משוב שלילי באלקטרוניקה

למערכת המשוב יש מספר יתרונות על פני מערכות קונבנציונליות. זה עוזר לשפר את רווח הפלט של המעגל ומגביר את התגובה הליניארית של המעגל. זה גם מפחית את הסיכויים לעיוותים באות המתרחשים בעיקר עקב אותות רעש.

מערכות משוב משמשות בעיקר במעגלי מגברים, מערכות בקרה מבוססות פלט ומעגלי מתנד. למערכות משוב יש שני סוגים: חִיוּבִי משוב ו שלילי מָשׁוֹב. מאמר זה יתמקד רבות בסוג האחרון של משוב.

מתאר מהיר:

• מהי מערכת משוב שלילי באלקטרוניקה
• מעגל משוב שלילי
• פונקציית העברת משוב שלילי
• משוב שלילי במגברים תפעוליים
• דוגמה 1
• דוגמה 2
• דוגמה 3
• ההבדל בין מערכות משוב חיובי לשלילי
• יישומים ומאפיינים של מערכת משוב שלילי
• השפעת משוב שלילי על רוחב הפס
• סיכום

מהי מערכת משוב שלילי באלקטרוניקה

משוב שלילי במעגל חשמלי הוא מנגנון בקרה המייצב ומווסת את פעולות המעגל החשמלי. מעגלים עם מערכות משוב שלילי משולבות לוקחים אות פלט ונותנים אותו לכניסה בתור א אות אופוזיציה פאזה (הפוך). . מערכת משוב זו מפחיתה סטיות או שגיאות באותות המוצא.

משוב שלילי נקרא גם משוב ניווני . במשוב שלילי, אות המוצא המגיע כמשוב מופחת מאות הייחוס המבוא. הפלט גורם לשגיאה המכונה רווח משוב . אות שגיאה זה שנוצר לאחר חיסור ישנה את תגובת המערכת בהתאם. אם ההגבר של המערכת חיובי, יש להפחית את אות המשוב המגיע מהפלט מאות הייחוס המבוא כדי לשמור על המשוב כשלי.

כאשר משוב שלילי הוא מְחוּסָר מקלט הייחוס, זה הופך את המערכת ליציבה יותר. נניח שיש מערכת שמראה התנהגות חריגה - כדי להתמודד עם השינוי הזה, המערכת תייצר אות פלט. פלט או אות משוב זה נוגד את אות הכניסה - משנה את הקלט בהתאם כדי לגרום למערכת הכוללת לפעול ביעילות.

מעגל משוב שלילי

מעגל המשוב השלילי מודגם בתמונה למטה. כאן אתה יכול לראות אות פלט נלקח בחזרה לצד הקלט כמשוב. בצד הקלט, נוצר הבדל בין אות הייחוס להפרש אות המשוב, אשר מניע את המערכת הלאה.

1. רכיבים : המעגל מורכב משני מרכיבים עיקריים:

• מגבר עם רווח G.
• לולאת משוב עם מקדם משוב β.

אות הכניסה הוא V _ב והפלט של המגבר הוא V _{הַחוּצָה} .

2. צומת סיכום : בכניסה של המגבר, יש צומת סיכום (מיוצג לרוב על ידי עיגול עם סימן מינוס בתוכו). צומת זה יגרע את אות המשוב מכניסת הייחוס. החלק המופחת הוא המכפלה של גורם המשוב β ושל הפלט Vout - כך שאות השגיאה הוא V _ב – bV _{הַחוּצָה} .

3. לולאת משוב : אות שגיאה זה (V _ב – bV _{הַחוּצָה} ) הוא מה שמניע את המערכת. הוא מייצג את ההבדל בין הקלט V הרצוי _ב והפלט V בפועל _{הַחוּצָה} בקנה מידה לפי גורם המשוב β.

4. משוב שלילי : מושג המפתח כאן הוא משוב שלילי. כאשר הפלט V _{הַחוּצָה} שינויים עקב הפרעות או שינויים כלשהם בקלט V _ב אות השגיאה (Vin – βV _{הַחוּצָה} ) נוצר. אות השגיאה המחושב יוגבר על ידי המגבר עם רווח G ויוזן בחזרה לצומת הסיכום. חשוב לציין, המשוב הזה הוא שלילי מכיוון שהוא מופחת מהקלט.

• אם ה-V _{הַחוּצָה} גדל (כלומר פלט המערכת עולה מהרצוי) המשוב מקטין את השגיאה שמביאה V _{הַחוּצָה} חזרה לערך הרצוי.
• אם ה-V _{הַחוּצָה} יורד (כלומר פלט המערכת יורד מהרצוי) המשוב מגביר את השגיאה בהפעלת V _{הַחוּצָה} חזרה לכיוון הערך הרצוי.

5. משוואת משוב כללית : משוואת המשוב הכללית עבור מערכת זו מתבטאת בדרך כלל כ

משוואה זו מתייחסת לפלט V _{הַחוּצָה} לכניסה Vin ולגורם המשוב β דרך מגבר המגבר G. זה מראה כיצד המערכת משתמשת במשוב שלילי כדי לווסת ולשלוט במוצא כדי להתאים לקלט הרצוי.

פונקציית העברת משוב שלילי

פונקציית ההעברה מגדירה משוואה המייצגת את הקשר בין קלט ופלט כאחד. זה אומר לנו כיצד שינויים בקלט משפיעים על הפלט. במשוב שלילי, יש לנו אות ביניים המיוצג על ידי Z. אות ביניים זה מייצג את ההבדל בין הפלט לקלט.

בשביל ה פונקציית העברה משוואה של משוב שלילי, Z משמשת לחישוב אות השגיאה או התיקון הדרוש כדי לקרב את המערכת לערך הפלט הרצוי.
תרשים הבלוק הבא מציג את מערכת המשוב השלילי. באמצעות דיאגרמה זו, נוכל לחשב את פונקציית ההעברה עבור מערכת משוב שלילי:

הפלט של מערכת המשוב השלילי שווה ל-Y(ים):

משוב שלילי במגברים תפעוליים

בתצורת משוב שלילי, חלק מהפלט של המגבר (V) ניתן למסוף היפוך הקלט (-). אות פלט זה יופחת מהפניית הקלט. זה עוזר לשלוט ולייצב את הרווח של המגבר.

באמצעות משוב שלילי במעגל מגבר הפעלה, ניתן להגדיר את רמת ההגברה הרצויה תוך שמירה על יציבות המערכת. משוב שלילי מפחית אי-ליניאריות במאפיינים של המגבר, מה שגורם לו לפעול קרוב יותר להתנהגות אידיאלית.

מעגל מגבר תפעולי של משוב שלילי (op-amp) מתוכנן על ידי שימוש במגבר OP כרכיב המרכזי. למגבר הפעלה יש שתי כניסות: האחת מתהפכת (-), והשנייה אינה מתהפכת (+). יש לו מסוף פלט אחד. עבור מערכת המשוב השלילי, נשתמש בצד ההפוכה של מגברי הפעלה.

מעגל זה כולל בדרך כלל:

• נגד כניסה (Rin) המחבר את המקור היחיד לכניסת ההיפוך (-) של מגבר ההפעלה.
• נגד משוב (Rf) המחבר את פלט המגבר לכניסת ההיפוך (-).
• חיבור לעומס במוצא המגבר.

אתה יכול למצוא רווח על ידי שימוש ביחס Rf ל-Rin. המשוב השלילי הזה מייצב ושולט בהתנהגות המגבר. זה עובד על ידי מזעור הבדלי המתח בין שתי הכניסות ההפוכות והלא-הפוכות. זה יוצר קצר חשמלי וירטואלי ביניהם. כתוצאה מכך, מגבר ההפעלה מתאים את מתח המוצא שלו כדי לשמור על איזון זה - מה שהופך אותו למגבר יעיל עם הגבר מבוקר.

דוגמה 1: חישוב רווח לולאה סגורה

למערכת יש רווח של 60 dB ללא משוב. שבר המשוב השלילי הוא 1/20, מצא רווח של לולאה סגורה (ב-dB) בתוספת משוב שלילי.

פִּתָרוֹן:

הרווח בלולאה סגורה עם משוב שלילי ניתן על ידי הנוסחה:

במקרה זה, רווח הלולאה הפתוחה הוא 60 dB, ושבר המשוב הוא 1/20.

אז, עם שבר משוב של 1/20, הרווח בלולאה סגורה של המערכת יהיה 86.02 dB.

דוגמה 2: חישוב רווח מתח

אם למגבר יש תחילה רווח מתח של 3000 (ללא משוב) ולאחר מכן מורכב משוב מתח שלילי עם שבר משוב של mv = 0.01. מה יהיה רווח המתח החדש של המגבר?

פִּתָרוֹן :

אתה יכול להשתמש בנוסחה של רווח מתח עבור המגבר עם משוב מתח שלילי - כדי לחשב את רווח המתח של המגבר:

בנוסחה לעיל:
א _ו = עלייה במתח עם משוב
א = עלייה במתח ללא משוב
mv = שבר משוב

כאן יש לנו:
עלייה במתח ללא משוב (א) = 3000
חלק משוב (mv) = 0.01

כעת, הכנס את הערכים האלה לנוסחה:

אז, רווח המתח של המגבר עם משוב מתח שלילי הוא בערך 96.77.

דוגמה 3: חישוב התנגדויות משוב

קבע את הערכים המתאימים להתנגדויות משוב, R ₁ ור ₂ . עליך לייצב מעגל מגבר שאינו מתהפך באמצעות מגבר תפעולי עם רווח מתח בלולאה פתוחה (AVOL) של 220,000. הרווח הממוקד שלך בלולאה סגורה הוא 40.

פִּתָרוֹן :

משוואת משוב כללית בלולאה סגורה היא:

כדי לקבל שבר משוב β, ארגן מחדש את המשוואה שלמעלה:

במקרה זה, רווח הלולאה הפתוחה גבוה מדי. לכן, שבר המשוב β יהיה שווה בקירוב להדדיות של רווח לולאה סגורה 1/G. מכיוון שהערך של 1/A קטן מדי, שווה בערך ל- (0.025).

הנגדים R1 ו-R2 בתצורה שלעיל יוצרים את מעגל מחלק הפוטנציאל הסדרתי-מתח. אתה יכול למצוא את רווח המתח בלולאה סגורה באופן הבא:

נניח שהערך של R2 הוא 1000 Ω (1 kΩ). ואז הערך עבור R ₁ ניתן לכתוב כ

אז, עבור מעגל המגבר שאינו מתהפך עם רווח של 40, אתה צריך לבחור את ה-R ₁ של 39 kΩ ו-R ₂ של 1 kΩ.

ההבדל בין מערכות משוב חיובי לשלילי

אתה יכול למצוא את ההבדל בין מערכות המשוב החיובי והשלילי בטבלה הבאה:

יישומים ומאפיינים של מערכת משוב שלילי

למערכות משוב שלילי יש יישומים רבים בתחום האלקטרוניקה הכללית. מערכות אלו שיפרו את חוסר היציבות של המערכת, את הליניאריות של המערכת, תגובת תדר ותגובת צעד. בשל היתרונות הללו של מערכות משוב שלילי, למעגלי מגבר רבים על פני מכשירי אלקטרוניקה יש מערכות משוב שלילי.
להלן כמה תיאורים מפורטים של מערכות משוב שלילי:

יַצִיבוּת : מערכת משוב שלילי מפחיתה את הסטיות מהנקודה הרצויה, וכתוצאה מכך מערכת יציבה יותר. לדוגמה, תרמוסטט מוודא שהטמפרטורה תישאר קרובה לערך הנבחר.

דיוק: מערכות משוב שלילי משפרות את דיוק המערכת על ידי מזעור שגיאות. במעגל מגבר, המשוב השלילי מפחית את העיוות ומייצר אות יציב יותר במוצא.

בקרת רוחב פס : ניתן גם לשלוט ברוחב הפס של המגבר בעזרת מערכת משוב שלילי. זה הופך אותם למתאימים למספר יישומים. יישומים אלה כוללים הגברת שמע להגברת תדר רדיו.

הפחתת רעש : משוב שלילי יכול להפחית רעש והפרעות לא רצויים. להפחתת רעש יש מספר יישומים בתחום מערכות השמע ומכשירי התקשורת.

תגובה דינמית : למערכות משוב שלילי יש יכולת תגובה דינמית. מערכות אלו יכולות להתאים בהתאם לתנאים הנתונים. דוגמה לתגובה דינמית כוללת את מערכת בקרת השיוט ברכב.

השפעת משוב שלילי על רוחב הפס

רוחב הפס מסביר את טווח תדרי הפעולה של מגבר עם רווח קבוע. מערכת עם רוחב פס גבוה יותר פירושה שהמגבר יכול להתמודד עם יותר תדרים. משוב שלילי מפחית את רווח המגבר על ידי מתן הפלט בצד הקלט. זה משפר את יציבות המערכת והלינאריות, אך כתוצאה מכך, גם מפחית את רווח המערכת.

ה השפעה של משוב שלילי על רוחב הפס תלוי בסוג ובכמות המשוב שהוחל. בדרך כלל, משוב שלילי מגדיל את רוחב הפס על ידי הפחתת רווח המערכת. תוצר רוחב הפס הרווח, שהוא המדד לביצועים של מגבר, נשאר קבוע ללא קשר למשוב.

לדוגמה , שקול מעגל מגבר ללא משוב בעל רווח של רוחב פס של 100 ו-10 קילו-הרץ. החלת משוב שלילי כדי להפחית את הרווח ל-10. זה יגדיל את רוחב הפס ל-100 קילו-הרץ. תוצר רוחב הפס הרווח הוא עדיין 100 × 10 קילו-הרץ = 1 מגה-הרץ בשני המקרים.

עם זאת, המשוב השלילי משפיע גם על תדרי החיתוך של המגבר. אלו הם התדרים שבהם המערכת מרוויחה ירידות מהערך המקסימלי. משוב שלילי מוריד את תדירות החיתוך ומעלה את תדר החיתוך העליון. זה יביא להרחבת עקומת תגובת התדר של המגבר. ההשפעה נטו של משוב שלילי על רוחב הפס היא החלפת רווח עבור רוחב פס.

המשמעות היא שהחלת משוב שלילי יגדיל את טווח התדרים שמגבר יכול להתמודד. אבל כל זה בא במחיר של הפחתת מקדם ההגברה שלו.

סיכום

מערכת משוב שלילי יכולה לשלוט או להתאים את הפלט על ידי הגשת חלק מהפלט בצד הקלט. משוב זה יוצר אות שגיאה, אשר ייתן לך מערכת יציבה יותר. אות שגיאה זה הוא דינמי ומניע את המערכת השלמה. מערכת משוב שלילי יכולה לשפר את דיוק המערכת וגם לשלוט ברוחב הפס. מערכת משוב זו משמשת במעגלי מגבר כגון ביטול רעשים או מערכות בקרת שיוט לרכב. קרא עוד על התיאור המפורט של משוב שלילי במאמר זה.