ongeveer gelijk aan (0,025).
De weerstanden R1 en R2 in de bovenstaande configuratie vormen het seriespanningspotentiaaldelercircuit. U kunt de spanningsversterking in de gesloten lus als volgt vinden:
Laten we aannemen dat de waarde voor R2 1000 Ω (1 kΩ) is. Dan de waarde voor R 1 kan worden geschreven als
Voor het niet-inverterende versterkercircuit met een versterking van 40 moet u dus de R 1 van 39 kΩ en R 2 van 1 kΩ.
Verschil tussen positieve en negatieve feedbacksystemen
U kunt het verschil tussen de positieve en negatieve feedbacksystemen in onderstaande tabel vinden:
| Verschillen in feedbacktype | Positieve feedback | Negatieve feedback |
|---|---|---|
| Definitie | Bij deze terugkoppeling worden referentieterugkoppeling en ingangssignalen toegevoegd. | Bij dit type wordt de uitgangsfeedback afgetrokken van de referentie-ingang. |
| Nomenclatuur | Positieve feedback of regeneratieve feedback. | Negatieve feedback of degeneratieve feedback. |
| Doel | Versterkt of versterkt een signaal. | Stabiliseert of reguleert een signaal. |
| Effect op systeem | Kan leiden tot onvoorspelbaar gedrag en schommelingen. | Bevordert de voorspelbaarheid en stabiele werking. |
| Richting krijgen | Verhoogt de systeemwinst. | Vermindert de winst van het systeem. |
| Gebruik | Audioversterkers en relaxatie-oscillatoren. | Operationele versterkers (Op-Amps), feedbackcontrolesystemen. |
| Stabiliteit | Leidt vaak tot instabiliteit. | Verbetert de systeemstabiliteit. |
| Bijvoorbeeld | Schmitt-triggers en flip-flops. | Spanningsversterkers en temperatuurregelaars. |
Toepassingen en eigenschappen van het negatieve feedbacksysteem
Negatieve feedbacksystemen hebben veel toepassingen in de algemene elektronica. Deze systemen verbeterden de systeeminstabiliteit, de lineariteit van het systeem, de frequentierespons en de staprespons. Vanwege deze voordelen van negatieve feedbacksystemen beschikken veel versterkercircuits in de elektronica over negatieve feedbacksystemen.
Hieronder vindt u enkele gedetailleerde beschrijvingen van negatieve feedbacksystemen:
Stabiliteit : Een negatief feedbacksysteem verkleint de afwijkingen van het gewenste punt, wat resulteert in een stabieler systeem. Een thermostaat zorgt er bijvoorbeeld voor dat de temperatuur dichtbij de gekozen waarde blijft.
Nauwkeurigheid: Negatieve feedbacksystemen verbeteren de systeemnauwkeurigheid door fouten te minimaliseren. In een versterkercircuit vermindert de negatieve feedback de vervorming en produceert een stabieler signaal aan de uitgang.
bandbreedte controle : Je kunt de bandbreedte van de versterker ook regelen met behulp van een negatief feedbacksysteem. Dit maakt ze geschikt voor meerdere toepassingen. Deze toepassingen omvatten audioversterking tot radiofrequentieversterking.
Ruisonderdrukking : Negatieve feedback kan ongewenste ruis en interferentie verminderen. Ruisonderdrukking heeft meerdere toepassingen op het gebied van audiosystemen en communicatieapparatuur.
Dynamische respons : Negatieve feedbacksystemen hebben een dynamisch reactievermogen. Deze systemen kunnen zich dienovereenkomstig aanpassen aan de gegeven omstandigheden. Een voorbeeld van dynamische respons is het cruise control-systeem van een auto.
Effect van negatieve feedback op bandbreedte
Bandbreedte verklaart het werkfrequentiebereik voor een versterker met constante versterking. Een systeem met een hogere bandbreedte betekent dat de versterker meer frequenties aankan. Negatieve feedback vermindert de versterking van de versterker door de uitgang aan de ingangszijde te geven. Dit verbetert de systeemstabiliteit en lineariteit, maar vermindert daardoor ook de systeemversterking.
De effect van negatieve feedback op de bandbreedte hangt af van het type en de hoeveelheid toegepaste feedback. Over het algemeen vergroot negatieve feedback de bandbreedte door de systeemversterking te verminderen. Het versterkingsbandbreedteproduct, dat de maatstaf is voor de prestaties van een versterker, blijft constant, ongeacht feedback.
Bijvoorbeeld Beschouw een versterkercircuit zonder feedback met een versterking van 100 en 10 kHz bandbreedte. Het toepassen van negatieve feedback om de versterking terug te brengen tot 10. Hierdoor wordt de bandbreedte vergroot tot 100 kHz. Het versterkingsbandbreedteproduct is in beide gevallen nog steeds 100 × 10 kHz = 1 MHz.
De negatieve feedback heeft echter ook invloed op de afsnijfrequenties van de versterker. Dit zijn de frequenties waarbij het systeem winstdalingen krijgt ten opzichte van de maximale waarde. Negatieve feedback verlaagt de afsnijfrequentie en verhoogt de bovenste afsnijfrequentie. Dit zal resulteren in een verbreding van de frequentieresponscurve van de versterker. Het netto-effect van negatieve feedback op bandbreedte is het inruilen van winst voor bandbreedte.
Dit betekent dat het toepassen van negatieve feedback het frequentiebereik dat een versterker aankan, vergroot. Maar dit alles gaat ten koste van het verminderen van de versterkingsfactor.
Conclusie
Een negatief feedbacksysteem kan de output regelen of aanpassen door een deel van de output aan de inputzijde te bedienen. Deze feedback genereert een foutsignaal, waardoor u een stabieler systeem krijgt. Dit foutsignaal is dynamisch en stuurt het volledige systeem aan. Een negatief feedbacksysteem kan de systeemnauwkeurigheid verbeteren en ook de bandbreedte controleren. Dit feedbacksysteem wordt gebruikt in versterkercircuits zoals ruisonderdrukking of cruise control-systemen voor auto's. Lees meer over de uitgebreide beschrijving van negatieve feedback in dit artikel.