Feedback

Wenn ein Teil des Ausgangssignals eines Verstärkers mit dem Eingang verbunden ist, sodass der Verstärker einen Teil seines Ausgangssignals verstärkt, haben wir ein sogenanntes Feedback .

Feedback-Kategorien

Feedback gibt es in zwei Varianten: positiv (auch genannt) regenerativ ) , und negativ (auch genannt) degenerativ ) .

Positives Feedback

Verstärkt die Richtung der Ausgangsspannungsänderung eines Verstärkers, während die Gegenkopplung genau das Gegenteil bewirkt.

Ein bekanntes Beispiel für Rückkopplungen tritt in Beschallungsanlagen („PA“) auf, bei denen jemand das Mikrofon zu nahe an einen Lautsprecher hält:Ein hohes „Jaulen“ oder „Heulen“ folgt, weil das Audioverstärkersystem seine Signale erkennt und verstärkt Lärm. Dies ist insbesondere ein Beispiel für positiv oder regenerativ Rückkopplung, da jeder vom Mikrofon erkannte Ton verstärkt und vom Lautsprecher in einen lauteren Ton umgewandelt wird, der dann wieder vom Mikrofon erkannt wird, und so weiter . . . Das Ergebnis ist ein Rauschen mit stetig steigender Lautstärke, bis das System „gesättigt“ ist und keine weitere Lautstärke mehr produzieren kann.

Bei einem so nervigen Beispiel wie dem „Heulen“ eines PA-Systems könnte man sich fragen, was eine mögliche Nutzenrückkopplung für eine Verstärkerschaltung ist. Wenn wir eine positive oder regenerative Rückkopplung in eine Verstärkerschaltung einführen, neigt sie dazu, Schwingungen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, deren Frequenz durch die Werte der Komponenten bestimmt wird, die das Rückkopplungssignal vom Ausgang zum Eingang verarbeiten. Dies ist eine Möglichkeit, einen Oszillator herzustellen Stromkreis, um Wechselstrom aus einer Gleichstromquelle zu erzeugen. Oszillatoren sind sehr nützliche Schaltungen, und daher hat Feedback für uns eine eindeutige praktische Anwendung.

Negatives Feedback

Auf der anderen Seite hat die Gegenkopplung eine „dämpfende“ Wirkung auf einen Verstärker:Wenn das Ausgangssignal zufällig in der Größe zunimmt, führt das Rückkopplungssignal einen abnehmenden Einfluss auf den Eingang des Verstärkers ein und wirkt so der Änderung des Ausgangssignals entgegen. Während positive Rückkopplung eine Verstärkerschaltung zu einem Punkt der Instabilität (Oszillationen) treibt, treibt eine negative Rückkopplung sie in die entgegengesetzte Richtung:zu einem Punkt der Stabilität.

Eine mit einer gewissen Gegenkopplung ausgestattete Verstärkerschaltung ist nicht nur stabiler, sondern verzerrt auch weniger die Eingangswellenform und ist im Allgemeinen in der Lage, einen breiteren Frequenzbereich zu verstärken. Der Kompromiss für diese Vorteile (es gibt nur hat ein Nachteil für negatives Feedback sein, oder?) ist eine verringerte Verstärkung. Wenn ein Teil des Ausgangssignals eines Verstärkers an den Eingang „zurückgeführt“ wird, um Änderungen am Ausgang entgegenzuwirken, ist eine größere Eingangssignalamplitude erforderlich, um den Ausgang des Verstärkers auf dieselbe Amplitude wie zuvor zu treiben. Dies stellt einen verringerten Gewinn dar. Die Vorteile der Stabilität, der geringeren Verzerrung und der größeren Bandbreite sind jedoch den Kompromiss in Bezug auf die verringerte Verstärkung für viele Anwendungen wert.

Lassen Sie uns eine einfache Verstärkerschaltung untersuchen und sehen, wie wir negative Rückkopplungen einführen können, beginnend mit der folgenden Abbildung.

Common-Emitter-Verstärker ohne Rückkopplung.

Die hier gezeigte Verstärkerkonfiguration ist ein Common-Emitter mit einem Widerstands-Bias-Netzwerk, das durch R1 und R2 gebildet wird. Der Kondensator koppelt Vinput an den Verstärker, sodass der Signalquelle keine Gleichspannung durch das R1/R2-Teilernetzwerk auferlegt wird. Der Widerstand R3 dient der Steuerung der Spannungsverstärkung. Wir könnten es für eine maximale Spannungsverstärkung weglassen, aber da Basiswiderstände wie dieser in Verstärkerschaltungen mit gemeinsamem Emitter üblich sind, werden wir es in diesem Schema belassen.

Wie alle Common-Emitter-Verstärker invertiert das Eingangssignal, wie es verstärkt wird. Mit anderen Worten, eine positive Eingangsspannung bewirkt, dass die Ausgangsspannung abnimmt oder sich ins Negative bewegt und umgekehrt.

Die Wellenformen des Oszilloskops sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Verstärker mit gemeinsamem Emitter, keine Rückkopplung, mit Referenzwellenformen zum Vergleich.

Da der Ausgang eine invertierte oder spiegelbildliche Reproduktion des Eingangssignals ist, führt jede Verbindung zwischen dem Ausgangsdraht (Kollektor) und dem Eingangsdraht (Basis) des Transistors in der Abbildung unten zu negativ Feedback.

Negatives Feedback, Kollektor-Feedback, verringert das Ausgangssignal.

Die Widerstände von R1 in einem Signal mit reduzierter Amplitude, das in den Transistor eingeht. Die Verstärkerschaltung in der obigen Abbildung hat also eine verringerte Spannungsverstärkung, aber eine verbesserte Linearität (verringerte Verzerrung) und eine erhöhte Bandbreite.

Ein Widerstand, der den Kollektor mit der Basis verbindet, ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, eine negative Rückkopplung in diese Verstärkerschaltung einzubringen. Eine andere Methode, die zunächst schwieriger zu verstehen ist, besteht in der Platzierung eines Widerstands zwischen dem Emitteranschluss des Transistors und der Schaltungsmasse in der folgenden Abbildung.

Emitter-Feedback:Eine andere Methode, um negatives Feedback in einen Stromkreis einzuführen.

Dieser neue Rückkopplungswiderstand senkt die Spannung proportional zum Emitterstrom durch den Transistor, und zwar so, dass er dem Einfluss des Eingangssignals auf den Basis-Emitter-Übergang des Transistors entgegenwirkt. Schauen wir uns den Emitter-Basis-Übergang genauer an und sehen wir in der folgenden Abbildung, welchen Unterschied dieser neue Widerstand macht.

Ohne Rückkopplungswiderstand, der den Emitter in der Abbildung unten (a) mit Masse verbindet, wird der Pegel des Eingangssignals (Vinput), der durch den Kopplungskondensator und das R1/R2/R3-Widerstandsnetzwerk gelangt, direkt über den Basis-Emitter-Übergang eingeprägt, da die Eingangsspannung des Transistors (VB-E). Mit anderen Worten, ohne Rückkopplungswiderstand entspricht VB-E Vinput. Wenn also Vinput um 100 mV ansteigt, dann erhöht sich VB-E um 100 mV:Eine Änderung der einen ist dieselbe wie eine Änderung der anderen, da die beiden Spannungen gleich sind.

Betrachten wir nun die Auswirkungen des Einfügens eines Widerstands (Rfeedback) zwischen der Emitterleitung des Transistors und Masse in Abbildung unten (b).

(a) Keine Rückkopplung vs. (b) Emitter-Rückkopplung. Eine Wellenform am Kollektor ist bezüglich der Basis invertiert. Bei (b) ist die Emitterwellenform gleichphasig (Emitterfolger) mit der Basis, außer Phase mit dem Kollektor. Daher subtrahiert das Emittersignal vom Kollektorausgangssignal.

Beachten Sie, wie sich die über Rfeedback abfallende Spannung mit VB-E zu Vinput addiert. Mit Rfeedback in der Vinput-VB-E-Schleife ist VB-E nicht mehr gleich Vinput. Wir wissen, dass Rfeedback eine Spannung proportional zum Emitterstrom absenkt, der wiederum durch den Basisstrom gesteuert wird, der wiederum durch die Spannung gesteuert wird, die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors (VB-E) abfällt. Wenn Vinput in positiver Richtung ansteigen würde, würde dies VB-E erhöhen, was mehr Basisstrom verursacht, mehr Kollektor-(Last-)Strom verursacht, mehr Emitterstrom verursacht und mehr Rückkopplungsspannung über Rfeedback abfällt. Dieser Anstieg des Spannungsabfalls am Rückkopplungswiderstand subtrahiert jedoch von Vinput, um VB-E zu reduzieren, so dass der tatsächliche Spannungsanstieg für VB-E geringer ist als der Spannungsanstieg von Vinput. Eine 100-mV-Erhöhung von Vinput führt nicht mehr zu einer vollen 100-mV-Erhöhung für VB-E, weil die beiden Spannungen nicht sind einander gleich.

Folglich hat die Eingangsspannung weniger Kontrolle über den Transistor als zuvor und die Spannungsverstärkung für den Verstärker wird reduziert:genau das, was wir von einer Gegenkopplung erwartet hatten.

In praktischen Common-Emitter-Schaltungen ist negative Rückkopplung nicht nur ein Luxus; es ist eine Notwendigkeit für einen stabilen Betrieb. In einer perfekten Welt könnten wir einen Emitter-Transistorverstärker ohne negative Rückkopplung bauen und betreiben und die volle Amplitude von Vinput über die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors einprägen lassen. Dies würde uns eine große Spannungsverstärkung geben. Leider ändert sich jedoch die Beziehung zwischen Basis-Emitter-Spannung und Basis-Emitter-Strom mit der Temperatur, wie von der „Diodengleichung“ vorhergesagt. Wenn sich der Transistor erwärmt, wird der Durchlassspannungsabfall über dem Basis-Emitter-Übergang für jeden gegebenen Strom geringer. Dies verursacht ein Problem für uns, da das R1/R2-Spannungsteilernetzwerk so ausgelegt ist, dass es den richtigen Ruhestrom durch die Basis des Transistors liefert, sodass es in jeder gewünschten Betriebsklasse funktioniert (in diesem Beispiel habe ich gezeigt der Verstärker arbeitet im Class-A-Modus). Wenn sich das Spannungs-Strom-Verhältnis des Transistors mit der Temperatur ändert, ändert sich die Menge der DC-Vorspannung, die für die gewünschte Betriebsklasse erforderlich ist. Ein heißer Transistor zieht bei gleicher Vorspannung mehr Vorstrom, wodurch er sich noch mehr erwärmt und noch mehr Vorstrom zieht. Das Ergebnis, wenn es nicht markiert ist, wird als thermisches Durchgehen bezeichnet .

Common-Collector-Verstärker (Abbildung unten) leiden jedoch nicht unter thermischem Durchgehen. Warum ist das? Die Antwort hat alles mit negativem Feedback zu tun.

Verstärker mit gemeinsamem Kollektor (Emitterfolger).

Beachten Sie, dass der Lastwiderstand des Common-Collector-Verstärkers (Abbildung oben) an derselben Stelle platziert ist wie der Rfeedback-Widerstand in der letzten Schaltung in Abbildung oben (b):zwischen Emitter und Masse. Dies bedeutet, dass die einzige Spannung, die am Basis-Emitter-Übergang des Transistors angelegt wird, die Differenz . ist zwischen Vinput und Voutput, was zu einer sehr geringen Spannungsverstärkung führt (normalerweise nahe 1 für einen Verstärker mit gemeinsamem Kollektor). Thermisches Durchgehen ist für diesen Verstärker unmöglich:Wenn der Basisstrom aufgrund der Transistorerwärmung ansteigt, steigt auch der Emitterstrom, wodurch mehr Spannung an der Last abfällt, die wiederum subtrahiert von Vinput, um den Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter zu reduzieren. Mit anderen Worten, die negative Rückkopplung durch die Platzierung des Lastwiderstands macht das Problem des thermischen Durchgehens selbstkorrigierend . Im Gegenzug für eine stark reduzierte Spannungsverstärkung erhalten wir eine hervorragende Stabilität und Immunität gegen thermisches Durchgehen.

Durch Hinzufügen eines „Feedback“-Widerstands zwischen Emitter und Masse in einem Common-Emitter-Verstärker verhält sich der Verstärker etwas weniger wie ein „idealer“ Common-Emitter und ein wenig mehr wie ein Common-Collector. Der Wert des Rückkopplungswiderstands ist normalerweise etwas geringer als die Last, wodurch die Menge der negativen Rückkopplung minimiert und die Spannungsverstärkung ziemlich hoch gehalten wird.

Ein weiterer Vorteil der Gegenkopplung, der deutlich in der Common-Collector-Schaltung zu sehen ist, besteht darin, dass die Spannungsverstärkung des Verstärkers weniger von den Eigenschaften des Transistors abhängig ist. Beachten Sie, dass in einem Verstärker mit gemeinsamem Kollektor die Spannungsverstärkung unabhängig vom β des Transistors fast gleich Eins (1) ist. Dies bedeutet unter anderem, dass wir den Transistor in einem Common-Collector-Verstärker durch einen mit einem anderen β ersetzen könnten und keine signifikanten Änderungen der Spannungsverstärkung feststellen. In einer Common-Emitter-Schaltung hängt die Spannungsverstärkung stark von β ab. Würden wir den Transistor in einer Common-Emitter-Schaltung durch einen anderen mit anderem β ersetzen, würde sich die Spannungsverstärkung für den Verstärker erheblich ändern. In einem mit Gegenkopplung ausgestatteten Verstärker mit gemeinsamem Emitter hängt die Spannungsverstärkung immer noch bis zu einem gewissen Grad vom Transistor β ab, jedoch nicht mehr so ​​stark wie zuvor, was die Schaltung trotz Schwankungen des Transistors β vorhersehbarer macht.

Die Tatsache, dass wir eine Gegenkopplung in einen Common-Emitter-Verstärker einführen müssen, um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden, ist eine unbefriedigende Lösung. Ist es möglich, Thermal Runaway zu vermeiden, ohne die inhärent hohe Spannungsverstärkung des Verstärkers unterdrücken zu müssen? Eine beste Lösung für dieses Dilemma steht uns zur Verfügung, wenn wir das Problem genau untersuchen:Die Spannungsverstärkung, die wir minimieren müssen, um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden, ist der DC Spannungsverstärkung, nicht der AC Spannungsverstärkung. Schließlich ist es nicht das AC-Eingangssignal, das das thermische Durchgehen antreibt:Es ist die DC-Vorspannung, die für eine bestimmte Betriebsklasse erforderlich ist:dieses ruhende DC-Signal, das wir verwenden, um den Transistor (im Grunde ein DC-Gerät) zum Verstärken „auszutricksen“. ein Wechselstromsignal. Wir können die Gleichspannungsverstärkung in einer Emitter-Verstärkerschaltung unterdrücken, ohne die Wechselspannungsverstärkung zu unterdrücken, wenn wir einen Weg finden, die Gegenkopplung nur mit Gleichspannung zu betreiben. Das heißt, wenn wir nur ein invertiertes DC-Signal vom Ausgang zum Eingang zurückspeisen, aber kein invertiertes AC-Signal.

Der Rfeedback-Emitterwiderstand liefert eine negative Rückkopplung, indem er eine Spannung proportional zum Laststrom absenkt. Mit anderen Worten, eine negative Rückkopplung wird durch Einfügen einer Impedanz in den Emitterstrompfad erreicht. Wenn wir Gleichstrom, aber keinen Wechselstrom zurückspeisen möchten, benötigen wir eine Impedanz, die für Gleichstrom hoch, für Wechselstrom jedoch niedrig ist. Welche Art von Schaltung weist eine hohe Impedanz bei Gleichstrom, aber eine niedrige Impedanz bei Wechselstrom auf? Ein Hochpassfilter natürlich!

Durch Parallelschalten eines Kondensators mit dem Rückkopplungswiderstand in Abbildung unten schaffen wir genau die Situation, die wir brauchen:einen Pfad vom Emitter zur Erde, der für Wechselstrom einfacher ist als für Gleichstrom.

Hohe AC-Spannungsverstärkung durch Hinzufügen von Cbypass parallel zu Rfeedback wiederhergestellt

Der neue Kondensator „überbrückt“ Wechselspannung vom Emitter des Transistors zur Erde, sodass keine nennenswerte Wechselspannung vom Emitter zur Erde abfällt, um zum Eingang „zurückzukoppeln“ und die Spannungsverstärkung zu unterdrücken. Gleichstrom hingegen kann nicht durch den Bypass-Kondensator fließen und muss daher durch den Rückkopplungswiderstand fließen, wodurch eine Gleichspannung zwischen Emitter und Masse abfällt, die die Gleichspannungsverstärkung senkt und die Gleichspannungsantwort des Verstärkers stabilisiert und ein thermisches Durchgehen verhindert. Da die Reaktanz dieses Kondensators (XC) so gering wie möglich sein soll, sollte Cbypass relativ groß dimensioniert werden. Da sich die Polarität an diesem Kondensator nie ändert, ist es sicher, für diese Aufgabe einen polarisierten (Elektrolyt-)Kondensator zu verwenden.

Eine andere Herangehensweise an das Problem der negativen Rückkopplung, die die Spannungsverstärkung verringert, besteht darin, mehrstufige Verstärker anstelle von Einzeltransistor-Verstärkern zu verwenden. Wenn die gedämpfte Verstärkung eines einzelnen Transistors für die gestellte Aufgabe nicht ausreicht, können wir mehr als einen Transistor verwenden, um die durch die Rückkopplung verursachte Reduzierung auszugleichen. Eine Beispielschaltung mit negativer Rückkopplung in einem dreistufigen Verstärker mit gemeinsamem Emitter in der Abbildung unten.

Feedback um eine „ungerade“ Anzahl von direkt gekoppelten Common-Emitter-Stufen erzeugt negatives Feedback.

Der Rückkopplungspfad vom letzten Ausgang zum Eingang erfolgt über einen einzelnen Widerstand, Rfeedback. Da jede Stufe ein Verstärker mit gemeinsamem Emitter ist (und somit invertiert), wird die ungerade Anzahl von Stufen vom Eingang zum Ausgang das Ausgangssignal invertieren; das Feedback wird negativ (degenerativ) sein. Es können relativ große Rückkopplungen verwendet werden, ohne die Spannungsverstärkung zu opfern, da die drei Verstärkerstufen zunächst eine große Verstärkung bieten.

Auf den ersten Blick mag diese Designphilosophie unelegant und vielleicht sogar kontraproduktiv erscheinen. Ist dies nicht ein ziemlich grober Weg, um den Gewinnverlust, der durch die Verwendung von negativer Rückkopplung entsteht, zu überwinden, um den Gewinn einfach durch Hinzufügen von Stufe für Stufe wiederzugewinnen? Was bringt es, mit drei Transistorstufen eine enorme Spannungsverstärkung zu erzeugen, wenn wir diese Verstärkung sowieso mit negativer Rückkopplung dämpfen? Der Punkt, der vielleicht auf den ersten Blick nicht ersichtlich ist, ist die erhöhte Vorhersehbarkeit und Stabilität der gesamten Strecke. Wenn die drei Transistorstufen so ausgelegt sind, dass sie eine willkürlich hohe Spannungsverstärkung (in Zehntausenden oder mehr) ohne Rückkopplung liefern, stellt sich heraus, dass die Hinzufügung der negativen Rückkopplung dazu führt, dass die Gesamtspannungsverstärkung weniger abhängig von der Person wird Stufenverstärkungen und ungefähr gleich dem einfachen Verhältnis Rfeedback/Rin. Je mehr Spannungsverstärkung die Schaltung hat (ohne Rückkopplung), desto genauer wird die Spannungsverstärkung Rfeedback/Rin annähern, sobald eine Rückkopplung hergestellt ist. Mit anderen Worten, die Spannungsverstärkung in dieser Schaltung wird durch die Werte von zwei Widerständen festgelegt und nicht mehr.

Dies ist ein Vorteil für die Massenproduktion elektronischer Schaltungen:Wenn Verstärker mit vorhersagbarer Verstärkung unter Verwendung von Transistoren mit stark variierenden β-Werten konstruiert werden können, erleichtert dies die Auswahl und den Austausch von Komponenten. Dies bedeutet auch, dass sich die Verstärkung des Verstärkers bei Temperaturänderungen nur wenig ändert. Dieses Prinzip der stabilen Verstärkungsregelung durch einen durch Gegenkopplung „gezähmten“ Verstärker mit hoher Verstärkung wird in elektronischen Schaltungen, den Operationsverstärkern, fast zu einer Kunstform erhoben , oder Operationsverstärker . Sie können in einem späteren Kapitel dieses Buches noch viel mehr über diese Schaltkreise lesen!

RÜCKBLICK:

• Feedback ist die Kopplung des Ausgangs eines Verstärkers mit seinem Eingang.
• Positiv , oder regenerativ Rückkopplung hat die Tendenz, eine Verstärkerschaltung instabil zu machen, so dass sie Schwingungen (AC) erzeugt. Die Frequenz dieser Schwingungen wird maßgeblich von den Komponenten im Rückkopplungsnetzwerk bestimmt.
• Negativ , oder degenerativ Rückkopplung hat die Tendenz, eine Verstärkerschaltung stabiler zu machen, sodass sich ihr Ausgang weniger ändert für ein gegebenes Eingangssignal als ohne Feedback. Dies verringert die Verstärkung des Verstärkers, hat jedoch den Vorteil, dass die Verzerrung verringert und die Bandbreite erhöht wird (der Frequenzbereich, den der Verstärker verarbeiten kann).
• Eine negative Rückkopplung kann in eine Schaltung mit gemeinsamem Emitter eingeführt werden, indem der Kollektor mit der Basis gekoppelt wird oder indem ein Widerstand zwischen Emitter und Masse eingefügt wird.
• Ein Emitter-zu-Masse-„Feedback“-Widerstand wird normalerweise in Common-Emitter-Schaltungen als vorbeugende Maßnahme gegen thermisches Durchgehen verwendet .
• Negatives Feedback hat auch den Vorteil, dass die Spannungsverstärkung des Verstärkers stärker von den Widerstandswerten und weniger von den Eigenschaften des Transistors abhängt.
• Common-Collector-Verstärker haben aufgrund der Anordnung des Lastwiderstands zwischen Emitter und Masse viel negatives Feedback. Diese Rückkopplung macht die extrem stabile Spannungsverstärkung des Verstärkers sowie seine Immunität gegen thermisches Durchgehen verantwortlich.
• Die Spannungsverstärkung für eine Schaltung mit gemeinsamem Emitter kann durch Anschließen eines Bypass-Kondensators wiederhergestellt werden, ohne die Immunität gegen thermisches Durchgehen zu beeinträchtigen parallel zum „Rückkopplungswiderstand“ des Emitters.
• Wenn die Spannungsverstärkung eines Verstärkers willkürlich hoch ist (Zehntausende oder mehr) und eine negative Rückkopplung verwendet wird, um die Verstärkung auf ein vernünftiges Niveau zu reduzieren, stellt sich heraus, dass die Verstärkung ungefähr gleich R_{Rückkopplung . ist} /R_in . Änderungen des Transistors β oder anderer interner Komponentenwerte haben einen geringen Einfluss auf die Spannungsverstärkung bei Rückkopplung im Betrieb, was zu einem stabilen und einfach zu entwickelnden Verstärker führt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Klasse-A-BJT-Verstärker