전자제품의 부정적인 피드백

피드백 시스템은 기존 시스템에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 이는 회로의 출력 이득을 개선하고 회로의 선형 응답을 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 주로 잡음 신호로 인해 발생하는 신호 왜곡 가능성을 줄입니다.

피드백 시스템은 주로 증폭기 회로, 출력 기반 제어 시스템 및 발진기 회로에 사용됩니다. 피드백 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다. 긍정적인 피드백과 부정적인 피드백. 이 기사에서는 후자 유형의 피드백에 중점을 둘 것입니다.

빠른 개요:

• 전자 제품의 부정적인 피드백 시스템이란 무엇입니까?
• 부정적인 피드백 회로
• 부정적인 피드백 전달 기능
• 연산 증폭기의 네거티브 피드백
• 실시예 1
• 실시예 2
• 실시예 3
• 긍정적 피드백 시스템과 부정적인 피드백 시스템의 차이점
• 부정적인 피드백 시스템의 응용 및 특성
• 대역폭에 대한 부정적인 피드백의 영향
• 결론

전자 제품의 부정적인 피드백 시스템이란 무엇입니까?

전기 회로의 네거티브 피드백은 전기 회로 작동을 안정화하고 조절하는 제어 메커니즘입니다. 네거티브 피드백 시스템이 통합된 회로는 출력 신호를 받아 이를 입력에 제공합니다. 위상 반대(역) 신호 . 이 피드백 시스템은 출력 신호의 편차나 오류를 줄여줍니다.

부정적인 피드백이라고도 함 퇴행성 피드백 . 네거티브 피드백에서는 피드백으로 들어오는 출력 신호가 입력 기준 신호에서 뺍니다. 출력 결과로 알려진 오류가 발생합니다. 피드백 이득 . 빼기 후에 생성된 이 오류 신호는 그에 따라 시스템 응답을 수정합니다. 시스템 이득이 양수이면 출력에서 ​​나오는 피드백 신호를 입력 기준 신호에서 빼서 피드백을 음수로 유지해야 합니다.

부정적인 피드백이 있을 때 빼다 기준 입력으로부터 시스템을 더욱 안정적으로 만듭니다. 비정상적인 동작을 보이는 시스템이 있다고 가정해 보겠습니다. 이러한 변화에 대응하기 위해 시스템은 출력 신호를 생성합니다. 이 출력 또는 피드백 신호는 입력 신호에 대응하여 입력을 적절하게 수정하여 전체 시스템이 효율적으로 실행되도록 합니다.

부정적인 피드백 회로

네거티브 피드백 회로는 아래 이미지에 설명되어 있습니다. 여기서는 출력 신호가 피드백으로 입력 측으로 다시 가져오는 것을 볼 수 있습니다. 입력 측에서는 기준 신호와 피드백 신호의 차이가 생성되어 시스템을 더욱 구동합니다.

1. 구성품 : 회로는 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 이득 G를 갖는 증폭기.
• 피드백 인자 β를 갖는 피드백 루프.

입력 신호는 V _~에 증폭기의 출력은 V _밖으로 .

2. 합산 접합 : 앰프의 입력에는 합산 접합이 있습니다(종종 내부에 마이너스 기호가 있는 원으로 표시됨). 이 접합은 기준 입력에서 피드백 신호를 뺍니다. 감산된 부분은 피드백 인자 β와 출력 Vout의 곱이므로 오류 신호는 V입니다. _~에 – bV _밖으로 .

3. 피드백 루프 : 이 오류 신호(V _~에 – bV _밖으로 )이 시스템을 구동하는 것입니다. 원하는 입력 V 사이의 차이를 나타냅니다. _~에 실제 출력 V _밖으로 피드백 계수 β에 의해 ​​조정됩니다.

4. 부정적인 피드백 : 여기서 핵심 개념은 부정적인 피드백입니다. 출력 V _밖으로 입력 V의 교란이나 변화로 인한 변화 _~에 오류 신호(Vin – βV _밖으로 )이 생성됩니다. 계산된 오류 신호는 이득 G를 사용하여 증폭기에 의해 증폭되고 합산 접점으로 다시 공급됩니다. 중요한 것은 이 피드백이 입력에서 차감되기 때문에 부정적인 피드백이라는 점입니다.

• 만약 V _밖으로 증가합니다(즉, 시스템 출력이 원하는 것보다 높아집니다). 피드백은 V를 가져오는 오류를 줄입니다. _밖으로 원하는 값으로 돌아갑니다.
• 만약 V _밖으로 감소합니다(즉, 시스템 출력이 원하는 것보다 낮아집니다). 피드백은 V를 구동하는 오류를 증가시킵니다. _밖으로 원하는 값으로 백업합니다.

5. 일반 피드백 방정식 : 이 시스템의 일반적인 피드백 방정식은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다.

이 방정식은 출력 V와 관련이 있습니다. _밖으로 증폭기 이득 G를 통해 입력 Vin 및 피드백 계수 β에 적용됩니다. 이는 시스템이 네거티브 피드백을 사용하여 원하는 입력과 일치하도록 출력을 조절하고 제어하는 ​​방법을 보여줍니다.

부정적인 피드백 전달 기능

전달 함수는 입력과 출력 간의 관계를 나타내는 방정식을 정의합니다. 입력의 변화가 출력에 어떤 영향을 미치는지 알려줍니다. 네거티브 피드백에는 Z로 표시되는 중간 신호가 있습니다. 이 중간 신호는 출력과 입력의 차이를 나타냅니다.

에 대한 전달 함수 음의 피드백 방정식에서 Z는 시스템을 원하는 출력 값에 더 가깝게 만드는 데 필요한 오류 신호 또는 수정을 계산하는 데 사용됩니다.
다음 블록 다이어그램은 부정적인 피드백 시스템을 보여줍니다. 이 다이어그램을 사용하여 음의 피드백 시스템에 대한 전달 함수를 계산할 수 있습니다.

네거티브 피드백 시스템의 출력은 Y(s)와 같습니다.

연산 증폭기의 네거티브 피드백

네거티브 피드백 구성에서는 연산 증폭기 출력(V)의 일부가 입력 반전(-) 단자에 제공됩니다. 이 출력 신호는 입력 기준에서 제외됩니다. 앰프의 게인을 제어하고 안정화하는 데 도움이 됩니다.

연산 증폭기 회로에서 네거티브 피드백을 사용하면 시스템의 안정성을 유지하면서 원하는 게인 레벨을 설정할 수 있습니다. 네거티브 피드백은 연산 증폭기 특성의 비선형성을 줄여 이상적인 동작에 더 가깝게 작동하도록 만듭니다.

네거티브 피드백 연산 증폭기(op-amp) 회로는 연산 증폭기를 중심 구성 요소로 사용하여 설계되었습니다. 연산 증폭기에는 두 개의 입력이 있습니다. 하나는 반전(-)이고 다른 하나는 비반전(+)입니다. 출력단자가 1개 있습니다. 네거티브 피드백 시스템의 경우 연산 증폭기의 반전 측면을 사용합니다.

이 회로에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

• 단일 소스를 연산 증폭기의 반전(-) 입력에 연결하는 입력 저항(Rin)입니다.
• 연산 증폭기의 출력을 반전(-) 입력에 연결하는 피드백 저항(Rf)입니다.
• 연산 증폭기 출력의 부하에 대한 연결입니다.

Rf 대 Rin 비율을 사용하여 이득을 찾을 수 있습니다. 이 네거티브 피드백은 연산 증폭기의 동작을 안정화하고 제어합니다. 이는 두 개의 반전 입력과 비반전 입력 사이의 전압 차이를 최소화함으로써 작동합니다. 그것은 그들 사이에 가상 단락을 생성합니다. 결과적으로 연산 증폭기는 출력 전압을 조정하여 이 균형을 유지하므로 이득이 제어된 효과적인 증폭기가 됩니다.

예 1: 폐쇄 루프 이득 계산

피드백 없이 시스템의 이득은 60dB입니다. 네거티브 피드백 비율은 1/20입니다. 네거티브 피드백을 추가하여 폐쇄 루프 이득(dB)을 찾습니다.

해결책:

음의 피드백이 있는 폐쇄 루프 이득은 다음 공식으로 제공됩니다.

이 경우 개방 루프 이득은 60dB이고 피드백 비율은 1/20입니다.

따라서 피드백 비율이 1/20인 경우 시스템의 폐쇄 루프 이득은 86.02dB가 됩니다.

예 2: 전압 이득 계산

증폭기가 초기에 3000의 전압 이득(피드백 없음)을 갖고 피드백 비율이 mv = 0.01인 음의 전압 피드백을 포함하는 경우. 증폭기의 새로운 전압 이득은 얼마입니까?

해결책 :

음의 전압 피드백이 있는 증폭기의 전압 이득 공식을 사용하여 증폭기의 전압 이득을 계산할 수 있습니다.

위 공식에서:
ㅏ _에프 = 피드백이 있는 전압 이득
ㅏ = 피드백 없는 전압 이득
mv = 피드백 비율

여기에는 다음이 있습니다.
피드백 없는 전압 이득 (ㅏ) = 3000
피드백 비율 (MV) = 0.01

이제 다음 값을 수식에 입력합니다.

따라서 음의 전압 피드백을 갖는 증폭기의 전압 이득은 약 96.77입니다.

예 3: 피드백 저항 계산

피드백 저항 R에 대한 적절한 값을 결정합니다. ₁ 그리고 R ₂ . 개방 루프 전압 이득(AVOL)이 220,000인 연산 증폭기를 사용하여 비반전 증폭기 회로를 안정화해야 합니다. 목표한 폐쇄 루프 이득은 40입니다.

해결책 :

일반적인 폐쇄 루프 피드백 방정식은 다음과 같습니다.

피드백 부분 β를 얻으려면 위의 방정식을 다시 정리하십시오.

이 경우 개방 루프 이득이 너무 높습니다. 따라서 피드백 비율 β는 폐쇄 루프 이득 1/G의 역수와 거의 같습니다. 1/A의 값은 너무 작기 때문에 대략 (0.025)와 같습니다.

위 구성의 저항 R1 및 R2는 직렬 전압 전위 분배 회로를 형성합니다. 폐루프 전압 이득은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

R2의 값을 1000Ω(1kΩ)으로 가정해 보겠습니다. 그런 다음 R의 값 ₁ 다음과 같이 쓸 수 있다

따라서 이득이 40인 비반전 증폭기 회로의 경우 R을 선택해야 합니다. ₁ 39kΩ 및 R ₂ 1kΩ.

긍정적 피드백 시스템과 부정적인 피드백 시스템의 차이점

아래 표에서 긍정적인 피드백 시스템과 부정적인 피드백 시스템의 차이점을 확인할 수 있습니다.

부정적인 피드백 시스템의 응용 및 특성

네거티브 피드백 시스템은 일반 전자 장치에 많이 응용됩니다. 이러한 시스템은 시스템 불안정성, 시스템의 선형성, 주파수 응답 및 계단 응답을 개선했습니다. 네거티브 피드백 시스템의 이러한 이점으로 인해 전자 장치 전체의 많은 증폭기 회로에는 네거티브 피드백 시스템이 있습니다.
부정적인 피드백 시스템에 대한 몇 가지 자세한 설명은 다음과 같습니다.

안정 : 네거티브 피드백 시스템은 원하는 지점과의 편차를 줄여 보다 안정적인 시스템을 구현합니다. 예를 들어 온도 조절 장치는 온도가 선택한 값에 가깝게 유지되도록 합니다.

정확성: 부정적인 피드백 시스템은 오류를 최소화하여 시스템 정확성을 향상시킵니다. 증폭기 회로에서 네거티브 피드백은 왜곡을 줄이고 출력에서 ​​보다 안정적인 신호를 생성합니다.

대역폭 제어 : 네거티브 피드백 시스템을 사용하여 앰프의 대역폭을 제어할 수도 있습니다. 이로 인해 여러 응용 분야에 적합합니다. 이러한 애플리케이션에는 오디오 증폭부터 무선 주파수 증폭까지가 포함됩니다.

소음 감소 : 부정적인 피드백은 원치 않는 소음과 간섭을 줄일 수 있습니다. 소음 감소는 오디오 시스템 및 통신 장치 분야에서 여러 응용 분야를 가지고 있습니다.

동적 응답 : 부정적인 피드백 시스템은 동적 반응 능력을 가지고 있습니다. 이러한 시스템은 주어진 조건에 따라 조정될 수 있습니다. 동적 반응의 예로는 자동차 크루즈 컨트롤 시스템이 있습니다.

대역폭에 대한 부정적인 피드백의 영향

대역폭은 일정한 이득을 갖는 증폭기의 작동 주파수 범위를 설명합니다. 대역폭이 더 높은 시스템은 증폭기가 더 많은 주파수를 처리할 수 있음을 의미합니다. 네거티브 피드백은 입력 측에서 출력을 제공하여 증폭기 이득을 줄입니다. 이는 시스템 안정성과 선형성을 향상시키지만 결과적으로 시스템 이득도 감소시킵니다.

그만큼 대역폭에 대한 부정적인 피드백의 효과 적용되는 피드백의 유형과 양에 따라 다릅니다. 일반적으로 네거티브 피드백은 시스템 이득을 줄여 대역폭을 증가시킵니다. 증폭기 성능의 척도인 이득 대역폭 곱은 피드백에 관계없이 일정하게 유지됩니다.

예를 들어 , 100 및 10kHz 대역폭의 이득을 갖는 피드백이 없는 증폭기 회로를 고려하십시오. 음의 피드백을 적용하여 이득을 10으로 줄입니다. 이렇게 하면 대역폭이 100kHz로 증가합니다. 두 경우 모두 이득-대역폭 곱은 여전히 ​​100 × 10kHz = 1MHz입니다.

그러나 네거티브 피드백은 증폭기의 차단 주파수에도 영향을 미칩니다. 이는 시스템 게인이 최대값에서 떨어지는 주파수입니다. 네거티브 피드백은 차단 주파수를 낮추고 상위 차단 주파수를 높입니다. 이로 인해 앰프의 주파수 응답 곡선이 넓어집니다. 대역폭에 대한 부정적인 피드백의 순 효과는 대역폭에 대한 이득을 교환하는 것입니다.

이는 네거티브 피드백을 적용하면 증폭기가 처리할 수 있는 주파수 범위가 증가한다는 의미입니다. 그러나 이 모든 것은 증폭 계수를 줄이는 대가로 발생합니다.

결론

네거티브 피드백 시스템은 입력 측에서 출력의 일부를 제공하여 출력을 제어하거나 조정할 수 있습니다. 이 피드백은 오류 신호를 생성하여 보다 안정적인 시스템을 제공합니다. 이 오류 신호는 동적이며 전체 시스템을 구동합니다. 네거티브 피드백 시스템은 시스템 정확도를 향상시키고 대역폭을 제어할 수도 있습니다. 이 피드백 시스템은 소음 제거 또는 자동차 크루즈 컨트롤 시스템과 같은 증폭기 회로에 사용됩니다. 이 기사에서 부정적인 피드백에 대한 자세한 설명을 읽어보세요.