Feedback

Als een bepaald percentage van het uitgangssignaal van een versterker is aangesloten op de ingang, zodat de versterker een deel van het uitgangssignaal versterkt, hebben we wat bekend staat als feedback .

Feedbackcategorieën

Feedback is er in twee varianten: positief (ook genoemd) regeneratief ) , en negatief (ook genoemd) degeneratief ) .

Positieve feedback

Versterkt de richting van de verandering van de uitgangsspanning van een versterker, terwijl negatieve feedback precies het tegenovergestelde doet.

Een bekend voorbeeld van feedback vindt plaats in public-address ("PA")-systemen waarbij iemand de microfoon te dicht bij een spreker houdt:een hoog "gejank" of "gehuil" volgt, omdat het audioversterkersysteem zijn geluid detecteert en versterkt. lawaai. Dit is specifiek een voorbeeld van positief of regeneratief feedback, omdat elk geluid dat door de microfoon wordt gedetecteerd, wordt versterkt en door de spreker wordt omgezet in een luider geluid, dat vervolgens weer door de microfoon wordt gedetecteerd, enzovoort. . . het resultaat is een geluid met een gestaag toenemend volume totdat het systeem "verzadigd" raakt en geen volume meer kan produceren.

Je kunt je afvragen wat mogelijke voordeelfeedback is voor een versterkercircuit, gezien zo'n irritant voorbeeld als het 'gehuil' van een PA-systeem. Als we positieve of regeneratieve feedback in een versterkercircuit introduceren, heeft het de neiging om oscillaties te creëren en in stand te houden, waarvan de frequentie wordt bepaald door de waarden van componenten die het feedbacksignaal van output naar input verwerken. Dit is een manier om een ​​oscillator te maken circuit om AC te produceren uit een DC-voeding. Oscillatoren zijn zeer nuttige circuits, en dus heeft feedback een duidelijke, praktische toepassing voor ons.

Negatieve feedback

Aan de andere kant heeft negatieve feedback een "dempend" effect op een versterker:als het uitgangssignaal in omvang toeneemt, introduceert het feedbacksignaal een afnemende invloed op de ingang van de versterker, waardoor de verandering in het uitgangssignaal wordt tegengegaan. Terwijl positieve feedback een versterkercircuit naar een punt van instabiliteit (oscillaties) stuurt, drijft negatieve feedback het in de tegenovergestelde richting:naar een punt van stabiliteit.

Een versterkerschakeling die is uitgerust met enige negatieve feedback is niet alleen stabieler, maar vervormt de ingangsgolfvorm ook minder en is over het algemeen in staat om een ​​groter frequentiebereik te versterken. De afweging voor deze voordelen (er is gewoon heeft een nadeel zijn voor negatieve feedback, toch?) is verminderde winst. Als een deel van het uitgangssignaal van een versterker wordt "teruggekoppeld" naar de ingang om eventuele veranderingen in de uitgang tegen te gaan, zal een grotere ingangssignaalamplitude nodig zijn om de uitgang van de versterker naar dezelfde amplitude als voorheen te sturen. Dit betekent een verminderde winst. De voordelen van stabiliteit, lagere vervorming en grotere bandbreedte zijn echter de afweging waard in verminderde versterking voor veel toepassingen.

Laten we een eenvoudig versterkercircuit bekijken en kijken hoe we er negatieve feedback in kunnen introduceren, te beginnen met de onderstaande afbeelding.

Common-emitter-versterker zonder feedback.

De hier getoonde versterkerconfiguratie is een common-emitter, met een weerstandsbiasnetwerk gevormd door R1 en R2. De condensator koppelt Vinput aan de versterker, zodat de signaalbron geen gelijkspanning krijgt opgelegd door het R1/R2-delernetwerk. Weerstand R3 dient om de spanningsversterking te regelen. We zouden het kunnen weglaten voor maximale spanningsversterking, maar aangezien basisweerstanden zoals deze gebruikelijk zijn in common-emitter versterkercircuits, houden we het in dit schema.

Zoals alle common-emitter versterkers, inverteert het ingangssignaal zoals het wordt versterkt. Met andere woorden, een positief gaande ingangsspanning zorgt ervoor dat de uitgangsspanning afneemt of naar de negatieve gaat, en vice versa.

De golfvormen van de oscilloscoop worden weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Common-emitter-versterker, geen feedback, met referentiegolfvormen ter vergelijking.

Omdat de uitgang geïnverteerd is, of spiegelbeeld, reproductie van het ingangssignaal, zal elke verbinding tussen de uitgangsdraad (collector) en de ingangsdraad (basis) van de transistor in de onderstaande afbeelding resulteren in negatieve feedback.

Negatieve feedback, collectorfeedback, verlaagt het uitgangssignaal.

De weerstanden van R1, R2, R3 en Rfeedback werken samen als een signaalmengnetwerk, zodat de spanning aan de basis van de transistor (ten opzichte van aarde) een gewogen gemiddelde is van de ingangsspanning en de feedbackspanning, resulterend in een signaal met verminderde amplitude dat de transistor binnengaat. Het versterkercircuit in de bovenstaande afbeelding heeft dus een verminderde spanningsversterking, maar een verbeterde lineariteit (verminderde vervorming) en een grotere bandbreedte.

Een weerstand die de collector met de basis verbindt, is echter niet de enige manier om negatieve feedback in dit versterkercircuit te introduceren. Een andere methode, hoewel in het begin moeilijker te begrijpen, omvat de plaatsing van een weerstand tussen de emitterterminal van de transistor en de circuitaarde in de onderstaande afbeelding.

Emitterfeedback:een andere methode om negatieve feedback in een circuit te introduceren.

Deze nieuwe terugkoppelweerstand verlaagt de spanning evenredig met de emitterstroom door de transistor, en wel op een zodanige manier dat de invloed van het ingangssignaal op de basis-emitterovergang van de transistor wordt tegengegaan. Laten we de emitter-basisovergang eens nader bekijken en zien welk verschil deze nieuwe weerstand maakt in de onderstaande afbeelding.

Zonder terugkoppelingsweerstand die de emitter met aarde verbindt in de onderstaande afbeelding (a), zal ongeacht het niveau van het ingangssignaal (Vinput) het door de koppelcondensator en het R1/R2/R3-weerstandsnetwerk direct over de basis-emitterovergang worden gedrukt als de ingangsspanning van de transistor (VB-E). Met andere woorden, zonder feedbackweerstand is VB-E gelijk aan Vinput. Als Vinput dus met 100 mV toeneemt, neemt VB-E met 100 mV toe:een verandering in de ene is hetzelfde als een verandering in de andere, aangezien de twee spanningen gelijk zijn aan elkaar.

Laten we nu eens kijken naar de effecten van het invoegen van een weerstand (Rfeedback) tussen de emitterleiding en aarde van de transistor in het onderstaande figuur (b).

(a) Geen feedback vs (b) emitterfeedback. Een golfvorm bij de collector is omgekeerd ten opzichte van de basis. Bij (b) is de emittergolfvorm in fase (emittervolger) met basis, uit fase met collector. Daarom wordt het emittersignaal afgetrokken van het collectoruitgangssignaal.

Merk op hoe de spanning die over Rfeedback is gedaald, samen met VB-E gelijk is aan Vinput. Met Rfeedback in de Vinput—VB-E-lus, zal VB-E niet langer gelijk zijn aan Vinput. We weten dat Rfeedback een spanning zal laten vallen die evenredig is met de emitterstroom, die op zijn beurt wordt geregeld door de basisstroom, die op zijn beurt wordt geregeld door de spanning die over de basis-emitterovergang van de transistor (VB-E) valt. Dus als Vinput in positieve richting zou toenemen, zou het VB-E verhogen, waardoor meer basisstroom ontstaat, meer collectorstroom (laadstroom) ontstaat, meer emitterstroom wordt veroorzaakt en meer feedbackspanning over Rfeedback daalt. Deze toename van de spanningsval over de feedbackweerstand trekt echter af van Vinput om de VB-E te verlagen, zodat de werkelijke spanningstoename voor VB-E kleiner zal zijn dan de spanningstoename van Vinput. Een toename van 100 mV in Vinput zal niet langer resulteren in een volledige toename van 100 mV voor VB-E, omdat de twee spanningen niet zijn gelijk aan elkaar.

Bijgevolg heeft de ingangsspanning minder controle over de transistor dan voorheen en wordt de spanningsversterking voor de versterker verminderd:precies wat we verwachtten van negatieve feedback.

In praktische common-emitter-circuits is negatieve feedback niet alleen een luxe; het is een noodzaak voor een stabiele werking. In een perfecte wereld zouden we een common-emitter-transistorversterker kunnen bouwen en gebruiken zonder negatieve feedback, en de volledige amplitude van Vinput op de basis-emitterovergang van de transistor laten drukken. Dit zou ons een grote spanningsversterking opleveren. Helaas verandert de relatie tussen basis-emitterspanning en basis-emitterstroom echter met de temperatuur, zoals voorspeld door de "diodevergelijking". Naarmate de transistor warmer wordt, zal er voor een gegeven stroom minder spanningsval in de voorwaartse richting over de basis-emitterovergang zijn. Dit veroorzaakt een probleem voor ons, omdat het R1/R2-spanningsdelernetwerk is ontworpen om de juiste ruststroom door de basis van de transistor te leveren, zodat het zal werken in elke gewenste bedrijfsklasse (in dit voorbeeld heb ik laten zien de versterker werkt in klasse-A-modus). Als de spanning/stroomrelatie van de transistor verandert met de temperatuur, verandert de hoeveelheid DC-voorspanning die nodig is voor de gewenste bedrijfsklasse. Een hete transistor zal meer biasstroom trekken voor dezelfde hoeveelheid biasspanning, waardoor hij nog meer opwarmt en nog meer biasstroom trekt. Het resultaat, indien niet aangevinkt, heet thermal runaway .

Common-collectorversterkers (figuur hieronder) hebben echter geen last van thermische runaway. Waarom is dit? Het antwoord heeft alles te maken met negatieve feedback.

Gemeenschappelijke collector (emittervolger) versterker.

Merk op dat de versterker met gemeenschappelijke collector (figuur hierboven) zijn belastingsweerstand op dezelfde plek heeft geplaatst als waar we de Rfeedback-weerstand hadden in het laatste circuit in figuur hierboven (b):tussen emitter en aarde. Dit betekent dat de enige spanning die wordt aangelegd over de basis-emitterovergang van de transistor het verschil is tussen Vinput en Voutput, wat resulteert in een zeer lage spanningsversterking (meestal dicht bij 1 voor een common-collectorversterker). Thermische runaway is onmogelijk voor deze versterker:als de basisstroom stijgt als gevolg van de verwarming van de transistor, zal de emitterstroom eveneens toenemen, waardoor er meer spanning over de belasting daalt, wat op zijn beurt aftrekt van Vinput om de hoeveelheid spanning tussen basis en emitter te verminderen. Met andere woorden, de negatieve feedback die wordt geboden door de plaatsing van de belastingsweerstand maakt het probleem van thermische op hol geslagen zelfcorrigerende . In ruil voor een sterk verminderde spanningsversterking, krijgen we uitstekende stabiliteit en immuniteit tegen thermische runaway.

Door een "feedback" -weerstand tussen emitter en aarde toe te voegen in een common-emitter-versterker, laten we de versterker zich iets minder gedragen als een "ideale" common-emitter en iets meer als een common-collector. De waarde van de feedbackweerstand is meestal een stuk minder dan de belasting, waardoor de hoeveelheid negatieve feedback wordt geminimaliseerd en de spanningsversterking redelijk hoog blijft.

Een ander voordeel van negatieve feedback, duidelijk te zien in het common-collectorcircuit, is dat het de spanningsversterking van de versterker minder afhankelijk maakt van de kenmerken van de transistor. Merk op dat in een versterker met gemeenschappelijke collector de spanningsversterking bijna gelijk is aan één (1), ongeacht de β van de transistor. Dit betekent onder andere dat we de transistor in een versterker met gemeenschappelijke collector kunnen vervangen door een met een andere β en geen significante veranderingen in de spanningsversterking zien. In een common-emitter-circuit is de spanningsversterking sterk afhankelijk van β. Als we de transistor in een common-emitter-circuit zouden vervangen door een andere van verschillende β, zou de spanningsversterking voor de versterker aanzienlijk veranderen. In een common-emitter-versterker die is uitgerust met negatieve feedback, zal de spanningsversterking tot op zekere hoogte nog steeds afhankelijk zijn van transistor β, maar niet zo veel als voorheen, waardoor het circuit voorspelbaarder wordt ondanks variaties in transistor β.

Het feit dat we negatieve feedback in een common-emitter-versterker moeten introduceren om thermische runaway te voorkomen, is een onbevredigende oplossing. Is het mogelijk om thermische runaway te voorkomen zonder de inherent hoge spanningsversterking van de versterker te onderdrukken? Een best-of-both-worlds-oplossing voor dit dilemma is voor ons beschikbaar als we het probleem nauwkeurig onderzoeken:de spanningsversterking die we moeten minimaliseren om thermische runaway te voorkomen, is de DC spanningsversterking, niet de AC spanningswinst. Het is tenslotte niet het AC-ingangssignaal dat de thermische uitbarsting voedt:het is de DC-voorspanning die nodig is voor een bepaalde bedrijfsklasse:dat rustige DC-signaal dat we gebruiken om de transistor (in wezen een DC-apparaat) te "misleiden" om te versterken een AC-signaal. We kunnen de DC-spanningsversterking in een common-emitter-versterkercircuit onderdrukken zonder de AC-spanningsversterking te onderdrukken als we een manier bedenken om de negatieve feedback alleen met DC te laten werken. Dat wil zeggen, als we alleen een omgekeerd DC-signaal terugkoppelen van output naar input, maar geen omgekeerd AC-signaal.

De Rfeedback-emitterweerstand zorgt voor negatieve feedback door een spanning te laten vallen die evenredig is met de belastingsstroom. Met andere woorden, negatieve feedback wordt bereikt door een impedantie in het emitterstroompad in te voegen. Als we DC willen terugkoppelen maar niet AC, hebben we een impedantie nodig die hoog is voor DC maar laag voor AC. Wat voor soort circuit heeft een hoge impedantie voor DC maar een lage impedantie voor AC? Een hoogdoorlaatfilter natuurlijk!

Door een condensator parallel aan te sluiten op de feedbackweerstand in het onderstaande figuur, creëren we precies de situatie die we nodig hebben:een pad van de emitter naar aarde dat gemakkelijker is voor AC dan voor DC.

Hoge AC-spanningsversterking hersteld door Cbypass parallel toe te voegen met Rfeedback

De nieuwe condensator "omzeilt" AC van de emitter van de transistor naar aarde, zodat er geen noemenswaardige AC-spanning van de emitter naar de aarde zal vallen om naar de ingang te "terugkoppelen" en de spanningsversterking te onderdrukken. Gelijkstroom, aan de andere kant, kan niet door de bypass-condensator gaan en moet dus door de feedbackweerstand gaan, waardoor een gelijkspanning tussen emitter en aarde daalt, waardoor de gelijkspanningsversterking wordt verlaagd en de gelijkstroomrespons van de versterker wordt gestabiliseerd, waardoor thermische uitschakeling wordt voorkomen. Omdat we willen dat de reactantie van deze condensator (XC) zo laag mogelijk is, moet Cbypass relatief groot worden gedimensioneerd. Omdat de polariteit over deze condensator nooit zal veranderen, is het veilig om een ​​gepolariseerde (elektrolytische) condensator voor de taak te gebruiken.

Een andere benadering van het probleem van negatieve feedback die de spanningsversterking vermindert, is het gebruik van meertrapsversterkers in plaats van versterkers met enkele transistor. Als de verzwakte versterking van een enkele transistor onvoldoende is voor de taak die voor ons ligt, kunnen we meer dan één transistor gebruiken om de reductie veroorzaakt door feedback te compenseren. Een voorbeeldcircuit met negatieve feedback in een drietraps common-emitter-versterker in de onderstaande afbeelding.

Feedback rond een "oneven" aantal direct gekoppelde common-emitter-trappen produceert negatieve feedback.

Het feedbackpad van de uiteindelijke uitgang naar de ingang is via een enkele weerstand, Rfeedback. Aangezien elke trap een common-emitter-versterker is (dus inverterend), zal het oneven aantal trappen van ingang naar uitgang het uitgangssignaal omkeren; de feedback zal negatief (degeneratief) zijn. Er kunnen relatief grote hoeveelheden feedback worden gebruikt zonder dat dit ten koste gaat van de spanningsversterking, omdat de drie versterkertrappen om te beginnen veel versterking bieden.

In eerste instantie lijkt deze ontwerpfilosofie misschien onelegant en misschien zelfs contraproductief. Is dit niet een nogal grove manier om het verlies aan winst opgelopen door het gebruik van negatieve feedback te overwinnen, om eenvoudigweg de winst te herstellen door fase na fase toe te voegen? Wat heeft het voor zin om een ​​enorme spanningsversterking te creëren met behulp van drie transistortrappen als we al die winst toch gewoon gaan verzwakken met negatieve feedback? Het punt, hoewel in eerste instantie misschien niet duidelijk, is de verhoogde voorspelbaarheid en stabiliteit van het circuit als geheel. Als de drie transistortrappen zijn ontworpen om een ​​willekeurig hoge spanningsversterking (in de tienduizenden of meer) te leveren zonder feedback, zal blijken dat de toevoeging van negatieve feedback ervoor zorgt dat de algehele spanningsversterking minder afhankelijk wordt van de individuele stadiumwinsten, en ongeveer gelijk aan de eenvoudige verhouding Rfeedback/Rin. Hoe meer spanningsversterking het circuit heeft (zonder feedback), hoe dichter de spanningsversterking Rfeedback/Rin zal benaderen zodra de feedback tot stand is gebracht. Met andere woorden, de spanningsversterking in dit circuit wordt bepaald door de waarden van twee weerstanden, en niets meer.

Dit is een voordeel voor massaproductie van elektronische schakelingen:als versterkers met een voorspelbare versterking kunnen worden geconstrueerd met behulp van transistors met zeer uiteenlopende β-waarden, wordt de selectie en vervanging van componenten eenvoudiger. Het betekent ook dat de versterking van de versterker weinig varieert met veranderingen in temperatuur. Dit principe van stabiele versterkingsregeling via een high-gain versterker die wordt 'getemd' door negatieve feedback, wordt bijna tot een kunstvorm verheven in elektronische circuits die operationele versterkers worden genoemd , of op-amps . U kunt in een later hoofdstuk van dit boek nog veel meer over deze circuits lezen!

BEOORDELING:

• Feedback is de koppeling van de uitgang van een versterker aan zijn ingang.
• Positief , of regeneratief feedback heeft de neiging om een ​​versterkerschakeling instabiel te maken, zodat er oscillaties (AC) ontstaan. De frequentie van deze oscillaties wordt grotendeels bepaald door de componenten in het feedbacknetwerk.
• Negatief , of degeneratief feedback heeft de neiging om een ​​versterkerschakeling stabieler te maken, zodat de output minder verandert voor een bepaald ingangssignaal dan zonder terugkoppeling. Dit vermindert de versterking van de versterker, maar heeft als voordeel dat de vervorming afneemt en de bandbreedte toeneemt (het frequentiebereik dat de versterker aankan).
• Negatieve feedback kan in een common-emitter-circuit worden geïntroduceerd door de collector aan de basis te koppelen of door een weerstand tussen de emitter en aarde te plaatsen.
• Een emitter-naar-aarde "feedback" -weerstand wordt meestal gevonden in common-emitter-circuits als preventieve maatregel tegen thermische runaway .
• Negatieve feedback heeft ook het voordeel dat de versterking van de versterkerspanning meer afhankelijk is van weerstandswaarden en minder afhankelijk van de karakteristieken van de transistor.
• Common-collectorversterkers hebben veel negatieve feedback, vanwege de plaatsing van de belastingsweerstand tussen emitter en aarde. Deze feedback verklaart de extreem stabiele spanningsversterking van de versterker, evenals zijn immuniteit tegen thermische uitschakeling.
• Spanningsversterking voor een common-emitter-circuit kan worden hersteld zonder de immuniteit voor thermische runaway op te offeren, door een bypass-condensator aan te sluiten parallel met de emitter "feedbackweerstand."
• Als de spanningsversterking van een versterker willekeurig hoog is (tienduizenden of meer), en negatieve feedback wordt gebruikt om de versterking tot een redelijk niveau te verlagen, zal blijken dat de versterking ongeveer gelijk zal zijn aan R_feedback /R_in . Veranderingen in transistor β of andere interne componentwaarden hebben weinig effect op de spanningsversterking met feedback in bedrijf, wat resulteert in een versterker die stabiel en gemakkelijk te ontwerpen is.

• Klasse A BJT versterkers werkblad