ข้อเสนอแนะเชิงลบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ระบบป้อนกลับมีข้อดีมากกว่าระบบทั่วไปหลายประการ ช่วยปรับปรุงอัตราขยายเอาต์พุตของวงจรและเพิ่มการตอบสนองเชิงเส้นของวงจร นอกจากนี้ยังช่วยลดโอกาสการบิดเบือนของสัญญาณซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากสัญญาณรบกวนอีกด้วย

ระบบป้อนกลับส่วนใหญ่จะใช้ในวงจรแอมพลิฟายเออร์ ระบบควบคุมแบบอิงเอาท์พุต และวงจรออสซิลเลเตอร์ ระบบตอบรับมีสองประเภท: เชิงบวก ข้อเสนอแนะและ เชิงลบ ข้อเสนอแนะ. บทความนี้จะเน้นไปที่ความคิดเห็นประเภทหลังเป็นอย่างมาก

โครงร่างด่วน:

• ระบบตอบรับเชิงลบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร
• วงจรตอบรับเชิงลบ
• ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนข้อเสนอแนะเชิงลบ
• ข้อเสนอแนะเชิงลบในวงจรขยายการดำเนินงาน
• ตัวอย่างที่ 1
• ตัวอย่างที่ 2
• ตัวอย่างที่ 3
• ความแตกต่างระหว่างระบบตอบรับเชิงบวกและเชิงลบ
• การประยุกต์และคุณสมบัติของระบบผลตอบรับเชิงลบ
• ผลของผลตอบรับเชิงลบต่อแบนด์วิธ
• บทสรุป

ระบบตอบรับเชิงลบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร

ข้อเสนอแนะเชิงลบในวงจรไฟฟ้าเป็นกลไกการควบคุมที่ทำให้เสถียรและควบคุมการทำงานของวงจรไฟฟ้า วงจรที่มีระบบป้อนกลับเชิงลบในตัวจะรับสัญญาณเอาท์พุตและจ่ายให้กับอินพุทเป็น a สัญญาณฝ่ายค้านเฟส (กลับด้าน) . ระบบตอบรับนี้ช่วยลดการเบี่ยงเบนหรือข้อผิดพลาดในสัญญาณเอาท์พุต

ข้อเสนอแนะเชิงลบก็เรียกว่า ข้อเสนอแนะความเสื่อม . ในการป้อนกลับเชิงลบ สัญญาณเอาท์พุตที่มาจากการป้อนกลับจะถูกลบออกจากสัญญาณอ้างอิงอินพุต ผลลัพธ์ที่ได้ทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่เรียกว่า ได้รับผลตอบรับ . สัญญาณข้อผิดพลาดนี้สร้างขึ้นหลังจากการลบจะปรับเปลี่ยนการตอบสนองของระบบตามนั้น หากอัตราขยายของระบบเป็นค่าบวก สัญญาณป้อนกลับที่มาจากเอาต์พุตจะต้องถูกลบออกจากสัญญาณอ้างอิงอินพุตเพื่อรักษาค่าป้อนกลับให้เป็นค่าลบ

เมื่อมีการตอบรับเชิงลบ ลบออก จากอินพุตอ้างอิงทำให้ระบบมีเสถียรภาพมากขึ้น สมมติว่ามีระบบที่แสดงพฤติกรรมที่ผิดปกติ เพื่อตอบโต้การเปลี่ยนแปลงนี้ ระบบจะสร้างสัญญาณเอาท์พุต สัญญาณเอาท์พุตหรือสัญญาณตอบรับนี้จะตอบโต้สัญญาณอินพุท โดยปรับเปลี่ยนอินพุทตามเพื่อทำให้ระบบโดยรวมทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วงจรตอบรับเชิงลบ

วงจรตอบรับเชิงลบแสดงอยู่ในภาพด้านล่าง ที่นี่คุณจะเห็นว่าสัญญาณเอาท์พุตถูกนำกลับไปยังฝั่งอินพุตเพื่อเป็นการป้อนกลับ ในด้านอินพุต ความแตกต่างระหว่างสัญญาณอ้างอิงและความแตกต่างของสัญญาณป้อนกลับจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งจากนั้นจะขับเคลื่อนระบบต่อไป

1. ส่วนประกอบ : วงจรประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสองส่วน:

• เครื่องขยายเสียงที่มีอัตราขยาย G
• วงจรป้อนกลับพร้อมปัจจัยป้อนกลับ β

สัญญาณอินพุตคือ V _ใน และเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงคือ V _ออก .

2. ชุมทางรวม : ที่อินพุตของแอมพลิฟายเออร์ จะมีจุดรวม (มักแสดงด้วยวงกลมที่มีเครื่องหมายลบอยู่ข้างใน) ทางแยกนี้จะลบสัญญาณตอบรับออกจากอินพุตอ้างอิง ส่วนที่หักลบเป็นผลคูณของปัจจัยป้อนกลับ β และเอาต์พุต Vout ดังนั้นสัญญาณข้อผิดพลาดคือ V _ใน – บีวี _ออก .

3. ห่วงคำติชม : สัญญาณข้อผิดพลาดนี้ (V _ใน – บีวี _ออก ) คือสิ่งที่ขับเคลื่อนระบบ มันแสดงถึงความแตกต่างระหว่างอินพุต V ที่ต้องการ _ใน และเอาท์พุตจริง V _ออก ปรับขนาดตามปัจจัยป้อนกลับ β

4. ข้อเสนอแนะเชิงลบ : แนวคิดหลักที่นี่คือผลตอบรับเชิงลบ เมื่อเอาต์พุต V _ออก การเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการรบกวนหรือการเปลี่ยนแปลงในอินพุท V _ใน สัญญาณข้อผิดพลาด (Vin – βV _ออก ) ถูกสร้างขึ้น สัญญาณข้อผิดพลาดที่คำนวณได้จะถูกขยายโดยแอมพลิฟายเออร์ที่มีเกน G และป้อนกลับเข้าไปในจุดรวม ที่สำคัญ ความคิดเห็นนี้เป็นลบเพราะถูกลบออกจากอินพุต

• ถ้าเป็นวี _ออก เพิ่มขึ้น (เช่น เอาต์พุตของระบบสูงกว่าที่ต้องการ) ผลป้อนกลับจะช่วยลดข้อผิดพลาดที่นำ V _ออก กลับไปสู่ค่าที่ต้องการ
• ถ้าเป็นวี _ออก ลดลง (เช่น เอาต์พุตของระบบต่ำกว่าที่ต้องการ) การตอบสนองจะเพิ่มข้อผิดพลาดในการขับขี่ V _ออก กลับขึ้นไปตามค่าที่ต้องการ

5. สมการป้อนกลับทั่วไป : สมการป้อนกลับทั่วไปสำหรับระบบนี้โดยทั่วไปจะแสดงเป็น

สมการนี้เกี่ยวข้องกับเอาต์พุต V _ออก ไปยังอินพุต Vin และปัจจัยป้อนกลับ β ผ่านแอมพลิฟายเออร์เกน G ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบใช้การป้อนกลับเชิงลบเพื่อควบคุมและควบคุมเอาต์พุตให้ตรงกับอินพุตที่ต้องการอย่างไร

ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนข้อเสนอแนะเชิงลบ

ฟังก์ชันถ่ายโอนกำหนดสมการที่แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างทั้งอินพุตและเอาต์พุต มันบอกเราว่าการเปลี่ยนแปลงอินพุตส่งผลต่อเอาต์พุตอย่างไร ในการป้อนกลับเชิงลบ เรามีสัญญาณระดับกลางที่แสดงด้วย Z สัญญาณระดับกลางนี้แสดงถึงความแตกต่างระหว่างเอาต์พุตและอินพุต

สำหรับ ฟังก์ชั่นการถ่ายโอน สมการป้อนกลับเชิงลบ Z ใช้ในการคำนวณสัญญาณข้อผิดพลาดหรือการแก้ไขที่จำเป็นเพื่อให้ระบบเข้าใกล้ค่าเอาต์พุตที่ต้องการมากขึ้น
แผนภาพบล็อกต่อไปนี้แสดงระบบตอบรับเชิงลบ เมื่อใช้แผนภาพนี้ เราสามารถคำนวณฟังก์ชันถ่ายโอนสำหรับระบบตอบรับเชิงลบได้:

ผลลัพธ์ของระบบตอบรับเชิงลบจะเท่ากับ Y:

ข้อเสนอแนะเชิงลบในวงจรขยายการดำเนินงาน

ในการกำหนดค่าการตอบรับเชิงลบ ส่วนหนึ่งของเอาต์พุตของ op-amp (V) จะถูกส่งไปยังเทอร์มินัลการกลับอินพุต (-) สัญญาณเอาท์พุตนี้จะถูกลบออกจากการอ้างอิงอินพุต ช่วยควบคุมและรักษาเสถียรภาพของเกนของแอมพลิฟายเออร์

เมื่อใช้การตอบสนองเชิงลบในวงจรออปแอมป์ คุณสามารถตั้งค่าระดับเกนที่ต้องการในขณะที่ยังคงความเสถียรของระบบไว้ได้ เสียงตอบรับเชิงลบจะช่วยลดความไม่เชิงเส้นในลักษณะเฉพาะของ op-amp ทำให้ทำงานได้ใกล้เคียงกับพฤติกรรมในอุดมคติมากขึ้น

วงจรขยายสัญญาณตอบรับเชิงลบ (op-amp) ได้รับการออกแบบโดยใช้ op-amp เป็นส่วนประกอบส่วนกลาง op-amp มีอินพุตสองช่อง: ช่องหนึ่งกำลังกลับด้าน (-) และอีกช่องหนึ่งไม่กลับด้าน (+) มีขั้วต่อเอาต์พุตหนึ่งช่อง สำหรับระบบตอบรับเชิงลบ เราจะใช้ด้านกลับด้านของออปแอมป์

โดยทั่วไปวงจรนี้ประกอบด้วย:

• ตัวต้านทานอินพุต (Rin) เชื่อมต่อแหล่งเดียวเข้ากับอินพุตแบบกลับด้าน (-) ของ op-amp
• ตัวต้านทานป้อนกลับ (Rf) ที่เชื่อมต่อเอาต์พุตของ op-amp กับอินพุตแบบกลับด้าน (-)
• การเชื่อมต่อกับโหลดที่เอาต์พุตของ op-amp

คุณสามารถหากำไรได้โดยใช้อัตราส่วน Rf ต่อ Rin เสียงตอบรับเชิงลบนี้ทำให้เสถียรภาพและควบคุมพฤติกรรมของออปแอมป์ มันทำงานโดยการลดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างอินพุตทั้งสองแบบกลับด้านและไม่กลับด้าน มันสร้างไฟฟ้าลัดวงจรเสมือนระหว่างพวกเขา ด้วยเหตุนี้ ออปแอมป์จะปรับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตเพื่อรักษาสมดุลนี้ ทำให้เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่มีประสิทธิภาพพร้อมเกนที่ควบคุมได้

ตัวอย่างที่ 1: การคำนวณกำไรจากวงปิด

ระบบได้รับความดัง 60 dB โดยไม่มีการตอบสนอง เศษส่วนผลป้อนกลับเชิงลบคือ 1/20 ค้นหาอัตราขยายของวงปิด (ในหน่วย dB) พร้อมด้วยผลป้อนกลับเชิงลบเพิ่มเติม

สารละลาย:

อัตราขยายแบบวงปิดที่มีการตอบรับเชิงลบได้มาจากสูตร:

ในกรณีนี้ อัตราขยายของ open-loop คือ 60 dB และเศษส่วนป้อนกลับคือ 1/20

ดังนั้น ด้วยเศษส่วนป้อนกลับที่ 1/20 อัตราขยายแบบวงปิดของระบบจะเป็น 86.02 dB

ตัวอย่างที่ 2: การคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับ

ถ้าเครื่องขยายเสียงเริ่มแรกมีแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นที่ 3000 (ไม่มีค่าป้อนกลับ) แล้วประกอบด้วยค่าป้อนกลับของแรงดันไฟฟ้าเชิงลบโดยมีเศษส่วนค่าป้อนกลับ mv = 0.01 แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นใหม่ของเครื่องขยายเสียงจะเป็นเท่าใด?

สารละลาย : :

คุณสามารถใช้สูตรแรงดันไฟฟ้าเกนสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่มีการป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าลบ เพื่อคำนวณแรงดันไฟฟ้าเกนของแอมพลิฟายเออร์:

ในสูตรข้างต้น:
ก _ฉ = แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นพร้อมผลป้อนกลับ
ก = แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นโดยไม่มีการป้อนกลับ
MV = เศษส่วนผลตอบรับ

ที่นี่เรามี:
แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นโดยไม่มีการป้อนกลับ (ก) = 3000
เศษส่วนผลตอบรับ (เอ็มวี) = 0.01

ตอนนี้ ให้ใส่ค่าเหล่านี้ลงในสูตร:

ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของเครื่องขยายเสียงที่มีการป้อนกลับของแรงดันไฟฟ้าลบจะอยู่ที่ประมาณ 96.77

ตัวอย่างที่ 3: การคำนวณความต้านทานป้อนกลับ

กำหนดค่าที่เหมาะสมสำหรับความต้านทานป้อนกลับ R ₁ และร ₂ . คุณต้องทำให้วงจรแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านเสถียรโดยใช้แอมพลิฟายเออร์สำหรับปฏิบัติการที่มีแรงดันไฟฟ้าเกนแบบลูปเปิด (AVOL) ที่ 220,000 กำไรแบบวงปิดเป้าหมายของคุณคือ 40

สารละลาย : :

สมการป้อนกลับแบบวงปิดทั่วไปคือ:

หากต้องการรับเศษส่วนป้อนกลับ β ให้จัดเรียงสมการข้างต้นใหม่:

ในกรณีนี้ อัตราขยายของวงเปิดสูงเกินไป ดังนั้นเศษส่วนป้อนกลับ β จะประมาณเท่ากับส่วนกลับของเกนแบบวงปิด 1/G เนื่องจากค่า 1/A น้อยเกินไป จึงประมาณเท่ากับ (0.025)

ตัวต้านทาน R1 และ R2 ในการกำหนดค่าข้างต้นจะสร้างวงจรตัวแบ่งศักย์ไฟฟ้าอนุกรม คุณสามารถค้นหาแรงดันไฟฟ้าแบบวงปิดได้ดังนี้:

สมมติว่าค่าของ R2 เป็น 1,000 Ω (1 kΩ) แล้วค่าของ R ₁ สามารถเขียนเป็น

ดังนั้นสำหรับวงจรแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านซึ่งมีอัตราขยาย 40 คุณต้องเลือก R ₁ ของ 39 kΩ และ R ₂ ของ 1 kΩ

ความแตกต่างระหว่างระบบตอบรับเชิงบวกและเชิงลบ

คุณสามารถดูความแตกต่างระหว่างระบบตอบรับเชิงบวกและเชิงลบได้ในตารางด้านล่าง:

การประยุกต์และคุณสมบัติของระบบผลตอบรับเชิงลบ

ระบบตอบรับเชิงลบมีการใช้งานมากมายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ระบบเหล่านี้ปรับปรุงความไม่เสถียรของระบบ ความเป็นเชิงเส้นของระบบ การตอบสนองความถี่ และการตอบสนองขั้นตอน เนื่องจากคุณประโยชน์ของระบบป้อนกลับเชิงลบ วงจรแอมพลิฟายเออร์จำนวนมากทั่วทั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงมีระบบป้อนกลับเชิงลบ
คำอธิบายโดยละเอียดของระบบตอบรับเชิงลบมีดังต่อไปนี้:

ความมั่นคง : ระบบตอบรับเชิงลบช่วยลดความเบี่ยงเบนจากจุดที่ต้องการส่งผลให้ระบบมีเสถียรภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เทอร์โมสตัททำให้แน่ใจว่าอุณหภูมิยังคงใกล้เคียงกับค่าที่เลือก

ความแม่นยำ: ระบบตอบรับเชิงลบปรับปรุงความแม่นยำของระบบโดยการลดข้อผิดพลาดให้เหลือน้อยที่สุด ในวงจรเครื่องขยายเสียง ผลป้อนกลับเชิงลบจะลดการบิดเบือนและสร้างสัญญาณที่เอาต์พุตที่เสถียรยิ่งขึ้น

การควบคุมแบนด์วิธ : คุณยังสามารถควบคุมแบนด์วิธของแอมพลิฟายเออร์ได้ด้วยความช่วยเหลือของระบบตอบรับเชิงลบ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานหลายอย่าง แอปพลิเคชันเหล่านี้ประกอบด้วยการขยายเสียงไปจนถึงการขยายความถี่วิทยุ

ลดเสียงรบกวน : เสียงตอบรับเชิงลบสามารถลดเสียงรบกวนและการรบกวนที่ไม่ต้องการได้ การลดเสียงรบกวนมีการใช้งานหลายอย่างในด้านระบบเสียงและอุปกรณ์สื่อสาร

การตอบสนองแบบไดนามิก : ระบบตอบรับเชิงลบมีความสามารถในการตอบสนองแบบไดนามิก ระบบเหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ตามเงื่อนไขที่กำหนด ตัวอย่างของการตอบสนองแบบไดนามิก ได้แก่ ระบบควบคุมความเร็วคงที่ของรถยนต์

ผลของผลตอบรับเชิงลบต่อแบนด์วิธ

แบนด์วิธอธิบายช่วงความถี่การทำงานของแอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยายคงที่ ระบบที่มีแบนด์วิธสูงกว่าหมายความว่าแอมพลิฟายเออร์สามารถรองรับความถี่ได้มากขึ้น การตอบสนองเชิงลบจะช่วยลดอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์โดยให้เอาต์พุตที่ด้านอินพุต สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงเสถียรภาพของระบบและความเป็นเส้นตรง แต่ผลที่ได้คือยังช่วยลดอัตราขยายของระบบด้วย

ที่ ผลของการตอบรับเชิงลบต่อแบนด์วิธ ขึ้นอยู่กับประเภทและจำนวนความคิดเห็นที่ใช้ โดยทั่วไป ผลตอบรับเชิงลบจะเพิ่มแบนด์วิธโดยการลดกำไรของระบบ ผลิตภัณฑ์แบนด์วิดธ์เกนซึ่งเป็นการวัดประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์จะยังคงคงที่โดยไม่คำนึงถึงผลป้อนกลับ

ตัวอย่างเช่น ให้พิจารณาวงจรเครื่องขยายเสียงที่ไม่มีการป้อนกลับซึ่งมีแบนด์วิธเพิ่มขึ้น 100 และ 10 kHz การใช้ผลตอบรับเชิงลบเพื่อลดเกนเป็น 10 ซึ่งจะเพิ่มแบนด์วิดท์เป็น 100 kHz ผลิตภัณฑ์แบนด์วิธที่ได้รับยังคงเป็น 100 × 10 kHz = 1 MHz ในทั้งสองกรณี

อย่างไรก็ตาม ผลตอบรับเชิงลบยังส่งผลต่อความถี่คัตออฟของแอมพลิฟายเออร์ด้วย นี่คือความถี่ที่ระบบลดลงจากค่าสูงสุด การตอบสนองเชิงลบจะลดความถี่ของจุดตัด และเพิ่มความถี่จุดตัดบน ซึ่งจะส่งผลให้เส้นโค้งการตอบสนองความถี่ของแอมพลิฟายเออร์กว้างขึ้น ผลกระทบสุทธิของการตอบรับเชิงลบต่อแบนด์วิดท์คือการแลกเปลี่ยนกำไรกับแบนด์วิธ

ซึ่งหมายความว่าการใช้การตอบรับเชิงลบจะเพิ่มช่วงความถี่ที่แอมพลิฟายเออร์สามารถรองรับได้ แต่ทั้งหมดนี้มาพร้อมกับค่าใช้จ่ายในการลดปัจจัยการขยายสัญญาณ

บทสรุป

ระบบป้อนกลับเชิงลบสามารถควบคุมหรือปรับเอาต์พุตได้โดยให้บริการส่วนหนึ่งของเอาต์พุตที่ด้านอินพุต ข้อเสนอแนะนี้สร้างสัญญาณข้อผิดพลาด ซึ่งจะทำให้ระบบมีเสถียรภาพมากขึ้น สัญญาณข้อผิดพลาดนี้เป็นแบบไดนามิกและขับเคลื่อนระบบทั้งหมด ระบบตอบรับเชิงลบสามารถปรับปรุงความแม่นยำของระบบและยังควบคุมแบนด์วิธได้อีกด้วย ระบบป้อนกลับนี้ใช้ในวงจรเครื่องขยายเสียง เช่น การตัดเสียงรบกวน หรือระบบควบคุมความเร็วคงที่ของรถยนต์ อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำอธิบายโดยละเอียดของการตอบรับเชิงลบในบทความนี้