Sustav povratne sprege ima višestruke prednosti u odnosu na konvencionalne sustave. Pomaže u poboljšanju izlaznog pojačanja kruga i povećava linearni odziv kruga. Također smanjuje mogućnost izobličenja signala do kojih dolazi uglavnom zbog signala šuma.
Sustavi povratne veze uglavnom se koriste u krugovima pojačala, sustavima upravljanja temeljenim na izlazu i oscilatorskim krugovima. Sustavi povratne sprege imaju dvije vrste: Pozitivan povratne informacije i Negativan Povratne informacije. Ovaj će se članak dosta usredotočiti na potonju vrstu povratnih informacija.
Brzi pregled:
- Što je sustav negativnih povratnih informacija u elektronici
- Krug negativne povratne sprege
- Funkcija prijenosa negativne povratne informacije
- Negativne povratne informacije u operacijskim pojačalima
- Primjer 1
- Primjer 2
- Primjer 3
- Razlika između sustava pozitivne i negativne povratne informacije
- Primjene i svojstva sustava negativnih povratnih informacija
- Učinak negativnih povratnih informacija na propusnost
- Zaključak
Što je sustav negativnih povratnih informacija u elektronici
Negativna povratna sprega u električnom krugu je kontrolni mehanizam koji stabilizira i regulira rad električnog kruga. Krugovi s integriranim sustavima negativne povratne sprege uzimaju izlazni signal i daju ga na ulaz kao a fazna opozicija (invertirani) signal . Ovaj sustav povratne sprege smanjuje bilo kakva odstupanja ili pogreške u izlaznim signalima.
Negativna povratna informacija također se naziva degenerativna povratna sprega . U negativnoj povratnoj sprezi, izlazni signal koji dolazi kao povratna sprega oduzima se od ulaznog referentnog signala. Izlaz rezultira pogreškom poznatom kao dobitak povratne informacije . Ovaj signal pogreške generiran nakon oduzimanja će u skladu s tim modificirati odgovor sustava. Ako je pojačanje sustava pozitivno, povratni signal koji dolazi s izlaza mora se oduzeti od ulaznog referentnog signala kako bi povratna sprega ostala negativna.
Kada je negativna povratna informacija oduzeto iz referentnog ulaza, čini sustav stabilnijim. Recimo da postoji sustav koji pokazuje neobično ponašanje - kako bi se suprotstavio ovoj promjeni, sustav će generirati izlazni signal. Ovaj izlazni ili povratni signal suprotstavlja se ulaznom signalu—prilagođavajući ulaz kako bi cjelokupni sustav radio učinkovito.
Krug negativne povratne sprege
Krug negativne povratne sprege ilustriran je na slici ispod. Ovdje možete vidjeti kako se izlazni signal vraća na ulaznu stranu kao povratna informacija. Na ulaznoj strani generira se razlika između referentnog signala i razlike povratnog signala, koja dalje pokreće sustav.
1. Komponente : Krug se sastoji od dvije glavne komponente:
- Pojačalo s pojačanjem G.
- Povratna sprega s faktorom povratne sprege β.
Ulazni signal je V u a izlaz pojačala je V van .
2. Summing Junction : Na ulazu pojačala nalazi se sumirajući spoj (često predstavljen krugom sa znakom minus unutra). Ovaj spoj će oduzeti povratni signal od referentnog ulaza. Oduzeti dio je umnožak faktora povratne sprege β i izlaza Vout—pa je signal greške V u – bV van .
3. Petlja povratne veze : Ovaj signal greške (V u – bV van ) je ono što pokreće sustav. Predstavlja razliku između željenog ulaza V u i stvarni izlaz V van skalirano faktorom povratne sprege β.
4. Negativne povratne informacije : Ključni koncept ovdje je negativna povratna informacija. Kada je izlaz V van promjene zbog bilo kakvih smetnji ili promjena na ulazu V u signal greške (Vin – βV van ) je stvoren. Izračunati signal pogreške pojačat će pojačalo s pojačanjem G i poslati ga natrag u sumirajući spoj. Važno je da je ova povratna informacija negativna jer se oduzima od ulaza.
- Ako je V van povećava (tj. izlaz sustava ide više od željenog) povratna sprega smanjuje pogrešku dovodeći V van natrag prema željenoj vrijednosti.
- Ako je V van smanjuje (tj. izlaz sustava pada niže od željenog) povratna sprega povećava pogrešku koja pokreće V van natrag prema željenoj vrijednosti.
5. Opća jednadžba povratne veze : Opća jednadžba povratne veze za ovaj sustav obično se izražava kao
Ova jednadžba povezuje izlaz V van na ulaz Vin i faktor povratne sprege β preko pojačanja pojačala G. Prikazuje kako sustav koristi negativnu povratnu spregu za regulaciju i kontrolu izlaza kako bi odgovarao željenom ulazu.
Funkcija prijenosa negativne povratne informacije
Prijenosna funkcija definira jednadžbu koja predstavlja odnos između ulaza i izlaza. Govori nam kako promjene u ulazu utječu na izlaz. U negativnoj povratnoj sprezi imamo međusignal predstavljen sa Z. Ovaj međusignal predstavlja razliku između izlaza i ulaza.
Za prijenosna funkcija jednadžba negativne povratne sprege, Z se koristi za izračunavanje signala pogreške ili korekcije potrebne da se sustav približi željenoj vrijednosti izlaza.
Sljedeći blok dijagram prikazuje sustav negativne povratne sprege. Pomoću ovog dijagrama možemo izračunati prijenosnu funkciju za sustav negativne povratne sprege:
Izlaz sustava negativne povratne sprege jednak je Y(s):
Negativne povratne informacije u operacijskim pojačalima
U konfiguraciji negativne povratne sprege, dio izlaza operacijskog pojačala (V) daje se ulaznom invertirajućem (-) terminalu. Ovaj izlazni signal će se oduzeti od ulazne reference. Pomaže u kontroli i stabilizaciji pojačanja pojačala.
Koristeći negativnu povratnu spregu u op-amp krugu, možete postaviti željenu razinu pojačanja uz održavanje stabilnosti sustava. Negativna povratna sprega smanjuje nelinearnosti u karakteristikama op-ampa, čineći ga rad bližim idealnom ponašanju.
Krug operacijskog pojačala (op-amp) s negativnom povratnom spregom dizajniran je korištenjem operacijskog pojačala kao središnje komponente. Op-amp ima dva ulaza: jedan je invertirajući (-), a drugi je neinvertirajući (+). Ima jedan izlazni terminal. Za sustav negativne povratne sprege koristit ćemo invertirajuću stranu op-pojačala.
Ovaj krug obično uključuje:
- Ulazni otpornik (Rin) povezuje pojedinačni izvor s invertirajućim (-) ulazom operacijskog pojačala.
- Otpornik povratne veze (Rf) koji povezuje izlaz operacijskog pojačala s invertirajućim (-) ulazom.
- Veza s opterećenjem na izlazu operacijskog pojačala.
Dobitak možete pronaći pomoću omjera Rf i Rin. Ova negativna povratna sprega stabilizira i kontrolira ponašanje operacijskog pojačala. Djeluje tako da minimizira razliku napona između dva invertirajuća i neinvertirajuća ulaza. To stvara virtualni kratki spoj između njih. Kao rezultat toga, operacijsko pojačalo prilagođava svoj izlazni napon kako bi održalo ovu ravnotežu—što ga čini učinkovitim pojačalom s kontroliranim pojačanjem.
Primjer 1: Izračunavanje pojačanja zatvorene petlje
Sustav ima pojačanje od 60 dB bez povratne veze. Udio negativne povratne sprege je 1/20, pronađite pojačanje zatvorene petlje (u dB) uz dodatak negativne povratne sprege.
Riješenje:
Dobitak zatvorene petlje s negativnom povratnom spregom dan je formulom:
U ovom slučaju, pojačanje otvorene petlje je 60 dB, a udio povratne sprege je 1/20.
Dakle, s udjelom povratne sprege od 1/20, pojačanje zatvorene petlje sustava bit će 86,02 dB.
Primjer 2: Izračunavanje pojačanja napona
Ako pojačalo u početku ima pojačanje napona od 3000 (bez povratne veze), a zatim sadrži negativnu povratnu vezu napona s udjelom povratne veze od mv = 0,01. Koliki će biti novi naponski dobitak pojačala?
Riješenje :
Možete koristiti formulu pojačanja napona za pojačalo s negativnom povratnom spregom napona—za izračun pojačanja napona pojačala:
U gornjoj formuli:
A f = Dobitak napona s povratnom spregom
A = Dobitak napona bez povratne veze
mv = Frakcija povratne informacije
Ovdje imamo:
Pojačanje napona bez povratne veze (A) = 3000
Frakcija povratne informacije (mv) = 0,01
Sada stavite ove vrijednosti u formulu:
Dakle, pojačanje napona pojačala s negativnom povratnom spregom napona je približno 96,77.
Primjer 3: Izračunavanje otpora povratne veze
Odredite odgovarajuće vrijednosti za povratne otpore, R 1 i R 2 . Morate stabilizirati krug neinvertirajućeg pojačala pomoću operacijskog pojačala s naponskim pojačanjem otvorene petlje (AVOL) od 220 000. Vaš ciljani dobitak zatvorene petlje je 40.
Riješenje :
Opća povratna jednadžba zatvorene petlje je:
Da biste dobili udio povratne informacije β, preuredite gornju jednadžbu:
U ovom slučaju, dobitak otvorene petlje je previsok. Dakle, udio povratne veze β bit će približno jednak recipročnoj vrijednosti pojačanja zatvorene petlje 1/G. Budući da je vrijednost 1/A premala, približno jednaka (0,025).
Otpornici R1 i R2 u gornjoj konfiguraciji tvore krug razdjelnika potencijala serijskog napona. Dobitak napona zatvorene petlje možete pronaći na sljedeći način:
Pretpostavimo da je vrijednost za R2 1000 Ω (1 kΩ). Zatim vrijednost za R 1 može se napisati kao
Dakle, za krug neinvertirajućeg pojačala s pojačanjem od 40, trebate odabrati R 1 od 39 kΩ i R 2 od 1 kΩ.
Razlika između sustava pozitivne i negativne povratne informacije
Možete pronaći razliku između sustava pozitivne i negativne povratne sprege u donjoj tablici:
| Razlike u vrsti povratne informacije | Pozitivna ocjena | Negativne povratne informacije |
|---|---|---|
| Definicija | U ovu povratnu vezu dodaju se referentna povratna informacija i ulazni signali. | U ovoj vrsti, izlazna povratna informacija se oduzima od referentnog ulaza. |
| Nomenklatura | Pozitivna povratna informacija ili regenerativna povratna informacija. | Negativna povratna informacija ili Degenerativna povratna informacija. |
| Svrha | Pojačava ili pojačava signal. | Stabilizira ili regulira signal. |
| Učinak na sustav | Može dovesti do nepredvidivog ponašanja i oscilacija. | Promiče predvidljivost i rad u stabilnom stanju. |
| Smjer pojačanja | Povećava dobitak sustava. | Smanjuje dobitak sustava. |
| Korištenje | Audio pojačala i relaksacijski oscilatori. | Operacijska pojačala (Op-Amps), sustavi upravljanja povratnom spregom. |
| Stabilnost | Često dovodi do nestabilnosti. | Poboljšava stabilnost sustava. |
| Na primjer | Schmitt okidači i japanke. | Pojačala napona i regulatori temperature. |
Primjene i svojstva sustava negativnih povratnih informacija
Sustavi negativne povratne sprege imaju mnoge primjene u općoj elektronici. Ovi sustavi su poboljšali nestabilnost sustava, linearnost sustava, frekvencijski odziv i odziv koraka. Zbog ovih prednosti sustava negativne povratne sprege, mnogi krugovi pojačala u elektronici posjeduju sustave negativne povratne sprege.
Neki detaljni opisi sustava negativnih povratnih informacija dati su u nastavku:
Stabilnost : Sustav negativne povratne sprege smanjuje odstupanja od željene točke, što rezultira stabilnijim sustavom. Na primjer, termostat osigurava da temperatura ostane blizu odabrane vrijednosti.
Točnost: Sustavi negativnih povratnih informacija poboljšavaju točnost sustava minimiziranjem pogrešaka. U krugu pojačala, negativna povratna sprega smanjuje izobličenje i proizvodi stabilniji signal na izlazu.
Kontrola propusnosti : Također možete kontrolirati širinu pojasa pojačala uz pomoć sustava negativne povratne sprege. To ih čini prikladnima za nekoliko primjena. Ove aplikacije uključuju audio pojačanje do radiofrekvencijskog pojačanja.
Smanjenje buke : Negativne povratne informacije mogu smanjiti neželjenu buku i smetnje. Smanjenje buke ima višestruku primjenu u području audio sustava i komunikacijskih uređaja.
Dinamički odgovor : Sustavi negativne povratne sprege imaju mogućnost dinamičkog odziva. Ovi se sustavi mogu prilagoditi zadanim uvjetima. Primjer dinamičkog odziva uključuje sustav tempomata automobila.
Učinak negativnih povratnih informacija na propusnost
Širina pojasa objašnjava radni frekvencijski raspon za pojačalo s konstantnim pojačanjem. Sustav s većom propusnošću znači da pojačalo može obraditi više frekvencija. Negativna povratna sprega smanjuje pojačanje pojačala dajući izlaz na ulaznoj strani. To poboljšava stabilnost i linearnost sustava, ali kao rezultat toga također smanjuje dobit sustava.
The učinak negativne povratne sprege na propusnost ovisi o vrsti i količini primijenjene povratne informacije. Općenito, negativna povratna sprega povećava propusnost smanjujući dobit sustava. Umnožak propusnosti pojačanja, koji je mjera performansi pojačala, ostaje konstantan bez obzira na povratnu vezu.
Na primjer , razmotrite sklop pojačala bez povratne veze koji ima pojačanje od 100 i širinu pojasa od 10 kHz. Primjenom negativne povratne sprege pojačanje se smanjuje na 10. Ovo će povećati propusnost na 100 kHz. Umnožak pojačanja i širine pojasa i dalje je 100 × 10 kHz = 1 MHz u oba slučaja.
Međutim, negativna povratna sprega također utječe na granične frekvencije pojačala. Ovo su frekvencije na kojima dobitak sustava pada od maksimalne vrijednosti. Negativna povratna sprega snižava graničnu frekvenciju i podiže gornju graničnu frekvenciju. To će rezultirati proširenjem krivulje frekvencijskog odziva pojačala. Neto učinak negativne povratne informacije o širini pojasa je zamjena dobiti za širinu pojasa.
To znači da će primjena negativne povratne sprege povećati raspon frekvencija koje pojačalo može podnijeti. Ali sve to dolazi po cijenu smanjenja njegovog faktora pojačanja.
Zaključak
Sustav negativne povratne sprege može kontrolirati ili prilagoditi izlaz služeći dio izlaza na ulaznoj strani. Ova povratna informacija generira signal pogreške, što će vam omogućiti stabilniji sustav. Ovaj signal greške je dinamičan i pokreće cijeli sustav. Sustav negativne povratne sprege može poboljšati točnost sustava i kontrolirati propusnost. Ovaj sustav povratne sprege koristi se u krugovima pojačala kao što su poništavanje buke ili sustavi za kontrolu brzine automobila. Više o detaljnom opisu negativnih povratnih informacija pročitajte u ovom članku.