Saiba mais sobre o Módulo Eletrônico 3.1 Ganho de Ampliação de Feedback Negativo Depois de estudar esta seção, você deve ser capaz de: Compreender os princípios básicos da NFB aplicados aos amplificadores. Gancho de ciclo aberto. Ganho de laço fechado. Touro A relação entre beta e ganho. Touro Razões para o uso de Feedback Negativo. Por que a NFB é necessária em amplificadores Os transistores não podem ser fabricados para ter um valor controlado de ganho de corrente, portanto, não é possível construir uma série de exemplos do mesmo circuito amplificador, todos com o mesmo ganho. Além disso, o ganho de um transistor varia com a temperatura, e até mesmo tem um ganho diferente em diferentes freqüências. Todos esses fatores tornariam os amplificadores de transistor totalmente confiáveis e impossíveis de fazer em grandes números. O principal motivo de que esta situação não existe e os amplificadores de transistores tornaram-se o principal elemento da indústria eletrônica é a introdução, muito cedo na história transistorrsquos, de feedback negativo. Princípio do NFB O princípio do feedback negativo é que uma parte do sinal de saída é retornada para a entrada e combinada com o sinal de entrada de forma a reduzi-lo. Isso reduz o ganho global do amplificador, mas também introduz uma série de benefícios, como redução de distorção e ruído, e ampliação da largura de banda do amplificador. Problemas com a NFB A introdução de feedback dentro de um sistema também pode introduzir a possibilidade de instabilidade em amplificadores, o sinal normalmente sofrerá uma inversão de fase de 180 graus entre entrada e saída, mas componentes reativos como capacitores e indutores, sejam eles componentes reais ou lsquostrayrsquo capacitância e indutância, Pode introduzir mudanças de fase indesejadas em frequências particulares (geralmente altas). Se essas alterações adicionais somarem mais 180 graus em qualquer freqüência em que o transistor tenha um ganho de mais de 1, a aplicação de feedback negativo pode se tornar feedback positivo. Em vez de reduzir o ganho, isso aumentará até o ponto em que o amplificador se tornará um oscilador e produzirá sinais indesejados. O feedback negativo deve, portanto, ser projetado para maximizar os benefícios mencionados acima, sem criar problemas indesejados. FIG. 3.1.1 Modo Loop aberto O amplificador no modo de loop aberto Fig. 3.1.1 mostra um amplificador de tensão de inversão de fase com ganho no modo de circuito aberto, isto é, sem feedback que pode ser chamado de A o (A mplification in o modo de loop de caneta). Supondo que um sinal de entrada de 1mV seja aplicado, então a saída será um sinal invertido (anti45fase) com uma amplitude de 1mV x A o A o (mV). FIG. 3.1.2 Modo de loop fechado O amplificador de feedback negativo no modo de loop fechado Um esquema de feedback negativo básico é mostrado na Fig. 3.1.2 onde o amplificador de inversão de fase tem uma fração de saída (saída V) alimentada de volta e adicionada à entrada (V in) de modo a reduzir a amplitude do sinal de entrada. As setas mostram a polaridade relativa dos sinais e pode-se ver que os sinais de saída e feedback estão em fase anti45 para o sinal de entrada. A fração do sinal de saída a ser alimentado de volta é controlada pelo divisor de potencial (beta) e esta fração é adicionada ao sinal de entrada na fase anti45, de modo que está efetivamente subtraída do sinal de entrada (V in) para dar uma Sinal combinado (V c) que é reduzido em amplitude antes de ser alimentado para a entrada real do amplificador. O ganho do amplificador, excluindo qualquer feedback, é A o, de modo que, por exemplo, a cada 1 mV aplicado em todos os terminais de entrada de circuitosquos, o amplificador produzirá um sinal de inversão de fase de A o x 1mV nos terminais de saída. O circuito de feedback compreendendo R1 e R2 irá alimentar de volta uma fração (beta) de saída V que A o. De modo que A o x betamV (Abeta) seja adicionado em fase anti45 para o sinal de 1mV para produzir um sinal de entrada reduzido de V c. A fonte de sinal V na condução do amplificador deve, portanto, fornecer não 1mV, mas 1AbetamV para produzir a mesma amplitude de saída. Portanto, o ganho global do amplificador com feedback negativo é reduzido e agora é chamado de gancho de circuito fechado (A c). Fórmula de Feedback Negativo O ganho de tensão de qualquer amplificador pode ser descrito pela fórmula: porque no amplificador de feedback negativo em loop fechado (Fig. 3.1.2): Feedback negativo, Parte 4: Introdução à Estabilidade Artigos anteriores nesta Série Informações de suporte Apenas para Você não precisa mudar de página sempre que quiser ponderar a estrutura de feedback geral, aqui está o diagrama apresentado no primeiro artigo: Sem almoço grátis. Os artigos anteriores desta série demonstraram que o feedback negativo é uma técnica simples e barata que nos permite melhorar muito o desempenho dos circuitos amplificadores. No começo, parece que estamos conseguindo algo por quase nada, até que nos lembremos que todos esses benefícios vêm ao custo do ganho reduzido. No entanto, esse ganho extra está prontamente disponível a partir de dispositivos semicondutores padrão e, além disso, geralmente não necessitamos nem desejamos todo esse ganho. Então, novamente, parece estar recebendo algo por quase nada e, portanto, todos, exceto os otimistas mais dedicados, podem estar ficando desconfiados. Certamente há alguma outra desvantagem, você diz, algo mais que perdemos quando adicionamos essa rede aparentemente benéfica de feedback negativo. Bem, sua intuição serve você bem, pois, se não tivermos cuidado, perderemos algo bastante importante: estabilidade. Os muitos benefícios do feedback negativo serão rapidamente esquecidos e desprezados quando você perceber que seu amplificador se transformou em um oscilador. De certa forma, porém, a oscilação catastrófica não é tão ruim, porque o problema é óbvio. Estabilidade marginal. O que leva ao toque excessivo no domínio do tempo e ao pico no domínio da frequência, pode ser um perturbador evasivo. Pior ainda, um circuito marginalmente estável pode ser funcional durante o teste, mas inútil quando o amplificador está exposto a diferentes condições operacionais ou ambientais. Assim, é fundamental que compreendamos completamente por que o feedback negativo pode levar à oscilação e como garantir que o amplificador amplifique, não oscilar. Quando negativa se torna positiva, não deve surpreender que o feedback positivo possa levar a oscilações: 1) aplicar um sinal de entrada 2) amplificar o sinal de entrada 3) alimentar a saída amplificada de volta e adicioná-la à entrada 4) a entrada é agora maior , E esta entrada maior é amplificada 5) a saída amplificada é novamente alimentada e adicionada à entrada 6) a entrada é maior novamente, é amplificada novamente, recebe feedback positivo novamente e assim por diante. Claramente, esta é uma situação de ldquounstablerdquo. A saída aumentará rapidamente até que seja limitada por alguma condição externa (geralmente as tensões da fonte de alimentação). Mas por que os comentários negativos já causam oscilação Ao subtrair a saída da entrada, estamos assegurando que os aumentos no sinal de entrada sempre conduzam a reduções de contrabalançamento através do feedback. Há apenas uma captura: se um sinal AC experimentar um desvio de fase de 180deg antes de ser alimentado de volta e subtraído, nosso feedback negativo acabou de se tornar positivo. No diagrama esquerdo, estamos subtraindo um número positivo de um número positivo e um número negativo de um número negativo. Isso é de fato subtração. No diagrama da direita, estamos subtraindo um número negativo de um número positivo e um número positivo de um número negativo. Isso não é mais um feedback negativo. A magnitude dos números positivos e negativos está aumentando. The Loop Gain A quantidade que determina diretamente se um circuito de feedback negativo é estável não é o ganho de loop fechado ou o ganho de loop aberto, mas sim o ganho de loop. Escrito como Abeta. Lembre-se da nossa fórmula para o ganho de ciclo fechado: Esta fórmula assume que Abeta é um número positivo (porque o Abeta positivo significa que o feedback é negativo). O que acontece quando Abeta não é positivo Considere o caso quando Abeta -1: Neste contexto, um ganho de infinito de ciclo fechado corresponde a um oscilador com uma entrada zero, a saída está saturada. Assim, a quantidade crítica na análise de estabilidade é o ganho de loop. É essencial desenvolver uma sólida compreensão conceitual de por que os problemas de estabilidade ocorrem e como preveni-los. Esta seqüência de perguntas e respostas deve ajudar a abordar alguns dos principais pontos de confusão. P: De onde vem essa mudança de fase, eu não pedi qualquer mudança de fase no meu amplificador. R: Lembre-se, todos os amplificadores eventualmente exibirão o aumento de ganhos em altas freqüências. Os amplificadores operacionais compensados internamente começam a rolar em freqüências muito baixas. Em qualquer caso, este roll-off é causado por pólos em algum lugar do circuito, e os pólos sempre trazem mudança de fase, bem como o ganho decrescente. P: OK, então eu tenho mudança de fase. Mas todos os meus circuitos op-amp destinam-se a aplicações DC ou de baixa frequência. Não haverá muita mudança de fase para os meus sinais, então eu não tenho que me preocupar com a estabilidade, certo A: Boa pergunta. Infelizmente, a frequência do seu sinal de interesse é largamente irrelevante. Os sinais da vida real sempre têm ruído, e alguns desses ruídos serão em altas freqüências. Além disso, qualquer transiente de tensão espúrio contém energia de alta freqüência. Lembre-se, com uma mudança de fase suficiente, estamos lidando com positivemdashi. e. Mdashfeedback regenerativo. Mesmo quando esses componentes inescapáveis de alta freqüência são de amplitude muito baixa, se o seu circuito não for inerentemente estável, a natureza regenerativa do feedback positivo aumentará sua amplitude até as oscilações tornarem-se aparentes. Q: Itrsquos sem esperança, então os amplificadores sempre exibem mudança de fase em altas freqüências, e os sinais estão sempre sujeitos a componentes de alta freqüência, como pode um circuito se tornar estável. A: Donrsquot despairmdashth é onde o ganho do loop vem. Pense na estrutura de feedback geral : Qualquer sinal que viaja ao redor do circuito de feedback é multiplicado por A, em seguida, beta. É por isso que chamamos Abeta do ganho ldquolooprdquo. Se Abeta for menor que a unidade nas altas freqüências onde a mudança de fase atinge 180deg, os sinais com deslocamento de fase de alta freqüência desaparecerão gradualmente em vez de aumentar progressivamente as principais oscilações. Certifique-se de entender isso. Imagine pequenas ondas de seno que viajam através do loop de Abeta: se Abeta é maior do que a unidade, as ondas senoas se construirão cada vez que passarem pelo loop, e sua amplitude aumenta gradualmente porque Abeta está amplificando-os. Se Abeta for menor que a unidade, os sinais serão gradualmente atenuados em insignificância, apesar de se reforçarem mutuamente no nó ldquosubtractionrdquo. O critério de estabilidade Agora, podemos afirmar explicitamente o critério de estabilidade teórica, onde ldquoloop gainrdquo se refere à resposta de freqüência do ganho de ciclo aberto multiplicado pela resposta de freqüência da rede de feedback (ou seja, o ganho de loop Abeta analisado como função de freqüência): se A magnitude do loop gainrsquos é menor do que a unidade na freqüência em que o loop gainrsquos shift de fase é 180deg, o circuito é estável. Na prática, o ganho de loop deve ser significativamente menor do que a unidade nesta freqüência para evitar a estabilidade marginal. Conclusão Agora, sabemos por que os amplificadores de feedback negativo são suscetíveis à oscilação e que condição deve estar presente para garantir a estabilidade. Mas há muito mais para a história de estabilidade, como os próximos artigos demonstrarão. No próximo artigo, vamos empregar simulações de domínio de freqüência para entender melhor o ganho de loop. Também discutiremos margem de ganho e margem de fase, que são dois parâmetros estreitamente relacionados para avaliar um grau de estabilidade de amplificador.
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