Systém spätnej väzby má oproti konvenčným systémom viacero výhod. Pomáha zlepšiť výstupný zisk obvodu a zvyšuje lineárnu odozvu obvodu. Znižuje tiež pravdepodobnosť skreslenia signálu, ku ktorému dochádza hlavne v dôsledku šumových signálov.
Systémy spätnej väzby sa väčšinou používajú v obvodoch zosilňovačov, riadiacich systémoch založených na výstupe a obvodoch oscilátorov. Systémy spätnej väzby majú dva typy: Pozitívny spätná väzba a Negatívne spätná väzba. Tento článok sa zameria najmä na posledný typ spätnej väzby.
Rýchly prehľad:
- Čo je to systém negatívnej spätnej väzby v elektronike
- Obvod negatívnej spätnej väzby
- Funkcia prenosu negatívnej spätnej väzby
- Negatívna spätná väzba v operačných zosilňovačoch
- Príklad 1
- Príklad 2
- Príklad 3
- Rozdiel medzi systémami pozitívnej a negatívnej spätnej väzby
- Aplikácie a vlastnosti systému negatívnej spätnej väzby
- Vplyv negatívnej spätnej väzby na šírku pásma
- Záver
Čo je to systém negatívnej spätnej väzby v elektronike
Záporná spätná väzba v elektrickom obvode je riadiaci mechanizmus, ktorý stabilizuje a reguluje činnosť elektrického obvodu. Obvody s integrovanými systémami negatívnej spätnej väzby prijímajú výstupný signál a dávajú ho na vstup ako a fázový opozičný (invertovaný) signál . Tento systém spätnej väzby znižuje akékoľvek odchýlky alebo chyby vo výstupných signáloch.
Negatívna spätná väzba sa tiež nazýva degeneratívna spätná väzba . Pri negatívnej spätnej väzbe sa výstupný signál prichádzajúci ako spätná väzba odpočítava od vstupného referenčného signálu. Výsledkom výstupu je chyba známa ako zisk spätnej väzby . Tento chybový signál generovaný po odčítaní zodpovedajúcim spôsobom upraví odozvu systému. Ak je zosilnenie systému kladné, spätnoväzbový signál prichádzajúci z výstupu sa musí odpočítať od vstupného referenčného signálu, aby sa spätná väzba udržala ako negatívna.
Keď je negatívna spätná väzba odpočítané z referenčného vstupu robí systém stabilnejším. Povedzme, že existuje systém, ktorý vykazuje nezvyčajné správanie – na potlačenie tejto zmeny systém vygeneruje výstupný signál. Tento výstupný alebo spätnoväzbový signál pôsobí proti vstupnému signálu – zodpovedajúcim spôsobom upravuje vstup, aby celý systém fungoval efektívne.
Obvod negatívnej spätnej väzby
Obvod negatívnej spätnej väzby je znázornený na obrázku nižšie. Tu môžete vidieť, že výstupný signál sa odoberá späť na vstupnú stranu ako spätná väzba. Na vstupnej strane sa generuje rozdiel medzi referenčným signálom a rozdielom spätnoväzbového signálu, ktorý potom poháňa systém ďalej.
1. Komponenty : Obvod sa skladá z dvoch hlavných komponentov:
- Zosilňovač so ziskom G.
- Slučka spätnej väzby s faktorom spätnej väzby β.
Vstupný signál je V v a výstup zosilňovača je V von .
2. Summing Junction : Na vstupe zosilňovača je súčtový spoj (často reprezentovaný kruhom so znamienkom mínus vo vnútri). Tento prechod odčíta spätnoväzbový signál od referenčného vstupu. Odpočítaná časť je súčinom faktora spätnej väzby β a výstupného Vout – takže chybový signál je V v – bV von .
3. Slučka spätnej väzby : Tento chybový signál (V v – bV von ) je to, čo poháňa systém. Predstavuje rozdiel medzi požadovaným vstupom V v a skutočný výstup V von škálované faktorom spätnej väzby β.
4. Negatívna spätná väzba : Kľúčovým pojmom je tu negatívna spätná väzba. Keď je výstup V von zmeny v dôsledku akýchkoľvek porúch alebo zmien na vstupe V v chybový signál (Vin – βV von ) je vytvorený. Vypočítaný chybový signál bude zosilňovačom zosilnený zosilnením G a privedený späť do sčítacieho spoja. Dôležité je, že táto spätná väzba je negatívna, pretože sa odpočítava od vstupu.
- Ak V von zvyšuje (t.j. výstup systému je vyšší, ako je požadované) spätná väzba znižuje chybu prinášajúcu V von späť na požadovanú hodnotu.
- Ak V von sa zníži (t. j. výstup systému klesne pod želanie) spätná väzba zvyšuje chybu riadenia V von späť na požadovanú hodnotu.
5. Všeobecná rovnica spätnej väzby : Všeobecná spätná väzba pre tento systém je zvyčajne vyjadrená ako
Táto rovnica súvisí s výstupom V von na vstup Vin a faktor spätnej väzby β cez zosilnenie zosilňovača G. Ukazuje, ako systém využíva negatívnu spätnú väzbu na reguláciu a riadenie výstupu tak, aby zodpovedal požadovanému vstupu.
Funkcia prenosu negatívnej spätnej väzby
Prenosová funkcia definuje rovnicu, ktorá predstavuje vzťah medzi vstupom a výstupom. Hovorí nám, ako zmeny na vstupe ovplyvňujú výstup. V negatívnej spätnej väzbe máme medzisignál reprezentovaný Z. Tento medzisignál predstavuje rozdiel medzi výstupom a vstupom.
Pre prenosová funkcia rovnica negatívnej spätnej väzby, Z sa používa na výpočet chybového signálu alebo korekcie potrebnej na priblíženie systému k požadovanej hodnote výstupu.
Nasledujúci blokový diagram znázorňuje systém negatívnej spätnej väzby. Pomocou tohto diagramu môžeme vypočítať prenosovú funkciu pre systém negatívnej spätnej väzby:
Výstup systému negatívnej spätnej väzby sa rovná Y:
Negatívna spätná väzba v operačných zosilňovačoch
V konfigurácii negatívnej spätnej väzby sa časť výstupu operačného zosilňovača (V) privádza na vstupný invertujúci (-) terminál. Tento výstupný signál bude odpočítaný od vstupnej referencie. Pomáha kontrolovať a stabilizovať zisk zosilňovača.
Pomocou negatívnej spätnej väzby v obvode operačného zosilňovača môžete nastaviť požadovanú úroveň zisku pri zachovaní stability systému. Negatívna spätná väzba znižuje nelinearity v charakteristikách operačného zosilňovača, čím sa približuje k ideálnemu správaniu.
Obvod operačného zosilňovača so zápornou spätnou väzbou (op-amp) je navrhnutý tak, že ako centrálny komponent sa používa operačný zosilňovač. Operačný zosilňovač má dva vstupy: jeden je invertujúci (-) a druhý je neinvertujúci (+). Má jednu výstupnú svorku. Pre systém negatívnej spätnej väzby budeme používať invertujúcu stranu operačných zosilňovačov.
Tento obvod zvyčajne zahŕňa:
- Vstupný odpor (Rin) spájajúci jeden zdroj s invertujúcim (-) vstupom operačného zosilňovača.
- Rezistor spätnej väzby (Rf) spájajúci výstup operačného zosilňovača s invertujúcim (-) vstupom.
- Pripojenie k záťaži na výstupe operačného zosilňovača.
Zisk môžete nájsť pomocou pomeru Rf k Rin. Táto negatívna spätná väzba stabilizuje a riadi správanie operačného zosilňovača. Funguje tak, že minimalizuje rozdiel napätí medzi dvoma invertujúcimi a neinvertujúcimi vstupmi. Vytvára medzi nimi virtuálny skrat. Výsledkom je, že operačný zosilňovač prispôsobuje svoje výstupné napätie, aby udržal túto rovnováhu - čo z neho robí efektívny zosilňovač s kontrolovaným ziskom.
Príklad 1: Výpočet zisku v uzavretej slučke
Systém má zisk 60 dB bez spätnej väzby. Podiel negatívnej spätnej väzby je 1/20, nájdite zisk uzavretej slučky (v dB) s pridaním negatívnej spätnej väzby.
Riešenie:
Zosilnenie v uzavretej slučke so zápornou spätnou väzbou je dané vzorcom:
V tomto prípade je zisk v otvorenej slučke 60 dB a podiel spätnej väzby je 1/20.
Takže s frakciou spätnej väzby 1/20 bude zisk v uzavretej slučke systému 86,02 dB.
Príklad 2: Výpočet zosilnenia napätia
Ak má zosilňovač na začiatku napäťové zosilnenie 3000 (bez spätnej väzby) a potom obsahuje zápornú napäťovú spätnú väzbu s podielom spätnej väzby mv = 0,01. Aký bude nový napäťový zisk zosilňovača?
Riešenie :
Môžete použiť vzorec zosilnenia napätia pre zosilňovač so zápornou spätnou väzbou napätia - na výpočet zosilnenia napätia zosilňovača:
Vo vyššie uvedenom vzorci:
A f = Zosilnenie napätia so spätnou väzbou
A = Zosilnenie napätia bez spätnej väzby
mv = zlomok spätnej väzby
Tu máme:
Zosilnenie napätia bez spätnej väzby (A) = 3000
Zlomok spätnej väzby (mv) = 0,01
Teraz vložte tieto hodnoty do vzorca:
Takže napäťové zosilnenie zosilňovača so zápornou napäťovou spätnou väzbou je približne 96,77.
Príklad 3: Výpočet odporov spätnej väzby
Určite vhodné hodnoty spätnoväzbových odporov, R 1 a R 2 . Musíte stabilizovať obvod neinvertujúceho zosilňovača pomocou operačného zosilňovača s napäťovým zosilnením v otvorenej slučke (AVOL) 220 000. Váš cieľový zisk v uzavretej slučke je 40.
Riešenie :
Všeobecná rovnica spätnej väzby s uzavretou slučkou je:
Ak chcete získať zlomok spätnej väzby β, preusporiadajte vyššie uvedenú rovnicu:
V tomto prípade je zisk v otvorenej slučke príliš vysoký. Takže spätnoväzbová frakcia β bude približne rovná prevrátenej hodnote zisku v uzavretej slučke 1/G. Pretože hodnota 1/A je príliš malá, približne rovná (0,025).
Rezistory R1 a R2 vo vyššie uvedenej konfigurácii tvoria obvod deliča potenciálu sériového napätia. Zosilnenie napätia v uzavretej slučke môžete nájsť takto:
Predpokladajme, že hodnota R2 je 1000 Ω (1 kΩ). Potom hodnota pre R 1 možno napísať ako
Takže pre obvod neinvertujúceho zosilňovača so ziskom 40 musíte vybrať R 1 39 kΩ a R 2 1 kΩ.
Rozdiel medzi systémami pozitívnej a negatívnej spätnej väzby
Rozdiel medzi systémami pozitívnej a negatívnej spätnej väzby nájdete v nižšie uvedenej tabuľke:
| Typové rozdiely spätnej väzby | Pozitívna spätná väzba | Negatívna odozva |
|---|---|---|
| Definícia | V tejto spätnej väzbe sa pridáva referenčná spätná väzba a vstupné signály. | Pri tomto type sa výstupná spätná väzba odčíta od referenčného vstupu. |
| Nomenklatúra | Pozitívna spätná väzba alebo regeneračná spätná väzba. | Negatívna spätná väzba alebo degeneratívna spätná väzba. |
| Účel | Zosilňuje alebo zvyšuje signál. | Stabilizuje alebo reguluje signál. |
| Vplyv na systém | Môže viesť k nepredvídateľnému správaniu a osciláciám. | Podporuje predvídateľnosť a prevádzku v ustálenom stave. |
| Získať Smer | Zvyšuje zisk systému. | Znižuje zisk systému. |
| Použitie | Zosilňovače zvuku a relaxačné oscilátory. | Operačné zosilňovače (Op-Amps), spätnoväzbové riadiace systémy. |
| Stabilita | Často vedie k nestabilite. | Zlepšuje stabilitu systému. |
| Napríklad | Schmitt spúšťa a žabky. | Napäťové zosilňovače a regulátory teploty. |
Aplikácie a vlastnosti systému negatívnej spätnej väzby
Systémy negatívnej spätnej väzby majú mnoho aplikácií vo všeobecnej elektronike. Tieto systémy zlepšili nestabilitu systému, linearitu systému, frekvenčnú odozvu a skokovú odozvu. Vďaka týmto výhodám systémov negatívnej spätnej väzby má mnoho obvodov zosilňovača v elektronike systémy negatívnej spätnej väzby.
Niektoré podrobné popisy systémov negatívnej spätnej väzby sú uvedené nižšie:
Stabilita : Systém negatívnej spätnej väzby znižuje odchýlky od požadovaného bodu, výsledkom čoho je stabilnejší systém. Napríklad termostat zabezpečuje, aby teplota zostala blízko zvolenej hodnoty.
Presnosť: Systémy negatívnej spätnej väzby zlepšujú presnosť systému minimalizovaním chýb. V obvode zosilňovača negatívna spätná väzba znižuje skreslenie a vytvára stabilnejší signál na výstupe.
Ovládanie šírky pásma : Môžete tiež ovládať šírku pásma zosilňovača pomocou systému negatívnej spätnej väzby. Vďaka tomu sú vhodné pre viacero aplikácií. Tieto aplikácie zahŕňajú zosilnenie zvuku na rádiofrekvenčné zosilnenie.
Redukcia hluku : Negatívna spätná väzba môže znížiť nežiaduci šum a rušenie. Redukcia hluku má viacero aplikácií v oblasti audio systémov a komunikačných zariadení.
Dynamická odozva : Systémy negatívnej spätnej väzby majú schopnosť dynamickej odozvy. Tieto systémy sa vedia prispôsobiť daným podmienkam. Príkladom dynamickej odozvy je systém tempomatu automobilu.
Vplyv negatívnej spätnej väzby na šírku pásma
Šírka pásma vysvetľuje rozsah prevádzkovej frekvencie pre zosilňovač s konštantným ziskom. Systém s vyššou šírkou pásma znamená, že zosilňovač zvládne viac frekvencií. Záporná spätná väzba znižuje zosilnenie zosilňovača tým, že dáva výstup na vstupnú stranu. To zlepšuje stabilitu a linearitu systému, ale v dôsledku toho tiež znižuje zisk systému.
The vplyv negatívnej spätnej väzby na šírku pásma závisí od typu a množstva použitej spätnej väzby. Vo všeobecnosti negatívna spätná väzba zvyšuje šírku pásma znížením zisku systému. Produkt šírky pásma zisku, ktorý je meradlom výkonu zosilňovača, zostáva konštantný bez ohľadu na spätnú väzbu.
Napríklad zvážte obvod zosilňovača bez spätnej väzby so ziskom 100 a 10 kHz šírky pásma. Aplikovaním negatívnej spätnej väzby znížite zosilnenie na 10. Tým sa zvýši šírka pásma na 100 kHz. Produkt zosilnenia šírky pásma je v oboch prípadoch stále 100 × 10 kHz = 1 MHz.
Negatívna spätná väzba však ovplyvňuje aj medzné frekvencie zosilňovača. Toto sú frekvencie, pri ktorých systém získava poklesy od maximálnej hodnoty. Negatívna spätná väzba znižuje medznú frekvenciu a zvyšuje hornú medznú frekvenciu. To bude mať za následok rozšírenie krivky frekvenčnej odozvy zosilňovača. Čistým účinkom negatívnej spätnej väzby na šírku pásma je výmena zisku za šírku pásma.
To znamená, že použitie negatívnej spätnej väzby zvýši rozsah frekvencií, ktoré zosilňovač zvládne. To všetko však prichádza za cenu zníženia jeho zosilňovacieho faktora.
Záver
Systém negatívnej spätnej väzby môže ovládať alebo upravovať výstup tým, že obsluhuje časť výstupu na vstupnej strane. Táto spätná väzba generuje chybový signál, ktorý vám poskytne stabilnejší systém. Tento chybový signál je dynamický a poháňa celý systém. Systém negatívnej spätnej väzby môže zlepšiť presnosť systému a tiež kontrolovať šírku pásma. Tento spätnoväzbový systém sa používa v obvodoch zosilňovačov, ako sú systémy na potlačenie hluku alebo tempomaty. Prečítajte si viac o podrobnom popise negatívnej spätnej väzby v tomto článku.