Feedback

Se alguma porcentagem do sinal de saída de um amplificador for conectada à entrada, de modo que o amplificador amplifique parte de seu sinal de saída, temos o que é conhecido como feedback .

Categorias de feedback

O feedback vem em duas variedades: positivo (também chamado de regenerativo ) e negativo (também chamado de degenerativo ) .

Feedback positivo

Reforça a direção da mudança de tensão de saída de um amplificador, enquanto o feedback negativo faz exatamente o oposto.

Um exemplo familiar de feedback acontece em sistemas de endereçamento público ("PA"), onde alguém segura o microfone muito perto de um alto-falante:segue-se um "gemido" ou "uivo" agudo, porque o sistema amplificador de áudio está detectando e amplificando seu ruído. Especificamente, este é um exemplo de positivo ou regenerativo feedback, pois qualquer som detectado pelo microfone é amplificado e transformado em um som mais alto pelo alto-falante, que é então detectado pelo microfone novamente, e assim por diante. . . o resultado é um ruído de volume cada vez maior até que o sistema fique “saturado” e não possa mais produzir volume.

Alguém pode se perguntar qual é o possível feedback de benefício para um circuito de amplificador, dado um exemplo irritante como “uivo” de sistema de PA. Se introduzirmos feedback positivo ou regenerativo em um circuito amplificador, ele tende a criar e sustentar oscilações, cuja frequência é determinada pelos valores dos componentes que lidam com o sinal de feedback da saída para a entrada. Esta é uma maneira de fazer um oscilador circuito para produzir AC a partir de uma fonte de alimentação DC. Os osciladores são circuitos muito úteis e, portanto, o feedback tem uma aplicação prática e definitiva para nós.

Feedback negativo

Por outro lado, o feedback negativo tem um efeito de "amortecimento" em um amplificador:se o sinal de saída aumenta em magnitude, o sinal de feedback introduz uma influência decrescente na entrada do amplificador, opondo-se assim à mudança no sinal de saída. Enquanto o feedback positivo conduz um circuito amplificador em direção a um ponto de instabilidade (oscilações), o feedback negativo o conduz na direção oposta:em direção a um ponto de estabilidade.

Um circuito amplificador equipado com alguma quantidade de feedback negativo não é apenas mais estável, mas distorce menos a forma de onda de entrada e geralmente é capaz de amplificar uma faixa mais ampla de frequências. A compensação para essas vantagens (há apenas tem uma desvantagem para o feedback negativo, certo?) é o ganho diminuído. Se uma parte do sinal de saída de um amplificador é "realimentado" para a entrada para se opor a quaisquer mudanças na saída, será necessária uma amplitude de sinal de entrada maior para conduzir a saída do amplificador à mesma amplitude de antes. Isso constitui um ganho diminuído. No entanto, as vantagens de estabilidade, menor distorção e maior largura de banda compensam a desvantagem de ganho reduzido para muitos aplicativos.

Vamos examinar um circuito amplificador simples e ver como podemos introduzir feedback negativo nele, começando com a figura abaixo.



Amplificador de emissor comum sem feedback.

A configuração do amplificador mostrada aqui é um emissor comum, com uma rede de polarização do resistor formada por R1 e R2. O capacitor acopla Vinput ao amplificador de modo que a fonte do sinal não tenha uma tensão DC imposta pela rede divisória R1 / R2. O resistor R3 serve para controlar o ganho de tensão. Poderíamos omiti-lo para ganho de tensão máximo, mas como resistores de base como este são comuns em circuitos amplificadores de emissor comum, vamos mantê-lo neste esquema.

Como todos os amplificadores de emissor comum, este inverte o sinal de entrada à medida que é amplificado. Em outras palavras, uma tensão de entrada positiva faz com que a tensão de saída diminua ou se mova para o negativo e vice-versa.

As formas de onda do osciloscópio são mostradas na figura abaixo.



Amplificador emissor comum, sem feedback, com formas de onda de referência para comparação.

Como a saída é invertida, ou imagem espelhada, reprodução do sinal de entrada, qualquer conexão entre o fio de saída (coletor) e o fio de entrada (base) do transistor na figura abaixo resultará em negativo comentários.

Feedback negativo, feedback do coletor, diminui o sinal de saída.

As resistências de R1, R2, R3 e Rfeedback funcionam juntas como uma rede de mistura de sinal de modo que a tensão vista na base do transistor (com relação ao terra) é uma média ponderada da tensão de entrada e da tensão de feedback, resultando em um sinal de amplitude reduzida indo para o transistor. Portanto, o circuito do amplificador na figura acima terá ganho de tensão reduzido, mas melhor linearidade (distorção reduzida) e largura de banda aumentada.

Um resistor conectando o coletor à base não é a única maneira de introduzir feedback negativo neste circuito amplificador. Outro método, embora mais difícil de entender no início, envolve a colocação de um resistor entre o terminal emissor do transistor e o aterramento do circuito na figura abaixo.

Feedback do emissor:um método diferente de introdução de feedback negativo em um circuito.

Este novo resistor de realimentação cai a tensão proporcional à corrente do emissor através do transistor, e faz isso de forma a se opor à influência do sinal de entrada na junção base-emissor do transistor. Vamos dar uma olhada mais de perto na junção base-emissor e ver a diferença que esse novo resistor faz na figura abaixo.

Sem nenhum resistor de feedback conectando o emissor ao terra na figura abaixo (a), qualquer nível de sinal de entrada (Vinput) passa pelo capacitor de acoplamento e a rede de resistores R1 / R2 / R3 será impressa diretamente através da junção base-emissor como a tensão de entrada do transistor (VB-E). Em outras palavras, sem resistor de feedback, VB-E é igual a Vinput. Portanto, se Vinput aumenta em 100 mV, então VB-E aumenta em 100 mV:uma mudança em um é o mesmo que uma mudança no outro, uma vez que as duas tensões são iguais uma à outra.

Agora, vamos considerar os efeitos da inserção de um resistor (Rfeedback) entre o condutor emissor do transistor e o aterramento na Figura abaixo (b).

(a) Sem feedback vs (b) feedback do emissor. Uma forma de onda no coletor é invertida em relação à base. Em (b), a forma de onda do emissor está em fase (seguidor de emissor) com a base, fora de fase com o coletor. Portanto, o sinal do emissor é subtraído do sinal de saída do coletor.

Observe como a tensão caiu através de Rfeedback adicionado com VB-E para igualar Vinput. Com Rfeedback no Vinput — loop VB-E, VB-E não será mais igual a Vinput. Sabemos que o Rfeedback reduzirá uma tensão proporcional à corrente do emissor, que por sua vez é controlada pela corrente de base, que por sua vez é controlada pela queda de tensão na junção do emissor de base do transistor (VB-E). Assim, se Vinput aumentasse em uma direção positiva, aumentaria VB-E, causando mais corrente de base, causando mais corrente de coletor (carga), causando mais corrente de emissor e fazendo com que mais tensão de feedback caísse através do Rfeedback. Este aumento da queda de tensão através do resistor de feedback, porém, subtrai de Vinput para reduzir o VB-E, de modo que o aumento de tensão real para VB-E seja menor que o aumento de tensão de Vinput. Um aumento de 100 mV em Vinput não resultará mais em um aumento total de 100 mV para VB-E, porque as duas tensões não iguais entre si.

Consequentemente, a tensão de entrada tem menos controle sobre o transistor do que antes, e o ganho de tensão para o amplificador é reduzido:exatamente o que esperávamos do feedback negativo.

Em circuitos práticos de emissor comum, o feedback negativo não é apenas um luxo; é uma necessidade para uma operação estável. Em um mundo perfeito, poderíamos construir e operar um amplificador de transistor emissor comum sem feedback negativo e ter toda a amplitude de Vinput impressa na junção base-emissor do transistor. Isso nos daria um grande ganho de tensão. Infelizmente, porém, a relação entre a tensão do emissor da base e a corrente do emissor da base muda com a temperatura, conforme previsto pela "equação do diodo". À medida que o transistor esquenta, haverá menos queda de tensão direta na junção base-emissor para qualquer corrente. Isso causa um problema para nós, pois a rede divisora ​​de tensão R1 / R2 é projetada para fornecer a corrente quiescente correta através da base do transistor para que ele opere em qualquer classe de operação que desejamos (neste exemplo, mostrei o amplificador funcionando no modo classe A). Se a relação tensão / corrente do transistor muda com a temperatura, a quantidade de tensão de polarização CC necessária para a classe de operação desejada mudará. Um transistor quente extrairá mais corrente de polarização para a mesma quantidade de voltagem de polarização, fazendo com que ele aqueça ainda mais, consumindo ainda mais corrente de polarização. O resultado, se desmarcado, é chamado de fuga térmica .

Amplificadores de coletor comum, (Figura abaixo) no entanto, não sofrem de fuga térmica. Por que é isso? A resposta tem tudo a ver com feedback negativo.

Amplificador coletor comum (seguidor de emissor).

Observe que o amplificador de coletor comum (Figura acima) tem seu resistor de carga colocado no mesmo local em que tínhamos o resistor Rfeedback no último circuito na Figura acima (b):entre o emissor e o terra. Isso significa que a única tensão impressa na junção base-emissor do transistor é a diferença entre Vinput e Voutput, resultando em um ganho de voltagem muito baixo (geralmente próximo a 1 para um amplificador de coletor comum). A fuga térmica é impossível para este amplificador:se a corrente de base aumentar devido ao aquecimento do transistor, a corrente do emissor também aumentará, diminuindo mais a tensão na carga, que por sua vez subtrai de Vinput para reduzir a quantidade de tensão perdida entre a base e o emissor. Em outras palavras, o feedback negativo proporcionado pela colocação do resistor de carga torna o problema de fuga térmica autocorreção . Em troca de um ganho de tensão bastante reduzido, obtemos estabilidade e imunidade excelentes contra o descontrole térmico.

Ao adicionar um resistor de “feedback” entre o emissor e o terra em um amplificador de emissor comum, fazemos o amplificador se comportar um pouco menos como um emissor comum “ideal” e um pouco mais como um coletor comum. O valor do resistor de feedback é normalmente um pouco menor do que a carga, minimizando a quantidade de feedback negativo e mantendo o ganho de tensão bastante alto.

Outro benefício do feedback negativo, visto claramente no circuito do coletor comum, é que ele tende a tornar o ganho de tensão do amplificador menos dependente das características do transistor. Observe que em um amplificador de coletor comum, o ganho de tensão é quase igual à unidade (1), independentemente do β do transistor. Isso significa, entre outras coisas, que poderíamos substituir o transistor em um amplificador de coletor comum por um com um β diferente e não ver nenhuma mudança significativa no ganho de tensão. Em um circuito emissor comum, o ganho de tensão é altamente dependente de β. Se substituíssemos o transistor em um circuito emissor comum por outro de β diferente, o ganho de tensão do amplificador mudaria significativamente. Em um amplificador de emissor comum equipado com feedback negativo, o ganho de voltagem ainda dependerá do transistor β em algum grau, mas não tanto quanto antes, tornando o circuito mais previsível apesar das variações no transistor β.

O fato de termos que introduzir feedback negativo em um amplificador de emissor comum para evitar o descontrole térmico é uma solução insatisfatória. É possível evitar o descontrole térmico sem ter que suprimir o ganho de tensão inerentemente alta do amplificador? A melhor solução de dois mundos para este dilema está disponível para nós se examinarmos de perto o problema:o ganho de tensão que temos que minimizar para evitar fuga térmica é o DC ganho de tensão, não o AC Ganho de tensão. Afinal, não é o sinal de entrada CA que alimenta a fuga térmica:é a tensão de polarização CC necessária para uma certa classe de operação:aquele sinal CC quiescente que usamos para "enganar" o transistor (fundamentalmente um dispositivo CC) para amplificar um sinal AC. Podemos suprimir o ganho de tensão CC em um circuito amplificador de emissor comum sem suprimir o ganho de tensão CA se descobrirmos uma maneira de fazer o feedback negativo funcionar apenas com CC. Ou seja, se apenas realimentarmos um sinal CC invertido da saída para a entrada, mas não um sinal CA invertido.

O resistor do emissor Rfeedback fornece feedback negativo, reduzindo a tensão proporcional à corrente de carga. Em outras palavras, o feedback negativo é obtido pela inserção de uma impedância no caminho da corrente do emissor. Se quisermos realimentar DC, mas não AC, precisamos de uma impedância que seja alta para DC, mas baixa para AC. Que tipo de circuito apresenta alta impedância para CC, mas baixa impedância para CA? Um filtro passa-alta, é claro!

Ao conectar um capacitor em paralelo com o resistor de feedback na Figura abaixo, criamos a mesma situação de que precisamos:um caminho do emissor ao terra que seja mais fácil para CA do que para CC.

Ganho de alta tensão AC restabelecido adicionando Cbypass em paralelo com Rfeedback

O novo capacitor "desvia" CA do emissor do transistor para o terra, de modo que nenhuma tensão CA apreciável caia do emissor para o terra para "realimentar" a entrada e suprimir o ganho de tensão. A corrente contínua, por outro lado, não pode passar pelo capacitor de desvio e, portanto, deve viajar através do resistor de feedback, diminuindo a tensão CC entre o emissor e o solo, o que reduz o ganho de tensão CC e estabiliza a resposta CC do amplificador, evitando fuga térmica. Como queremos que a reatância desse capacitor (XC) seja a mais baixa possível, o Cbypass deve ter um tamanho relativamente grande. Como a polaridade deste capacitor nunca muda, é seguro usar um capacitor polarizado (eletrolítico) para a tarefa.

Outra abordagem para o problema de feedback negativo que reduz o ganho de voltagem é usar amplificadores de vários estágios em vez de amplificadores de transistor único. Se o ganho atenuado de um único transistor for insuficiente para a tarefa em questão, podemos usar mais de um transistor para compensar a redução causada pelo feedback. Um exemplo de circuito mostrando feedback negativo em um amplificador emissor comum de três estágios na figura abaixo.

O feedback em torno de um número “ímpar” de estágios de emissor comum acoplado direto produz um feedback negativo.

O caminho de feedback da saída final para a entrada é por meio de um único resistor, Rfeedback. Uma vez que cada estágio é um amplificador emissor comum (assim invertendo), o número ímpar de estágios da entrada para a saída inverterá o sinal de saída; o feedback será negativo (degenerativo). Quantidades relativamente grandes de feedback podem ser usadas sem sacrificar o ganho de voltagem porque os três estágios do amplificador fornecem muito ganho, para começar.

A princípio, essa filosofia de design pode parecer deselegante e talvez até contraproducente. Não é uma forma bastante rudimentar de superar a perda de ganho decorrente do uso de feedback negativo, para simplesmente recuperar o ganho adicionando estágio após estágio? De que adianta criar um enorme ganho de tensão usando três estágios de transistor se vamos apenas atenuar todo esse ganho com feedback negativo? O ponto, embora talvez não aparente no início, é o aumento da previsibilidade e estabilidade do circuito como um todo. Se os três estágios do transistor forem projetados para fornecer um ganho de tensão arbitrariamente alto (na casa das dezenas de milhares ou mais) sem feedback, será descoberto que a adição de feedback negativo faz com que o ganho de tensão geral se torne menos dependente do indivíduo ganhos de estágio e aproximadamente iguais à razão simples Rfeedback / Rin. Quanto mais ganho de tensão o circuito tiver (sem feedback), mais próximo o ganho de tensão se aproximará de Rfeedback / Rin uma vez que o feedback seja estabelecido. Em outras palavras, o ganho de tensão neste circuito é fixado pelos valores de dois resistores e nada mais.

Esta é uma vantagem para a produção em massa de circuitos eletrônicos:se amplificadores de ganho previsível podem ser construídos usando transistores de valores β amplamente variados, isso facilita a seleção e substituição de componentes. Também significa que o ganho do amplificador varia pouco com as mudanças de temperatura. Este princípio de controle de ganho estável por meio de um amplificador de alto ganho "domesticado" por feedback negativo é elevado quase a uma forma de arte em circuitos eletrônicos chamados de amplificadores operacionais ou op-amps . Você pode ler muito mais sobre esses circuitos em um capítulo posterior deste livro!

REVER:

• Feedback é o acoplamento da saída de um amplificador à sua entrada.
• Positivo , ou regenerativo o feedback tem a tendência de tornar o circuito do amplificador instável, de modo que ele produz oscilações (CA). A frequência dessas oscilações é amplamente determinada pelos componentes da rede de feedback.
• Negativo , ou degenerativa o feedback tende a tornar um circuito amplificador mais estável, de modo que sua saída muda menos para um determinado sinal de entrada do que sem feedback. Isso reduz o ganho do amplificador, mas tem a vantagem de diminuir a distorção e aumentar a largura de banda (a faixa de frequências que o amplificador pode manipular).
• O feedback negativo pode ser introduzido em um circuito emissor comum acoplando o coletor à base ou inserindo um resistor entre o emissor e o terra.
• Um resistor de "feedback" de emissor para terra é geralmente encontrado em circuitos de emissor comum como uma medida preventiva contra fuga térmica .
• O feedback negativo também tem a vantagem de tornar o ganho de tensão do amplificador mais dependente dos valores do resistor e menos dependente das características do transistor.
• Os amplificadores de coletor comum têm muito feedback negativo, devido à colocação do resistor de carga entre o emissor e o terra. Este feedback é responsável pelo ganho de tensão extremamente estável do amplificador, bem como sua imunidade contra fuga térmica.
• O ganho de tensão para um circuito emissor comum pode ser restabelecido sem sacrificar a imunidade à fuga térmica, conectando um capacitor de desvio em paralelo com o emissor "resistor de feedback".
• Se o ganho de tensão de um amplificador for arbitrariamente alto (dezenas de milhares ou mais), e o feedback negativo for usado para reduzir o ganho a níveis razoáveis, será descoberto que o ganho será aproximadamente igual ao feedback R / R _em . Mudanças no transistor β ou outros valores de componentes internos terão pouco efeito no ganho de tensão com feedback em operação, resultando em um amplificador que é estável e fácil de projetar.

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