Feedback-ul negativ este cea mai comună formă de configurare a controlului cu feedback utilizat în proces, micro-computer și sisteme de amplificare.

Feedback-ul este procesul prin care o fracțiune din semnalul de ieșire, fie o tensiune sau un curent, este folosit ca o intrare. Dacă această fracțiune trimisă înapoi este opusă în valoare sau fază ("anti-fază") la semnalul de intrare, atunci feedback-ul este declarat a fi feedback negativ sau feedback degenerativ.

Feedback-ul negativ se opune sau se scade din semnalele de intrare, oferindu-i numeroase avantaje în proiectarea și stabilizarea sistemelor de control. De exemplu, dacă ieșirea sistemelor se modifică din orice motiv, feedback-ul negativ afectează intrarea astfel încât să contracareze schimbarea.

Feedback-ul reduce câștigul global al unui sistem, gradul de reducere fiind legat de câștigul în buclă deschisă al sistemelor. Feedback-ul negativ are, de asemenea, efecte de reducera a distorsiunii, zgomotului, sensibilității la variații externe, precum și îmbunătățirea lărgimii de bandă a sistemului și a impedanțelor de intrare și ieșire.

Feedback-ul unui sistem electronic, negativ sau pozitiv, este unilateral în direcție, însemnând că semnalele sale curg numai de la ieșire la intrarea sistemului. Aceasta face câștigul în buclă G al sistemului independent de impedanțele de sarcină și sursă.

Deoarece feedback-ul implică un sistem cu buclă închisă, el trebuie să aibă un punct de însumare. Într-un sistem cu feedback negativ, acest punct, sau joncțiune, de însumare scade la intrarea sa semnalul de feedback din semnalul de intrare pentru a forma un semnal de eroare β care comandă sistemul. Dacă sistemul are un câștig pozitiv, semnalul de feedback trebuie să fie scăzut din semnalul de intrare pentru ca feedback-ul să fie negativ, după cum se arată.

Circuit de feedback negativ

Circuitul reprezintă un sistem cu câștig pozitiv G și feedback β. Joncțiunea de însumare la intrarea sa scade semnalul de feedback din semnalul de intrare pentru a forma semnalul de eroare Vin - βG, care comandă sistemul.

Atunci, folosind circuitul în buclă închisă de bază de mai sus, putem deduce ecuația generală de feedback ca fiind:

Ecuația feedback-ului negativ

Vom vedea că efectul feedback-ului negativ este de a reduce câștigul cu factorul: 1 + βG. Acest factor se numește "factor de feedback" sau "cantitate de feedback" și este adesea specificat în decibeli (dB) de relația 20 log (1+ βG).

Efectele feedback-ului negativ

Dacă câștigul în buclă deschisă G este foarte mare, atunci βG va fi mult mai mare decât 1, astfel încât câștigul total al sistemului este aproximativ egal cu 1/β. Dacă câștigul în buclă deschisă scade din cauza frecvenței sau a efectelor îmbătrânirii sistemului, cu condiția ca βG să fie încă relativ mare, câștigul general al sistemului nu se modifică prea mult. Deci feedback-ul negativ tinde să reducă efectele schimbării câștigului oferind ceea ce se numește în general "stabilitatea câștigului".

Feedback negativ. Exemplul nr. 1

Un sistem are un câștig de 80 dB fără feedback. Dacă fracția de feedback negativ este de 1/50, calculați câștigul în buclă închisă a sistemului în dB cu adăugarea de feedback negativ.

Atunci vedem că sistemul are un câștig de buclă de 10.000 și un câștig de buclă închisă de 34 dB.

Feedback negativ. Exemplu nr. 2

Dacă după 5 ani câștigul de buclă al sistemului fără feedback negativ a scăzut la 60 dB și fracția de feedback a rămas constantă la 1/50, calculați noua valoare a câștigului în buclă închisă a sistemului.

Putem vedea din cele două exemple că, fără feedback, după 5 ani de utilizare, câștigul sistemelor a scăzut de la 80 dB până la 60 dB (10.000 la1.000), o scădere a câștigului în buclă deschisă de aproximativ 25%.

Dar, cu adăugarea feedback-ului negativ, câștigurile sistemelor au scăzut doar de la 34 dB la 33,5 dB, o reducere de mai puțin de 1,5%, ceea ce demonstrează că feedback-ul negativ dă o stabilitate mărită câștigului.

Prin urmare, putem observa că aplicarea feedback-ului negativ la un sistem reduce foarte mult câștigul său global comparativ cu câștigul său fără feedback.

Câștigul sistemelor fără feedback poate fi foarte mare, dar nu exact, deoarece se poate schimba de la un dispozitiv al sistemului la următorul, atunci este posibil să se proiecteze un sistem cu câștig suficient de buclă deschisă care, după adăugarea feedback-ului negativ, câștigul să corespundă valorii dorite.

De asemenea, dacă rețeaua de feedback este construită din elemente pasive cu caracteristici stabile, câștigul global devine foarte constant și neafectat de variația câștigului în buclă-deschisă, inerent al sistemului.

Feedback negativ în amplificatoarele operaționale

Amplificatoarele operaționale (A.O.) sunt cele mai frecvent utilizate tipuri de circuit integrat liniar, dar au un câștig foarte mare. Câștigul de tensiune în buclă deschisă AVOL al unui A.O. standard 741 este câștigul său de tensiune atunci când nu există nici un feedback negativ aplicat și câștigul de tensiune în buclă deschisă a unui A.O. este raportul tensiunii de ieșire Vout la tensiunea de intrare diferențială Vin, (Vout/Vin).

Valoarea tipică a AVOL pentru un A.O. 741 este mai mare de 200.000 (106 dB). Deci, un semnal de tensiune de intrare de numai 1mV, ar duce la o tensiune de ieșire de peste 200 de volți! forțând imediat ieșirea în saturație. Evident, acest câștig ridicat de tensiune în buclă deschisă trebuie să fie controlat într-un fel și putem face acest lucru folosind un feedback negativ.

Utilizarea feedback-ului negativ poate îmbunătăți în mod semnificativ performanța unui A.O. și orice circuit A.O. care nu utilizează feedback negativ este considerat prea instabil pentru a fi util. Dar cum putem folosi feedback-ul negativ pentru a controla un A.O.? Considerați circuitul de mai jos a unui amplificator operațional neinversor.

Circuit A.O. ne-inversor

Feedback negativ. Exemplul nr. 3

Un amplificator operațional cu câștig de tensiune în buclă deschisă, AVOL de 320.000 fără feedback va fi folosit ca un amplificator neinversor. Calculați valorile rezistențelor de reacție R1 și R2 necesare pentru stabilizarea circuitului cu un câștig de buclă închisă de 20.

Ecuația de feedback generalizat în buclă închisă pe care am derivat-o mai sus este dată de:

Prin rearanjarea formulei de feedback obținem o fracție de feedback β de:

Atunci punând valorile lui: A = 320.000 și G = 20, în ecuația de mai sus, obținem valoarea β ca:

Pentru că în acest caz câștigul în buclă deschisă a A.O. este foarte mare (A = 320.000), fracția de feedback β va fi aproximativ egală cu inversul câștigului în buclă închisă 1/G doar când valoare 1/A va fi incredibil de mică. Atunci, β (fracția de feedback) este egală cu 1/20 = 0,05.

Deoarece rezistoarele R1 și R2 formează o rețea divizor de tensiune-serie simplă pe amplificator ne-inversor, câștigul de tensiune în buclă închisă al circuitului va fi determinat de raportul acestor rezistențe ca:

Dacă presupunem că rezistorul R2 are o valoare de 1000 Ω sau 1 kΩ, atunci valoarea rezistorului R1 va fi:

Deci, pentru circuitul amplificatorului neinversor care urmează să aibă un câștig de 20 în buclă închisă, valorile rezistoarelor de feedback negativ cerute vor fi în acest caz R1 = 19 kΩ și R2 = 1 kΩ, oferindu-ne un circuit de amplificator neinversor:

Circuit A.O. ne-inversor

Există multe avantaje pentru utilizarea feedback-ului în cadrul unui sistem, dar principalele avantaje ale utilizării feedback-ului negativ în circuitele de amplificare este îmbunătățirea semnificativă a stabilității acestora, toleranța sporită la variațiile componentelor, stabilizarea împotriva drift-ului DC și creșterea lărgimii de bandă a amplificatoarelor.

Exemple de feedback negativ în circuitele comune de amplificator includ rezistorul Rƒ în circuitele A.O., așa cum am văzut mai sus, rezistorul RS în amplificatoare pe bază de FET, și rezistorul RE în amplificatoare cu tranzistor bipolar (BJT).