Das Feedback-System hat gegenüber herkömmlichen Systemen mehrere Vorteile. Es hilft, die Ausgangsverstärkung der Schaltung zu verbessern und die lineare Reaktion der Schaltung zu erhöhen. Es verringert auch die Wahrscheinlichkeit von Signalverzerrungen, die hauptsächlich durch Rauschsignale verursacht werden.
Rückkopplungssysteme werden hauptsächlich in Verstärkerschaltungen, ausgangsbasierten Steuerungssystemen und Oszillatorschaltungen verwendet. Es gibt zwei Arten von Feedbacksystemen: Positiv Feedback und Negativ Rückmeldung. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die letztere Art von Feedback.
Kurzer Überblick:
- Was ist ein negatives Rückkopplungssystem in der Elektronik?
- Negativer Rückkopplungskreis
- Negative Feedback-Übertragungsfunktion
- Negative Rückkopplung in Operationsverstärkern
- Beispiel 1
- Beispiel 2
- Beispiel 3
- Unterschied zwischen positiven und negativen Feedbacksystemen
- Anwendungen und Eigenschaften des negativen Feedbacksystems
- Auswirkung von negativem Feedback auf die Bandbreite
- Abschluss
Was ist ein negatives Rückkopplungssystem in der Elektronik?
Negative Rückkopplung in einem Stromkreis ist ein Kontrollmechanismus, der den Betrieb des Stromkreises stabilisiert und reguliert. Schaltkreise mit integrierten Gegenkopplungssystemen nehmen ein Ausgangssignal auf und geben es als Signal an den Eingang weiter Phasenoppositionssignal (invertiert). . Dieses Rückkopplungssystem reduziert etwaige Abweichungen oder Fehler in den Ausgangssignalen.
Man spricht auch von negativem Feedback degeneratives Feedback . Bei der negativen Rückkopplung wird das als Rückkopplung kommende Ausgangssignal vom Eingangsreferenzsignal subtrahiert. Die Ausgabe führt zu einem Fehler namens Rückkopplungsgewinn . Dieses nach der Subtraktion erzeugte Fehlersignal ändert die Systemreaktion entsprechend. Wenn die Verstärkung des Systems positiv ist, muss das vom Ausgang kommende Rückkopplungssignal vom Eingangsreferenzsignal subtrahiert werden, um die Rückkopplung negativ zu halten.
Wenn es negatives Feedback gibt subtrahiert vom Referenzeingang, wodurch das System stabiler wird. Nehmen wir an, es gibt ein System, das ungewöhnliches Verhalten zeigt. Um dieser Änderung entgegenzuwirken, erzeugt das System ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangs- oder Rückkopplungssignal wirkt dem Eingangssignal entgegen und modifiziert den Eingang entsprechend, um einen effizienten Betrieb des Gesamtsystems zu gewährleisten.
Negativer Rückkopplungskreis
Der negative Rückkopplungskreis ist im Bild unten dargestellt. Hier sehen Sie, dass ein Ausgangssignal als Rückmeldung zur Eingangsseite zurückgeführt wird. Eingangsseitig wird eine Differenz zwischen Referenzsignal und Rückkopplungssignaldifferenz erzeugt, die das System dann weitertreibt.
1. Komponenten : Die Schaltung besteht aus zwei Hauptkomponenten:
- Ein Verstärker mit Verstärkung G.
- Eine Rückkopplungsschleife mit Rückkopplungsfaktor β.
Das Eingangssignal ist V In und der Ausgang des Verstärkers ist V aus .
2. Summierknoten : Am Eingang des Verstärkers befindet sich ein Summierknoten (häufig dargestellt durch einen Kreis mit einem Minuszeichen darin). Dieser Anschluss subtrahiert das Rückkopplungssignal vom Referenzeingang. Der subtrahierte Teil ist das Produkt des Rückkopplungsfaktors β und des Ausgangs Vout – das Fehlersignal ist also V In – bV aus .
3. Rückkopplungsschleife : Dieses Fehlersignal (V In – bV aus ) ist der Antrieb des Systems. Es stellt die Differenz zwischen der gewünschten Eingabe V dar In und die tatsächliche Leistung V aus skaliert durch den Rückkopplungsfaktor β.
4. Negatives Feedback : Das Schlüsselkonzept hier ist negatives Feedback. Wenn der Ausgang V aus Änderungen aufgrund von Störungen oder Änderungen im Eingangs-V In das Fehlersignal (Vin – βV aus ) geschaffen. Das berechnete Fehlersignal wird vom Verstärker mit der Verstärkung G verstärkt und in den Summierknoten zurückgeführt. Wichtig ist, dass diese Rückmeldung negativ ist, da sie von der Eingabe subtrahiert wird.
- Wenn der V aus steigt (d. h. die Systemleistung steigt höher als gewünscht), verringert die Rückkopplung den Fehler und bringt V aus wieder in Richtung des gewünschten Wertes.
- Wenn der V aus sinkt (d. h. die Systemleistung fällt geringer als gewünscht), erhöht die Rückkopplung den Fehler, der V antreibt aus auf den gewünschten Wert zurückfahren.
5. Allgemeine Rückkopplungsgleichung : Die allgemeine Rückkopplungsgleichung für dieses System wird normalerweise ausgedrückt als
Diese Gleichung bezieht sich auf die Ausgabe V aus zum Eingang Vin und zum Rückkopplungsfaktor β durch die Verstärkerverstärkung G. Es zeigt, wie das System negative Rückkopplung nutzt, um den Ausgang so zu regulieren und zu steuern, dass er mit dem gewünschten Eingang übereinstimmt.
Negative Feedback-Übertragungsfunktion
Die Übertragungsfunktion definiert eine Gleichung, die die Beziehung zwischen Eingabe und Ausgabe darstellt. Es sagt uns, wie sich Änderungen in der Eingabe auf die Ausgabe auswirken. Bei der negativen Rückkopplung haben wir ein durch Z dargestelltes Zwischensignal. Dieses Zwischensignal stellt die Differenz zwischen Ausgang und Eingang dar.
Für die Übertragungsfunktion Gleichung der negativen Rückkopplung, Z wird verwendet, um das Fehlersignal oder die Korrektur zu berechnen, die erforderlich ist, um das System näher an den gewünschten Ausgangswert zu bringen.
Das folgende Blockdiagramm zeigt das negative Rückkopplungssystem. Mit diesem Diagramm können wir die Übertragungsfunktion für ein negatives Rückkopplungssystem berechnen:
Der Ausgang des Gegenkopplungssystems entspricht den Y(s):
Negative Rückkopplung in Operationsverstärkern
In einer Konfiguration mit negativer Rückkopplung wird ein Teil des Ausgangssignals (V) des Operationsverstärkers an den invertierenden Eingangsanschluss (-) geleitet. Dieses Ausgangssignal wird von der Eingangsreferenz subtrahiert. Es hilft, die Verstärkung des Verstärkers zu steuern und zu stabilisieren.
Mithilfe der negativen Rückkopplung in einer Operationsverstärkerschaltung können Sie den gewünschten Verstärkungspegel einstellen und gleichzeitig die Stabilität des Systems aufrechterhalten. Durch die negative Rückkopplung werden Nichtlinearitäten in den Eigenschaften des Operationsverstärkers reduziert, sodass dieser näher am idealen Verhalten arbeitet.
Eine Operationsverstärkerschaltung mit negativer Rückkopplung wird unter Verwendung eines Operationsverstärkers als zentrale Komponente entworfen. Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge: einer ist invertierend (-) und der andere ist nicht invertierend (+). Es verfügt über einen Ausgangsanschluss. Für das Gegenkopplungssystem verwenden wir die invertierende Seite von Operationsverstärkern.
Diese Schaltung umfasst typischerweise:
- Eingangswiderstand (Rin), der die einzelne Quelle mit dem invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers verbindet.
- Ein Rückkopplungswiderstand (Rf), der den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem invertierenden (-) Eingang verbindet.
- Eine Verbindung zur Last am Ausgang des Operationsverstärkers.
Sie können den Gewinn ermitteln, indem Sie das Verhältnis von Rf zu Rin verwenden. Diese negative Rückkopplung stabilisiert und steuert das Verhalten des Operationsverstärkers. Dabei wird der Spannungsunterschied zwischen den beiden invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen minimiert. Es entsteht ein virtueller Kurzschluss zwischen ihnen. Dadurch passt der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung an, um dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten – was ihn zu einem effektiven Verstärker mit kontrollierter Verstärkung macht.
Beispiel 1: Berechnung der Closed-Loop-Verstärkung
Ein System hat ohne Rückkopplung eine Verstärkung von 60 dB. Der negative Rückkopplungsanteil beträgt 1/20. Finden Sie die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis (in dB) unter Hinzufügung der negativen Rückkopplung.
Lösung:
Die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis mit negativer Rückkopplung ergibt sich aus der Formel:
In diesem Fall beträgt die Verstärkung im offenen Regelkreis 60 dB und der Rückkopplungsanteil beträgt 1/20.
Bei einem Rückkopplungsanteil von 1/20 beträgt die Regelverstärkung des Systems also 86,02 dB.
Beispiel 2: Berechnung der Spannungsverstärkung
Wenn ein Verstärker zunächst eine Spannungsverstärkung von 3000 (ohne Rückkopplung) aufweist und dann eine negative Spannungsrückkopplung mit einem Rückkopplungsanteil von mv = 0,01 aufweist. Wie hoch wird die neue Spannungsverstärkung des Verstärkers sein?
Lösung :
Sie können die Formel der Spannungsverstärkung für den Verstärker mit negativer Spannungsrückkopplung verwenden, um die Spannungsverstärkung des Verstärkers zu berechnen:
In der obigen Formel:
A F = Spannungsverstärkung mit Rückmeldung
A = Spannungsverstärkung ohne Rückmeldung
mv = Feedback-Anteil
Hier haben wir:
Spannungsverstärkung ohne Rückkopplung (A) = 3000
Feedback-Anteil (mv) = 0,01
Geben Sie nun diese Werte in die Formel ein:
Die Spannungsverstärkung des Verstärkers mit negativer Spannungsrückkopplung beträgt also ungefähr 96,77.
Beispiel 3: Berechnung von Rückkopplungswiderständen
Bestimmen Sie die geeigneten Werte für die Rückkopplungswiderstände R 1 und R 2 . Sie müssen eine nichtinvertierende Verstärkerschaltung mithilfe eines Operationsverstärkers mit einer Spannungsverstärkung (AVOL) im offenen Regelkreis von 220.000 stabilisieren. Ihr angestrebter Closed-Loop-Gewinn beträgt 40.
Lösung :
Eine allgemeine Rückkopplungsgleichung mit geschlossenem Regelkreis lautet:
Um den Rückkopplungsanteil β zu erhalten, ordnen Sie die obige Gleichung neu an:
In diesem Fall ist die Verstärkung im offenen Regelkreis zu hoch. Der Rückkopplungsanteil β entspricht also ungefähr dem Kehrwert der Regelverstärkung 1/G. Da der Wert von 1/A zu klein ist, entspricht er ungefähr (0,025).
Die Widerstände R1 und R2 bilden in der obigen Konfiguration die Reihenspannungs-Potenzialteilerschaltung. Sie können die Spannungsverstärkung im geschlossenen Regelkreis wie folgt ermitteln:
Nehmen wir den Wert für R2 als 1000 Ω (1 kΩ) an. Dann ist der Wert für R 1 kann geschrieben werden als
Für die nichtinvertierende Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von 40 müssen Sie also R auswählen 1 von 39 kΩ und R 2 von 1 kΩ.
Unterschied zwischen positiven und negativen Feedbacksystemen
Den Unterschied zwischen dem positiven und dem negativen Feedbacksystem finden Sie in der folgenden Tabelle:
| Unterschiede im Feedback-Typ | Positives Feedback | Negative Rückmeldung |
|---|---|---|
| Definition | Bei dieser Rückmeldung kommen Referenzrückmeldungen und Eingangssignale hinzu. | Bei diesem Typ wird die Ausgangsrückmeldung vom Referenzeingang subtrahiert. |
| Nomenklatur | Positives Feedback oder regeneratives Feedback. | Negatives Feedback oder degeneratives Feedback. |
| Zweck | Verstärkt oder verstärkt ein Signal. | Stabilisiert oder reguliert ein Signal. |
| Auswirkung auf das System | Kann zu unvorhersehbarem Verhalten und Schwingungen führen. | Fördert Vorhersehbarkeit und stabilen Betrieb. |
| Richtung gewinnen | Erhöht den Systemgewinn. | Reduziert den Gewinn des Systems. |
| Verwendung | Audioverstärker und Entspannungsoszillatoren. | Operationsverstärker (Op-Amps), Feedback-Kontrollsysteme. |
| Stabilität | Führt oft zu Instabilität. | Verbessert die Systemstabilität. |
| Zum Beispiel | Schmitt-Trigger und Flip-Flops. | Spannungsverstärker und Temperaturregler. |
Anwendungen und Eigenschaften des negativen Feedbacksystems
Negative Rückkopplungssysteme finden in der allgemeinen Elektronik viele Anwendungen. Diese Systeme verbesserten die Systeminstabilität, die Linearität des Systems, den Frequenzgang und die Sprungantwort. Aufgrund dieser Vorteile von Gegenkopplungssystemen verfügen viele Verstärkerschaltungen in der gesamten Elektronik über Gegenkopplungssysteme.
Nachfolgend finden Sie einige detaillierte Beschreibungen negativer Feedbacksysteme:
Stabilität : Ein negatives Rückkopplungssystem verringert die Abweichungen vom Sollpunkt, was zu einem stabileren System führt. Beispielsweise sorgt ein Thermostat dafür, dass die Temperatur nahe dem gewählten Wert bleibt.
Genauigkeit: Negativ-Feedback-Systeme verbessern die Systemgenauigkeit durch Minimierung von Fehlern. In einer Verstärkerschaltung reduziert die Gegenkopplung die Verzerrung und erzeugt ein stabileres Signal am Ausgang.
Bandbreitenkontrolle : Sie können die Bandbreite des Verstärkers auch mithilfe eines Gegenkopplungssystems steuern. Dadurch sind sie für mehrere Anwendungen geeignet. Diese Anwendungen umfassen die Audioverstärkung bis hin zur Hochfrequenzverstärkung.
Lärmminderung : Negatives Feedback kann unerwünschte Geräusche und Störungen verringern. Die Lärmreduzierung findet im Bereich von Audiosystemen und Kommunikationsgeräten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Dynamische Reaktion : Negativ-Feedback-Systeme verfügen über eine dynamische Reaktionsfähigkeit. Diese Systeme können sich entsprechend den gegebenen Bedingungen anpassen. Ein Beispiel für eine dynamische Reaktion ist das Tempomatsystem eines Autos.
Auswirkung von negativem Feedback auf die Bandbreite
Die Bandbreite beschreibt den Betriebsfrequenzbereich für einen Verstärker mit konstanter Verstärkung. Ein System mit einer höheren Bandbreite bedeutet, dass der Verstärker mehr Frequenzen verarbeiten kann. Eine negative Rückkopplung reduziert die Verstärkerverstärkung, indem sie den Ausgang auf der Eingangsseite liefert. Dies verbessert die Stabilität und Linearität des Systems, reduziert aber dadurch auch die Systemverstärkung.
Der Auswirkung negativer Rückkopplung auf die Bandbreite hängt von der Art und Menge des angewendeten Feedbacks ab. Im Allgemeinen erhöht eine negative Rückkopplung die Bandbreite, indem sie die Systemverstärkung verringert. Das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt, das die Leistung eines Verstärkers misst, bleibt unabhängig von der Rückkopplung konstant.
Zum Beispiel Betrachten Sie eine Verstärkerschaltung ohne Rückkopplung mit einer Verstärkung von 100 und einer Bandbreite von 10 kHz. Durch Anwenden einer negativen Rückkopplung wird die Verstärkung auf 10 reduziert. Dadurch wird die Bandbreite auf 100 kHz erhöht. Das Gewinn-Bandbreite-Produkt beträgt in beiden Fällen immer noch 100 × 10 kHz = 1 MHz.
Allerdings wirkt sich die Gegenkopplung auch auf die Grenzfrequenzen des Verstärkers aus. Dies sind die Frequenzen, bei denen die Systemverstärkung vom Maximalwert abfällt. Eine negative Rückkopplung senkt die Grenzfrequenz und erhöht die obere Grenzfrequenz. Dies führt zu einer Verbreiterung der Frequenzgangkurve des Verstärkers. Der Nettoeffekt einer negativen Rückkopplung auf die Bandbreite besteht darin, Gewinn gegen Bandbreite einzutauschen.
Das bedeutet, dass die Anwendung einer negativen Rückkopplung den Frequenzbereich vergrößert, den ein Verstärker verarbeiten kann. All dies geht jedoch mit einer Verringerung des Verstärkungsfaktors einher.
Abschluss
Ein negatives Rückkopplungssystem kann die Ausgabe steuern oder anpassen, indem es einen Teil der Ausgabe auf der Eingangsseite bereitstellt. Diese Rückmeldung erzeugt ein Fehlersignal, was zu einem stabileren System führt. Dieses Fehlersignal ist dynamisch und steuert das gesamte System. Ein negatives Rückkopplungssystem kann die Systemgenauigkeit verbessern und auch die Bandbreite steuern. Dieses Rückkopplungssystem wird in Verstärkerschaltungen wie Geräuschunterdrückungs- oder Auto-Tempomatsystemen verwendet. Lesen Sie mehr über die detaillierte Beschreibung von negativem Feedback in diesem Artikel.