در یک سیستم فیدبک (Feedback) یا بازخورد، تمام یا بخشی از سیگنال خروجی به صورت مثبت یا منفی به ورودی باز می‌گردد.
سیستم‌های فیدبک سیگنال‌ها را پردازش می‌کنند و به این ترتیب، پردازنده‌های سیگنال هستند. بخش پردازش یک سیستم فیدبک ممکن است الکتریکی یا الکترونیکی باشد که از مدارهای بسیار ساده تا بسیار پیچیده متغیر است.
مدارهای کنترل فیدبک آنالوگ ساده را می‌توان با استفاده از اجزای مجزا یا گسسته مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها و خازن‌ها یا با استفاده از مدارهای مبرای تولیدجتمع مبتنی بر ریزپردازنده (IC) سیستم‌های فیدبک دیجیتال پیچیده‌تر، ساخت.
همانطور که دیدیم، سیستم‌های حلقه باز دقیقاً همان انتها باز (open ended) هستند و هیچ تلاشی برای جبران تغییرات در شرایط مدار یا نوسانات بار به دلیل تغییرات در پارامترهای مدار مانند بهره و پایداری، دما، تغییرات ولتاژ تغذیه و/یا اختلالات خارجی انجام نمی‌دهند. تاثیرات این تغییرات “حلقه باز” را می‌توان با معرفی فیدبک حذف یا حداقل به میزان قابل توجهی کاهش داد.
یک سیستم فیدبک سیستمی است که در آن سیگنال خروجی نمونه برداری شده و سپس به ورودی بازگردانده میشود تا یک سیگنال خطا تشکیل شود که سیستم را به تحریک می‌کند. در مقاله قبلی در مورد سیستم‌های حلقه بسته، دیدیم که به طور کلی فیدبک از یک مدار فرعی تشکیل شده است که به کسری از سیگنال خروجی از یک سیستم اجازه می‌دهد تا سیگنال ورودی موثر را به گونه‌ای اصلاح کند و پاسخی تولید شود که به طور قابل توجهی با پاسخ تولید شده در غیاب چنین فیدبکی متفاوت است.
سیستم‌های فیدبک بسیار مفید و به طور گسترده در مدارهای تقویتکننده، اسیلاتورها، سیستم‌های کنترل فرآیند و همچنین انواع دیگر سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. اما برای اینکه فیدبک ابزاری موثر باشد، باید کنترل شود زیرا یک سیستم کنترل نشده یا نوسان می‌کند یا از کار می‌افتد. مدل اصلی یک سیستم فیدبک به صورت زیر است:
{ در دانشنامه قطعات پایه الکترونیک، قطعات رایج دنیای الکترونیک را با توضیحات بسیار ساده برای شما ارائه داده‌ایم }
بلوک دیاگرام سیستم فیدبک
این حلقه فیدبک پایه برای سنجش، کنترل و فعال‌سازی، مفهوم اصلی سیستم کنترل فیدبک را نشان می‌دهد و چندین دلیل خوب برای اعمال و استفاده از فیدبک در مدارهای الکترونیکی وجود دارد:
- ویژگی‌های مدار مانند بهره و پاسخ سیستم را می‌توان دقیقاً کنترل کرد.
- مشخصات مدار را می‌توان مستقل از شرایط کاری مانند ولتاژ تغذیه یا تغییرات دما تعیین کرد.
- اعوجاج سیگنال به دلیل ماهیت غیرخطی قطعات مورد استفاده را می‌توان تا حد زیادی کاهش داد.
- پاسخ فرکانس، بهره و پهنای باند یک مدار یا سیستم را می‌توان به راحتی در محدوده‌های کوچک کنترل کرد.
در حالی که انواع مختلفی از سیستم‌های کنترل وجود دارد، تنها دو نوع اصلی کنترل فیدبک وجود دارد که عبارتند از: فیدبک منفی و فیدبک مثبت.
سیستم‌های فیدبک مثبت
در یک “سیستم کنترل فیدبک مثبت”، مقادیر تنظیم شده و مقادیر خروجی توسط کنترل‌کننده با هم جمع می‌شوند زیرا فیدبک با ورودی “هم فاز” است. اثر فیدبک مثبت (یا سازنده) “افزایش” بهره سیستم است، یعنی بهره کلی با فیدبک مثبت اعمال شده بیشتر از بهره بدون فیدبک خواهد بود. به عنوان مثال، اگر کسی شما را تحسین کند یا در مورد چیزی به شما فیدبک مثبت بدهد، از خود احساس خوشحالی می‌کنید و پر انرژی بوده و احساس مثبت بیشتری دارید.
با این حال، در سیستم‌های الکترونیکی و کنترلی، فیدبک مثبت بیش از حد می‌تواند باعث افزایش بیش از حد بهره سیستم‌ها شود که منجر به پاسخ‌های نوسانی در مدار میشود، زیرا دامنه سیگنال ورودی موثر را افزایش می‌دهد.
نمونه‌ای از سیستم‌های فیدبک مثبت می‌تواند تقویتکننده الکترونیکی مبتنی بر تقویتکننده عملیاتی یا op-amp، همانطور که نشان داده شده است، باشد.
کنترل فیدبک مثبت op-amp با اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی Vout به پایانه ورودی غیر معکوس (+) از طریق مقاومت فیدبک RF بدست می‌آید.
اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد، op-amp این سیگنال مثبت را تقویت کرده و خروجی مثبت‌تر میشود. مقداری از این ولتاژ خروجی توسط شبکه فیدبک به ورودی باز می‌گردد.
بنابراین ولتاژ ورودی مثبت‌تر میشود و باعث افزایش ولتاژ خروجی میشود. در نهایت خروجی در خط تغذیه مثبت، اشباع میشود.
به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس اتفاق افتاده و op-amp در خط تغذیه منفی، اشباع میشود. بنابراین می‌توان دید که فیدبک مثبت به مدار اجازه نمی‌دهد تا به‌عنوان تقویتکننده عمل کند به این دلیل که ولتاژ خروجی به سرعت به یک خط تغذیه یا دیگری اشباع میشود، زیرا با حلقه‌های فیدبک مثبت، «بیشتر منجر به بیشتر میشود» و «کمتر منجر به کمتر میشود».
بنابراین، اگر بهره حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد، تابع انتقال خواهد بود: Av = G / (1 – GH). توجه داشته باشید که اگر GH = 1، بهره سیستم Av = بینهایت است و مدار شروع به خود نوسانی کرده، پس از آن هیچ سیگنال ورودی برای حفظ نوسانات لازم نیست که برای ساخت نوسان‌ساز مفید است.
اگرچه اغلب نامطلوب در نظر گرفته می شود، این رفتار در الکترونیک برای بدست آوردن پاسخ سوئیچینگ بسیار سریع به یک وضعیت یا سیگنال استفاده میشود. یکی از نمونه‌های استفاده از فیدبک مثبت، هیسترزیس (hysteresis) است که در آن یک دستگاه یا سیستم منطقی وضعیت معینی را تا زمانی که مقداری ورودی از آستانه از پیش تعیین شده عبور کند، حفظ می‌کند. این نوع رفتار “دو پایداری” (bi-stability) نامیده میشود و اغلب با گیت‌های منطقی و دستگاه‌های سوئیچینگ دیجیتال مانند مولتی ویبراتورها همراه است.
دیدیم که فیدبک مثبت یا سازنده بهره و احتمال ناپایداری را در یک سیستم افزایش می‌دهد که ممکن است منجر به خود نوسانی شود و به این ترتیب، فیدبک مثبت به طور گسترده در مدارهای نوسانی مانند مدارهای اسیلاتورها و زمان‌بندی استفاده میشود.
سیستم‌های فیدبک منفی
در یک “سیستم کنترل فیدبک منفی”، مقادیر نقطه تنظیم و خروجی از یکدیگر کم می‌شوند زیرا فیدبک با ورودی اصلی “غیر هم فاز” است. اثر فیدبک منفی (یا غیرسازنده) “کاهش” بهره است. به عنوان مثال، اگر کسی از شما انتقاد کند یا در مورد چیزی به شما فیدبک منفی بدهد، از خود ناراضی هستید و بنابراین انرژی نداشته و احساس مثبت کمتری دارید.
از آنجایی که فیدبک منفی پاسخ‌های مداری پایدار ایجاد می‌کند، پایداری را بهبود بخشیده و پهنای باند عملیاتی یک سیستم معین را افزایش می‌دهد. اکثر سیستم‌های کنترل، فیدبک غیرسازنده (degenerative) بوده و بهره را کاهش می‌دهند.
نمونه‌ای از یک سیستم فیدبک منفی، تقویتکننده الکترونیکی مبتنی بر تقویتکننده عملیاتی است که نشان داده شده است.
سیستم فیدبک منفی
کنترل فیدبک منفی تقویتکننده با اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی Vout به ترمینال ورودی معکوس (-) از طریق مقاومت فیدبک Rf بدست می‌آید.
اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد، op-amp این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند، اما به این دلیل که به ورودی معکوس تقویتکننده متصل شده، خروجی منفی‌تر میشود. مقداری از این ولتاژ خروجی توسط شبکه فیدبک Rf به ورودی باز می‌گردد.
بنابراین، ولتاژ ورودی با سیگنال فیدبک منفی کاهش یافته و باعث کاهش ولتاژ خروجی میشود. در نهایت خروجی ثابت شده و در مقداری که توسط نسبت بهره Rf ÷ Rin تعیین میشود، ثابت میشود.
به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس اتفاق می‌افتد و خروجی op-amp، مثبت (معکوس) میشود که به سیگنال ورودی منفی اضافه میشود. می‌توان دید که فیدبک منفی به مدار اجازه می‌دهد تا به عنوان تقویتکننده عمل کند، تا زمانی که خروجی در محدوده اشباع باشد.
بنابراین، ولتاژ خروجی توسط فیدبک تثبیت و کنترل میشود، زیرا با حلقه‌های فیدبک منفی “بیشتر منجر به کمتر میشود” و “کمتر منجر به بیشتر میشود”.
اگر بهره حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد، تابع انتقال خواهد بود: Av = G / (1 + GH).
استفاده از فیدبک منفی در تقویت‌‌کننده‌ها و سیستم‌های کنترل فرآیند، گسترده است، زیرا به طور معمول سیستم‌های فیدبک منفی پایدارتر از سیستم‌های فیدبک مثبت هستند، و به سیستم فیدبک منفی پایدار گفته میشود اگر به خودی خود در هیچ فرکانسی به جز شرایط داده شده توسط مدار، نوسان نکند.
مزیت دیگر این است که فیدبک منفی باعث میشود که سیستم‌های کنترل در برابر تغییرات تصادفی در مقادیر قطعات و ورودی‌ها مصونیت بیشتری داشته باشند. البته هیچ چیز بدون هزینه نیست، بنابراین باید با احتیاط از آن استفاده کرد زیرا فیدبک منفی به طور قابل توجهی ویژگی‌های عملیاتی یک سیستم را تغییر می‌دهد.
طبقه بندی سیستم های فیدبک
تا اینجا ما روشی را دیدیم که در آن سیگنال خروجی به پایانه ورودی “فیدبک” میشود، و برای سیستم‌های فیدبک می‌تواند از هر دو نوع مثبت یا منفی باشد. اما روشی که در آن سیگنال خروجی اندازه‌گیری و وارد مدار ورودی میشود می‌تواند بسیار متفاوت باشد که منجر به چهار طبقه‌بندی اساسی فیدبک میشود.
بر اساس کمیت ورودی در حال تقویت و بر اساس شرایط خروجی مورد نظر، متغیرهای ورودی و خروجی را می‌توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل کرد. در نتیجه، چهار طبقه‌بندی اساسی سیستم فیدبک تک حلقه‌ای وجود دارد که در آن سیگنال خروجی به ورودی باز می‌گردد که عبارتند از:
- پیکربندی سری-شنت – ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی یا منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ (VCVS).
- پیکربندی شنت-شنت – جریان ورودی و ولتاژ خروجی یا منبع ولتاژ کنترل شده با جریان (CCVS).
- پیکربندی سری-سری – ولتاژ ورودی و جریان خروجی یا منبع جریان کنترل شده با ولتاژ (VCCS).
- پیکربندی سری-شنت – جریان ورودی و جریان خروجی یا منبع جریان کنترل شده با جریان (CCCS).
این نام‌ها از روشی که شبکه فیدبک بین قسمت‌های ورودی و خروجی به هم متصل شده است، می‌آید که نمایش داده شده است.
سیستم‌های فیدبک سری-شنت
فیدبک سری-شنت که به عنوان فیدبک ولتاژ سری نیز شناخته میشود، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده ولتاژ-ولتاژ عمل می‌کند. ولتاژ خطای برگشتی از شبکه فیدبک به صورت سری با ورودی است. ولتاژی که از خروجی برگشت داده میشود متناسب با ولتاژ خروجی Voاست که به صورت موازی یا شنت متصل شده است.
برای اتصال سری-شنت، پیکربندی به عنوان ولتاژ خروجی Vout به ولتاژ ورودی Vin تعریف شده است. بیشتر مدارهای تقویتکننده عملیاتی معکوس و غیرمعکوس با فیدبک سری-شنت کار کرده و یک “تقویتکننده ولتاژ” تولید می‌کنند. به عنوان یک تقویتکننده ولتاژ، مقاومت ورودی ایده‌آل Rin بسیار بزرگ است و مقاومت خروجی ایده‌آل Rout بسیار کوچک است.
“پیکربندی فیدبک سری-شنت” به عنوان یک تقویتکننده ولتاژ کار می‌کند زیرا سیگنال ورودی یک ولتاژ و سیگنال خروجی یک ولتاژ است، بنابراین بهره انتقال به صورت: Av = Vout ÷ Vin داده میشود. توجه داشته باشید که این کمیت بدون بعد است زیرا واحدهای آن ولت/ولت هستند.
سیستم‌های فیدبک شنت-سری
فیدبک شنت-سری که به عنوان فیدبک جریان شنت نیز شناخته میشود، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده جریان-جریان عمل می‌کند. سیگنال فیدبک متناسب با جریان خروجی Io است که در بار جریان دارد. این سیگنال به صورت موازی یا شنت با ورودی، همانطور که نشان داده شده است، برگشت داده میشود.
برای اتصال شنت-سری، پیکربندی به عنوان جریان خروجی Iout به جریان ورودی Iin تعریف میشود. در پیکربندی فیدبک شنت-سری، سیگنال برگشتی موازی با سیگنال ورودی است و به این ترتیب جریان‌ها و نه ولتاژها، به هم اضافه می‌شوند.
اتصال فیدبک شنت معمولاً بر افزایش ولتاژ سیستم تأثیر نمی‌گذارد، زیرا برای خروجی ولتاژ، یک ورودی ولتاژ مورد نیاز است. همچنین اتصال سری در خروجی، مقاومت خروجی Rout را افزایش می‌دهد، در حالی که اتصال شنت در ورودی، مقاومت ورودی Rin را کاهش می‌دهد.
“پیکربندی فیدبک شنت-سری” به عنوان یک تقویتکننده جریان واقعی کار می‌کند، زیرا سیگنال ورودی جریان و سیگنال خروجی جریان است، بنابراین بهره انتقال به صورت: Ai = Iout ÷ Iin داده میشود. توجه داشته باشید که این کمیت بدون بعد است زیرا واحدهای آن آمپر/آمپر هستند.
سیستم‌های فیدبک سری-سری
سیستم‌های فیدبک سری-سری که به عنوان فیدبک جریان سری نیز شناخته می‌شوند، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده ولتاژ-جریان عمل می‌کنند. در پیکربندی جریان سری، سیگنال خطای فیدبک، سری با ورودی است و متناسب با جریان بار Iout است. در واقع، این نوع فیدبک سیگنال جریان را به ولتاژ تبدیل می‌کند که در واقع فیدبک میشود و این ولتاژ است که از ورودی کم میشود.
برای اتصال سری-سری، پیکربندی به عنوان جریان خروجی Iout به ولتاژ ورودی Vin تعریف میشود. از آنجایی که جریان خروجی Iout اتصال سری به عنوان یک ولتاژ برگشت داده میشود، باعث افزایش امپدانس ورودی و خروجی سیستم میشود. بنابراین، مدار به عنوان یک تقویتکننده ترارسانایی (transconductance) با مقاومت ورودی ایده‌آل Rin و نیز مقاومت خروجی ایده‌آل Rout بسیار بزرگ، بهترین عملکرد را دارد.
بنابراین، “پیکربندی فیدبک سری-سری” به عنوان سیستم تقویتکننده نوع ترارسانایی عمل می‌کند زیرا سیگنال ورودی یک ولتاژ و سیگنال خروجی یک جریان است. برای یک مدار فیدبک سری-سری، بهره انتقال به صورت زیر داده میشود: Gm = Iout ÷ Vin.
سیستم‌های فیدبک شنت-شنت
سیستم‌های فیدبک شنت-شنت، همچنین به عنوان فیدبک ولتاژ شنت شناخته می‌شوند، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل‌شده جریان-ولتاژ عمل می‌کنند. در پیکربندی فیدبک شنت-شنت، سیگنال برگشتی موازی با سیگنال ورودی است. ولتاژ خروجی تشخیص داده میشود و جریان از جریان ورودی به صورت شنت کم میشود، و به این ترتیب جریان‌ها و نه ولتاژها، از هم کم می‌شوند.
برای اتصال شنت-شنت، پیکربندی به صورت ولتاژ خروجی Vout به جریان ورودی Iin تعریف میشود. از آنجایی که ولتاژ خروجی به صورت جریان به پورت ورودی باز می‌گردد، اتصالات شنت در هر دو ترمینال ورودی و خروجی، امپدانس ورودی و خروجی را کاهش می‌دهند. بنابراین، این سیستم به عنوان یک سیستم مقاومت انتقالی (transresistance) با مقاومت ورودی ایده‌آل Rin و نیز مقاومت خروجی ایده‌آل Rout بسیار کم، کار می‌کند.
بنابراین، پیکربندی ولتاژ شنت به‌عنوان تقویتکننده ولتاژ از نوع مقاومت انتقالی عمل می‌کند زیرا سیگنال ورودی یک جریان و سیگنال خروجی یک ولتاژ است، بنابراین بهره انتقال به صورت: Rm = Vout ÷ Iin داده میشود.
خلاصه سیستم‌های فیدبک
دیدیم که یک سیستم فیدبک سیستمی است که در آن سیگنال خروجی نمونه‌برداری شده و سپس به ورودی بازگردانده میشود تا سیگنال خطایی تولد کند که سیستم را تحریک می‌کند. بسته به نوع فیدبک مورد استفاده، سیگنال فیدبکی که با سیگنال ورودی سیستم ترکیب میشود، می‌تواند ولتاژ یا جریان باشد.
فیدبک همیشه عملکرد یک سیستم را تغییر می‌دهد و آرایش فیدبک می‌تواند از نوع سیستم‌های فیدبک مثبت (سازنده) یا منفی (غیرسازنده) باشد. اگر حلقه فیدبک اطراف سیستم یک حلقه بهره منفی ایجاد کند، گفته میشود که فیدبک منفی یا غیرسازنده است. اثر اصلی فیدبک منفی در کاهش بهره سیستم است.
با این حال، اگر بهره در حلقه مثبت باشد، سیستم دارای فیدبک مثبت یا فیدبک سازنده است. اثر فیدبک مثبت افزایش بهره است که می‌تواند باعث ناپایدار شدن و نوسان یک سیستم به خصوص اگر GH = -1، شود.
همچنین دیدیم که نمودارهای بلوکی را می‌توان برای نشان دادن انواع مختلف سیستم‌های فیدبک استفاده کرد. در بلوک دیاگرام‌های بالا، متغیرهای ورودی و خروجی را می‌توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل کرد و به این ترتیب چهار ترکیب ورودی و خروجی وجود دارد که انواع احتمالی فیدبک را نشان می‌دهد، یعنی: فیدبک ولتاژ سری، فیدبک ولتاژ شنت، فیدبک جریان سری و فیدبک جریان شنت.
نام انواع مختلف سیستم‌های فیدبک از روشی که شبکه فیدبک بین قسمت‌های ورودی و خروجی به صورت موازی (شنت) یا سری به هم متصل می شوند، گرفته شده است.
در مقاله بعدی در مورد سیستم‌های فیدبک، به اثرات فیدبک منفی بر روی یک سیستم خواهیم پرداخت و خواهیم دید که چگونه می‌توان از آن برای بهبود پایداری سیستم‌های کنترلی استفاده کرد.
