Zpětnovazební systém má mnoho výhod oproti konvenčním systémům. Pomáhá zlepšit výstupní zesílení obvodu a zvyšuje lineární odezvu obvodu. Snižuje také šance na zkreslení signálu, ke kterému dochází hlavně v důsledku šumových signálů.
Zpětnovazební systémy se většinou používají v obvodech zesilovačů, řídicích systémech založených na výstupu a obvodech oscilátorů. Systémy zpětné vazby mají dva typy: Pozitivní zpětná vazba a Negativní zpětná vazba. Tento článek se hodně zaměří na druhý typ zpětné vazby.
Rychlý přehled:
- Co je systém negativní zpětné vazby v elektronice
- Obvod negativní zpětné vazby
- Funkce přenosu negativní zpětné vazby
- Negativní zpětná vazba v operačních zesilovačích
- Příklad 1
- Příklad 2
- Příklad 3
- Rozdíl mezi systémy pozitivní a negativní zpětné vazby
- Aplikace a vlastnosti systému negativní zpětné vazby
- Vliv negativní zpětné vazby na šířku pásma
- Závěr
Co je systém negativní zpětné vazby v elektronice
Negativní zpětná vazba v elektrickém obvodu je kontrolní mechanismus, který stabilizuje a reguluje činnost elektrického obvodu. Obvody s integrovanými systémy negativní zpětné vazby přijímají výstupní signál a dávají jej na vstup jako a fázový opoziční (invertovaný) signál . Tento systém zpětné vazby snižuje jakékoli odchylky nebo chyby ve výstupních signálech.
Negativní zpětná vazba se také nazývá degenerativní zpětná vazba . Při záporné zpětné vazbě se výstupní signál přicházející jako zpětná vazba odečítá od vstupního referenčního signálu. Výsledkem výstupu je chyba známá jako zisk zpětné vazby . Tento chybový signál generovaný po odečtení příslušně upraví odezvu systému. Pokud je zesílení systému kladné, signál zpětné vazby přicházející z výstupu musí být odečten od vstupního referenčního signálu, aby byla zpětná vazba zachována jako záporná.
Když je negativní zpětná vazba odečteno z referenčního vstupu dělá systém stabilnější. Řekněme, že existuje systém, který vykazuje neobvyklé chování – k potlačení této změny systém vygeneruje výstupní signál. Tento výstupní nebo zpětnovazební signál působí proti vstupnímu signálu – odpovídajícím způsobem upravuje vstup, aby celý systém fungoval efektivně.
Obvod negativní zpětné vazby
Obvod záporné zpětné vazby je znázorněn na obrázku níže. Zde můžete vidět, že výstupní signál je vrácen zpět na vstupní stranu jako zpětná vazba. Na vstupní straně je generován rozdíl mezi referenčním signálem a rozdílem zpětnovazebního signálu, který pak pohání systém dále.
1. Komponenty : Obvod se skládá ze dvou hlavních součástí:
- Zesilovač se ziskem G.
- Zpětnovazební smyčka s faktorem zpětné vazby β.
Vstupní signál je V v a výstup zesilovače je V ven .
2. Summing Junction : Na vstupu zesilovače je součtový spoj (často reprezentovaný kruhem se znaménkem mínus uvnitř). Tento přechod odečte zpětnovazební signál od referenčního vstupu. Odečtená část je součinem zpětnovazebního faktoru β a výstupního Vout – takže chybový signál je V v – bV ven .
3. Smyčka zpětné vazby : Tento chybový signál (V v – bV ven ) je to, co pohání systém. Představuje rozdíl mezi požadovaným vstupem V v a skutečný výstup V ven škálováno faktorem zpětné vazby β.
4. Negativní zpětná vazba : Klíčovým konceptem je zde negativní zpětná vazba. Když je výstup V ven změny v důsledku jakýchkoli poruch nebo změn na vstupu V v chybový signál (Vin – βV ven ) je vytvořen. Vypočítaný chybový signál bude zesílen zesilovačem se ziskem G a přiveden zpět do součtového spoje. Důležité je, že tato zpětná vazba je negativní, protože se odečítá od vstupu.
- Pokud V ven zvyšuje (tj. výstup systému je vyšší, než je požadováno) zpětná vazba snižuje chybu přinášející V ven zpět k požadované hodnotě.
- Pokud V ven se sníží (tj. výstup systému klesne pod požadovanou hodnotu) zpětná vazba zvyšuje chybu řízení V ven zpět na požadovanou hodnotu.
5. Obecná rovnice zpětné vazby : Obecná rovnice zpětné vazby pro tento systém je obvykle vyjádřena jako
Tato rovnice dává do vztahu výstup V ven na vstup Vin a faktor zpětné vazby β prostřednictvím zesílení zesilovače G. Ukazuje, jak systém využívá negativní zpětnou vazbu k regulaci a řízení výstupu tak, aby odpovídal požadovanému vstupu.
Funkce přenosu negativní zpětné vazby
Přenosová funkce definuje rovnici, která představuje vztah mezi vstupem a výstupem. Říká nám, jak změny na vstupu ovlivňují výstup. V negativní zpětné vazbě máme mezisignál reprezentovaný Z. Tento mezisignál představuje rozdíl mezi výstupem a vstupem.
Pro přenosová funkce rovnice záporné zpětné vazby, Z se používá k výpočtu chybového signálu nebo korekce potřebné k přiblížení systému k požadované hodnotě výstupu.
Následující blokové schéma ukazuje systém negativní zpětné vazby. Pomocí tohoto diagramu můžeme vypočítat přenosovou funkci pro systém se zápornou zpětnou vazbou:
Výstup systému záporné zpětné vazby se rovná Y:
Negativní zpětná vazba v operačních zesilovačích
V konfiguraci se zápornou zpětnou vazbou je část výstupu operačního zesilovače (V) přivedena na vstupní invertující (-) terminál. Tento výstupní signál bude odečten od vstupní reference. Pomáhá řídit a stabilizovat zesílení zesilovače.
Pomocí záporné zpětné vazby v obvodu operačního zesilovače můžete nastavit požadovanou úroveň zisku při zachování stability systému. Negativní zpětná vazba snižuje nelinearity v charakteristikách operačního zesilovače, čímž se blíží ideálnímu chování.
Obvod operačního zesilovače se zápornou zpětnou vazbou (operační zesilovač) je navržen s použitím operačního zesilovače jako centrální součásti. Operační zesilovač má dva vstupy: jeden je invertující (-) a druhý je neinvertující (+). Má jednu výstupní svorku. Pro systém negativní zpětné vazby budeme používat invertující stranu operačních zesilovačů.
Tento obvod obvykle zahrnuje:
- Vstupní rezistor (Rin) spojující jediný zdroj s invertujícím (-) vstupem operačního zesilovače.
- Zpětnovazební rezistor (Rf) spojující výstup operačního zesilovače s invertujícím (-) vstupem.
- Připojení k zátěži na výstupu operačního zesilovače.
Zisk můžete zjistit pomocí poměru Rf k Rin. Tato negativní zpětná vazba stabilizuje a řídí chování operačního zesilovače. Funguje tak, že minimalizuje rozdíl napětí mezi dvěma invertujícími a neinvertujícími vstupy. Vytváří mezi nimi virtuální zkrat. Výsledkem je, že operační zesilovač upravuje své výstupní napětí tak, aby udržoval tuto rovnováhu – což z něj činí efektivní zesilovač s kontrolovaným ziskem.
Příklad 1: Výpočet zisku v uzavřené smyčce
Systém má zisk 60 dB bez zpětné vazby. Podíl záporné zpětné vazby je 1/20, najděte zisk uzavřené smyčky (v dB) s přidáním záporné zpětné vazby.
Řešení:
Zisk v uzavřené smyčce se zápornou zpětnou vazbou je dán vzorcem:
V tomto případě je zisk v otevřené smyčce 60 dB a podíl zpětné vazby je 1/20.
Takže s podílem zpětné vazby 1/20 bude zisk systému v uzavřené smyčce 86,02 dB.
Příklad 2: Výpočet napěťového zisku
Pokud má zesilovač zpočátku napěťové zesílení 3000 (bez zpětné vazby) a poté obsahuje zápornou napěťovou zpětnou vazbu s podílem zpětné vazby mv = 0,01. Jaké bude nové napěťové zesílení zesilovače?
Řešení :
Můžete použít vzorec napěťového zesílení pro zesilovač se zápornou napěťovou zpětnou vazbou – pro výpočet napěťového zesílení zesilovače:
Ve výše uvedeném vzorci:
A F = Napěťový zisk se zpětnou vazbou
A = Napěťový zisk bez zpětné vazby
mv = Frakce zpětné vazby
Tady máme:
Napěťový zisk bez zpětné vazby (A) = 3000
Frakce zpětné vazby (mv) = 0,01
Nyní vložte tyto hodnoty do vzorce:
Napěťový zisk zesilovače se zápornou napěťovou zpětnou vazbou je tedy přibližně 96,77.
Příklad 3: Výpočet odporů zpětné vazby
Určete vhodné hodnoty pro zpětnovazební odpory R 1 a R 2 . Musíte stabilizovat neinvertující obvod zesilovače pomocí operačního zesilovače s napěťovým ziskem s otevřenou smyčkou (AVOL) 220 000. Váš cílový zisk v uzavřené smyčce je 40.
Řešení :
Obecná rovnice zpětné vazby s uzavřenou smyčkou je:
Chcete-li získat zlomek zpětné vazby β, přeuspořádejte výše uvedenou rovnici:
V tomto případě je zisk v otevřené smyčce příliš vysoký. Takže zlomek zpětné vazby β bude přibližně roven převrácené hodnotě zisku v uzavřené smyčce 1/G. Protože hodnota 1/A je příliš malá, přibližně rovna (0,025).
Odpory R1 a R2 ve výše uvedené konfiguraci tvoří obvod děliče potenciálu sériového napětí. Napěťový zisk v uzavřené smyčce zjistíte takto:
Předpokládejme hodnotu pro R2 jako 1000 Ω (1 kΩ). Potom hodnota pro R 1 lze napsat jako
Takže pro obvod neinvertujícího zesilovače se ziskem 40 musíte vybrat R 1 39 kΩ a R 2 1 kΩ.
Rozdíl mezi systémy pozitivní a negativní zpětné vazby
Rozdíl mezi systémy pozitivní a negativní zpětné vazby najdete v níže uvedené tabulce:
| Typové rozdíly zpětné vazby | Pozitivní zpětná vazba | Negativní zpětná vazba |
|---|---|---|
| Definice | V této zpětné vazbě jsou přidány referenční zpětné vazby a vstupní signály. | U tohoto typu se výstupní zpětná vazba odečítá od referenčního vstupu. |
| Nomenklatura | Pozitivní zpětná vazba nebo Regenerativní zpětná vazba. | Negativní zpětná vazba nebo degenerativní zpětná vazba. |
| Účel | Zesiluje nebo zvyšuje signál. | Stabilizuje nebo reguluje signál. |
| Vliv na systém | Může vést k nepředvídatelnému chování a oscilacím. | Podporuje předvídatelnost a provoz v ustáleném stavu. |
| Získat směr | Zvyšuje zisk systému. | Snižuje zisk systému. |
| Používání | Audio zesilovače a relaxační oscilátory. | Operační zesilovače (Op-Amps), zpětnovazební řídicí systémy. |
| Stabilita | Často vede k nestabilitě. | Zlepšuje stabilitu systému. |
| Například | Schmitt spouští a žabky. | Napěťové zesilovače a regulátory teploty. |
Aplikace a vlastnosti systému negativní zpětné vazby
Systémy negativní zpětné vazby mají mnoho aplikací v obecné elektronice. Tyto systémy zlepšily nestabilitu systému, linearitu systému, frekvenční odezvu a skokovou odezvu. Díky těmto výhodám systémů se zápornou zpětnou vazbou má mnoho obvodů zesilovačů napříč elektronikou systémy záporné zpětné vazby.
Některé podrobné popisy systémů negativní zpětné vazby jsou uvedeny níže:
Stabilita : Systém záporné zpětné vazby snižuje odchylky od požadovaného bodu, což má za následek stabilnější systém. Například termostat zajišťuje, aby teplota zůstala blízko zvolené hodnotě.
Přesnost: Systémy negativní zpětné vazby zlepšují přesnost systému minimalizací chyb. V obvodu zesilovače negativní zpětná vazba snižuje zkreslení a vytváří stabilnější signál na výstupu.
Ovládání šířky pásma : Šířku pásma zesilovače můžete ovládat také pomocí systému negativní zpětné vazby. Díky tomu jsou vhodné pro několik aplikací. Tyto aplikace zahrnují zesílení zvuku na vysokofrekvenční zesílení.
Redukce hluku : Negativní zpětná vazba může snížit nežádoucí šum a rušení. Redukce šumu má mnoho aplikací v oblasti audio systémů a komunikačních zařízení.
Dynamická odezva : Systémy negativní zpětné vazby mají schopnost dynamické odezvy. Tyto systémy se mohou přizpůsobit daným podmínkám. Příkladem dynamické odezvy je systém tempomatu automobilu.
Vliv negativní zpětné vazby na šířku pásma
Šířka pásma vysvětluje rozsah provozních frekvencí pro zesilovač s konstantním zesílením. Systém s větší šířkou pásma znamená, že zesilovač zvládne více frekvencí. Negativní zpětná vazba snižuje zisk zesilovače tím, že dává výstup na vstupní stranu. To zlepšuje stabilitu a linearitu systému, ale v důsledku toho také snižuje zisk systému.
The vliv negativní zpětné vazby na šířku pásma závisí na typu a množství použité zpětné vazby. Obecně platí, že negativní zpětná vazba zvyšuje šířku pásma snížením zisku systému. Produkt šířky pásma zisku, který je měřítkem výkonu zesilovače, zůstává konstantní bez ohledu na zpětnou vazbu.
Například uvažujme obvod zesilovače bez zpětné vazby se ziskem šířky pásma 100 a 10 kHz. Použití záporné zpětné vazby pro snížení zisku na 10. Tím se šířka pásma zvýší na 100 kHz. Součin zisku a šířky pásma je v obou případech stále 100 × 10 kHz = 1 MHz.
Negativní zpětná vazba však ovlivňuje i mezní frekvence zesilovače. To jsou frekvence, kde systém získává poklesy od maximální hodnoty. Negativní zpětná vazba snižuje mezní frekvenci a zvyšuje horní mezní frekvenci. To bude mít za následek rozšíření křivky frekvenční odezvy zesilovače. Čistým účinkem negativní zpětné vazby na šířku pásma je výměna zisku za šířku pásma.
To znamená, že použití negativní zpětné vazby zvýší rozsah frekvencí, které zesilovač zvládne. To vše ale přichází za cenu snížení jeho zesilovacího faktoru.
Závěr
Systém negativní zpětné vazby může ovládat nebo upravovat výstup tím, že obsluhuje část výstupu na vstupní straně. Tato zpětná vazba generuje chybový signál, který vám poskytne stabilnější systém. Tento chybový signál je dynamický a pohání celý systém. Systém negativní zpětné vazby může zlepšit přesnost systému a také řídit šířku pásma. Tento systém zpětné vazby se používá v obvodech zesilovačů, jako jsou systémy potlačení hluku nebo tempomaty automobilů. Přečtěte si více o podrobném popisu negativní zpětné vazby v tomto článku.