Informieren Sie sich über Elektronikmodul 3.1 Negative Feedbackverstärkung Nach dem Studium dieses Abschnittes sollten Sie in der Lage sein, die Grundprinzipien von NFB zu verstehen, wie sie auf Verstärker angewendet werden. Stier Offene Schleifenverstärkung. Stier Geschlossene Schleifenverstärkung. Bull Die Beziehung zwischen Beta und Gewinn. Bull Gründe für das Verwenden des negativen Rückgespräches. Warum NFB in Verstärkern erforderlich ist Transistoren können nicht hergestellt werden, um einen eng kontrollierten Wert der Stromverstärkung h fe zu haben, daher sollte es nicht möglich sein, eine Anzahl von Beispielen der gleichen Verstärkerschaltung aufzubauen, die alle dieselbe Verstärkung haben. Zusätzlich variiert die Verstärkung eines Transistors mit der Temperatur und hat sogar eine unterschiedliche Verstärkung bei verschiedenen Frequenzen. Alle diese Faktoren würden Transistor-Verstärker völlig unzuverlässig machen und unmöglich in großen Zahlen zu machen. Der Hauptgrund, dass diese Situation nicht existiert, und Transistor-Verstärker haben sich die Hauptstütze der Elektronik-Industrie ist die Einführung, sehr früh in der Transistorrsquos Geschichte, der negativen Rückkopplung. Prinzip des NFB Das Prinzip der negativen Rückkopplung besteht darin, dass ein Teil des Ausgangssignals zum Eingang zurückgeführt und mit dem Eingangssignal so kombiniert wird, dass es reduziert wird. Dies verringert die Gesamtverstärkung des Verstärkers, bringt aber auch eine Anzahl von Vorteilen, wie Verringerung von Verzerrung und Rauschen, und eine Erweiterung der Verstärkerbandbreite bei. Probleme mit NFB Einführung von Feedback in einem System kann auch die Möglichkeit der Instabilität in Verstärkern das Signal wird in der Regel eine Phasenumkehr von 180 Grad zwischen Eingang und Ausgang, aber reaktive Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten, ob tatsächliche Komponenten oder lsquostrayrsquo Kapazität und Induktivität, Kann unerwünschte Phasenänderungen bei bestimmten (üblicherweise hohen) Frequenzen einführen. Wenn diese zusätzlichen Änderungen bei einer beliebigen Frequenz, bei der der Transistor eine Verstärkung von mehr als 1 hat, bis zu weiteren 180 Grad addieren, kann die Anwendung einer negativen Rückkopplung zu einer positiven Rückkopplung werden. Anstatt den Verstärkungsfaktor zu verkleinern, erhöht sich dies auf den Punkt, an dem der Verstärker ein Oszillator wird und unerwünschte Signale erzeugt. Negatives Feedback muss daher so gestaltet werden, dass die oben erwähnten Vorteile maximiert werden, ohne dass unerwünschte Probleme auftreten. Feige. 3.1.1 Open Loop Mode Der Verstärker im Open Loop Modus Abb. 3.1.1 zeigt einen Phasenumkehrspannungsverstärker mit Verstärkung im Open-Loop-Betrieb, d. H. Ohne Rückkopplung, die als A o (A mplification in o pen loop mode) bezeichnet werden kann. Wenn ein Eingangssignal von 1 mV angelegt wird, dann ist das Ausgangssignal ein invertiertes (anti45phase) Signal mit einer Amplitude von 1 mV × A o A o (mV). Feige. 3.1.2 Closed Loop Mode Der Negative Rückkopplungsverstärker im Closed Loop Mode ist in Abb. 1 dargestellt. 3.1.2 wobei der Phasenumkehrverstärker einen Bruchteil seines Ausgangssignals (V out) aufweist, der zurückgeführt und dem Eingang (V in) hinzugefügt wird, um die Amplitude des Eingangssignals zu verringern. Die Pfeile zeigen die relative Polarität der Signale und es ist ersichtlich, dass der Ausgang und die Rückkopplungssignale in Anti-45-Phase zum Eingangssignal sind. Der Bruchteil des zurückzukoppelnden Ausgangssignals wird durch den Potentialteiler (beta) gesteuert, und dieser Bruchteil wird zu dem Eingangssignal in anti45phase addiert, so daß er von dem Eingangssignal (Vin) effektiv subtrahiert wird, um a zu ergeben (V c), das in der Amplitude verringert ist, bevor es dem tatsächlichen Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Die Verstärkung des Verstärkers, mit Ausnahme jeglicher Rückkopplung, ist A & sub0 ;, so daß beispielsweise alle 1mV an den Eingangsanschlüssen der Schaltung anliegen, erzeugt der Verstärker ein phasenumkehrendes Signal von Ao · 1mV an den Ausgangsanschlüssen. Die Rückkopplungsschaltung, die R & sub1; und R & sub2; umfaßt, wird einen Bruchteil (beta) des Ausgangssignals Vout zurückführen, wobei A & sub0; So dass A o x betamV (Abeta) in anti45phase zu dem 1mV Signal addiert wird, um ein verringertes Eingangssignal von Vc zu erzeugen. Die Signalquelle V beim Ansteuern des Verstärkers muss daher nicht 1mV, sondern 1AbetamV liefern, um die gleiche Ausgangsamplitude zu erzeugen. Daher wird die Gesamtverstärkung des Verstärkers mit negativer Rückkopplung reduziert und wird nun die Verstärkung der geschlossenen Schleife (A c) genannt. Negative Rückkopplungsformel Die Spannungsverstärkung eines beliebigen Verstärkers kann durch die folgende Formel beschrieben werden: Weil im geschlossenen Regelkreis-Rückkopplungsverstärker (Bild 3.1.2): Negatives Feedback, Teil 4: Einführung in die Stabilität Sie donrsquot müssen die Seiten wechseln jedes Mal, wenn Sie die allgemeine Feedback-Struktur erwägen wollen, ist hier das Diagramm im ersten Artikel: No Free Lunch. Die vorherigen Artikel in dieser Serie haben gezeigt, dass negative Rückkopplung eine einfache, kostengünstige Technik ist, die es uns ermöglicht, die Leistungsfähigkeit von Verstärkerschaltungen erheblich zu verbessern. Zuerst scheint es, dass wir etwas für fast nichts bekommen, bis wir uns erinnern, dass alle diese Vorteile auf Kosten des reduzierten Gewinns kommen. Allerdings ist diese zusätzliche Verstärkung leicht verfügbar von Standard-Halbleiter-Bauelementen, und darüber hinaus benötigen wir in der Regel donrsquot Notwendigkeit oder sogar wollen alle, die gewinnen. So wieder scheinen wir etwas für fast nichts bekommen, und so können alle außer den ergebensten Optimisten verdächtig werden. Sicherlich gibt es einige andere Nachteile, sagen Sie, etwas anderes, dass wir verlieren, wenn wir hinzufügen, dass scheinbar wohltätige negative Feedback-Netzwerk. Nun, Ihre Intuition dient Ihnen gut, denn wenn wir nicht vorsichtig sind, werden wir etwas ganz wichtiges verlieren: Stabilität. Die vielen Vorteile von negativen Feedback wird schnell vergessen und verachtet, wenn Sie feststellen, dass Ihr Verstärker hat sich zu einem Oszillator. In gewisser Weise ist die katastrophale Schwingung jedoch nicht so schlimm, denn das Problem liegt auf der Hand. Randstabilität. Was zu einem übermäßigen Klingeln im Zeitbereich und einem Peaking im Frequenzbereich führt, kann ein schwer bestimmbarer Störungsmacher sein. Noch schlimmer ist, dass eine geringfügig stabile Schaltung während des Testens funktional sein kann, aber nutzlos ist, wenn der Verstärker verschiedenen Betriebs - oder Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Daher ist es entscheidend, dass wir gründlich verstehen, warum negative Rückkopplungen zu Schwingungen führen können und wie sichergestellt werden kann, dass sich der Verstärker verstärkt und nicht oszilliert. Wenn Negativ Positiv wird, sollte es keine Überraschung geben, dass positive Rückkopplungen zu Schwingungen führen können: 1) Ein Eingangssignal anlegen 2) Verstärkung des Eingangssignals 3) Speisung des verstärkten Ausgangs zurück und Hinzufügen zum Eingang 4) Der Eingang ist nun größer , Und dieser größere Eingang wird verstärkt 5) der verstärkte Ausgang wird wieder zurückgeführt und dem Eingang 6 hinzugefügt, der Eingang ist wieder größer, wird wieder verstärkt, erhält wieder positive Rückmeldung und so weiter. Offensichtlich ist dies eine ldquounstablerdquo Situation, in der das Ausgangssignal rasch ansteigt, bis es durch irgendeine externe Bedingung (gewöhnlich die Versorgungsspannungen) begrenzt ist. Aber warum sollte eine negative Rückkopplung oszillation verursachen Durch Subtrahieren des Ausgangssignals von dem Eingangssignal stellen wir sicher, daß die Erhöhung des Eingangssignals immer zu einem Gegengewicht führt, das durch Rückkopplung abnimmt. Es gibt nur einen Haken: Wenn ein Wechselstromsignal eine 180-Grad-Phasenverschiebung erfährt, bevor es rückgekoppelt und subtrahiert wird, ist unser negatives Feedback gerade positiv geworden. In dem linken Diagramm subtrahieren wir eine positive Zahl von einer positiven Zahl und eine negative Zahl von einer negativen Zahl. Das ist ja Subtraktion. In dem rechten Diagramm subtrahieren wir eine negative Zahl von einer positiven Zahl und eine positive Zahl von einer negativen Zahl. Dies ist nicht mehr negative Rückkopplung, wenn die Größe der positiven und negativen Zahlen steigt. Die Schleifenverstärkung Die Größe, die direkt bestimmt, ob eine negative Rückkopplungsschaltung stabil ist, ist nicht die Verstärkung mit geschlossener Schleife oder die Verstärkung mit offener Schleife, sondern die Schleifenverstärkung. Geschrieben als Abeta. Erinnere dich an unsere Formel für den Gewinn einer geschlossenen Schleife: Diese Formel setzt voraus, daß Abeta eine positive Zahl ist (weil positive Abeta bedeutet, daß die Rückkopplung negativ ist). Was passiert, wenn Abeta nicht positiv ist Betrachten Sie den Fall, wenn Abeta -1: In diesem Zusammenhang entspricht eine geschlossene Schleife Verstärkung von unendlich einem Oszillator mdasheven mit Null-Eingang der Ausgang ist gesättigt. Somit ist die kritische Größe in der Stabilitätsanalyse die Schleifenverstärkung. Es ist wichtig, ein solides begriffliches Verständnis dafür zu entwickeln, warum Stabilitätsprobleme auftreten und wie sie zu verhindern sind. Diese Frage-und-Antwort-Sequenz sollte helfen, einige der prominenten Punkte der Verwirrung anzusprechen. F: Woher kommt diese Phasenverschiebung aus I didnrsquot bitten um jede Phasenverschiebung in meinem Verstärker. A: Denken Sie daran, dass alle Verstärker letztendlich einen Gewinnabzug bei hohen Frequenzen aufweisen werden. Die intern kompensierten Operationsverstärker beginnen bei sehr niedrigen Frequenzen zu rollen. In jedem Fall wird dieser Roll-off durch Pole irgendwo in der Schaltung verursacht, und Pole immer bringen Phasenverschiebung sowie sinkende Verstärkung. Q: OK, also habe ich Phasenverschiebung. Aber alle meine Operationsverstärker sind für DC - oder niederfrequente Anwendungen gedacht. Es wird nicht viel Phasenverschiebung für meine Signale, so dass ich donrsquot haben, um die Stabilität Sorgen, rechts A: Gute Frage. Leider ist die Häufigkeit Ihrer Signal-of-Interest weitgehend irrelevant. Real-Life-Signale haben immer Rauschen, und einige dieser Rauschen werden bei hohen Frequenzen sein. Außerdem enthält jeder Störspannungs-Transient hochfrequente Energie. Denken Sie daran, mit genug Phasenverschiebung haben wir es mit positivemdashi. e zu tun. Regenerativen mdashfeedback. Selbst wenn diese unausweichlichen Hochfrequenzkomponenten von sehr geringer Amplitude sind, wird die regenerative Natur der positiven Rückkopplung, wenn Ihre Schaltung nicht inhärent stabil ist, ihre Amplitude erhöhen, bis Oszillationen sichtbar werden. Q: Itrsquos hoffnungslos, dann Amplifiers zeigen immer Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen, und Signale sind immer abhängig von Hochfrequenz-Komponenten, wie kann eine Schaltung immer stabil sein A: Donrsquot despairmdashthis ist, wo die Schleife gewinnen kommt. Denken Sie über die allgemeine Feedback-Struktur : Alle Signale, die um die Rückkopplungsschleife herumlaufen, werden mit A multipliziert, dann beta. Deshalb nennen wir Abeta den ldquolooprdquo Gewinn. Wenn Abeta bei den hohen Frequenzen, bei denen die Phasenverschiebung 180 Grad übersteigt, kleiner als Eins ist, verschwinden die hochfrequenten phasenverschobenen Signale allmählich, anstatt fortschreitend zu Hauptschwingungen aufzubauen. Stellen Sie sicher, dass Sie dies verstehen. Bild kleine Sinuswellen, die durch die Abeta-Schleife reisen: Wenn Abeta größer als Einheit ist, werden die Sinuswellen aufeinander aufbauen, jedesmal wenn sie die Schleife durchlaufen, und ihre Amplitude nimmt allmählich zu, weil Abeta sie verstärkt. Wenn Abeta kleiner als Eins ist, werden die Signale allmählich in Bedeutungslosigkeit gedämpft, obwohl sie sich am ldquosubtractionrdquo-Knoten verstärken. Das Stabilitätskriterium Nun können wir das theoretische Stabilitätskriterium explizit angeben, wobei ldquoloop gainrdquo auf den Frequenzgang der Verstärkung mit offener Schleife, multipliziert mit dem Frequenzgang des Rückkopplungsnetzwerkes (dh Schleifenverstärkung Abeta als Funktion der Frequenz) bezieht: if Die Schleife gainrsquos Größe ist kleiner als Einheit bei der Frequenz, wo die Schleife gainrsquos Phasenverschiebung ist 180deg, ist die Schaltung stabil. In der Praxis muß die Schleifenverstärkung signifikant kleiner als Eins bei dieser Frequenz sein, um Grenzstabilität zu vermeiden. Fazit Jetzt wissen wir, warum Negativ-Rückkopplungsverstärker anfällig für Oszillation sind und welcher Zustand vorhanden sein muss, um Stabilität zu gewährleisten. Aber es gibt viel mehr zur Stabilitätsgeschichte, wie bevorstehende Artikel demonstrieren werden. Im nächsten Artikel werden wir Frequenzbereichssimulationen verwenden, um die Schleifenverstärkung weiter zu verstehen. Wir werden auch diskutieren Gewinnmarge und Phase-Marge, die zwei eng miteinander verbundenen Parameter verwendet werden, um einen Verstärker rsquos Grad der Stabilität zu bewerten.
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