Системата за обратна връзка има множество предимства пред конвенционалните системи. Помага за подобряване на изходното усилване на веригата и увеличава линейния отговор на веригата. Освен това намалява шансовете за изкривявания на сигнала, които възникват главно поради шумови сигнали.
Системите за обратна връзка се използват най-вече в усилвателни вериги, системи за управление, базирани на изхода, и осцилаторни вериги. Системите за обратна връзка са два вида: Положителен обратна връзка и Отрицателна обратна връзка. Тази статия ще се съсредоточи много върху последния тип обратна връзка.
Бърз план:
- Какво е система за отрицателна обратна връзка в електрониката
- Верига за отрицателна обратна връзка
- Функция за предаване на отрицателна обратна връзка
- Отрицателна обратна връзка в операционните усилватели
- Пример 1
- Пример 2
- Пример 3
- Разлика между системите за положителна и отрицателна обратна връзка
- Приложения и свойства на системата за отрицателна обратна връзка
- Ефект на отрицателната обратна връзка върху честотната лента
- Заключение
Какво е система за отрицателна обратна връзка в електрониката
Отрицателната обратна връзка в електрическа верига е контролен механизъм, който стабилизира и регулира операциите на електрическата верига. Схемите с интегрирани системи за отрицателна обратна връзка приемат изходен сигнал и го предават на входа като a фазово противопоставяне (инвертиран) сигнал . Тази система за обратна връзка намалява всякакви отклонения или грешки в изходните сигнали.
Отрицателната обратна връзка също се нарича дегенеративна обратна връзка . При отрицателна обратна връзка изходният сигнал, идващ като обратна връзка, се изважда от входния еталонен сигнал. Резултатът води до грешка, известна като усилване на обратната връзка . Този сигнал за грешка, генериран след изваждане, ще промени съответно отговора на системата. Ако усилването на системата е положително, сигналът за обратна връзка, идващ от изхода, трябва да бъде изваден от входния еталонен сигнал, за да се поддържа обратната връзка като отрицателна.
Когато има отрицателна обратна връзка изваден от референтния вход, това прави системата по-стабилна. Да кажем, че има система, която показва необичайно поведение - за да се противопостави на тази промяна, системата ще генерира изходен сигнал. Този изход или сигнал за обратна връзка противодейства на входния сигнал - модифицирайки входа по съответния начин, за да направи цялостната система да работи ефективно.
Верига за отрицателна обратна връзка
Веригата за отрицателна обратна връзка е илюстрирана на изображението по-долу. Тук можете да видите, че изходният сигнал се връща към входната страна като обратна връзка. От страната на входа се генерира разлика между референтния сигнал и разликата в сигнала за обратна връзка, която след това задвижва системата по-нататък.
1. Компоненти : Веригата се състои от два основни компонента:
- Усилвател с усилване G.
- Верига за обратна връзка с коефициент на обратна връзка β.
Входният сигнал е V в и изходът на усилвателя е V навън .
2. Сумиращо съединение : На входа на усилвателя има сумираща връзка (често представена от кръг със знак минус вътре). Това кръстовище ще извади сигнала за обратна връзка от еталонния вход. Извадената част е произведението на фактора на обратната връзка β и изхода Vout - така че сигналът за грешка е V в – bV навън .
3. Верига за обратна връзка : Този сигнал за грешка (V в – bV навън ) е това, което задвижва системата. Той представлява разликата между желания вход V в и действителния изход V навън мащабиран с фактора на обратната връзка β.
4. Отрицателна обратна връзка : Ключовата концепция тук е отрицателната обратна връзка. Когато изходът V навън промени поради всякакви смущения или промени във входа V в сигналът за грешка (Vin – βV навън ) е създаден. Изчисленият сигнал за грешка ще бъде усилен от усилвателя с коефициент на усилване G и ще бъде върнат обратно в сумиращата връзка. Важно е, че тази обратна връзка е отрицателна, защото се изважда от входа.
- Ако V навън увеличава (т.е. системният изход става по-висок от желания) обратната връзка намалява грешката, водеща до V навън обратно към желаната стойност.
- Ако V навън намалява (т.е. системният изход става по-нисък от желания) обратната връзка увеличава грешката, управляваща V навън обратно към желаната стойност.
5. Общо уравнение на обратната връзка : Общото уравнение за обратна връзка за тази система обикновено се изразява като
Това уравнение свързва изхода V навън към входа Vin и коефициента на обратна връзка β чрез коефициента на усилване G. Той показва как системата използва отрицателна обратна връзка, за да регулира и контролира изхода, за да съответства на желания вход.
Функция за предаване на отрицателна обратна връзка
Трансферната функция дефинира уравнение, което представлява връзката между входа и изхода. Той ни казва как промените във входа се отразяват на изхода. При отрицателна обратна връзка имаме междинен сигнал, представен от Z. Този междинен сигнал представлява разликата между изхода и входа.
За трансферна функция уравнение на отрицателната обратна връзка, Z се използва за изчисляване на сигнала за грешка или корекцията, необходима за приближаване на системата до желаната стойност на изхода.
Следващата блокова диаграма показва системата за отрицателна обратна връзка. Използвайки тази диаграма, можем да изчислим трансферната функция за система с отрицателна обратна връзка:
Резултатът от системата за отрицателна обратна връзка е равен на Y(s):
Отрицателна обратна връзка в операционните усилватели
В конфигурация с отрицателна обратна връзка, част от изхода на операционния усилвател (V) се дава на входния инвертиращ (-) терминал. Този изходен сигнал ще бъде изваден от входния еталон. Помага за контролиране и стабилизиране на усилването на усилвателя.
Използвайки отрицателна обратна връзка във верига на операционен усилвател, можете да зададете желаното ниво на усилване, като същевременно поддържате стабилността на системата. Отрицателната обратна връзка намалява нелинейността в характеристиките на операционния усилвател, като го прави да работи по-близо до идеалното поведение.
Верига на операционен усилвател (op-amp) с отрицателна обратна връзка е проектирана чрез използване на op-amp като централен компонент. Операционният усилвател има два входа: единият е инвертиращ (-), а другият е неинвертиращ (+). Има един изходен терминал. За системата с отрицателна обратна връзка ще използваме обръщащата страна на операционните усилватели.
Тази верига обикновено включва:
- Входен резистор (Rin), свързващ единичния източник към инвертиращия (-) вход на операционния усилвател.
- Резистор за обратна връзка (Rf), свързващ изхода на операционния усилвател към инвертиращия (-) вход.
- Връзка към товара на изхода на операционния усилвател.
Можете да намерите печалба, като използвате съотношението Rf към Rin. Тази отрицателна обратна връзка стабилизира и контролира поведението на операционния усилвател. Работи чрез минимизиране на разликата в напреженията между двата инвертиращи и неинвертиращи входа. Създава виртуално късо съединение между тях. В резултат на това операционният усилвател регулира изходното си напрежение, за да поддържа този баланс, което го прави ефективен усилвател с контролирано усилване.
Пример 1: Изчисляване на усилването в затворен контур
Системата има усилване от 60 dB без обратна връзка. Фракцията на отрицателната обратна връзка е 1/20-та, намерете усилването в затворена верига (в dB) с добавяне на отрицателна обратна връзка.
Решение:
Печалбата при затворен контур с отрицателна обратна връзка се дава по формулата:
В този случай усилването при отворена верига е 60 dB, а частта на обратната връзка е 1/20.
И така, с част от обратната връзка от 1/20, усилването на затворената верига на системата ще бъде 86,02 dB.
Пример 2: Изчисляване на усилването на напрежението
Ако усилвателят първоначално има усилване на напрежението от 3000 (без обратна връзка) и след това включва отрицателна обратна връзка по напрежение с част от обратната връзка от mv = 0,01. Какво ще бъде новото усилване на напрежението на усилвателя?
Решение :
Можете да използвате формулата за усилване на напрежението за усилвателя с отрицателна обратна връзка по напрежение - за да изчислите усилването на напрежението на усилвателя:
В горната формула:
А f = Усилване на напрежението с обратна връзка
А = Усилване на напрежението без обратна връзка
мв = Част от обратната връзка
Тук имаме:
Усилване на напрежението без обратна връзка (А) = 3000
Фракция на обратната връзка (mv) = 0,01
Сега поставете тези стойности във формулата:
И така, усилването на напрежението на усилвателя с отрицателна обратна връзка по напрежение е приблизително 96,77.
Пример 3: Изчисляване на съпротивлението на обратната връзка
Определете подходящите стойности за съпротивлението на обратната връзка, R 1 и Р 2 . Трябва да стабилизирате неинвертираща усилвателна верига, като използвате операционен усилвател с усилване на напрежението при отворена верига (AVOL) от 220 000. Вашето целево усилване при затворен цикъл е 40.
Решение :
Общо уравнение за обратна връзка със затворен цикъл е:
За да получите обратна връзка β, пренаредете горното уравнение:
В този случай усилването при отворена верига е твърде високо. Така че частта на обратната връзка β ще бъде приблизително равна на реципрочната стойност на усилването на затворената верига 1/G. Тъй като стойността на 1/A е твърде малка, приблизително равна на (0,025).
Резисторите R1 и R2 в горната конфигурация образуват веригата на серийния делител на потенциала на напрежението. Можете да намерите усилването на напрежението в затворена верига, както следва:
Да приемем, че стойността за R2 е 1000 Ω (1 kΩ). Тогава стойността за R 1 може да се напише като
И така, за схемата на неинвертиращ усилвател с коефициент на усилване 40, трябва да изберете R 1 от 39 kΩ и R 2 от 1 kΩ.
Разлика между системите за положителна и отрицателна обратна връзка
Можете да намерите разликата между системите за положителна и отрицателна обратна връзка в таблицата по-долу:
| Разлики в типа обратна връзка | Положителна обратна връзка | Негативно мнение |
|---|---|---|
| Определение | В тази обратна връзка се добавят референтна обратна връзка и входни сигнали. | При този тип изходната обратна връзка се изважда от еталонния вход. |
| Номенклатура | Положителна обратна връзка или регенеративна обратна връзка. | Отрицателна обратна връзка или Дегенеративна обратна връзка. |
| Предназначение | Усилва или увеличава сигнал. | Стабилизира или регулира сигнал. |
| Ефект върху системата | Може да доведе до непредсказуемо поведение и колебания. | Насърчава предвидимостта и работата в стабилно състояние. |
| Gain Direction | Увеличава усилването на системата. | Намалява печалбата на системата. |
| Използване | Аудио усилватели и релаксиращи осцилатори. | Операционни усилватели (Op-Amps), системи за управление с обратна връзка. |
| Стабилност | Често води до нестабилност. | Подобрява стабилността на системата. |
| Например | Шмит тригери и джапанки. | Усилватели на напрежение и регулатори на температурата. |
Приложения и свойства на системата за отрицателна обратна връзка
Системите с отрицателна обратна връзка имат много приложения в общата електроника. Тези системи подобриха нестабилността на системата, линейността на системата, честотната характеристика и стъпковата характеристика. Поради тези предимства на системите с отрицателна обратна връзка, много усилвателни вериги в електрониката притежават системи с отрицателна обратна връзка.
Някои подробни описания на системите за отрицателна обратна връзка са дадени по-долу:
Стабилност : Системата с отрицателна обратна връзка намалява отклоненията от желаната точка, което води до по-стабилна система. Например, термостат гарантира, че температурата остава близка до избраната стойност.
Точност: Системите с отрицателна обратна връзка подобряват точността на системата чрез минимизиране на грешките. В схемата на усилвателя отрицателната обратна връзка намалява изкривяването и произвежда по-стабилен сигнал на изхода.
Контрол на честотната лента : Можете също така да контролирате честотната лента на усилвателя с помощта на система с отрицателна обратна връзка. Това ги прави подходящи за няколко приложения. Тези приложения включват аудио усилване до радиочестотно усилване.
Намаляване на шума : Отрицателната обратна връзка може да намали нежелания шум и смущения. Намаляването на шума има множество приложения в областта на аудио системите и комуникационните устройства.
Динамичен отговор : Системите с отрицателна обратна връзка имат възможност за динамична реакция. Тези системи могат да се настройват според дадените условия. Пример за динамична реакция включва системата за круиз контрол на автомобила.
Ефект на отрицателната обратна връзка върху честотната лента
Ширината на честотната лента обяснява работния честотен диапазон за усилвател с постоянно усилване. Система с по-висока честотна лента означава, че усилвателят може да обработва повече честоти. Отрицателната обратна връзка намалява печалбата на усилвателя, като дава изхода на входа. Това подобрява стабилността и линейността на системата, но в резултат на това също намалява усилването на системата.
The ефект на отрицателна обратна връзка върху честотната лента зависи от вида и количеството на приложената обратна връзка. Като цяло отрицателната обратна връзка увеличава честотната лента чрез намаляване на усилването на системата. Продуктът на честотната лента на усилването, който е мярката за производителността на усилвателя, остава постоянен независимо от обратната връзка.
Например , помислете за схема на усилвател без обратна връзка с усилване от 100 и 10 kHz честотна лента. Прилагане на отрицателна обратна връзка за намаляване на печалбата до 10. Това ще увеличи честотната лента до 100 kHz. Произведението печалба-широчина на честотната лента все още е 100 × 10 kHz = 1 MHz и в двата случая.
Отрицателната обратна връзка обаче също влияе върху граничните честоти на усилвателя. Това са честотите, при които усилването на системата намалява от максималната стойност. Отрицателната обратна връзка намалява граничната честота и повишава горната гранична честота. Това ще доведе до разширяване на кривата на честотната характеристика на усилвателя. Нетният ефект от отрицателната обратна връзка върху честотната лента е да се търгува печалба за честотна лента.
Това означава, че прилагането на отрицателна обратна връзка ще увеличи обхвата на честотите, с които един усилвател може да се справи. Но всичко това идва с цената на намаляване на коефициента на усилване.
Заключение
Системата с отрицателна обратна връзка може да контролира или регулира изхода, като обслужва част от изхода на входа. Тази обратна връзка генерира сигнал за грешка, който ще ви осигури по-стабилна система. Този сигнал за грешка е динамичен и управлява цялата система. Системата с отрицателна обратна връзка може да подобри точността на системата и също така да контролира честотната лента. Тази система за обратна връзка се използва в усилвателни вериги като шумопотискане или системи за автопилот. Прочетете повече за подробното описание на отрицателната обратна връзка в тази статия.