Il sistema di feedback presenta molteplici vantaggi rispetto ai sistemi convenzionali. Aiuta a migliorare il guadagno di uscita del circuito e aumenta la risposta lineare del circuito. Riduce inoltre le possibilità di distorsioni del segnale che si verificano principalmente a causa dei segnali di rumore.
I sistemi di feedback sono utilizzati principalmente nei circuiti amplificatori, nei sistemi di controllo basati sull'uscita e nei circuiti degli oscillatori. I sistemi di feedback sono di due tipi: Positivo feedback e Negativo feedback. Questo articolo si concentrerà molto su quest’ultimo tipo di feedback.
Schema rapido:
- Cos'è il sistema di feedback negativo in elettronica
- Circuito di feedback negativo
- Funzione di trasferimento del feedback negativo
- Feedback negativo negli amplificatori operazionali
- Esempio 1
- Esempio 2
- Esempio 3
- Differenza tra sistemi di feedback positivi e negativi
- Applicazioni e proprietà del sistema di feedback negativo
- Effetto del feedback negativo sulla larghezza di banda
- Conclusione
Cos'è il sistema di feedback negativo in elettronica
Il feedback negativo in un circuito elettrico è un meccanismo di controllo che stabilizza e regola le operazioni del circuito elettrico. I circuiti con sistemi di feedback negativo integrati prendono un segnale di uscita e lo trasmettono all'ingresso come a segnale di opposizione di fase (invertito). . Questo sistema di feedback riduce eventuali deviazioni o errori nei segnali di uscita.
Viene anche chiamato feedback negativo feedback degenerativo . Nel feedback negativo, il segnale di uscita proveniente come feedback viene sottratto dal segnale di riferimento di ingresso. L'output restituisce un errore noto come guadagno di feedback . Questo segnale di errore generato dopo la sottrazione modificherà di conseguenza la risposta del sistema. Se il guadagno del sistema è positivo, il segnale di feedback proveniente dall'uscita deve essere sottratto dal segnale di riferimento in ingresso per mantenere il feedback negativo.
Quando il feedback negativo è sottratto dall'input di riferimento, rende il sistema più stabile. Supponiamo che esista un sistema che mostra un comportamento insolito: per contrastare questo cambiamento, il sistema genererà un segnale di uscita. Questo segnale di uscita o feedback contrasta il segnale di ingresso, modificando di conseguenza l'ingresso per far funzionare in modo efficiente l'intero sistema.
Circuito di feedback negativo
Il circuito di feedback negativo è illustrato nell'immagine seguente. Qui puoi vedere che un segnale di uscita viene riportato al lato di ingresso come feedback. Sul lato di ingresso viene generata una differenza tra il segnale di riferimento e la differenza del segnale di feedback, che poi spinge ulteriormente il sistema.
1. Componenti : Il circuito è costituito da due componenti principali:
- Un amplificatore con guadagno G.
- Un ciclo di feedback con fattore di feedback β.
Il segnale in ingresso è V In e l'uscita dell'amplificatore è V fuori .
2. Giunzione sommatrice : All'ingresso dell'amplificatore c'è una giunzione sommatrice (spesso rappresentata da un cerchio con un segno meno all'interno). Questa giunzione sottrarrà il segnale di feedback dall'ingresso di riferimento. La parte sottratta è il prodotto del fattore di feedback β e dell'uscita Vout, quindi il segnale di errore è V In – bV fuori .
3. Ciclo di feedback : Questo segnale di errore (V In – bV fuori ) è ciò che guida il sistema. Rappresenta la differenza tra l'ingresso desiderato V In e l'uscita effettiva V fuori scalato dal fattore di feedback β.
4. Feedback negativo : Il concetto chiave qui è il feedback negativo. Quando l'uscita V fuori variazioni dovute ad eventuali disturbi o variazioni della V in ingresso In il segnale di errore (Vin – βV fuori ) è creato. Il segnale di errore calcolato verrà amplificato dall'amplificatore con guadagno G e reimmesso nella giunzione di somma. È importante sottolineare che questo feedback è negativo perché viene sottratto dall'input.
- Se il V fuori aumenta (cioè l'uscita del sistema diventa più alta di quanto desiderato) il feedback riduce l'errore portando V fuori ritornare verso il valore desiderato.
- Se il V fuori diminuisce (cioè l'uscita del sistema scende al di sotto di quanto desiderato) il feedback aumenta l'errore che guida V fuori risalire verso il valore desiderato.
5. Equazione generale di feedback : L'equazione generale del feedback per questo sistema è tipicamente espressa come
Questa equazione mette in relazione l'uscita V fuori all'ingresso Vin e il fattore di feedback β attraverso il guadagno dell'amplificatore G. Mostra come il sistema utilizza il feedback negativo per regolare e controllare l'uscita in modo che corrisponda all'ingresso desiderato.
Funzione di trasferimento del feedback negativo
La funzione di trasferimento definisce un'equazione che rappresenta la relazione tra input e output. Ci dice come i cambiamenti nell’input influenzano l’output. Nel feedback negativo, abbiamo un segnale intermedio rappresentato da Z. Questo segnale intermedio rappresenta la differenza tra l'uscita e l'ingresso.
Per il funzione di trasferimento equazione del feedback negativo, Z viene utilizzata per calcolare il segnale di errore o la correzione necessaria per avvicinare il sistema al valore di uscita desiderato.
Il seguente diagramma a blocchi mostra il sistema di feedback negativo. Utilizzando questo diagramma, possiamo calcolare la funzione di trasferimento per un sistema a feedback negativo:
L'output del sistema di feedback negativo è uguale a Y(s):
Feedback negativo negli amplificatori operazionali
In una configurazione con feedback negativo, una parte dell'uscita dell'amplificatore operazionale (V) viene fornita al terminale di inversione dell'ingresso (-). Questo segnale di uscita verrà sottratto dal riferimento di ingresso. Aiuta a controllare e stabilizzare il guadagno dell’amplificatore.
Utilizzando il feedback negativo in un circuito operazionale, è possibile impostare il livello di guadagno desiderato mantenendo la stabilità del sistema. Il feedback negativo riduce le non linearità nelle caratteristiche dell'amplificatore operazionale, facendolo funzionare più vicino al comportamento ideale.
Un circuito amplificatore operazionale a feedback negativo è progettato utilizzando un amplificatore operazionale come componente centrale. Un amplificatore operazionale ha due ingressi: uno è invertente (-) e l'altro non è invertente (+). Ha un terminale di uscita. Per il sistema di feedback negativo, utilizzeremo il lato invertente degli amplificatori operazionali.
Questo circuito tipicamente include:
- Resistore di ingresso (Rin) che collega la singola sorgente all'ingresso invertente (-) dell'amplificatore operazionale.
- Un resistore di feedback (Rf) che collega l'uscita dell'amplificatore operazionale all'ingresso invertente (-).
- Una connessione al carico all'uscita dell'amplificatore operazionale.
Puoi trovare il guadagno utilizzando il rapporto Rf/Rin. Questo feedback negativo stabilizza e controlla il comportamento dell'amplificatore operazionale. Funziona minimizzando la differenza di tensioni tra i due ingressi invertenti e non invertenti. Crea un cortocircuito virtuale tra loro. Di conseguenza, l'amplificatore operazionale regola la tensione di uscita per mantenere questo equilibrio, rendendolo un amplificatore efficace con guadagno controllato.
Esempio 1: calcolo del guadagno ad anello chiuso
Un sistema ha un guadagno di 60 dB senza feedback. La frazione di feedback negativo è 1/20, trova il guadagno ad anello chiuso (in dB) con l'aggiunta del feedback negativo.
Soluzione:
Il guadagno ad anello chiuso con feedback negativo è dato dalla formula:
In questo caso, il guadagno ad anello aperto è di 60 dB e la frazione di feedback è 1/20.
Quindi, con una frazione di feedback di 1/20, il guadagno a circuito chiuso del sistema sarà di 86,02 dB.
Esempio 2: calcolo del guadagno di tensione
Se un amplificatore ha inizialmente un guadagno di tensione di 3000 (senza retroazione) e poi comprende una retroazione di tensione negativa con una frazione di retroazione di mv = 0,01. Quale sarà il nuovo guadagno di tensione dell'amplificatore?
Soluzione :
È possibile utilizzare la formula del guadagno di tensione per l'amplificatore con feedback di tensione negativo per calcolare il guadagno di tensione dell'amplificatore:
Nella formula sopra:
UN F = Guadagno di tensione con feedback
UN = Guadagno di tensione senza feedback
mv = Frazione di feedback
Qui abbiamo:
Guadagno di tensione senza feedback (UN) = 3000
Frazione di feedback (mv) = 0,01
Ora inserisci questi valori nella formula:
Pertanto, il guadagno di tensione dell'amplificatore con feedback di tensione negativo è circa 96,77.
Esempio 3: calcolo delle resistenze di feedback
Determinare i valori appropriati per le resistenze di feedback, R 1 e R 2 . È necessario stabilizzare un circuito amplificatore non invertente utilizzando un amplificatore operazionale con un guadagno di tensione ad anello aperto (AVOL) di 220.000. Il tuo guadagno a circuito chiuso mirato è 40.
Soluzione :
Un'equazione generale di feedback ad anello chiuso è:
Per ottenere la frazione di feedback β, riorganizzare l'equazione precedente:
In questo caso, il guadagno ad anello aperto è troppo alto. Pertanto, la frazione di feedback β sarà approssimativamente uguale al reciproco del guadagno ad anello chiuso 1/G. Poiché il valore di 1/A è troppo piccolo, pari approssimativamente a (0,025).
I resistori R1 e R2 nella configurazione sopra formano il circuito divisore di potenziale di tensione in serie. È possibile trovare il guadagno di tensione ad anello chiuso come segue:
Assumiamo che il valore di R2 sia 1000 Ω (1 kΩ). Quindi il valore di R 1 può essere scritto come
Quindi, per il circuito amplificatore non invertente con un guadagno di 40, è necessario selezionare R 1 di 39 kΩ e R 2 di 1 kΩ.
Differenza tra sistemi di feedback positivi e negativi
Puoi trovare la differenza tra i sistemi di feedback positivo e negativo nella tabella seguente:
| Differenze nel tipo di feedback | Riscontro positivo | Feedback negativo |
|---|---|---|
| Definizione | In questo feedback vengono aggiunti feedback di riferimento e segnali di ingresso. | In questo tipo, il feedback in uscita viene sottratto dall'ingresso di riferimento. |
| Nomenclatura | Feedback positivo o feedback rigenerativo. | Feedback negativo o feedback degenerativo. |
| Scopo | Amplifica o aumenta un segnale. | Stabilizza o regola un segnale. |
| Effetto sul sistema | Può portare a comportamenti e oscillazioni imprevedibili. | Promuove la prevedibilità e il funzionamento stazionario. |
| Ottieni direzione | Aumenta il guadagno del sistema. | Riduce il guadagno del sistema. |
| Utilizzo | Amplificatori audio e oscillatori di rilassamento. | Amplificatori operazionali (Op-Amp), sistemi di controllo in feedback. |
| Stabilità | Spesso porta all'instabilità. | Migliora la stabilità del sistema. |
| Per esempio | Trigger e infradito di Schmitt. | Amplificatori di tensione e termoregolatori. |
Applicazioni e proprietà del sistema di feedback negativo
I sistemi a feedback negativo hanno molte applicazioni nell'elettronica generale. Questi sistemi hanno migliorato l'instabilità del sistema, la linearità del sistema, la risposta in frequenza e la risposta al gradino. A causa di questi vantaggi dei sistemi di feedback negativo, molti circuiti amplificatori nell'elettronica possiedono sistemi di feedback negativo.
Di seguito sono riportate alcune descrizioni dettagliate dei sistemi di feedback negativo:
Stabilità : Un sistema di feedback negativo riduce le deviazioni dal punto desiderato, risultando in un sistema più stabile. Ad esempio, un termostato fa in modo che la temperatura rimanga vicina al valore scelto.
Precisione: i sistemi di feedback negativo migliorano la precisione del sistema riducendo al minimo gli errori. In un circuito amplificatore, il feedback negativo riduce la distorsione e produce un segnale più stabile in uscita.
controllo della larghezza di banda : Puoi anche controllare la larghezza di banda dell'amplificatore con l'aiuto di un sistema di feedback negativo. Questo li rende adatti a diverse applicazioni. Queste applicazioni includono l'amplificazione audio all'amplificazione in radiofrequenza.
Riduzione del rumore : Il feedback negativo può ridurre il rumore e le interferenze indesiderate. La riduzione del rumore ha molteplici applicazioni nel campo dei sistemi audio e dei dispositivi di comunicazione.
Risposta dinamica : I sistemi di feedback negativo hanno capacità di risposta dinamica. Questi sistemi possono adattarsi di conseguenza a determinate condizioni. Un esempio di risposta dinamica include il sistema di controllo della velocità dell'auto.
Effetto del feedback negativo sulla larghezza di banda
La larghezza di banda spiega la gamma di frequenza operativa per un amplificatore con guadagno costante. Un sistema con una larghezza di banda maggiore significa che l'amplificatore può gestire più frequenze. Il feedback negativo riduce il guadagno dell'amplificatore fornendo l'uscita sul lato ingresso. Ciò migliora la stabilità e la linearità del sistema, ma di conseguenza riduce anche il guadagno del sistema.
IL effetto del feedback negativo sulla larghezza di banda dipende dal tipo e dalla quantità di feedback applicato. Generalmente, il feedback negativo aumenta la larghezza di banda riducendo il guadagno del sistema. Il prodotto della larghezza di banda del guadagno, che è la misura delle prestazioni di un amplificatore, rimane costante indipendentemente dal feedback.
Per esempio , consideriamo un circuito amplificatore senza retroazione avente un guadagno di larghezza di banda di 100 e 10 kHz. Applicare il feedback negativo per ridurre il guadagno a 10. Ciò aumenterà la larghezza di banda a 100 kHz. In entrambi i casi il prodotto guadagno-larghezza di banda è ancora 100 × 10 kHz = 1 MHz.
Tuttavia, il feedback negativo influisce anche sulle frequenze di taglio dell'amplificatore. Queste sono le frequenze in cui il sistema guadagna gocce dal valore massimo. Il feedback negativo abbassa la frequenza di taglio e aumenta quella superiore. Ciò si tradurrà in un ampliamento della curva di risposta in frequenza dell'amplificatore. L'effetto netto del feedback negativo sulla larghezza di banda è quello di scambiare il guadagno con la larghezza di banda.
Ciò significa che l'applicazione del feedback negativo aumenterà la gamma di frequenze che un amplificatore può gestire. Ma tutto ciò avviene a costo di ridurre il suo fattore di amplificazione.
Conclusione
Un sistema di feedback negativo può controllare o regolare l'uscita servendo una parte dell'uscita sul lato di ingresso. Questo feedback genera un segnale di errore, che ti darà un sistema più stabile. Questo segnale di errore è dinamico e guida l'intero sistema. Un sistema di feedback negativo può migliorare la precisione del sistema e anche controllare la larghezza di banda. Questo sistema di feedback viene utilizzato nei circuiti amplificatori come i sistemi di cancellazione del rumore o di controllo della velocità delle auto. Maggiori informazioni sulla descrizione dettagliata del feedback negativo in questo articolo.