Negatif Geri Bildirim Sistemi

Negatif Geri Bildirim Sistemi, mikroişlemciler ve amplifikasyon sistemlerinde kullanılan en yaygın geri bildirim kontrol konfigürasyonu şeklidir.

Geri bildirim, voltaj veya akım gibi çıkış sinyalinin bir kısmının giriş olarak kullanıldığı süreçtir. Bu geri bildirim fraksiyonu, değer veya faz (“anti-faz”) olarak giriş sinyalinin zıttıysa, geri beslemenin Negatif Geri Besleme veya dejeneratif geri bildirim olduğu söylenir .

Negatif geri bildirim, kontrol sistemlerinin tasarımında ve stabilizasyonunda kendisine birçok avantaj sağlayan giriş sinyallerine karşı çıkar veya onlardan çıkarır. Örneğin, sistemin çıktısı herhangi bir nedenle değişirse, olumsuz geri bildirim, değişikliği önleyecek şekilde girdiyi etkiler.

Geri bildirim, sistemin açık çevrim kazancıyla ilgili olan azalma derecesi ile bir sistemin genel kazancını azaltır. Negatif geri bildirim ayrıca bozulmayı, gürültüyü, dış değişikliklere duyarlılığı azaltmanın yanı sıra sistem bant genişliğini ve giriş ve çıkış empedanslarını iyileştirme etkilerine de sahiptir.

Bir elektronik sistemdeki geri bildirim, ister olumsuz ister olumlu geri bildirim tek taraflı olsun. Bunun anlamı, sinyallerinin sistemin çıkışından girişine yalnızca tek yönlü akmasıdır. Bu daha sonra sistemin döngü kazancını, G’yi yük ve kaynak empedanslarından bağımsız hale getirir.

Geri bildirim bir kapalı döngü sistemi gerektirdiğinden, bu nedenle bir toplama noktasına sahip olmalıdır. Negatif bir geri bildirim sisteminde, girişindeki bu toplama noktası veya bağlantı, sistemi çalıştıran bir hata sinyali β oluşturmak için geri bildirim sinyalini giriş sinyalinden çıkarır . Sistemin pozitif bir kazancı varsa, geri bildirim gösterildiği gibi negatif olması için geri bildirim sinyalinin giriş sinyalinden çıkarılması gerekir.

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Negatif Geri Bildirim Sistemi
Negatif Geri Bildirim Sistemi

Devre, pozitif kazanç, G ve geri bildirim, β olan bir sistemi temsil eder . Girişindeki toplama bağlantısı , sistemi çalıştıran Vin – βG hata sinyalini oluşturmak için giriş sinyalinden geri bildirim sinyalini çıkarır .

Daha sonra yukarıdaki temel kapalı döngü devresini kullanarak genel geri bildirim denklemini şu şekilde türetebiliriz:

Olumsuz Geri Bildirim Denklemi

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Negatif geri beslemenin etkisinin kazancı şu faktörle azaltmak olduğunu görüyoruz: 1 + βG . Bu faktöre “geri bildirim faktörü” veya “geri bildirim miktarı” denir ve genellikle 20 log (1+ βG) ilişkisi ile desibel (dB) cinsinden belirtilir .

Olumsuz Geri Bildirimin Etkileri

Açık döngü kazancı G çok büyükse, βG 1’den çok daha büyük olacaktır, böylece sistemin toplam kazancı kabaca 1/ β’ya eşittir . Açık döngü kazancı, frekans veya sistem yaşlanmasının etkileri nedeniyle azalırsa , βG’nin hala nispeten büyük olması koşuluyla , genel sistem kazancı çok fazla değişmez. Bu nedenle, olumsuz geri bildirim, genel olarak “kararlılık kazanma” olarak adlandırılan kazanım değişikliğinin etkilerini azaltma eğilimindedir.

Olumsuz Geri Bildirim Soru Örneği 1

Bir sistemin geri bildirim olmaksızın 80dB kazancı vardır. Negatif geri bildirim fraksiyonu 1/50 ise. Negatif geri beslemenin eklenmesiyle sistemin kapalı döngü kazancını dB cinsinden hesaplayın.

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Daha sonra sistemin 10.000 döngü kazancına ve 34dB kapalı döngü kazancına sahip olduğunu görebiliriz.

Olumsuz Geri BildirimSoru Örneği 2

5 yıl sonra negatif geri beslemesiz sistemin döngü kazancı 60dB’ye düşerse ve geri bildirim oranı 1/50’de sabit kalırsa. Sistemin yeni kapalı çevrim kazanç değerini hesaplayın.

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Ardından, iki örnekten, geri bildirim olmadan, 5 yıllık kullanımdan sonra sistem kazancının 80dB’den 60dB’ye düştüğünü (10.000’den 1.000’e) görebiliriz, açık döngü kazancında yaklaşık %25’lik bir düşüş.

Bununla birlikte, negatif geri beslemenin eklenmesiyle sistem kazancı sadece 34dB’den 33.5dB’ye düştü, %1,5’ten daha az bir azalma, bu da negatif geri beslemenin sistem kazancına ek stabilite sağladığını kanıtlıyor.

Bu nedenle, bir sisteme olumsuz geri bildirim uygulayarak, genel kazancını geri beslemesiz kazancına kıyasla büyük ölçüde azalttığını görebiliriz.

Geri bildirim olmadan sistem kazancı çok büyük olabilir ancak bir sistem cihazından diğerine değişebileceğinden kesin olmayabilir, o zaman yeterli açık döngü kazancına sahip bir sistem tasarlamak mümkündür ki, negatif geri bildirim eklendikten sonra genel kazanç istenen değerle eşleşir.

Ayrıca, geri bildirim ağı, kararlı özelliklere sahip pasif elemanlardan kurulursa, genel kazanç çok kararlı hale gelir ve sistemlerin doğasında bulunan açık döngü kazancındaki değişikliklerden etkilenmez.

İşlemsel Yükselteçlerde(op-amp) Olumsuz Geri Bildirim

İşlemsel yükselteçler (op-amp’ler) en yaygın kullanılan lineer entegre devre türüdür ancak çok yüksek kazançları vardır. Standart bir 741 op-amp’in açık döngü voltaj kazancı, A VOL , hiçbir negatif geri bildirim uygulanmadığında voltaj kazancıdır ve bir op-amp’in açık döngü voltaj kazancı, çıkış voltajının oranıdır, Vout , diferansiyel giriş voltajına, Vin , (  Vout/Vin  ).

741 op-amp için tipik A VOL değeri 200.000’den (106dB) fazladır. Bu nedenle, yalnızca 1mV’luk bir giriş voltajı sinyali, 200 voltun üzerinde bir çıkış voltajına neden olur! çıktıyı hemen doygunluğa zorlamak. Açıkçası, bu yüksek açık döngü voltaj kazancının bir şekilde kontrol edilmesi gerekiyor ve bunu sadece negatif geri bildirim kullanarak yapabiliriz.

Negatif geri bildirim kullanımı, işlemsel bir amplifikatörün performansını önemli ölçüde artırabilir ve negatif geri bildirim kullanmayan herhangi bir op-amp devresi, yararlı olamayacak kadar kararsız olarak kabul edilir. Ancak bir op-amp’i kontrol etmek için olumsuz geri beslemeyi nasıl kullanabiliriz. Tersine Çevirmeyen İşlemsel Amplifikatörün aşağıdaki devresini düşünün.

Ters Çevirmeyen Op-amp Devresi

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Olumsuz Geri BildirimSoru Örneği 3

Açık döngü voltaj kazancı olan bir işlemsel yükselteç, geri beslemesiz 320.000 A VOL , evirmeyen bir yükseltici olarak kullanılacaktır. Kapalı döngü kazancı 20 olan devreyi stabilize etmek için gereken geri bildirim dirençleri R 1 ve R 2 değerlerini hesaplayın .

Yukarıda türettiğimiz genelleştirilmiş kapalı döngü geri bildirim denklemi şu şekilde verilmiştir:

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Geri bildirim formülünü yeniden düzenleyerek, aşağıdakilerden bir geri bildirim kesri elde ederiz, β :

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Ardından A = 320.000 ve G = 20 değerlerini yukarıdaki denkleme koyarak β değerini şu şekilde elde ederiz :

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Bu durumda op-amp’in açık döngü kazancı çok yüksek olduğundan (  A = 320.000  ), geri bildirim fraksiyonu, β , sadece 1 değeri olarak kapalı döngü kazancı 1/G’nin tersine kabaca eşit olacaktır. /A inanılmaz derecede küçük olacak. O zaman β (geri bildirim fraksiyonu) 1/20 = 0.05’e eşittir .

Dirençleri olarak, R 1 ve R 2 bir şekilde ters çevirici olmayan amplifikatörün boyunca basit bir seri gerilim potansiyeli bölücü ağ, devrenin kapalı döngü voltaj kazancı olarak bu dirençleri oranları tarafından belirlenecektir:

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Biz direnç varsayarsak R 2 bir değere sahiptir 1,000Ω veya 1kQ ardından direnç değeri R 1 olacak:

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Daha sonra, 20’lik bir kapalı döngü kazancına sahip olmak üzere olan ters çevirmeyen amplifikatör devresi için, gerekli olan negatif geri bildirim dirençlerinin değerleri bu durumda, R 1  = 19kΩ ve R 2  = 1kΩ olacak ve bize ters çevirmeyen bir amplifikatör verecektir. devresi:

Ters Çevirmeyen Op-amp Devresi

Negatif Geri Bildirim Sistemi

Bir sistem tasarımında geri bildirim kullanmanın birçok avantajı vardır, ancak amplifikatör devrelerinde Negatif Geri Bildirim kullanmanın ana avantajları, kararlılıklarını büyük ölçüde geliştirmek, bileşen varyasyonlarına daha iyi tolerans, DC kaymasına karşı stabilizasyon ve ayrıca amplifikatör bant genişliğini arttırmaktır.

Ortak yükseltici devrelerindeki negatif geri bildirim örnekleri arasında direnç içerir R ƒ Yukarıda da direnç, gördüğümüz gibi op-amp devrelerinde R S FET merkezli amplifikatörler ve direnç, R, E , bipolar transistor (BJT) amplifikatörler.