Отрицательная и положительная обратная связь в усилителе (ООС и ПОС)
В случае работы усилителя со своим конечным, то есть уже усилиенным сигналом проявляется прямое воздействие на его выходной уровень. То есть появляется так называемая обратная связь. Фактически такую связь для простоты понимания можно сравнить с поездом, который движется по кольцевой и все вагоны прицеплены один за другим без разрыва.
Так вот, это обратная связь бывает положительная, когда поезд ускоряется, и отрицательная, когда он тормозит. Конечно, это все условные понятия, а чтобы было все понятно и достоверно, давайте разберем примеры ПОС и ООС все же не на примере поезда, а в электронике, где они и встречаются.
Что такое положительная обратная связь ПОС
Положительная обратная связи, представляет собой такой тип, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения, а в случае отрицательной обратной связи происходит полностью обратный процесс.
Многие из нас сталкивались с примером обратной связи, который происходит при работе набора звукоусилительной аппаратуры для выступлений: когда оратор держит микрофон слишком близко к динамикам возникает высокий «воющий» звук, что связано с тем, что аудио усилитель воспринимает и усиливает свой собственный шум. Данное явление — пример положительной или регенеративной обратной связи, поскольку любой звук, поступающий в микрофон усиливается и превращается в ещё более громкий звук громкоговорителя и таким образом возникает петля обратной связи, в которой вибрация поддерживает сама себя, увеличиваясь всё больше и больше, в результате чего возникает шум с постоянно растущей громкостью, до тех пор пока система не входит в состояние «насыщения» и не может более усиливать звук.
Можно задаться вопросом, каковы возможные преимущества обратной связи в усилителях, учитывая такие раздражающие её проявления как «воющий» звук звукоусилительной аппаратуры для выступлений. Если мы введём в схему усилителя положительную или регенеративную обратную связь, то будет создана тенденция генерирования и поддержания колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, осуществляющих подачу сигнала обратной связи с выхода на вход.
Это один из способов сделать генератор, — схему для получения переменного тока от источника постоянного тока. Генераторы — чрезвычайно полезные схемы, и поэтому обратная связь может иметь определённое практическое применение.
Что такое отрицательная обратная связь ООС
Отрицательная обратная связь, с другой стороны, оказывает на усилитель «смягчающее» воздействие: при увеличении амплитуды выходного сигнала сигнал обратной связи противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная делает систему менее устойчивой, отрицательная обратная связь действует противоположным образом: стабильность системы лишь увеличивается.
Усилитель, охваченный отрицательной обратной связью не только более стабилен, но также в меньшей степени искажает входной сигнал и, как правило, может усиливать в более широком диапазоне частот. Плата за эти преимущества (должны же быть иметься и недостатки отрицательной обратной связи, не так ли?) — уменьшение коэффициента усиления.
Если часть выходного сигнала усилителя «поступает обратно» на вход, и противодействует любым изменениям выходного сигнала, то для обеспечения той же что и раньше амплитуды на выходе требуется входной сигнал большей амплитуды. Именно этим обуславливается уменьшенный коэффициент усиления при наличии отрицательной обратной связи. В любом случае, такие преимущества как стабильность, пониженный уровень искажения и более широкая полоса пропускания, стоят того, чтобы «пожертвовать» определённой частью усиления.
Рассмотрим простую схему усилителя и определим, как мы могли бы ввести в неё отрицательную обратную связь (см. рисунок ниже).
Усилитель с общим эмиттером без обратной связи
На схеме показан усилитель с общим эмиттером, в котором цепочка резисторов смещения образована резисторами R1 и R2. Конденсатор связывает Vвх с усилителем таким образом, что источник сигнала не имеет напряжения постоянного тока, сообщённого делителем напряжения R1/R2. Резистор R3 служит для контроля над коэффициентом усиления напряжения.
При максимальном коэффициенте усиления напряжения данный резистор можно опустить, но поскольку подобные резисторы базы часто используются в схемах усилителей с общим эмиттером, на рисунке он показан.
Как и все усилители с общим эмиттером показанный усилитель инвертирует усиленный входящий сигнал. Иначе говоря, нарастающее напряжение входящего сигнала ведет к падению напряжения на выходе и наоборот. На рисунке ниже показаны формы кривой на осциллографе.
Усилитель с общим эмиттером без обратной связи и исходные формы кривой для сравнения
Поскольку выходной сигнал представляет собой копию входного сигнала в зеркальном отображении, любое соединение между выходом (коллектором) и входом (базой) транзистора (как показано на рисунке ниже) создаст отрицательную обратную связь.
Отрицательная обратная связь, коллекторная обратная связь ослабляет выходной сигнал
Резисторы R1, R2, R3 и Rобр.св. вместе функционируют таким образом, что напряжение на базе транзистора (по отношению к земле) представляет собой среднее значение входного напряжения и напряжения обратной связи, что ведет к тому, что на транзистор поступает сигнал меньшей амплитуды.
Таким образом, схема усилителя на рисунке выше будет иметь сокращенный коэффициент усиления напряжения, но лучшую линейность (меньшее искажение) и более широкую полосу пропускания
Подводя итог об обратной положительной и отрицательной связи (ПОС и ООС)
• Обратная связь — подача выходного сигнала усилителя на его вход.
• Положительная , или регенеративная обратная связь приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует отклонению выходного сигнала от первоначального значения и в системе возникают колебания (переменный ток). Частота этих колебаний в значительной степени определяется подбором компонентов цепи обратной связи.
• Отрицательная обратная связь способствует стабильности работы усилителя, так что изменения выходного сигнала меньше для данного входного сигнала, чем при отсутствии обратной связи. Это приводит к снижению коэффициента усиления, однако даёт и определённые преимущества: уменьшение искажений и увеличение полосы пропускания (рабочего диапазона частот).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером посредством соединения коллектора с базой, либо путём включения резистора между эмиттером и землёй.
• Резистор «обратной связи» эмиттер-земля обычно используется в схемах с общим эмиттером в качестве превентивной меры против искажения, обусловленного повышением температуры .
• Отрицательная обратная связь также обладает тем преимуществом, что коэффициент усиления по напряжению становится более зависимым от номиналов резисторов и менее зависимым от характеристик самих транзисторов.
• Усилители с общим коллектором характеризуются более глубокой отрицательной обратной связью вследствие наличия нагрузочного резистора между эмиттером и землёй. Такая обратная связь обеспечивает исключительно стабильный коэффициент усиления, а также защиту от искажений, обусловленный повышением температуры транзисторов..
• Коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером может быть восстановлен без ущерба для устойчивости к искажениям посредством подключения шунтирующего конденсатора параллельно с «резистором обратной связи» эмиттера.
• Если усиление напряжения является сколь угодно высоким (10000 и выше), а отрицательная обратная связь используется для уменьшения коэффициента усиления до разумного уровня, то коэффициент усиления будет примерно равен Rобр.св. / Rвх.. При наличии обратной связи изменения коэффициента усиления транзистора ? или других параметров компонента не будут иметь большого влияния на усиление напряжения, в результате чего мы получим стабильный усилитель несложной конструкции.
Про обратную связь / Хабр
Несмотря на то, что сабж всем понятен и, казалось бы, прост, хочу в первом своем посте затронуть именно его.
Мы все живем в мире, где на любое наше действие либо следует какой-то ответ, либо не следует ответа. Если ответа нет – мы чувствуем, что что-то не так. Возможно, некоторые и не ощущают дискомфорта от отсутствия обратной связи. А действительно – чего переживать, если ограничения сняты и можно «быть собой», как иногда можно услышать от молодых людей.
Обратная связь не может быть одноразовой. Она есть всегда и она постоянна. У вас, к примеру, всегда есть «feedback from customer». Он не одноразовый («сегодня есть и больше никогда не будет») – а совсем даже наоборот. Ребенок всегда выскажет вам, что он хочет мороженого (или чего ему в тот момент захочется), когда вы с ним гуляете. Когда проектируется любая система, программа, аппарат или что угодно еще – обратная связь используется для ее калибровки и корректной работы.
Но что делать, если обратная связь нарушена? Если в процессе прохождения сигнала существуют помехи? Если обратной связи нет вообще (все пропало сломалось)?
В такой ситуации мы не знаем, что о нас думает заказчик или подчиненный. Человек не знает, горячо ему или холодно. Космический аппарат, бороздящий просторы большого театра космоса, теряет связь с ЦУПом. Все разваливается…
Есть два вида обратной связи: положительная и отрицательная. Положительная обратная связь – это такой тип связи, где изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.
Т.е. это взрыв или схлопывание. Но в любом случае – это четко понятный финал и конец существования системы/процесса/общества. Отрицательная обратная связь – это такой тип связи, при которой выходной сигнал системы передается обратно на вход для погашения части входного сигнала. Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Т.е. это неваляшка, регулирующая сама себя, имеющая для корректировки некий эталон.
Если же посмотреть с точки зрения процессов и управления – то все те процессы, которые расходятся в далекие дали или наоборот – схлопываются в ноль (ну вот так их спроектировали) – это процессы с положительной обратной связью. И наоборот – корректно спроектированные процессы, позволяющие системе функционировать необходимое время (заложенное при проектировании) – это прямой пример отрицательной (корректирующей) обратной связи. Проект, который ведется кое-как и кое-как управляется, имеет положительную обратную связь или нарушенную отрицательную – не будет выполнен в срок, с заданной стоимостью, с заданным качеством (по отдельности или все сразу).
В то же самое время починка или создание с нуля необходимой обратной связи зачастую может решить 90% проблем управления. В проектах это зачастую коммуникации. В разработке систем – правильное проектирование. В социуме – все те же коммуникации и процессы, поддающиеся контролю общества.
К сожалению, многие люди не привыкли рассуждать в подобных категориях. Они пытаются придумать «костыли» для неправильно спроектированных процессов, подпирающие процесс/систему с разных сторон. Но подобные «костыли» – в 90% случаев не являются ремонтом обратной связи (созданием отсутствовавшей связи).
Спасибо за внимание. Feel free to comment.
Циклы положительной и отрицательной обратной связи в биологии
Обратная связь определяется как информация, полученная о реакции на продукт, которая позволяет модифицировать продукт. Таким образом, петли обратной связи представляют собой процесс, посредством которого изменение в системе приводит к аварийному сигналу, который приводит к определенному результату. Этот результат либо увеличит изменения в системе, либо уменьшит их, чтобы вернуть систему в нормальное состояние. Остается несколько вопросов: как работают эти системы? Что такое положительный отзыв? Что такое отрицательный отзыв? Где мы находим эти системы в природе?
Биологические системы работают на основе механизма входов и выходов, каждый из которых вызван и вызывает определенное событие.
Петля обратной связи — это биологическое явление, при котором выход системы усиливает систему (положительная обратная связь) или тормозит систему (отрицательная обратная связь). Петли обратной связи важны, потому что они позволяют живым организмам поддерживать гомеостаз . Гомеостаз — это механизм, который позволяет нам поддерживать нашу внутреннюю среду относительно постоянной — не слишком горячей или слишком холодной, не слишком голодной или усталой. Уровень энергии, необходимый организму для поддержания гомеостаза, зависит от типа организма, а также от среды, в которой он обитает. Например, хладнокровная рыба поддерживает свою температуру на том же уровне, что и окружающая ее вода, и поэтому ей не нужно контролировать свою внутреннюю температуру. Сравните это с теплокровным китом в той же среде: ему нужно поддерживать температуру тела выше, чем температура воды вокруг него, и поэтому он затрачивает больше энергии на регулирование температуры. Это разница между эктотермы и эндотермы : эктотермы используют температуру окружающей среды для контроля своей внутренней температуры (например, рептилии, амфибии и рыбы), тогда как эндотермы используют гомеостаз для поддержания своей внутренней температуры.
Эндотермы могут поддерживать свой метаболизм с постоянной скоростью, обеспечивая постоянное движение, реакцию и внутренние процессы, тогда как экзотермы не могут поддерживать свой метаболизм с постоянной скоростью. Это означает, что их движение, реакция и внутренние процессы зависят от адекватного внешнего тепла, но это также означает, что им требуется меньше энергии в виде пищи, поскольку их тела не сжигают топливо постоянно.
Петли обратной связи также могут возникать в большей степени: на уровне экосистемы поддерживается форма гомеостаза. Хорошим примером этого является цикл популяций хищников и жертв: бум популяций жертв будет означать больше пищи для хищников, что приведет к увеличению численности хищников. Затем это приведет к чрезмерному хищничеству, и популяция добычи снова сократится. Популяция хищников в ответ уменьшится, ослабив давление на популяцию жертв и позволив ей прийти в норму. См. рис. 1. Другой пример — так называемая «эволюционная гонка вооружений», когда хищник и его жертва постоянно пытаются переиграть друг друга.
Одним из таких отношений является отношение нектароядных птиц к цветам, которыми они питаются. У птиц развиваются длинные клювы, чтобы получить доступ к нектару внутри цветка. В ответ цветок приобретает все более и более длинную трубчатую форму, пытаясь помешать птице добраться до нектара. Птица отвечает, развивая еще более длинный клюв. И так продолжается.
Источник изображения: Wikimedia Commons
Рисунок 1. Тенденции популяций хищников и жертв.
Петли положительной обратной связиПетля положительной обратной связи возникает в природе, когда продукт реакции приводит к усилению этой реакции. Если мы посмотрим на систему, находящуюся в гомеостазе, петля положительной обратной связи отдаляет систему от цели равновесия. Он делает это, усиливая эффекты продукта или события, и возникает, когда что-то должно произойти быстро.
Пример 1: Созревание плодов В природе существует удивительный эффект, когда дерево или куст внезапно созревают со всеми своими фруктами или овощами без какого-либо видимого сигнала.
Это наш первый пример петли положительной биологической обратной связи. Если мы посмотрим на яблоню, на которой много яблок, кажется, что за одну ночь все они переходят от незрелых к спелым, а затем к перезрелым. Это начнется с первого созревшего яблока. После созревания он выделяет газ, известный как этилен (C 2 H 4 ) через его кожу. Под воздействием этого газа созревают и яблоки рядом с ним. После созревания они тоже производят этилен, который продолжает созревать в остальной части дерева, создавая эффект, очень похожий на волну. Эта петля обратной связи часто используется при производстве фруктов, когда яблоки подвергаются воздействию искусственного газа этилена, чтобы ускорить их созревание.
Рисунок 2: Процесс созревания яблок представляет собой петлю положительной обратной связи.
Пример 2: Роды Когда начинаются роды, головка ребенка опускается вниз, что приводит к повышенному давлению на шейку матки.
Это стимулирует рецепторные клетки посылать химический сигнал в мозг, позволяя высвобождать окситоцин. Этот окситоцин диффундирует к шейке матки через кровь, где он стимулирует дальнейшие сокращения. Эти сокращения стимулируют дальнейший выброс окситоцина, пока ребенок не родится.
Рисунок 3: Схватки во время родов возникают в результате положительной обратной связи.
Пример 3: Свертывание кровиПри разрыве или повреждении ткани выделяется химическое вещество. Это химическое вещество вызывает активацию тромбоцитов в крови. Как только эти тромбоциты активируются, они выделяют химическое вещество, которое сигнализирует об активации большего количества тромбоцитов, пока рана не свернется.
Рис. 4. Процесс свертывания крови в ране представляет собой петлю положительной обратной связи.
Петли отрицательной обратной связи Петля отрицательной обратной связи возникает в биологии, когда продукт реакции приводит к ослаблению этой реакции.
Таким образом, петля отрицательной обратной связи приближает систему к цели стабильности или гомеостаза. Петли отрицательной обратной связи отвечают за стабилизацию системы и обеспечивают поддержание устойчивого стабильного состояния. Реакция регулирующего механизма противоположна выходу события.
Регуляция температуры у человека происходит постоянно. Нормальная температура человеческого тела составляет приблизительно 98,6°F. Когда температура тела поднимается выше этого значения, в организме начинают потеть два механизма, и происходит расширение сосудов, что позволяет большей площади поверхности крови подвергаться воздействию более прохладной внешней среды. Когда пот охлаждается, он вызывает испарительное охлаждение, а кровеносные сосуды вызывают конвективное охлаждение. Нормальная температура восстанавливается. Если эти механизмы охлаждения продолжатся, тело станет холодным. Механизмы, которые затем срабатывают, — это образование мурашек по коже и сужение сосудов.
Мурашки у других млекопитающих приподнимают волосы или мех, позволяя сохранять больше тепла. У людей они стягивают окружающую кожу, уменьшая (незначительно) площадь поверхности, с которой теряется тепло. Вазоконстрикция гарантирует, что только небольшая площадь поверхности вен подвергается воздействию более низкой температуры наружного воздуха, сохраняя тепло. Нормальная температура восстанавливается.
Рисунок 5: Процесс регулирования температуры у человека представляет собой петлю отрицательной обратной связи.
Пример 2: Регуляция кровяного давления (барорефлекс) Кровяное давление должно оставаться достаточно высоким, чтобы перекачивать кровь во все части тела, но не настолько высоким, чтобы при этом вызвать повреждения. Пока сердце работает, барорецепторы определяют давление крови, проходящей через артерии. Если давление слишком высокое или слишком низкое, химический сигнал отправляется в мозг через языкоглоточный нерв.
Затем мозг посылает химический сигнал сердцу, чтобы отрегулировать скорость перекачивания: если кровяное давление низкое, частота сердечных сокращений увеличивается, а если артериальное давление высокое, частота сердечных сокращений уменьшается.
Осморегуляция относится к контролю концентрации различных жидкостей в организме для поддержания гомеостаза. Мы снова рассмотрим пример рыбы, живущей в океане. Концентрация соли в воде, окружающей рыбу, намного выше, чем в жидкости, содержащейся в рыбе. Эта вода поступает в организм рыбы диффузно через жабры, при потреблении пищи и при питье. Кроме того, поскольку концентрация соли снаружи выше, чем внутри рыбы, происходит пассивная диффузия соли в рыбу и воды из рыбы. В этом случае концентрация соли в рыбе слишком высока, и ионы соли должны выделяться с экскрецией. Это происходит через кожу и с очень концентрированной мочой. Кроме того, высокие уровни солей в крови удаляются посредством активного транспорта хлорид-секретирующими клетками в жабрах.
Таким образом поддерживается правильная концентрация соли.
Рисунок 6: Процесс осморегуляции у морских рыб представляет собой постоянную отрицательную обратную связь.
Положительная и отрицательная обратная связьКлючевое различие между положительной и отрицательной обратной связью заключается в их реакции на изменение: положительная обратная связь усиливает изменения, а отрицательная обратная связь уменьшает их. Это означает, что положительная обратная связь приведет к большему количеству продукта: больше яблок, больше сокращений или больше тромбоцитов. Отрицательная обратная связь приведет к меньшему количеству продукта: меньшему количеству тепла, меньшему давлению или меньшему количеству соли. Положительная обратная связь движется от целевой точки, а отрицательная обратная связь движется к цели.
Почему важна обратная связь? Без обратной связи гомеостаз невозможен.
Это означает, что организм теряет способность к саморегуляции своего организма. Механизмы отрицательной обратной связи более распространены в гомеостазе, но петли положительной обратной связи также важны. Изменения в петлях обратной связи могут привести к различным проблемам, включая сахарный диабет.
Рисунок 7: При нормальном цикле глюкозы повышение уровня глюкозы в крови, определяемое поджелудочной железой, приводит к тому, что бета-клетки поджелудочной железы секретируют инсулин до тех пор, пока не будет достигнут нормальный уровень глюкозы в крови. В то время как при обнаружении низкого уровня глюкозы в крови альфа-клетки поджелудочной железы выделяют глюкагон, чтобы поднять уровень глюкозы в крови до нормального уровня.
При диабете 1 типа бета-клетки не работают. Это означает, что когда уровень глюкозы в крови повышается, выработка инсулина не запускается, и поэтому уровень глюкозы в крови продолжает расти. Это может привести к таким симптомам, как помутнение зрения, потеря веса, гипервентиляция, тошнота и рвота, среди прочих.
При диабете 2 типа хронический высокий уровень глюкозы в крови возникает в результате неправильного питания и отсутствия физических упражнений. Это приводит к тому, что клетки больше не распознают инсулин, и поэтому уровень глюкозы в крови продолжает расти.
Петли обратной связи — это биологические механизмы, посредством которых поддерживается гомеостаз. Это происходит, когда продукт или результат события или реакции изменяет реакцию организма на эту реакцию. Положительная обратная связь возникает, чтобы увеличить изменение или результат: результат реакции усиливается, чтобы он происходил быстрее. Отрицательная обратная связь возникает, чтобы уменьшить изменение или результат: результат реакции уменьшается, чтобы вернуть систему в стабильное состояние. Некоторыми примерами положительной обратной связи являются сокращения при рождении ребенка и созревании плода; примеры отрицательной обратной связи включают регуляцию уровня глюкозы в крови и осморегуляцию.
Начните подготовку к биологии с Альбертом. Начните подготовку к экзамену AP® сегодня .
Заинтересованы в школьной лицензии?
Пригласите Альберта в свою школу и предоставьте всем учителям лучший в мире банк вопросов для:
➜ SAT® и ACT®
➜ AP®
➜ ELA, математика, естествознание и социальные науки
➜ Государственные оценки
Варианты для учителей, школы, районы.
УЗНАТЬ О ВАРИАНТАХ
Контуры обратной связи
Положительная обратная связь циклов усиливают или усиливают изменения; это имеет тенденцию уводить систему от ее равновесного состояния и делать ее более нестабильной.
Отрицательные обратные связи имеют тенденцию демпфировать или буферизовать изменения; это имеет тенденцию удерживать систему в некотором равновесном состоянии, делая ее более стабильной.
Здесь приведены несколько примеров, которые помогут прояснить петли обратной связи и представить схемы петель.
Понимание отрицательных и положительных связей полезно для понимания структуры петли.
Положительная связь — это связь, в которой изменение (увеличение или уменьшение) некоторой переменной приводит к такому же изменению (увеличению или уменьшению) второй переменной. Положительная связь на рисунке ниже для охлаждающей кофейной чашки означает, что чем горячее кофе, тем быстрее он остывает. Переменные Tc и Tr представляют собой кофе и комнатную температуру соответственно.
Отрицательная связь — это связь, в которой изменение (увеличение или уменьшение) некоторой переменной приводит к противоположному изменению (уменьшению/увеличению) второй переменной. Отрицательная связь на рисунке ниже для охлаждающей кофейной чашки означает, что положительная скорость охлаждения приводит к падению температуры кофе.
Когда эти два соединения объединяются, мы получаем петлю отрицательной обратной связи, как показано слева, в которой температура кофе приближается к стабильному равновесию комнатной температуры. Обход цикла положительного соединения, умноженного на отрицательное соединение, дает отрицательный эффект обратной связи. Тот же трюк с перемножением знаков связей вокруг петли вместе, чтобы выяснить, является ли она положительной или отрицательной обратной связью, работает для более сложных структур петли с большим количеством соединений.
Пример положительной обратной связи — население мира с фиксированным процентом рождаемости. Положительные отзывы приведут к неограниченному росту (пока не будут проверены) и иногда называются порочными циклами. На приведенном ниже рисунке, соединяющем численность населения с рождаемостью, большие популяции вызывают большое количество рождений, а большое количество рождений приводит к увеличению численности населения.