فیدبک در مدارات الکترونیکی - بخش دوم

 

طبقه‌بندی انواع سیستم فیدبک در الکترونیک

تا این قسمت، با نحوه بازخورد سیگنال خروجی به سیگنال ورودی آشنا شدیم. برای سیستم‌های فیدبک این بازخورد می‌تواند یا مثبت و یا منفی باشد. اما روش انجام اندازه‌گیری سیگنال خروجی و معرفی این سیگنال به پورت ورودی مدار می‌تواند بسیار متنوع باشد و به همین دلیل سیستم‌های فیدبک به چهار گروه اساسی طبقه‌بندی می‌شوند.

بر اساس این‌که آیا سیگنال ورودی تقویت شده است یا خیر و شرایط مطلوب خروجی به چه صورت است، متغیر‌های ورودی و خروجی می‌توانند یا به صورت جریان و یا ولتاژ مدل‌سازی شوند؛ بنابراین چهار طبقه‌بندی وجود دارد که در آن‌ها یک سیستم فیدبک تک حلقه‌ای سیگنال خروجی را به سیگنال ورودی باز می‌خوراند. این پیکربندی‌ها به صورت زیر هستند:

پیکربندی سری-موازی (Series-Shunt Configuration)، پیکربندی موازی-موازی (Shunt-Shunt Configuration)، پیکربندی سری-سری (Series-Series Configuration)، پیکربندی موازی-سری (Shunt-Series Configuration).

نام‌گذاری این آرایش‌ها از نحوه اتصال شبکه فیدبک بین طبقات ورودی و خروجی بر گرفته شده است.

سیستم فیدبک سری-موازی

فیدبک سری-موازی با نام فیدبک ولتاژ سری نیز شناخته می‌شود و به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده ولتاژ-ولتاژ عمل می‌کند. ولتاژ خطا که از طریق شبکه مقاومت فیدبک باز خورانده می‌شود، با ورودی سری است. ولتاژی که از خروجی باز خورانده می‌شود نسبتی از ولتاژ خروجی VOUTاست؛ زیرا با آن موازی (یا شنت) است. نمایی از این پیکربندی در تصویر زیر نشان داده شده است.

سیستم فیدبک سری-موازی

برای ارتباطات سری-موازی، پیکربندی از ولتاژ خروجی VOUTبه ولتاژ ورودی VIN تعریف شده است. اکثر مدارات تقویت‌کننده عملیاتی معکوس‌کننده و غیر معکوس‌کننده، با پیکربندی فیدبک سری-موازی کار می‌کنند و عملکردی را تولید می‌کنند که با نام تقویت‌کنندگی ولتاژ شناخته می‌شود. در یک تقویت‌کننده ولتاژ ایده آل مقاومت ورودی RIN بسیار بزرگ و مقاومت ایده آل خروجی ROUTبسیار کوچک است.

بنابراین، آرایش فیدبک سری-موازی به عنوان یک تقویت‌کننده ولتاژ عمل می‌کند؛ زیرا سیگنال خروجی از جنس ولتاژ و سیگنال ورودی نیز از جنس ولتاژ است. بهره انتقال (Transfer Gain) برابر با AV=VOUT/VINخواهد بود. به این نکته توجه کنید که این مقدار بدون واحد (Dimensionless) محسوب می‌شود؛ زیرا واحد به صورت VoltsVoltsاست.

سیستم فیدبک موازی-سری

فیدبک موازی-سری، با عنوان فیدبک جریان موازی نیز شناخته می‌شود و به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده جریان-جریان عمل می‌کند. سیگنال فیدبک با جریان خروجی که در بار جاری می‌شود، متناسب است، در واقع سیگنال فیدبک به صورت موازی با ورودی قرار گرفته است. نمایی از این آرایش در شکل زیر دیده می‌شود.

سیستم فیدبک موازی-سری

برای فیدبک موازی-سری، پیکربندی به صورت جریان خروجی IOUTبه جریان ورودی IINتعریف شده است. در این پیکربندی، سیگنال فیدبک به صورت موازی با سیگنال ورودی قرار گرفته است و به همین دلیل، جریان‌ها (نه ولتاژ‌ها) با یکدیگر جمع می‌شوند.

این اتصال فیدبک موازی در حالت عادی بر بهره ولتاژ مدار تاثیر نخواهد گذاشت؛ زیرا برای خروجی ولتاژ به یک ورودی ولتاژ نیز احتیاج است. با این حال، اتصال سری در خروجی، مقاومت خروجی را افزایش می‌دهد، اما مسیر با اتصال موازی در ورودی، مقاومت ورودی RINرا کاهش می‌دهد؛ بنابراین پیکربندی فیدبک موازی-سری به عنوان یک تقویت‌کننده جریان کار می‌کند؛ زیرا سیگنال ورودی از جنس جریان و سیگنال خروجی نیز از جنس جریان است. بهره انتقال به صورت AI=IOUT/IINمحاسبه می‌شود. توجه کنید که این کمیت هم بدون واحد محسوب می‌شود؛ زیرا واحد آن به صورت AmperesAmperesاست.

سیستم فیدبک سری-سری

سیستم فیدبک سری-سری، با نام فیدبک جریان سری نیز شناخته می‌شود و به عنوان سیستم فیدبک کنترل‌شده جریان-ولتاژ عمل می‌کند. در پیکربندی جریان سری، سیگنال خطای فیدبک به صورت سری با ورودی بوده و با جریان بار IOUTمتناسب است. در واقع این نوع فیدبک، سیگنال جریان را به سیگنال ولتاژ تبدیل می‌کند (که باز خورانده می‌شود) و این سیگنال ولتاژ است که از ورودی کسر می‌شود. نمایی از این پیکربندی در شکل زیر دیده می‌شود.

سیستم فیدبک سری-سری

برای اتصال سری-سری، پیکربندی بر حسب جریان خروجی به ولتاژ ورودی تعریف شده است. به دلیل این‌که جریان خروجی از طریق اتصال سری و به صورت ولتاژ باز خورانده می‌شود، در نتیجه هم امپدانس ورودی و هم امپدانس خروجی سیستم افزایش می‌یابد. بنابراین، مدار به صورت یک تقویت‌کننده ترارسانا (Transconductance) کار می‌کند که در آن مقاومت ایده آل ورودی و نیز مقاومت ایده آل خروجی بسیار بزرگ هستند.

پس در حالت کلی می‌توان گفت که پیکربندی فیدبک سری-سری مانند یک سیستم تقویت‌کننده ترارسانا عمل می‌کند که در آن سیگنال ورودی از جنس ولتاژ و سیگنال خروجی از جنس جریان است. به همین دلیل تابع انتقال سیستم فیدبک سری-سری به صورت Gm=IOUT/VINمحسوب می‌شود.

سیستم فیدبک موازی-موازی

سیستم فیدبک موازی-موازی، با نام فیدبک ولتاژ موازی نیز شناخته می‌شود و به عنوان سیستم فیدبک کنترل‌شده جریان-ولتاژ عمل می‌کند. در پیکربندی فیدبک موازی-موازی، سیگنال فیدبک به صورت موازی با سیگنال ورودی قرار گرفته است. ولتاژ خروجی اندازه‌گیری می‌شود و جریان از جریان ورودی موازی تفریق می‌شود. پس در این پیکربندی، این سیگنال جریان است که تفریق می‌شود نه سیگنال ولتاژ. نمایی از این پیکربندی در شکل زیر دیده می‌شود.

سیستم فیدبک موازی-موازی

برای اتصال موازی-موازی، پیکربندی بر حسب ولتاژ خروجی VOUTبه جریان ورودی IIN تعریف می‌شود. چون ولتاژ خروجی به صورت جریان به یک پورت جریان ورودی باز خورانده می‌شود، در نتیجه اتصال موازی در هر دو ترمینال ورودی و خروجی منجر به کاهش امپدانس ورودی و خروجی می‌شود؛ بنابراین سیستم بیشتر به عنوان یک سیستم مقاومت انتقالی (Transresistance) با مقاومت ایده‌آل ورودی RIN و مقاومت خروجی ROUTبسیار کوچک عمل می‌کند.

پس می‌توان گفت پیکربندی ولتاژ شنت به عنوان یک تقویت‌کننده ولتاژ مقاومت انتقالی محسوب می‌شود که سیگنال ورودی از جنس جریان و سیگنال خروجی از جنس ولتاژ است؛ بنابراین بهره انتقالی به صورت Rm=VOUT/IINمحاسبه می‌شود.

خلاصه فیدبک در الکترونیک

در این مقاله با موضوع کاربرد فیدبک در الکترونیک آشنا شدیم و نیز انواع مختلف فیدبک در الکترونیک را بررسی کردیم. سیستم فیدبک، سیستمی است که در آن از سیگنال خروجی نمونه‌برداری می‌شود و سپس برای تشکیل سیگنال خطا به ورودی باز خورانده می‌شود. این سیگنال خطا برای کنترل وضعیت سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد و بسته به نوع فیدبک مورد استفاده، سیگنال فیدبکی که با سیگنال ورودی ترکیب می‌شود، می‌تواند یا از جنس ولتاژ و یا از جنس جریان باشد.

فیدبک همیشه منجر به تغییر وضعیت عملکرد سیستم می‌شود. نوع آرایش فیدبک می‌تواند به صورت سیستم فیدبک مثبت و یا منفی باشد. اگر حلقه فیدبک اطراف سیستم منجر به تولید بهره حلقه منفی شود، آن‌گاه گفته می‌شود که اصطلاحا نوع فیدبک منفی است. مهم‌ترین تاثیر فیدبک منفی در یک مدار کاهش بهره سیستم است.

از طرف دیگر، اگر بهره اطراف حلقه مقداری مثبت باشد، آن‌گاه گفته می‌شود که سیستم دارای فیدبک نوع مثبت است. مهم‌ترین تاثیر وجود فیدبک مثبت در یک مدار افزایش بهره کلی سیستم یا مدار است. این خاصیت فیدبک مثبت منجر به افزایش احتمال ناپایداری در یک سیستم می‌شود و همچنین احتمال نوسانی شدن سیستم، به خصوص زمانی که GH=۱ باشد، به شدت افزایش می‌یابد.

همچنین از بلوک دیاگرام می‌توان برای نشان دادن انواع مختلف سیستم‌های فیدبک استفاده کرد. در بلوک دیاگرام‌های ترسیم شده در بالا متغیر‌های ورودی و خروجی می‌توانند هم به صورت جریان و هم به صورت ولتاژ مدل شوند. به همین دلیل است که در حالت کلی می‌توان گفت چهار ترکیب ورودی و خروجی ممکن در ایجاد یک فیدبک در مدار وجود دارد. این چهار ترکیب ورودی و خروجی در پیکربندی‌هایی به نام فیدبک ولتاژ سری، فیدبک ولتاژ موازی، فیدبک جریان سری و فیدبک جریان موازی نام گذاری شده‌اند.

نام‌های مختلفی که بر روی این پیکربندی‌ها گذاشته شده‌اند، بر حسب طریقه اعمال شبکه فیدبک بین طبقات ورودی و خروجی انتخاب شده‌اند. نحوه این اتصال ممکن است یا به صورت موازی باشد و یا در موقعیت سری با یکدیگر قرار گرفته باشند.

 

منبع: فرادرس