Palautejärjestelmällä on useita etuja perinteisiin järjestelmiin verrattuna. Se auttaa parantamaan piirin lähtövahvistusta ja lisää piirin lineaarista vastetta. Se myös vähentää signaalin vääristymien mahdollisuuksia, joita esiintyy pääasiassa kohinasignaaleista.
Takaisinkytkentäjärjestelmiä käytetään enimmäkseen vahvistinpiireissä, lähtöpohjaisissa ohjausjärjestelmissä ja oskillaattoripiireissä. Palautejärjestelmiä on kahta tyyppiä: Positiivista palaute ja Negatiivinen palautetta. Tässä artikkelissa keskitytään paljon jälkimmäiseen palautteeseen.
Pikakuvaus:
- Mikä on negatiivinen palautejärjestelmä elektroniikassa
- Negatiivinen palautepiiri
- Negatiivisen palautteen siirtotoiminto
- Negatiivinen palaute operaatiovahvistimissa
- Esimerkki 1
- Esimerkki 2
- Esimerkki 3
- Ero positiivisen ja negatiivisen palautejärjestelmän välillä
- Negatiivisen palautejärjestelmän sovellukset ja ominaisuudet
- Negatiivisen palautteen vaikutus kaistanleveyteen
- Johtopäätös
Mikä on negatiivinen palautejärjestelmä elektroniikassa
Negatiivinen takaisinkytkentä sähköpiirissä on ohjausmekanismi, joka stabiloi ja säätelee sähköpiirin toimintaa. Piirit, joissa on integroitu negatiivinen takaisinkytkentäjärjestelmä, ottavat lähtösignaalin ja antavat sen tuloon a vaiheoppositio (käänteinen) signaali . Tämä takaisinkytkentäjärjestelmä vähentää mahdollisia poikkeamia tai virheitä lähtösignaaleissa.
Negatiivista palautetta kutsutaan myös nimellä rappeuttavaa palautetta . Negatiivisessa takaisinkytkessä takaisinkytkentänä tuleva lähtösignaali vähennetään tuloreferenssisignaalista. Tulostus johtaa virheeseen, joka tunnetaan nimellä palautetta . Tämä vähennyksen jälkeen generoitu virhesignaali muuttaa järjestelmän vastetta vastaavasti. Jos järjestelmän vahvistus on positiivinen, lähdöstä tuleva takaisinkytkentäsignaali on vähennettävä tuloreferenssisignaalista, jotta takaisinkytkentä pysyy negatiivisena.
Kun negatiivinen palaute on vähennetty referenssisisääntulosta, se tekee järjestelmästä vakaamman. Oletetaan, että on järjestelmä, joka käyttäytyy epätavallisesti – tämän muutoksen estämiseksi järjestelmä tuottaa lähtösignaalin. Tämä lähtö- tai takaisinkytkentäsignaali vastustaa tulosignaalia - muokkaa tuloa vastaavasti, jotta koko järjestelmä toimisi tehokkaasti.
Negatiivinen palautepiiri
Negatiivinen takaisinkytkentäpiiri on kuvattu alla olevassa kuvassa. Tässä näet, että lähtösignaali viedään takaisin tulopuolelle palautteena. Tulopuolella syntyy ero referenssisignaalin ja takaisinkytkentäsignaalin eron välille, joka sitten ajaa järjestelmää eteenpäin.
1. Komponentit : Piiri koostuu kahdesta pääkomponentista:
- Vahvistin, jonka vahvistus on G.
- Takaisinkytkentäsilmukka takaisinkytkentäkertoimella β.
Tulosignaali on V sisään ja vahvistimen lähtö on V ulos .
2. Summing Junction : Vahvistimen sisääntulossa on summausliitos (esittää usein ympyrän, jonka sisällä on miinusmerkki). Tämä risteys vähentää palautesignaalin referenssitulosta. Vähennetty osa on takaisinkytkentätekijän β ja ulostulon Vout tulo - joten virhesignaali on V sisään – bV ulos .
3. Palautesilmukka : Tämä virhesignaali (V sisään – bV ulos ) ohjaa järjestelmää. Se edustaa eroa halutun tulon V välillä sisään ja todellinen teho V ulos skaalata takaisinkytkentäkertoimella β.
4. Negatiivinen palaute : Avainkäsite tässä on negatiivinen palaute. Kun lähtö V ulos häiriöistä tai tulon V muutoksista johtuvia muutoksia sisään virhesignaali (Vin – βV ulos ) on luotu. Laskettu virhesignaali vahvistetaan vahvistimella vahvistuksella G ja syötetään takaisin summausliitokseen. Tärkeää on, että tämä palaute on negatiivinen, koska se vähennetään syötteestä.
- Jos V ulos kasvaa (eli järjestelmän lähtö menee haluttua korkeammaksi) takaisinkytkentä vähentää virhettä tuoden V:n ulos takaisin kohti haluttua arvoa.
- Jos V ulos pienenee (eli järjestelmän lähtö laskee haluttua pienemmäksi) takaisinkytkentä lisää virheajoa V ulos takaisin ylös kohti haluttua arvoa.
5. Yleinen palauteyhtälö : Tämän järjestelmän yleinen palauteyhtälö ilmaistaan tyypillisesti muodossa
Tämä yhtälö liittyy ulostuloon V ulos tuloon Vin ja takaisinkytkentätekijään β vahvistimen vahvistuksen G kautta. Se osoittaa, kuinka järjestelmä käyttää negatiivista palautetta säätääkseen ja ohjatakseen lähtöä niin, että se vastaa haluttua tuloa.
Negatiivisen palautteen siirtotoiminto
Siirtofunktio määrittelee yhtälön, joka edustaa sekä tulon että lähdön välistä suhdetta. Se kertoo meille, kuinka tulon muutokset vaikuttavat ulostuloon. Negatiivisessa takaisinkytkessä meillä on välisignaali, jota edustaa Z. Tämä välisignaali edustaa eroa lähdön ja sisääntulon välillä.
Varten siirto-toiminto Negatiivisen takaisinkytkennän yhtälöä Z käytetään laskemaan virhesignaali tai korjaus, joka tarvitaan järjestelmän saattamiseksi lähemmäksi haluttua lähtöarvoa.
Seuraava lohkokaavio esittää negatiivisen palautejärjestelmän. Tämän kaavion avulla voimme laskea negatiivisen palautejärjestelmän siirtofunktion:
Negatiivisen palautejärjestelmän lähtö on yhtä suuri kuin Y:t:
Negatiivinen palaute operaatiovahvistimissa
Negatiivinen takaisinkytkentäkonfiguraatiossa osa operaatiovahvistimen lähdöstä (V) annetaan invertoivaan tuloliittimeen (-). Tämä lähtösignaali vähennetään tuloreferenssistä. Se auttaa hallitsemaan ja vakauttamaan vahvistimen vahvistusta.
Käyttämällä negatiivista palautetta operaatiovahvistinpiirissä voit asettaa halutun vahvistustason säilyttäen samalla järjestelmän vakauden. Negatiivinen palaute vähentää epälineaarisuutta op-vahvistimen ominaisuuksissa, mikä tekee sen toimimasta lähempänä ihanteellista toimintaa.
Negatiivinen takaisinkytkentäinen operaatiovahvistin (operaatiovahvistin) on suunniteltu käyttämällä operaatiovahvistinta keskeisenä komponenttina. Operaatiovahvistimessa on kaksi tuloa: toinen on invertoiva (-) ja toinen ei-invertoiva (+). Siinä on yksi lähtöliitin. Negatiivisen palautejärjestelmän osalta käytämme operaatiovahvistimien invertoivaa puolta.
Tämä piiri sisältää tyypillisesti:
- Tulovastus (Rin), joka yhdistää yhden lähteen operaatiovahvistimen invertoivaan (-) tuloon.
- Takaisinkytkentävastus (Rf), joka yhdistää operaatiovahvistimen lähdön invertoivaan (-) tuloon.
- Yhteys kuormaan op-vahvistimen lähdössä.
Voit löytää vahvistuksen käyttämällä Rf-Rin-suhdetta. Tämä negatiivinen palaute stabiloi ja ohjaa operaatiovahvistimen toimintaa. Se toimii minimoimalla jännite-eron kahden invertoivan ja ei-invertoivan tulon välillä. Se luo virtuaalisen oikosulun niiden välille. Tämän seurauksena operaatiovahvistin säätää lähtöjännitettä tämän tasapainon ylläpitämiseksi – tehden siitä tehokkaan vahvistimen kontrolloidulla vahvistuksella.
Esimerkki 1: Suljetun silmukan vahvistuksen laskeminen
Järjestelmän vahvistus ilman takaisinkytkentää on 60 dB. Negatiivinen takaisinkytkentäosuus on 1/20, etsi suljetun silmukan vahvistus (dB) negatiivisen takaisinkytkennän lisäyksellä.
Ratkaisu:
Suljetun silmukan vahvistus negatiivisella palautuksella saadaan kaavasta:
Tässä tapauksessa avoimen silmukan vahvistus on 60 dB ja takaisinkytkentäosuus on 1/20.
Eli takaisinkytkentäosuudella 1/20 järjestelmän suljetun silmukan vahvistus on 86,02 dB.
Esimerkki 2: Jännitevahvistuksen laskeminen
Jos vahvistimella on aluksi jännitevahvistus 3000 (ilman takaisinkytkentää) ja sitten se käsittää negatiivisen jännitteen takaisinkytkennän, jonka takaisinkytkentäosuus on mv = 0,01. Mikä on vahvistimen uusi jännitevahvistus?
Ratkaisu :
Voit käyttää negatiivisen jännitteen takaisinkytkennän omaavan vahvistimen jännitevahvistuksen kaavaa — vahvistimen jännitevahvistuksen laskemiseen:
Yllä olevassa kaavassa:
A f = Jännitteen vahvistus takaisinkytkennällä
A = Jännitteen vahvistus ilman takaisinkytkentää
mv = Palautteen osuus
Tässä meillä on:
Jännitteen lisäys ilman palautetta (A) = 3000
Palautteen osuus (mv) = 0,01
Laita nyt nämä arvot kaavaan:
Joten negatiivisen jännitteen takaisinkytkennän omaavan vahvistimen jännitevahvistus on noin 96,77.
Esimerkki 3: Palautevastuksen laskeminen
Määritä sopivat arvot takaisinkytkentäresistanssille, R 1 ja R 2 . Sinun on stabiloitava ei-invertoiva vahvistinpiiri käyttämällä operaatiovahvistinta, jonka avoimen silmukan jännitevahvistus (AVOL) on 220 000. Tavoitetasi suljetun silmukan vahvistus on 40.
Ratkaisu :
Yleinen suljetun silmukan takaisinkytkentäyhtälö on:
Saadaksesi palauteosuuden β järjestä yllä oleva yhtälö uudelleen:
Tässä tapauksessa avoimen silmukan vahvistus on liian korkea. Siten takaisinkytkentäosio β on suunnilleen yhtä suuri kuin suljetun silmukan vahvistuksen käänteisluku 1/G. Koska 1/A:n arvo on liian pieni, se on suunnilleen yhtä suuri kuin (0,025).
Vastukset R1 ja R2 yllä olevassa konfiguraatiossa muodostavat sarjajännitepotentiaalinjakopiirin. Voit löytää suljetun silmukan jännitteen vahvistuksen seuraavasti:
Oletetaan R2:n arvoksi 1000 Ω (1 kΩ). Sitten R:n arvo 1 voidaan kirjoittaa nimellä
Joten ei-invertoivalle vahvistinpiirille, jonka vahvistus on 40, sinun on valittava R 1 39 kΩ ja R 2 1 kΩ.
Ero positiivisen ja negatiivisen palautejärjestelmän välillä
Löydät eron positiivisen ja negatiivisen palautejärjestelmän välillä alla olevasta taulukosta:
| Palautetyyppierot | Positiivista palautetta | Negatiivinen palaute |
|---|---|---|
| Määritelmä | Tässä palautteessa referenssipalaute ja tulosignaalit lisätään. | Tässä tyypissä lähtöpalaute vähennetään referenssitulosta. |
| Nimikkeistö | Positiivinen palaute tai uudistava palaute. | Negatiivinen palaute tai rappeuttava palaute. |
| Tarkoitus | Vahvistaa tai lisää signaalia. | Stabiloi tai säätelee signaalia. |
| Vaikutus järjestelmään | Voi johtaa arvaamattomaan käyttäytymiseen ja värähtelyihin. | Edistää ennustettavuutta ja vakaan tilan toimintaa. |
| Hanki suunta | Lisää järjestelmän vahvistusta. | Vähentää järjestelmän voittoa. |
| Käyttö | Äänivahvistimet ja rentoutusoskillaattorit. | Operaatiovahvistimet (Op-Amps), takaisinkytkennän ohjausjärjestelmät. |
| Vakaus | Usein johtaa epävakauteen. | Parantaa järjestelmän vakautta. |
| Esimerkiksi | Schmittin liipaisimet ja varvastossut. | Jännitevahvistimet ja lämpötilansäätimet. |
Negatiivisen palautejärjestelmän sovellukset ja ominaisuudet
Negatiivisilla palautejärjestelmillä on monia sovelluksia yleisessä elektroniikassa. Nämä järjestelmät paransivat järjestelmän epävakautta, järjestelmän lineaarisuutta, taajuusvastetta ja askelvastetta. Näiden negatiivisten takaisinkytkentäjärjestelmien eduista johtuen monissa elektroniikan vahvistinpiireissä on negatiivinen takaisinkytkentäjärjestelmä.
Alla on joitain yksityiskohtaisia kuvauksia negatiivisista palautejärjestelmistä:
Vakaus : Negatiivinen takaisinkytkentäjärjestelmä vähentää poikkeamia halutusta pisteestä, mikä johtaa vakaampaan järjestelmään. Esimerkiksi termostaatti varmistaa, että lämpötila pysyy lähellä valittua arvoa.
Tarkkuus: Negatiiviset palautejärjestelmät parantavat järjestelmän tarkkuutta minimoimalla virheet. Vahvistinpiirissä negatiivinen takaisinkytkentä vähentää säröä ja tuottaa vakaamman signaalin lähtöön.
Kaistanleveyden hallinta : Voit myös ohjata vahvistimen kaistanleveyttä negatiivisen palautejärjestelmän avulla. Tämä tekee niistä sopivia useisiin sovelluksiin. Nämä sovellukset sisältävät äänen vahvistuksen radiotaajuiseen vahvistukseen.
Melun vähentäminen : Negatiivinen palaute voi vähentää ei-toivottua kohinaa ja häiriöitä. Kohinanpoistolla on useita sovelluksia audiojärjestelmien ja viestintälaitteiden alalla.
Dynaaminen vastaus : Negatiivisilla palautejärjestelmillä on dynaaminen vastekyky. Nämä järjestelmät voivat mukautua tiettyjen olosuhteiden mukaan. Esimerkki dynaamisesta vasteesta sisältää auton vakionopeussäätimen.
Negatiivisen palautteen vaikutus kaistanleveyteen
Kaistanleveys selittää toimintataajuusalueen vahvistimelle, jolla on jatkuva vahvistus. Suuremman kaistanleveyden omaava järjestelmä tarkoittaa, että vahvistin pystyy käsittelemään enemmän taajuuksia. Negatiivinen takaisinkytkentä vähentää vahvistimen vahvistusta antamalla ulostulon tulopuolella. Tämä parantaa järjestelmän vakautta ja lineaarisuutta, mutta sen seurauksena myös vähentää järjestelmän vahvistusta.
The negatiivisen palautteen vaikutus kaistanleveyteen riippuu käytetyn palautteen tyypistä ja määrästä. Yleensä negatiivinen palaute lisää kaistanleveyttä vähentämällä järjestelmän vahvistusta. Vahvistuksen kaistanleveystulo, joka on vahvistimen suorituskyvyn mitta, pysyy vakiona takaisinkytkennästä riippumatta.
Esimerkiksi , harkitse vahvistinpiiriä ilman takaisinkytkentää, jonka kaistanleveys on 100 ja 10 kHz. Negatiivinen takaisinkytkentä pienentää vahvistusta 10:een. Tämä lisää kaistanleveyttä 100 kHz:iin. Vahvistuskaistanleveystulo on edelleen 100 × 10 kHz = 1 MHz molemmissa tapauksissa.
Negatiivinen takaisinkytkentä vaikuttaa kuitenkin myös vahvistimen rajataajuuksiin. Nämä ovat taajuuksia, joilla järjestelmä saa pudotuksia maksimiarvosta. Negatiivinen takaisinkytkentä alentaa rajataajuutta ja nostaa ylärajataajuutta. Tämä johtaa vahvistimen taajuusvastekäyrän levenemiseen. Negatiivisen palautteen nettovaikutus kaistanleveyteen on vaihtaa voittoa kaistanleveyteen.
Tämä tarkoittaa, että negatiivisen takaisinkytkennän käyttäminen lisää vahvistimen käsittelemää taajuusaluetta. Mutta kaikki tämä tapahtuu sen vahvistuskertoimen pienentämisen kustannuksella.
Johtopäätös
Negatiivinen palautejärjestelmä voi ohjata tai säätää lähtöä palvelemalla osaa lähdöstä tulopuolella. Tämä palaute tuottaa virhesignaalin, joka antaa sinulle vakaamman järjestelmän. Tämä virhesignaali on dynaaminen ja ohjaa koko järjestelmää. Negatiivinen palautejärjestelmä voi parantaa järjestelmän tarkkuutta ja myös ohjata kaistanleveyttä. Tätä takaisinkytkentäjärjestelmää käytetään vahvistinpiireissä, kuten melunvaimennus- tai auton vakionopeudensäädinjärjestelmissä. Lue lisää negatiivisen palautteen yksityiskohtaisesta kuvauksesta tässä artikkelissa.