부정적인 피드백 시스템
네거티브 피드백은 프로세스, 마이크로컴퓨터 및 증폭 시스템에 사용되는 피드백 제어 구성의 가장 일반적인 형태입니다.
피드백은 출력 신호의 일부(전압 또는 전류)가 입력으로 사용되는 프로세스입니다. 이 피드백 부분이 입력 신호와 값이나 위상("역위상")이 반대인 경우 피드백을 음의 피드백 또는 퇴행성 피드백 이라고 합니다 .
네거티브 피드백은 입력 신호에 반대되거나 차감되어 제어 시스템의 설계 및 안정화에 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어 시스템 출력이 어떤 이유로든 변경되면 부정적인 피드백은 변경에 대응하는 방식으로 입력에 영향을 미칩니다.
피드백은 시스템 개방 루프 이득과 관련된 감소 정도에 따라 시스템의 전체 이득을 감소시킵니다. 네거티브 피드백은 왜곡, 잡음, 외부 변화에 대한 민감도를 줄이고 시스템 대역폭과 입출력 임피던스를 향상시키는 효과도 있습니다.
부정적인 피드백이든 긍정적인 피드백이든 전자 시스템의 피드백은 방향이 일방적입니다. 이는 신호가 시스템의 출력에서 입력으로 단방향으로만 흐른다는 것을 의미합니다. 그러면 시스템의 루프 이득 G가 부하 및 소스 임피던스와 독립적이 됩니다.
피드백은 폐쇄 루프 시스템을 의미하므로 합산점이 있어야 합니다. 네거티브 피드백 시스템에서 입력의 이 합산점 또는 접합점은 입력 신호에서 피드백 신호를 빼서 시스템을 구동하는 오류 신호 β 를 형성합니다. 시스템에 양의 이득이 있는 경우 피드백이 음이 되도록 입력 신호에서 피드백 신호를 빼야 합니다.
부정적인 피드백 회로
이 회로는 양의 이득 G 와 피드백 β를 갖는 시스템을 나타냅니다 . 입력의 합산 접합은 입력 신호에서 피드백 신호를 빼서 시스템을 구동하는 오류 신호 Vin – βG 를 형성합니다.
그런 다음 위의 기본 폐쇄 루프 회로를 사용하여 다음과 같은 일반적인 피드백 방정식을 도출할 수 있습니다.
부정적인 피드백 방정식
음의 피드백 효과는 1 + βG 만큼 이득을 감소시키는 것임을 알 수 있습니다 . 이 요소를 "피드백 요소" 또는 "피드백 양"이라고 하며 종종 20 log(1+ βG) 의 관계로 데시벨(dB)로 지정됩니다 .
부정적인 피드백의 효과
개방 루프 이득 G 가 매우 크면 βG는 1보다 훨씬 커지므로 시스템의 전체 이득은 대략 1/β 와 같습니다 . 주파수나 시스템 노화의 영향으로 인해 개방 루프 이득이 감소하는 경우 βG가 여전히 비교적 크다면 전체 시스템 이득은 크게 변하지 않습니다. 따라서 부정적인 피드백은 일반적으로 "이득 안정성"이라고 불리는 이득 변경 효과를 감소시키는 경향이 있습니다.
예시 1
피드백 없이 시스템의 이득은 80dB입니다. 부정적인 피드백 비율이 1/50인 경우. 음의 피드백을 추가하여 시스템의 폐쇄 루프 이득을 dB 단위로 계산합니다.
그러면 시스템의 루프 이득은 10,000이고 폐쇄 루프 이득은 34dB임을 알 수 있습니다.
예시 2
5년 후 네거티브 피드백이 없는 시스템의 루프 이득이 60dB로 떨어지고 피드백 비율이 1/50으로 일정하게 유지되는 경우. 시스템의 새로운 폐쇄 루프 이득 값을 계산합니다.
그런 다음 두 가지 예를 통해 피드백 없이 5년 사용 후 시스템 이득이 80dB에서 60dB로 떨어졌고(10,000에서 1,000) 개방 루프 이득이 약 25% 감소했음을 알 수 있습니다.
그러나 네거티브 피드백을 추가하면 시스템 게인은 34dB에서 33.5dB로 1.5% 미만 감소했는데, 이는 네거티브 피드백이 시스템 게인에 추가 안정성을 제공한다는 것을 증명합니다.
따라서 시스템에 부정적인 피드백을 적용하면 피드백이 없는 시스템의 이득에 비해 전체 이득이 크게 감소한다는 것을 알 수 있습니다.
피드백이 없는 시스템 이득은 매우 클 수 있지만 하나의 시스템 장치에서 다음 시스템 장치로 변경될 수 있으므로 정확하지 않을 수 있습니다. 그러면 네거티브 피드백이 추가된 후 전체가 게인이 원하는 값과 일치합니다.
또한 피드백 네트워크가 안정적인 특성을 갖는 수동 소자로 구성되면 전체 이득은 매우 안정적이 되고 시스템 고유의 개방 루프 이득의 변화에 영향을 받지 않습니다.
연산 증폭기의 네거티브 피드백
연산 증폭기(op-amp)는 가장 일반적으로 사용되는 선형 집적 회로 유형이지만 이득이 매우 높습니다. 표준 741 연산 증폭기의 개방 루프 전압 이득 A VOL 은 네거티브 피드백이 적용되지 않을 때의 전압 이득이고 연산 증폭기의 개방 루프 전압 이득은 출력 전압 Vout 의 비율입니다 . 차동 입력 전압 Vin ( Vout/Vin ).
741 연산 증폭기의 일반적인 A VOL 값은 200,000(106dB) 이상입니다. 따라서 입력 전압 신호가 1mV에 불과해도 출력 전압은 200V가 넘습니다! 출력을 즉시 포화 상태로 만듭니다. 분명히 이 높은 개방 루프 전압 이득은 어떤 방식으로든 제어되어야 하며, 우리는 네거티브 피드백을 사용하여 이를 수행할 수 있습니다.
피드백을 사용하면 연산 증폭기의 성능이 크게 향상될 수 있으며 피드백을 사용하지 않는 연산 증폭기 회로는 너무 불안정하여 유용하지 않은 것으로 간주됩니다. 하지만 어떻게 부정적인 피드백을 사용하여 연산 증폭기를 제어할 수 있습니까? 아래의 비반전 연산 증폭기 회로를 고려해 보십시오.
비반전 연산 증폭기 회로
예시 3
피드백이 없는 개방 루프 전압 이득, VOL 320,000을 갖는 연산 증폭기를 비 반전 증폭기로 사용합니다. 폐쇄 루프 이득 20 으로 회로를 안정화하는 데 필요한 피드백 저항 R1 및 R2 의 값을 계산합니다 .
위에서 도출한 일반화된 폐쇄 루프 피드백 방정식은 다음과 같습니다.
피드백 공식을 재배열함으로써 다음과 같은 피드백 부분 β를 얻습니다 .
그런 다음 A = 320,000 및 G = 20 값을 위 방정식에 넣으면 다음과 같이 β 값을 얻습니다 .
이 경우 연산 증폭기의 개방 루프 이득은 매우 높기 때문에( A = 320,000 ), 피드백 비율 β는 1 의 값으로만 폐쇄 루프 이득 1/G 의 역수와 대략 동일합니다. /A는 엄청나게 작을 것입니다. 그러면 β (피드백 비율)는 1/20 = 0.05 과 같습니다 .
저항 R 1 및 R 2 는 비반전 증폭기 전체에 걸쳐 간단한 직렬 전압 전위 분배기 네트워크를 형성하므로 회로의 폐쇄 루프 전압 이득은 다음과 같이 이러한 저항의 비율에 의해 결정됩니다.
저항 R 2 의 값이 1,000Ω 또는 1kΩ 이라고 가정하면 저항 R 1 의 값은 다음과 같습니다.
그런 다음 20의 폐쇄 루프 이득을 가지려는 비반전 증폭기 회로의 경우 필요한 네거티브 피드백 저항기의 값은 이 경우 R 1 = 19kΩ 및 R 2 = 1kΩ 이 되어 비반전 증폭기를 제공합니다. 회로:
비반전 연산 증폭기 회로
시스템 설계 내에서 피드백을 사용하면 많은 이점이 있지만 증폭기 회로에서 네거티브 피드백을 사용하는 주요 이점 은 안정성을 크게 향상시키고 구성 요소 변형에 대한 내성을 향상시키며 DC 드리프트에 대한 안정화는 물론 증폭기 대역폭을 증가시키는 것입니다.
공통 증폭기 회로의 네거티브 피드백 의 예로는 위에서 본 연산 증폭기 회로의 저항기 Rf , FET 기반 증폭기의 저항기 R S 및 바이폴라 트랜지스터(BJT) 증폭기의 저항기 RE 가 있습니다.