Umpan Balik

Jika beberapa persentase dari sinyal keluaran penguat terhubung ke masukan, sehingga penguat menguatkan sebagian dari sinyal keluarannya, kita memiliki apa yang dikenal sebagai umpan balik .

Kategori Umpan Balik

Umpan balik datang dalam dua jenis: positif (juga disebut regeneratif ) , dan negatif (juga disebut degeneratif ) .

Umpan balik positif

Memperkuat arah perubahan tegangan output amplifier, sedangkan umpan balik negatif justru sebaliknya.

Contoh umum dari umpan balik terjadi dalam sistem alamat publik ("PA") di mana seseorang memegang mikrofon terlalu dekat dengan pembicara:"rengekan" atau "melolong" bernada tinggi terjadi, karena sistem penguat audio mendeteksi dan memperkuat suaranya. kebisingan. Secara khusus, ini adalah contoh positif atau regeneratif feedback, karena setiap suara yang terdeteksi oleh mikrofon diperkuat dan diubah menjadi suara yang lebih keras oleh speaker, yang kemudian dideteksi oleh mikrofon lagi, dan seterusnya . . . hasilnya adalah suara dengan volume yang terus meningkat hingga sistem menjadi "jenuh" dan tidak dapat menghasilkan volume lagi.

Orang mungkin bertanya-tanya apa kemungkinan umpan balik manfaat untuk rangkaian penguat, mengingat contoh yang mengganggu seperti "melolong" sistem PA. Jika kita memasukkan umpan balik positif, atau regeneratif, ke dalam rangkaian penguat, ia cenderung menciptakan dan mempertahankan osilasi, yang frekuensinya ditentukan oleh nilai komponen yang menangani sinyal umpan balik dari output ke input. Ini adalah salah satu cara untuk membuat osilator rangkaian untuk menghasilkan AC dari catu daya DC. Osilator adalah sirkuit yang sangat berguna, sehingga umpan balik memiliki aplikasi praktis dan pasti bagi kita.

Umpan balik negatif

Di sisi lain, umpan balik negatif memiliki efek "peredam" pada penguat:jika sinyal output meningkat besarnya, sinyal umpan balik memperkenalkan pengaruh penurunan ke input penguat, sehingga menentang perubahan sinyal output. Sementara umpan balik positif mendorong rangkaian penguat menuju titik ketidakstabilan (osilasi), umpan balik negatif mendorongnya ke arah yang berlawanan:menuju titik stabilitas.

Rangkaian penguat yang dilengkapi dengan sejumlah umpan balik negatif tidak hanya lebih stabil, tetapi juga lebih sedikit mendistorsi bentuk gelombang input dan umumnya mampu memperkuat rentang frekuensi yang lebih luas. Pengorbanan untuk keuntungan ini (hanya ada telah menjadi kerugian untuk umpan balik negatif, kan?) adalah penurunan keuntungan. Jika sebagian dari sinyal keluaran penguat "diumpankan kembali" ke masukan untuk menentang perubahan apa pun pada keluaran, itu akan membutuhkan amplitudo sinyal masukan yang lebih besar untuk menggerakkan keluaran penguat ke amplitudo yang sama seperti sebelumnya. Ini merupakan penurunan keuntungan. Namun, keuntungan stabilitas, distorsi yang lebih rendah, dan bandwidth yang lebih besar sepadan dengan keuntungan yang berkurang untuk banyak aplikasi.

Mari kita periksa rangkaian penguat sederhana dan lihat bagaimana kita dapat memasukkan umpan balik negatif ke dalamnya, dimulai dengan gambar di bawah ini.

Amplifier emitor bersama tanpa umpan balik.

Konfigurasi penguat yang ditunjukkan di sini adalah emitor bersama, dengan jaringan bias resistor yang dibentuk oleh R1 dan R2. Kapasitor memasangkan Vinput ke amplifier sehingga sumber sinyal tidak memiliki tegangan DC yang dikenakan padanya oleh jaringan pembagi R1/R2. Resistor R3 berfungsi untuk mengontrol penguatan tegangan. Kita dapat menghilangkannya untuk mendapatkan tegangan maksimum, tetapi karena resistor basis seperti ini umum di sirkuit penguat emitor-bersama, kita akan menyimpannya dalam skema ini.

Seperti semua amplifier emitor umum, yang satu ini terbalik sinyal input saat diperkuat. Dengan kata lain, tegangan input yang positif menyebabkan tegangan output menurun, atau bergerak ke arah negatif, dan sebaliknya.

Bentuk gelombang osiloskop ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Penguat emitor bersama, tanpa umpan balik, dengan bentuk gelombang referensi untuk perbandingan.

Karena output terbalik, atau reproduksi bayangan cermin dari sinyal input, koneksi apa pun antara kabel output (kolektor) dan kabel input (basis) transistor pada gambar di bawah akan menghasilkan negatif umpan balik.

Umpan balik negatif, umpan balik kolektor, menurunkan sinyal keluaran.

Resistansi R1, R2, R3, dan Rfeedback berfungsi bersama sebagai jaringan pencampur sinyal sehingga tegangan yang terlihat di dasar transistor (terhadap ground) adalah rata-rata tertimbang dari tegangan input dan tegangan umpan balik, yang dihasilkan dalam sinyal amplitudo berkurang masuk ke transistor. Jadi, rangkaian penguat pada gambar di atas akan mengurangi penguatan tegangan, tetapi meningkatkan linieritas (mengurangi distorsi) dan meningkatkan bandwidth.

Sebuah resistor yang menghubungkan kolektor ke basis bukanlah satu-satunya cara untuk memasukkan umpan balik negatif ke dalam rangkaian penguat ini. Metode lain, meskipun lebih sulit untuk dipahami pada awalnya, melibatkan penempatan resistor antara terminal emitor transistor dan ground sirkuit pada gambar di bawah.

Umpan balik emitor:Metode berbeda untuk memasukkan umpan balik negatif ke dalam sirkuit.

Resistor umpan balik baru ini menurunkan tegangan sebanding dengan arus emitor melalui transistor, dan ia melakukannya sedemikian rupa untuk menentang pengaruh sinyal input pada sambungan basis-emitor transistor. Mari kita lihat lebih dekat persimpangan emitor-basis dan lihat perbedaan apa yang dibuat resistor baru ini pada gambar di bawah.

Tanpa resistor umpan balik yang menghubungkan emitor ke ground pada gambar di bawah (a), berapa pun level sinyal input (Vinput) yang berhasil melewati kapasitor kopling dan jaringan resistor R1/R2/R3 akan terkesan langsung melintasi persimpangan basis-emitor sebagai tegangan input transistor (VB-E). Dengan kata lain, tanpa resistor umpan balik, VB-E sama dengan Vinput. Oleh karena itu, jika Vinput meningkat sebesar 100 mV, maka VB-E meningkat sebesar 100 mV:perubahan pada salah satu sama dengan perubahan pada yang lain karena kedua tegangan sama satu sama lain.

Sekarang mari kita perhatikan efek penyisipan resistor (Rfeedback) antara ujung emitor transistor dan ground pada Gambar di bawah (b).

(a) Tidak ada umpan balik vs (b) umpan balik emitor. Bentuk gelombang pada kolektor dibalik terhadap basis. Pada (b) bentuk gelombang emitor sefasa (pengikut emitor) dengan basis, keluar sefasa dengan kolektor. Oleh karena itu, sinyal emitor mengurangi sinyal keluaran kolektor.

Perhatikan bagaimana tegangan turun di Rfeedback menambahkan dengan VB-E sama dengan Vinput. Dengan Rfeedback di loop Vinput—VB-E, VB-E tidak lagi sama dengan Vinput. Kita tahu bahwa Rfeedback akan menjatuhkan tegangan sebanding dengan arus emitor, yang pada gilirannya dikendalikan oleh arus basis, yang pada gilirannya dikendalikan oleh tegangan yang dijatuhkan di persimpangan basis-emitor transistor (VB-E). Jadi, jika Vinput dinaikkan ke arah positif, itu akan meningkatkan VB-E, menyebabkan lebih banyak arus basis, menyebabkan lebih banyak arus kolektor (beban), menyebabkan lebih banyak arus emitor, dan menyebabkan lebih banyak tegangan umpan balik yang dijatuhkan di Rfeedback. Peningkatan penurunan tegangan melintasi resistor umpan balik ini, mengurangi dari Vinput untuk mengurangi VB-E, sehingga kenaikan tegangan sebenarnya untuk VB-E akan lebih kecil dari kenaikan tegangan Vinput. Peningkatan 100 mV pada Vinput tidak akan menghasilkan peningkatan 100 mV penuh untuk VB-E, karena kedua tegangan tidak setara satu sama lain.

Akibatnya, tegangan input memiliki kontrol yang lebih kecil terhadap transistor daripada sebelumnya, dan penguatan tegangan untuk penguat berkurang:persis seperti yang kami harapkan dari umpan balik negatif.

Dalam sirkuit emitor umum yang praktis, umpan balik negatif bukan hanya kemewahan; ini adalah kebutuhan untuk operasi yang stabil. Di dunia yang sempurna, kita dapat membangun dan mengoperasikan penguat transistor emitor bersama tanpa umpan balik negatif, dan memiliki amplitudo penuh Vinput yang terkesan di persimpangan basis-emitor transistor. Ini akan memberi kita penguatan tegangan yang besar. Sayangnya, hubungan antara tegangan basis-emitor dan arus basis-emitor berubah dengan suhu, seperti yang diprediksi oleh "persamaan dioda." Saat transistor memanas, akan ada lebih sedikit penurunan tegangan maju melintasi persimpangan basis-emitor untuk setiap arus yang diberikan. Ini menyebabkan masalah bagi kami, karena jaringan pembagi tegangan R1/R2 dirancang untuk memberikan arus diam yang benar melalui basis transistor sehingga akan beroperasi di kelas operasi apa pun yang kami inginkan (dalam contoh ini, saya telah menunjukkan amplifier yang bekerja dalam mode kelas-A). Jika hubungan tegangan/arus transistor berubah dengan suhu, jumlah tegangan bias DC yang diperlukan untuk kelas operasi yang diinginkan akan berubah. Transistor panas akan menarik lebih banyak arus bias untuk jumlah tegangan bias yang sama, membuatnya semakin panas, menarik lebih banyak arus bias. Hasilnya, jika tidak dicentang, disebut thermal runaway .

Amplifier common-collector, (Gambar di bawah), bagaimanapun, tidak mengalami pelarian termal. Kenapa ini? Jawabannya ada hubungannya dengan umpan balik negatif.

Penguat kolektor umum (pengikut emitor).

Perhatikan bahwa penguat common-collector (Gambar di atas) memiliki resistor beban yang ditempatkan di tempat yang sama seperti yang kita miliki resistor Rfeedback di sirkuit terakhir pada Gambar di atas (b):antara emitor dan ground. Ini berarti bahwa satu-satunya tegangan yang diberikan pada sambungan basis-emitor transistor adalah selisih antara Vinput dan Voutput, menghasilkan penguatan tegangan yang sangat rendah (biasanya mendekati 1 untuk penguat common-collector). Pelarian termal tidak mungkin untuk penguat ini:jika arus basis meningkat karena pemanasan transistor, arus emitor juga akan meningkat, menjatuhkan lebih banyak tegangan melintasi beban, yang pada gilirannya mengurangi dari Vinput untuk mengurangi jumlah tegangan jatuh antara basis dan emitor. Dengan kata lain, umpan balik negatif yang diberikan oleh penempatan resistor beban membuat masalah pelarian termal koreksi sendiri . Sebagai ganti dari penguatan tegangan yang sangat berkurang, kami mendapatkan stabilitas dan kekebalan yang luar biasa dari pelarian termal.

Dengan menambahkan resistor "umpan balik" antara emitor dan ground dalam penguat emitor-bersama, kita membuat penguat berperilaku sedikit kurang seperti emitor-bersama "ideal" dan sedikit lebih seperti kolektor-bersama. Nilai resistor umpan balik biasanya sedikit lebih kecil dari beban, meminimalkan jumlah umpan balik negatif dan menjaga penguatan tegangan cukup tinggi.

Manfaat lain dari umpan balik negatif, terlihat dengan jelas di rangkaian kolektor umum, adalah bahwa hal itu cenderung membuat penguatan tegangan penguat kurang bergantung pada karakteristik transistor. Perhatikan bahwa dalam penguat common-collector, penguatan tegangan hampir sama dengan satu (1), terlepas dari transistor. Ini berarti, antara lain, bahwa kita dapat mengganti transistor pada penguat common-collector dengan transistor yang memiliki yang berbeda dan tidak melihat perubahan signifikan pada penguatan tegangan. Dalam rangkaian emitor bersama, penguatan tegangan sangat bergantung pada . Jika kita mengganti transistor dalam rangkaian emitor bersama dengan lain yang berbeda, penguatan tegangan untuk penguat akan berubah secara signifikan. Dalam penguat emitor umum yang dilengkapi dengan umpan balik negatif, penguatan tegangan masih akan bergantung pada transistor sampai tingkat tertentu, tetapi tidak sebanyak sebelumnya, membuat rangkaian lebih dapat diprediksi meskipun ada variasi transistor .

Fakta bahwa kita harus memasukkan umpan balik negatif ke penguat emitor bersama untuk menghindari pelarian termal adalah solusi yang tidak memuaskan. Apakah mungkin untuk menghindari pelarian termal tanpa harus menekan penguatan tegangan tinggi yang melekat pada amplifier? Solusi terbaik dari kedua dunia untuk dilema ini tersedia bagi kita jika kita memeriksa masalahnya dengan cermat:penguatan tegangan yang harus kita minimalkan untuk menghindari pelarian termal adalah DC penguatan tegangan, bukan AC perolehan tegangan. Lagi pula, bukan sinyal input AC yang memicu pelarian termal:ini adalah tegangan bias DC yang diperlukan untuk kelas operasi tertentu:sinyal DC diam yang kita gunakan untuk "menipu" transistor (pada dasarnya perangkat DC) menjadi penguat. sinyal AC. Kita dapat menekan penguatan tegangan DC dalam rangkaian penguat emitor bersama tanpa menekan penguatan tegangan AC jika kita menemukan cara untuk membuat umpan balik negatif hanya berfungsi dengan DC. Artinya, jika kita hanya mengumpan balik sinyal DC terbalik dari output ke input, tetapi bukan sinyal AC terbalik.

Resistor emitor Rfeedback memberikan umpan balik negatif dengan menjatuhkan tegangan sebanding dengan arus beban. Dengan kata lain, umpan balik negatif dicapai dengan memasukkan impedansi ke jalur arus emitor. Jika kita ingin memberi umpan balik DC tetapi bukan AC, kita membutuhkan impedansi yang tinggi untuk DC tetapi rendah untuk AC. Jenis rangkaian apa yang memberikan impedansi tinggi ke DC tetapi impedansi rendah ke AC? Filter tingkat tinggi, tentu saja!

Dengan menghubungkan kapasitor secara paralel dengan resistor umpan balik pada Gambar di bawah, kami menciptakan situasi yang kami butuhkan:jalur dari emitor ke ground yang lebih mudah untuk AC daripada DC.

Penguatan tegangan AC tinggi dibangun kembali dengan menambahkan Cbypass secara paralel dengan Rfeedback

Kapasitor baru "melewati" AC dari emitor transistor ke ground sehingga tidak ada tegangan AC yang turun dari emitor ke ground untuk "memberi umpan balik" ke input dan menekan penguatan tegangan. Arus searah, di sisi lain, tidak dapat melewati kapasitor bypass, dan karenanya harus melewati resistor umpan balik, menjatuhkan tegangan DC antara emitor dan ground yang menurunkan penguatan tegangan DC dan menstabilkan respons DC penguat, mencegah pelarian termal. Karena kita ingin reaktansi kapasitor (XC) ini serendah mungkin, Cbypass harus berukuran relatif besar. Karena polaritas kapasitor ini tidak akan pernah berubah, aman untuk menggunakan kapasitor terpolarisasi (elektrolitik) untuk tugas tersebut.

Pendekatan lain untuk masalah umpan balik negatif yang mengurangi penguatan tegangan adalah dengan menggunakan amplifier multi-tahap daripada amplifier transistor tunggal. Jika penguatan transistor tunggal yang dilemahkan tidak mencukupi untuk tugas yang ada, kita dapat menggunakan lebih dari satu transistor untuk menebus pengurangan yang disebabkan oleh umpan balik. Contoh rangkaian yang menunjukkan umpan balik negatif dalam penguat emitor bersama tiga tahap pada gambar di bawah.

Umpan balik seputar jumlah tahap emitor gabungan langsung yang “ganjil” menghasilkan umpan balik negatif.

Jalur umpan balik dari output akhir ke input melalui resistor tunggal, Rfeedback. Karena setiap tahap adalah penguat emitor bersama (dengan demikian pembalik), jumlah tahap ganjil dari input ke output akan membalikkan sinyal output; umpan balik akan negatif (degeneratif). Jumlah umpan balik yang relatif besar dapat digunakan tanpa mengorbankan penguatan tegangan karena tiga tahap penguat memberikan banyak penguatan, untuk memulai.

Pada awalnya, filosofi desain ini mungkin tampak tidak elegan dan bahkan mungkin kontra-produktif. Bukankah ini cara yang agak kasar untuk mengatasi kerugian keuntungan yang ditimbulkan melalui penggunaan umpan balik negatif, untuk sekadar memulihkan keuntungan dengan menambahkan tahap demi tahap? Apa gunanya menciptakan penguatan tegangan yang besar menggunakan tiga tahap transistor jika kita hanya akan melemahkan semua penguatan itu dengan umpan balik negatif? Intinya, meskipun mungkin tidak terlihat pada awalnya, adalah peningkatan prediktabilitas dan stabilitas dari sirkuit secara keseluruhan. Jika tiga tahap transistor dirancang untuk memberikan penguatan tegangan tinggi yang sewenang-wenang (dalam puluhan ribu, atau lebih besar) tanpa umpan balik, akan ditemukan bahwa penambahan umpan balik negatif menyebabkan penguatan tegangan keseluruhan menjadi kurang tergantung pada individu. keuntungan tahap, dan kira-kira sama dengan rasio sederhana Rfeedback/Rin. Semakin banyak penguatan tegangan yang dimiliki rangkaian (tanpa umpan balik), semakin dekat penguatan tegangan akan mendekati Rfeedback/Rin setelah umpan balik dibuat. Dengan kata lain, penguatan tegangan di sirkuit ini ditentukan oleh nilai dua resistor, dan tidak lebih.

Ini adalah keuntungan untuk produksi massal sirkuit elektronik:jika amplifier dengan penguatan yang dapat diprediksi dapat dibangun menggunakan transistor dengan nilai yang sangat bervariasi, ini memudahkan pemilihan dan penggantian komponen. Ini juga berarti penguatan amplifier sedikit berbeda dengan perubahan suhu. Prinsip kontrol penguatan yang stabil melalui penguat penguatan tinggi yang "dijinakkan" oleh umpan balik negatif ini diangkat hampir menjadi bentuk seni di sirkuit elektronik yang disebut penguat operasional , atau op-amp . Anda dapat membaca lebih banyak tentang sirkuit ini di bab selanjutnya dari buku ini!

TINJAUAN:

• Masukan adalah penyambungan keluaran penguat ke masukannya.
• Positif , atau regeneratif Umpan balik memiliki kecenderungan membuat rangkaian penguat tidak stabil, sehingga menghasilkan osilasi (AC). Frekuensi osilasi ini sangat ditentukan oleh komponen dalam jaringan umpan balik.
• Negatif , atau degeneratif umpan balik memiliki kecenderungan membuat rangkaian penguat lebih stabil, sehingga keluarannya berubah kurang untuk sinyal input yang diberikan daripada tanpa umpan balik. Ini mengurangi penguatan amplifier, tetapi memiliki keuntungan dalam mengurangi distorsi dan meningkatkan bandwidth (rentang frekuensi yang dapat ditangani amplifier).
• Umpan balik negatif dapat dimasukkan ke dalam rangkaian emitor bersama dengan menghubungkan kolektor ke basis, atau dengan memasukkan resistor antara emitor dan ground.
• Resistor “umpan balik” emitor-ke-tanah biasanya ditemukan di sirkuit emitor-bersama sebagai tindakan pencegahan terhadap pelarian termal .
• Umpan balik negatif juga memiliki keuntungan membuat penguatan tegangan penguat lebih bergantung pada nilai resistor dan kurang bergantung pada karakteristik transistor.
• Penguat common-collector memiliki banyak umpan balik negatif, karena penempatan resistor beban antara emitor dan ground. Umpan balik ini menjelaskan penguatan tegangan yang sangat stabil dari amplifier, serta kekebalannya terhadap pelarian termal.
• Penguatan tegangan untuk sirkuit emitor bersama dapat dibangun kembali tanpa mengorbankan kekebalan terhadap pelarian termal, dengan menghubungkan kapasitor bypass secara paralel dengan "resistor umpan balik" emitor.
• Jika penguatan tegangan penguat sangat tinggi (puluhan ribu, atau lebih besar), dan umpan balik negatif digunakan untuk mengurangi penguatan ke tingkat yang wajar, akan ditemukan bahwa penguatan kira-kira sama dengan R_{umpan balik} /R_di . Perubahan transistor atau nilai komponen internal lainnya akan memiliki sedikit pengaruh pada penguatan tegangan dengan umpan balik yang beroperasi, sehingga menghasilkan penguat yang stabil dan mudah dirancang.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Amplifier BJT Kelas A