فیدبک در مدارات الکترونیکی - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، در سیستم‌های فیدبک در الکترونیک معمولا لازم است که سیگنال‌ها پردازش شوند، به همین دلیل می‌توان گفت که قسمتی از سیستم‌های فیدبکی در واقع پردازنده‌های سیگنال هستند. قسمت پردازش سیگنال در یک سیستم فیدبکی ممکن است الکترونیکی و یا الکتریکی باشد و بازه وسیعی، از مدارات ساده تا مدارات بسیار پیچیده را در بر گیرد. مدار کنترل فیدبکی آنالوگ ساده را می‌توان با قطعات تکی و گسسته مانند ترانزیستور‌ها، مقاومت‌ها و خازن‌ها پیاده‌سازی کرد و یا از مدارات مجتمع و مبتنی بر میکروپرسسور برای ایجاد سیستم‌های فیدبک دیجیتال پیچیده‌تر بهره برد.

مدارات حلقه باز به این صورت هستند که در آن‌ها هیچ تلاشی برای جبران کردن (Compensate) تغییرات شرایط مدار و یا تغییرات شرایط بار انجام نمی‌گیرد. این تغییرات معمولا به دلیل تغییر در پارامتر‌های مدار مانند بهره (Gain)، پایداری (Stability)، دما، تغییرات ولتاژ منبع تغذیه و یا اغتشاشات خارجی (External Disturbances) به وجود می‌آیند. اما در واقع اثر این تغییرات را می‌توان با استفاده از فیدبک (Feedback) در مدار حذف کرد و یا تا حد قابل توجهی کاهش داد.

یک سیستم فیدبک، سیستمی است که در آن از سیگنال خروجی نمونه برداری (Sampling) می‌شود. سپس مقدار نمونه برداری شده به ورودی باز گردانده می‌شود تا سیگنال خطایی برای هدایت سیستم را به وجود بیاورد. در حالت کلی در سیستم‌های حلقه بسته (Closed-loop)، فیدبک از یک مدار زیر مجموعه تشکیل می‌شود. این مدار به تعدادی از سیگنال‌های خروجی اجازه می‌دهد تا سیگنال ورودی را اصلاح کنند. این اصلاح در نهایت منجر به این امر می‌شود که پاسخ جدید با پاسخ حالت بدون فیدبک تفاوت قابل توجهی داشته باشد.

سیستم‌های فیدبک در الکترونیک بسیار مفید هستند و در بازه بسیار وسیعی از کاربرد‌ها مانند مدارات تقویت‌کننده (Amplifier)، نوسان‌ساز (Oscillator)، کنترل فرآیند (Process Control) و نیز بسیاری دیگر از مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما برای این که یک سیستم فیدبک ابزاری مفید واقع شود، باید کنترل شود؛ زیرا در صورت عدم کنترل کردن، سیستم دچار نوسان می‌شود و فاقد کارایی لازم خواهد بود. نمایی کلی از یک سیستم فیدبک در شکل زیر داده شده است.

مدل بلوک دیاگرام سیستم فیدبک

این حلقه فیدبک ساده که از اندازه‌گیر، کنترل‌کننده و محرک تشکیل شده است، اجزای اساسی یک سیستم فیدبک را نشان می‌دهد. دلایل زیادی برای استفاده از یک حلقه فیدبک در الکترونیک وجود دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

پارامتر‌های مدار مانند بهره سیستم و پاسخ آن را می‌توان به صورت دقیق کنترل کرد.
پارامتر‌های مدار را می‌توان به صورت موثری از تغییر شرایط مدار مانند دما و یا تغییر ولتاژ منبع تغذیه مستقل کرد.
اعوجاج سیگنال‌ها که به دلیل طبیعت غیر خطی عناصر مدار به وجود می‌آیند، تا حد زیادی توسط فیدبک می‌تواند کاهش داده شود.
پاسخ فرکانسی (Frequency Response)، پهنای باند (Bandwidth) و بهره مدار یا سیستم را می‌توان به سادگی در محدوده‌های کوچکی کنترل کرد.

با وجود این که تنوع سیستم‌های کنترل بسیار زیاد است، اما فقط دو نوع فیدبک وجود دارد: فیدبک مثبت (Positive Feedback) و فیدبک منفی (Negative Feedback).

سیستم‌های فیدبک مثبت

در یک سیستم کنترل فیدبک مثبت، نقطه تنظیم (Set Point) و سیگنال خروجی توسط کنترل‌کننده به یکدیگر اضافه می‌شوند، در نتیجه فیدبک هم فاز با ورودی است. تاثیر فیدبک مثبت و یا احیاکننده (Regenerative) افزایش بهره سیستم است. به عبارت دیگر در یک سیستم با فیدبک مثبت، بهره کلی بالاتر از حالتی است که به سیستم فیدبک اعمال نشده باشد. چنین مفهومی در روابط انسانی نیز صادق است، به این مفهوم که اگر از یک فرد تشویق به عمل آید، پر از انرژی می‌شود و بهره او در انجام یک کار بالاتر می‌رود.

اما در الکترونیک و سیستم‌های کنترل، فیدبک مثبت می‌تواند منجر به افزایش بیش از حد بهره سیستم شود. در این حالت، جواب خروجی مدار نوسانی می‌شود؛ زیرا دامنه سیگنال ورودی موثر افزایش یافته است. نمونه‌ای از مدارات فیدبک مثبت، تقویت‌کننده‌های الکترونیکی مبتنی بر تقویت‌کننده عملیاتی و یا اپ امپ هستند. نمونه‌ای از چنین فیدبکی در تصویر زیر نشان داده شده است.

سیستم فیدبک مثبت

کنترل فیدبک مثبت در یک اپ امپ از طریق اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی (VOUT) به پایه ورودی غیر معکوس‌کننده (+) و از طریق مقاومت فیدبک RF انجام می‌شود. اگر ولتاژ ورودی VIN مثبت باشد، اپ امپ این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند و خروجی سیگنالی مثبت‌تر خواهد بود. مقداری از این ولتاژ خروجی از طریق شبکه فیدبک به ورودی باز گردانده می‌شود؛ بنابراین مقدار ولتاژ ورودی مثبت‌تر می‌شود و همین امر سبب تولید خروجی مثبت‌تری می‌شود. این روند می‌تواند به همین ترتیب ادامه داشته باشد، اما به تدریج خروجی در حد مثبت بالای خود اشباع می‌شود. به طریق مشابه، اگر ولتاژ ورودی VINمنفی باشد، روندی معکوس آن‌چه در بالا گفته شد، رخ می‌دهد و اپ امپ در سطح منفی خود به اشباع می‌رسد؛ بنابراین می‌توان دید، فیدبک مثبت به مدار اجازه نمی‌دهد به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کند و سریعا ولتاژ خروجی اپ امپ را در یکی از سطوح مثبت یا منفی خود اشباع می‌کند؛ زیرا در فیدبک مثبت مقادیر ورودی مثبت، منجر به تولید خروجی مثبت‌تر می‌شوند و مقادیر ورودی منفی، مقادیر خروجی منفی‌تری را تولید خواهند کرد؛ بنابراین اگر بهره حلقه برای سیستمی مثبت باشد، آن‌گاه تابع انتقال برابر با AV=G۱−GHخواهد بود. توجه کنید که اگر GH=۱ باشد، بهره AVبرابر با بی‌نهایت خواهد شد. در این حالت مدار به صورت خودکار شروع به نوسان خواهد کرد و برای ادامه این نوسان احتیاج به هیچ سیگنال ورودی ندارد. در نتیجه از این حالت می‌توان برای ساخت نوسان‌ساز‌ها استفاده کرد.

اگرچه این رفتار مدار معمولا نامطلوب است، اما در الکترونیک می‌تواند برای به دست آوردن یک پاسخ کلیدزنی بسیار سریع برای یک شرایط یا سیگنال خاص مورد استفاده قرار گیرد. مثالی از کاربرد‌های فیدبک مثبت، ایجاد هیسترزیس (Hysteresis) در مدار است. در یک مدار هیسترزیس، خروجی یک حالت خاص را کسب کرده و آن حالت را تا عبور ورودی از سطح آستانه (Threshold) از پیش تعیین‌شده حفظ می‌کند. این رفتار را دو حالت پایدار داشتن (Bi-Stability) می‌نامند و معمولا در گیت‌های منطقی و ادوات کلیدزنی دیجیتالی مانند مولتی ویبراتور‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در نتیجه، می‌توان گفت فیدبک مثبت بهره مدار و نیز احتمال ناپایداری در سیستم را افزایش می‌دهد که ممکن است منجر به خود-نوسانی (Self-Oscillation) شود. دقیقا به همین دلیل است که فیدبک مثبت بیشتر در مدارات نوسانی مانند نوسان‌ساز‌ها و مدارات زمان‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فیدبک منفی

در یک سیستم کنترل فیدبک منفی، نقطه تنظیم و خروجی از یکدیگر کسر می‌شوند و به همین دلیل است که فیدبک دارای فاز مخالف با ورودی اصلی است. تاثیر فیدبک منفی یا فرسایشی (Degenerative) کاهش بهره مدار است. این پدیده همانند این است که اگر به یک فرد انتقاد شود، او ناراحت می‌شود و سطح انرژی‌اش کاهش می‌یابد.

به دلیل این‌که فیدبک منفی پاسخ پایداری را در مدار ایجاد می‌کند، در نتیجه پهنای باند عملکرد یک سیستم را افزایش می‌دهد و پایداری را بهبود می‌بخشد. اکثر سیستم‌های کنترل از فیدبک منفی استفاده می‌کنند و اثر بهره را با استفاده از آن کاهش می‌دهند. مثالی از سیستم فیدبک منفی، در مدارات تقویت‌کننده الکترونیکی مبتنی بر تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا اپ امپ است. تصویری از این نوع تقویت‌کننده در شکل زیر دیده می‌شود.

سیستم فیدبک منفی

کنترل فیدبک منفی در تقویت‌کننده از طریق اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی (VOUT) به پایه ورودی معکوس‌کننده (-) با استفاده از مقاومت فیدبک RF پیاده‌سازی می‌شود. اگر ولتاژ ورودی VINمثبت باشد، اپ امپ این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند، اما، چون به پایه معکوس‌کننده اپ امپ متصل است، در نتیجه خروجی منفی‌تر می‌شود. قسمتی از این ولتاژ خروجی از طریق شبکه مقاومت فیدبک به ورودی باز گردانده می‌شود.

بنابراین، ولتاژ ورودی از طریق سیگنال فیدبک منفی کاهش داده می‌شود و منجر به تولید خروجی کوچک‌تر می‌شود و این روال به همین ترتیب ادامه می‌یابد. به تدریج خروجی نشست (Settle Down) می‌کند و در یک مقدار خاص پایدار می‌شود. این مقدار توسط RF/RINمشخص می‌شود.

به طریق مشابه، اگر ولتاژ ورودی VINمنفی باشد، روالی معکوس آن‌چه در بالا گفته شد، اتفاق می‌افتد. در این حالت، ولتاژ خروجی تقویت‌کننده، سیگنالی مثبت (به دلیل اتصال به پایه معکوس‌کننده) می‌شود که به سیگنال منفی ورودی افزوده می‌شود. بنابراین، فیدبک منفی به تقویت‌کننده اجازه می‌دهد تا زمانی که خروجی در محدوده اشباع باشد، به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کند.
‌
می‌توان مشاهده کرد که سیگنال ولتاژ خروجی توسط فیدبک منفی، پایدار و قابل کنترل می‌شود. دلیل این پایداری این است که در فیدبک منفی، مقدار ورودی بزرگ‌تر منجر به تولید مقدار خروجی کوچک‌تر و مقدار ورودی کوچک‌تر منجر به تولید مقدار خروجی بزرگ‌تر می‌شود؛ بنابراین اگر سیستم دارای فیدبک منفی باشد، آن‌گاه تابع انتقال برابر با AV=G۱+GHخواهد بود. کاربرد فیدبک منفی در تقویت‌کننده‌ها و سیستم‌های کنترل فرآیند بسیار گسترده‌تر است؛ زیرا اساسا سیستم‌های فیدبک منفی پایدارتر از سیستم‌های فیدبک مثبت هستند. یک سیستم فیدبک منفی را زمانی پایدار می‌گویند که به جز شرایط مداری خاص، خود به خود در هر فرکانسی نوسان نکند.

مزیت دیگر این نوع فیدبک در این است که سیستم‌های کنترل را در برابر تغییرات تصادفی در مقادیر المان‌ها و ورودی‌ها ایمن می‌سازد. البته این مزیت برای سیستم هزینه‌هایی دارد. فیدبک منفی باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد؛ زیرا به صورت جدی مشخصه عمل‌کرد سیستم داده شده را دچار تغییر می‌کند.