피드백 시스템
피드백 시스템에서는 양수 또는 음수 출력 신호의 전부 또는 일부가 입력으로 피드백됩니다.
피드백 시스템은 신호를 처리하므로 신호 프로세서입니다. 피드백 시스템의 처리 부분은 전기적이거나 전자적일 수 있으며 매우 단순한 회로부터 매우 복잡한 회로까지 다양합니다.
간단한 아날로그 피드백 제어 회로는 트랜지스터, 저항기, 커패시터 등과 같은 개별 또는 개별 부품을 사용하여 구성할 수 있으며, 마이크로프로세서 기반 및 집적 회로(IC)를 사용하여 보다 복잡한 디지털 피드백 시스템을 구성할 수 있습니다.
우리가 살펴본 바와 같이, 개방형 루프 시스템은 개방형이며 이득 및 안정성, 온도, 공급 전압과 같은 회로 매개변수의 변화로 인한 회로 조건의 변화나 부하 조건의 변화를 보상하려는 시도가 이루어지지 않습니다. 변형 및/또는 외부 방해. 그러나 피드백을 도입하면 이러한 "개방 루프" 변형의 효과를 제거하거나 적어도 상당히 줄일 수 있습니다 .
피드백 시스템은 출력 신호를 샘플링한 다음 입력으로 다시 피드백하여 시스템을 구동하는 오류 신호를 형성하는 시스템입니다. 폐쇄 루프 시스템에 대한 이전 튜토리얼에서 우리는 일반적으로 피드백이 시스템의 출력 신호 중 일부가 응답을 생성하는 방식으로 효과적인 입력 신호를 수정하도록 허용하는 하위 회로로 구성된다는 것을 확인했습니다. 그러한 피드백이 없을 때 생성된 응답과 크게 다를 수 있습니다.
피드백 시스템은 매우 유용하며 증폭기 회로, 발진기, 프로세스 제어 시스템 및 기타 유형의 전자 시스템에 널리 사용됩니다. 그러나 피드백이 효과적인 도구가 되려면 피드백을 제어해야 합니다. 제어되지 않은 시스템은 진동하거나 기능하지 못하기 때문입니다. 피드백 시스템의 기본 모델은 다음과 같습니다.
피드백 시스템 블록 다이어그램 모델
감지, 제어 및 작동의 기본 피드백 루프는 피드백 제어 시스템의 기본 개념이며 피드백이 전자 회로에 적용되고 사용되는 몇 가지 이유가 있습니다.
- 시스템 이득 및 응답과 같은 회로 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
- 회로 특성은 공급 전압이나 온도 변화와 같은 작동 조건에 독립적으로 만들어질 수 있습니다.
- 사용된 구성 요소의 비선형 특성으로 인한 신호 왜곡을 크게 줄일 수 있습니다.
- 회로나 시스템의 주파수 응답, 이득 및 대역폭은 엄격한 제한 내에서 쉽게 제어할 수 있습니다.
제어 시스템에는 다양한 유형이 있지만 피드백 제어에는 네거티브 피드백 과 포지티브 피드백 이라는 두 가지 주요 유형만 있습니다 .
긍정적인 피드백 시스템
"포지티브 피드백 제어 시스템"에서는 피드백이 입력과 "동위상"이므로 컨트롤러에 의해 설정점과 출력 값이 함께 추가됩니다. 포지티브(또는 재생) 피드백의 효과는 시스템 게인을 "증가"시키는 것입니다. 즉 포지티브 피드백이 적용된 전체 게인은 피드백이 없는 게인보다 커집니다. 예를 들어, 누군가가 당신을 칭찬하거나 어떤 것에 대해 긍정적인 피드백을 해준다면, 당신은 스스로에 대해 행복감을 느끼고 에너지가 넘치며, 더 긍정적인 느낌을 갖게 됩니다.
그러나 전자 및 제어 시스템에서 많은 칭찬과 긍정적인 피드백은 시스템 이득을 너무 많이 증가시켜 유효 입력 신호의 크기를 증가시키면서 진동 회로 응답을 발생시킬 수 있습니다.
포지티브 피드백 시스템의 예로는 그림과 같이 연산 증폭기 또는 연산 증폭기를 기반으로 하는 전자 증폭기가 있을 수 있습니다.
긍정적인 피드백 시스템
연산 증폭기의 포지티브 피드백 제어는 Vout 의 출력 전압 신호 중 작은 부분 을 피드백 저항기 RF 를 통해 비반전( + ) 입력 단자에 다시 적용함으로써 달성됩니다 .
입력 전압 Vin 이 양수이면 연산 증폭기는 이 양수 신호를 증폭하고 출력은 더욱 양수가 됩니다. 이 출력 전압 중 일부는 피드백 네트워크에 의해 입력으로 다시 반환됩니다.
따라서 입력 전압은 더욱 양의 값이 되어 출력 전압이 더욱 커지는 등의 현상이 발생합니다. 결국 출력은 양극 공급 레일에서 포화됩니다.
마찬가지로, 입력 전압 Vin 이 음수이면 반대가 발생하고 연산 증폭기는 음수 공급 레일에서 포화됩니다. 그런 다음 포지티브 피드백 루프를 사용하면 "더 많은 리드가 더 많이 발생"하고 "더 적은 리드가 더 적음"으로 인해 출력 전압이 한 공급 레일 또는 다른 공급 레일로 빠르게 포화되므로 포지티브 피드백으로 인해 회로가 증폭기로 기능하는 것을 허용하지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
그런 다음 루프 이득이 시스템에 대해 양수이면 전달 함수는 Av = G / (1 – GH) 가 됩니다 . GH = 1 이면 시스템 이득 Av = 무한대이고 회로는 자체 발진을 시작합니다. 그 후에는 발진을 유지하는 데 입력 신호가 필요하지 않습니다. 이는 발진기를 만들려는 경우 유용합니다.
종종 바람직하지 않은 것으로 간주되지만 이러한 동작은 전자 장치에서 조건이나 신호에 대한 매우 빠른 스위칭 응답을 얻기 위해 사용됩니다. 포지티브 피드백 사용의 한 가지 예는 일부 입력이 미리 설정된 임계값을 넘을 때까지 논리 장치 또는 시스템이 주어진 상태를 유지하는 히스테리시스입니다. 이러한 유형의 동작을 "쌍안정성"이라고 하며 종종 논리 게이트 및 멀티바이브레이터와 같은 디지털 스위칭 장치와 관련됩니다.
우리는 포지티브 피드백 또는 재생 피드백이 이득을 증가시키고 자체 발진으로 이어질 수 있는 시스템의 불안정 가능성을 증가시키는 것을 확인했습니다. 따라서 포지티브 피드백은 발진기 및 타이밍 회로와 같은 발진 회로에서 널리 사용됩니다.
부정적인 피드백 시스템
"네거티브 피드백 제어 시스템"에서는 피드백이 원래 입력과 "위상이 다르기" 때문에 설정점과 출력 값을 서로 뺍니다. 부정적인(또는 퇴행성) 피드백의 효과는 이득을 "감소"시키는 것입니다. 예를 들어, 누군가가 당신을 비판하거나 어떤 것에 대해 부정적인 피드백을 준다면 당신은 자신에 대해 불행함을 느끼고 에너지가 부족해 긍정적인 느낌이 덜해집니다.
네거티브 피드백은 안정적인 회로 응답을 생성하고 안정성을 개선하며 주어진 시스템의 작동 대역폭을 증가시키기 때문에 모든 제어 및 피드백 시스템의 대부분은 이득의 효과를 감소시키는 퇴행적입니다.
네거티브 피드백 시스템의 예로는 그림과 같이 연산 증폭기를 기반으로 하는 전자 증폭기가 있습니다.
부정적인 피드백 시스템
증폭기의 네거티브 피드백 제어는 Vout 의 출력 전압 신호 중 작은 부분을 피드백 저항기 Rf 를 통해 반전( - ) 입력 단자에 다시 적용함으로써 달성됩니다 .
입력 전압 Vin 이 양수이면 연산 증폭기는 이 양수 신호를 증폭하지만 증폭기의 반전 입력에 연결되어 출력이 더 음수가 됩니다. 이 출력 전압 중 일부는 Rf 의 피드백 네트워크에 의해 입력으로 다시 반환됩니다 .
따라서 입력 전압은 네거티브 피드백 신호에 의해 감소되어 출력 전압이 더욱 작아지는 등의 현상이 발생합니다. 결국 출력은 안정되어 Rf ¼ Rin 의 이득 비율에 의해 결정되는 값에서 안정화됩니다 .
마찬가지로, 입력 전압 Vin 이 음수이면 반전이 발생하고 연산 증폭기 출력이 양수(반전)가 되어 음수 입력 신호에 추가됩니다. 그런 다음 출력이 포화 한계 내에 있는 한 네거티브 피드백을 통해 회로가 증폭기로 기능할 수 있음을 알 수 있습니다.
따라서 네거티브 피드백 루프를 사용하면 "더 많은 리드가 더 적은 리드" 및 "더 적은 리드가 더 많은 리드"로 인해 출력 전압이 피드백에 의해 안정화되고 제어된다는 것을 알 수 있습니다.
그런 다음 루프 이득이 시스템에 대해 양수이면 전달 함수는 Av = G / (1 + GH) 가 됩니다 .
증폭기 및 프로세스 제어 시스템에서 네거티브 피드백 의 사용은 일반적으로 네거티브 피드백 시스템이 포지티브 피드백 시스템보다 더 안정적이고 네거티브 피드백 시스템이 다음을 제외한 어떤 주파수에서도 자체적으로 진동하지 않으면 안정적이라고 말하기 때문에 널리 사용됩니다. 주어진 회로 조건.
또 다른 장점은 부정적인 피드백이 제어 시스템을 구성 요소 값과 입력의 무작위 변화에 더 잘 면역되게 만든다는 것입니다. 물론 무료로 제공되는 것은 없으므로 부정적인 피드백은 해당 시스템의 작동 특성을 크게 변경하므로 주의해서 사용해야 합니다.
피드백 시스템의 분류
지금까지 출력 신호가 입력 단자로 "피드백"되는 방식을 살펴보았으며 피드백 시스템의 경우 이는 포지티브 피드백 또는 네거티브 피드백이 될 수 있습니다 . 그러나 출력 신호가 측정되어 입력 회로에 입력되는 방식은 매우 다를 수 있으며 이는 피드백의 네 가지 기본 분류로 이어질 수 있습니다.
증폭되는 입력량과 원하는 출력 조건에 따라 입력 및 출력 변수를 전압 또는 전류로 모델링할 수 있습니다. 결과적으로 출력 신호가 입력으로 피드백되는 단일 루프 피드백 시스템에는 네 가지 기본 분류가 있으며 다음과 같습니다.
- 직렬 션트 구성 – 전압 입력 및 전압 출력 또는 VCVS( 전압 제어 전압 소스 ).
- 션트-션트 구성 – 전류 입력 및 전압 출력 또는 전류 제어 전압 소스 (CCVS).
- 직렬-직렬 구성 – 전압 입력 및 전류 출력 또는 VCCS( 전압 제어 전류 소스 ).
- 션트 시리즈 구성 - 전류 입력 및 전류 출력 또는 CCCS( 전류 제어 전류 소스 ).
이러한 이름은 표시된 것처럼 피드백 네트워크가 입력 단계와 출력 단계 사이를 연결하는 방식에서 유래되었습니다.
직렬 션트 피드백 시스템
직렬 전압 피드백 이라고도 알려진 직렬-션트 피드백 은 전압-전압 제어 피드백 시스템으로 작동합니다. 피드백 네트워크에서 피드백되는 오류 전압은 입력과 직렬 로 연결됩니다. 출력에서 피드백되는 전압은 출력 전압에 비례하며 Vo 는 병렬이거나 션트 연결되어 있습니다.
직렬 션트 피드백 시스템
직렬 션트 연결의 경우 구성은 출력 전압 Vout 대 입력 전압 Vin으로 정의됩니다. 대부분의 반전 및 비반전 연산 증폭기 회로는 "전압 증폭기"라고 알려진 것을 생성하는 직렬 션트 피드백으로 작동합니다. 전압 증폭기로서 이상적인 입력 저항인 Rin은 매우 크고, 이상적인 출력 저항인 Rout 은 매우 작습니다.
그런 다음 "직렬 션트 피드백 구성"은 입력 신호가 전압이고 출력 신호가 전압이므로 실제 전압 증폭기로 작동하므로 전송 이득은 Av = Vout ¼ Vin 으로 제공됩니다 . 이 수량은 단위가 볼트/볼트이므로 크기가 없습니다.
션트 시리즈 피드백 시스템
션트 전류 피드백 이라고도 알려진 션트 시리즈 피드백은 전류-전류 제어 피드백 시스템으로 작동합니다. 피드백 신호는 부하에 흐르는 출력 전류 Io 에 비례합니다. 피드백 신호는 그림과 같이 입력과 병렬 또는 분류 로 피드백됩니다 .
션트 시리즈 피드백 시스템
션트 직렬 연결의 경우 구성은 출력 전류 Iout 대 입력 전류 Iin으로 정의됩니다. 션트 시리즈 피드백 구성에서 피드백되는 신호는 입력 신호와 병렬이므로 추가되는 전압이 아니라 전류가 됩니다.
전압 출력에는 전압 입력이 필요하기 때문에 이 병렬 션트 피드백 연결은 일반적으로 시스템의 전압 이득에 영향을 미치지 않습니다. 또한 출력의 직렬 연결은 출력 저항 Rout을 증가시키는 반면, 입력의 션트 연결은 입력 저항 Rin을 감소시킵니다 .
그런 다음 입력 신호가 전류이고 출력 신호가 전류이므로 "션트 시리즈 피드백 구성"이 실제 전류 증폭기로 작동하므로 전송 이득은 Ai = Iout ¼ Iin 으로 제공됩니다 . 이 수량은 단위가 암페어/암페어이므로 크기가 없습니다.
시리즈-시리즈 피드백 시스템
직렬 전류 피드백 이라고도 알려진 직렬-직렬 피드백 시스템은 전압-전류 제어 피드백 시스템으로 작동합니다. 직렬 전류 구성에서 피드백 오류 신호는 입력과 직렬 이며 부하 전류 Iout 에 비례합니다 . 실제로 이러한 유형의 피드백은 전류 신호를 실제로 피드백되는 전압으로 변환하며, 이 전압이 입력에서 차감됩니다.
시리즈-시리즈 피드백 시스템
직렬-직렬 연결의 경우 구성은 입력 전압 Vin에 대한 출력 전류 Iout으로 정의됩니다. 직렬 연결의 출력 전류 Iout이 전압으로 피드백되므로 시스템의 입력 및 출력 임피던스가 모두 증가합니다. 따라서 회로는 이상적인 입력 저항인 Rin이 매우 크고 이상적인 출력 저항인 Rout 도 매우 큰 상호 컨덕턴스 증폭기로 가장 잘 작동합니다.
그런 다음 "직렬-직렬 피드백 구성"은 입력 신호가 전압이고 출력 신호가 전류이므로 상호 컨덕턴스 유형 증폭기 시스템으로 기능합니다. 직렬-직렬 피드백 회로의 경우 전송 이득은 다음과 같이 제공됩니다. Gm = Iout ¼ Vin .
션트-션트 피드백 시스템
션트 전압 피드백 이라고도 알려진 션트-션트 피드백 시스템은 전류-전압 제어 피드백 시스템으로 작동합니다. 션트-션트 피드백 구성에서 피드백되는 신호는 입력 신호와 병렬입니다. 출력 전압이 감지되고 션트의 입력 전류에서 전류가 차감되므로 차감되는 전압이 아니라 전류가 됩니다.
션트-션트 피드백 시스템
션트-션트 연결의 경우 구성은 출력 전압 Vout 대 입력 전류 Iin으로 정의됩니다. 출력 전압이 전류 구동 입력 포트에 전류로 피드백되므로 입력 및 출력 단자 모두의 션트 연결이 입력 및 출력 임피던스를 감소시킵니다. 따라서 시스템은 이상적인 입력 저항인 Rin이 매우 작고 이상적인 출력 저항인 Rout 도 매우 작은 초저항 시스템으로 가장 잘 작동합니다.
그런 다음 션트 전압 구성은 입력 신호가 전류이고 출력 신호가 전압이므로 트랜스저항형 전압 증폭기로 작동하므로 전송 이득은 Rm = Vout ¼ Iin 으로 제공됩니다 .
피드백 시스템 요약
우리는 피드백 시스템이 출력 신호를 샘플링한 다음 입력으로 다시 피드백하여 시스템을 구동하는 오류 신호를 형성하고, 사용된 피드백 유형에 따라 피드백 신호가 혼합되는 시스템이라는 것을 살펴보았습니다 . 시스템 입력 신호는 전압 또는 전류일 수 있습니다.
피드백은 항상 시스템 성능을 변경하며 피드백 배열은 긍정적(재생) 유형 또는 부정적(퇴행) 유형 피드백 시스템일 수 있습니다. 시스템 주변의 피드백 루프가 음의 루프 이득을 생성하는 경우 피드백은 음 또는 퇴행적이라고 하며 음 피드백의 주요 효과는 시스템 이득을 감소시키는 것입니다.
그러나 루프 주변의 게인이 양수이면 시스템에 양수 피드백 또는 재생 피드백이 있다고 합니다. 포지티브 피드백의 효과는 게인을 증가시켜 특히 GH = -1 인 경우 시스템이 불안정해지고 진동하게 만들 수 있습니다 .
우리는 또한 블록 다이어그램을 사용하여 다양한 유형의 피드백 시스템을 시연할 수 있음을 살펴보았습니다. 위의 블록 다이어그램에서 입력 및 출력 변수는 전압 또는 전류로 모델링될 수 있으므로 가능한 피드백 유형을 나타내는 4가지 입력 및 출력 조합이 있습니다. 즉, 직렬 전압 피드백, 션트 전압 피드백, 직렬 전류 피드백 및 션트 전류 피드백.
이러한 다양한 유형의 피드백 시스템에 대한 이름은 피드백 네트워크가 입력 단계와 출력 단계 사이를 병렬(션트) 또는 직렬로 연결하는 방식에서 파생됩니다.
피드백 시스템 에 대한 다음 튜토리얼에서는 시스템에 대한 부정적인 피드백 의 영향을 살펴보고 제어 시스템 안정성을 향상시키는 데 어떻게 사용할 수 있는지 살펴보겠습니다.