فیدبک اساسا خروجی واقعی یک سیستم را با خروجی مطلوب مقایسه می‌کند و آن را طوری تنظیم می‌کند که به مقدار مطلوب نزدیک شود. برای مثال سیستم عصبی انسان همواره فیدبک‌هایی را به مغز می‌فرستد مخصوصا زمانی که برای جلوگیری از آسیب بیشتر به بدن درد احساس می‌شود.
فیدبک در الکترونیک به فرآیند بازگرداندن بخشی از سیگنال خروجی به ورودی یک مدار یا دستگاه گفته می‌شود.
سیستم‌های فیدبک به طور گسترده در مدارات تقویت‌کننده، اسیلاتورها، سیستم‌های کنترل فرآیند و دیگر زمینه‌ها کاربرد دارند. از مزیت‌های سیستم فیدبک، کنترل دقیق بهره (برای مثال تقویت یک سیگنال در آپ امپ)، بهبود پاسخ خطی، کاهش اعوجاج سیگنال و کنترل نوسانات سیگنال را می‌توان برشمرد. سیستم‌های فیدبک با نام سیستم‌های حلقه بسته نیز شناخته می‌شوند زیرا سیگنال خروجی به ورودی سیستم یا دستگاه متصل شده و یک حلقه ایجاد می‌کند. سیستم حلقه باز نقطه مقابل سیستم حلقه بسته یا فیدبک‌دار است که فیدبکی در آن وجود ندارد و بنابراین هیچ اقدام اصلاحی مبنی بر سیگنال خروجی یا آنچه رخ می دهد، درآن وجود ندارد.
در سیستم‌های کنترل، اختلاف خروجی واقعی و خروجی مطلوب یا با ورودی جمع می‌شود (فیدبک مثبت یا احیا کننده) یا از آن کم می‌شود (فیدبک منفی یا فرسایشی). در سیستم‌های کنترل با فیدبک مثبت، سیگنال فیدبک با ورودی هم‌فاز است و منجر به تولید خروجی بزرگتر می‌شود که در بهره سیستم تاثیر دارد. اولین کاربرد فیدبک مثبت مدارات احیا کننده‌ای بودند که در سال 1914 اختراع شد و برای تقویت و دریافت سیگنال‌های ضعیف رادیویی استفاده شد. این مدارات قابلیت تقویت سیگنال‌های رادیویی را تا 100,000 بار در یک مرحله داشتند، اگرچه مشکل این مدارات اولیه نوسان و ناپایداری زیاد آن‌ها بود. امروزه فیدبک مثبت غالبا در اسیلاتورها برای افزایش بهره و باریک کردن پهنای باند استفاده می‌شود. فیدبک مثبت با توجه به خروجی به سیگنالی که به اصلاح نیاز دارد اضافه می‌کند. برای مثال می‌توان یک رادیاتور با یک شیر آب گرم و ترموستات را در نظر گرفت. اگر دمای اتاق سرد شود شیر آب داغ میزان ورودی به رادیاتور را افزایش می‌دهد تا دمای اتاق به دمای آسایش برسد. در این مثال رابطه سیگنال ورودی و خروجی (به شیر) برعکس است، و اگر شیر بسته و یا نرمال کلوز باشد، افزایش مقدار دامنه سیگنال ورودی به شیر انرژی بیشتری برای باز کردن شیر آب داغ و گرم کردن اتاق را فراهم می‌کند. ترموستات یک مکانیسم فیدبک و دمای اتاق خود فیدبک است. در یک سیستم حلقه باز شیر به هیچ چیز وصل نیست.
در سیستم‌های فیدبک منفی، فیدبک منفی با ورودی هم‌فاز نیست که باعث می‌شود سیگنال را کاهش دهد و باعث کوچک‌تر شدن خروجی شود. اگر مثال رادیاتور آب گرم را در اینجا به کار ببریم و این بار شیر را نرمال اپن در نظر بگیریم، اعمال ولتاژ کمتر به شیر باعث باز شدن بیشتر شیر می‌شود. با توجه به تئوری کنترل، یک شیر آب گرم نرمال اپن هنگامی‌که دما در حالت آسایش است شیر حداکثر ولتاژ اعمالی را خواهد داشت تا رادیاتور بیشتر از آن اتاق را گرم نکند.
فیدبک منفی رایج‌ترین نوع کنترل فیدبک در الکترونیک است که در هر نوع سیستمی به کار می‌رود. عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی ذاتا غیر‌خطی است ولی با استفاده از فیدبک منفی می‌توان آن را تا حدی خطی کرد. تقویت‌کننده‌های فیدبک منفی در سال 1927 توسط هارولد بلک و در حین کار در آزمایشگاه‌های بل اختراع شد. بل از این اختراع برای کاهش ازدحام خطوط تلفن و گسترش شبکه از راه دور استفاده کرد. فیدبک منفی پس از آن در جنگ جهانی دوم توسط ارتش در طراحی سیستم‌های دقیق کنترل حریق مورد استفاده قرار گرفت. کاربردهای بعدی آن در تقویت کننده‌‌های عملیاتی (آپ امپ) و اسیلاتور‌های صوتی با فرکانس دقیق و متغیر بود.
سیستم فیدبک مثبت
کنترل فیدبک مثبت آپ‌امپ با استفاده از یک مقاومت فیدبک Rf صورت می‌گیرد که بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی Vout را به ورودی غیر‌معکوس ( + ) اعمال می‌کند.
اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد، آپ‌امپ این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند و خروجی نیز مثبت‌تر می‌شود. بخشی از این ولتاژ خروجی به وسیله شبکه فیدبک به ورودی باز می‌گردد.
بنابراین ولتاژ ورودی هم مثبت‌تر می‌شود که باعث افزایش ولتاژ خروجی شده و به همین ترتیب این روند ادامه دارد و نهایتا خروجی در مثبت تغذیه اشباع می‌شود.
به همین صورت اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس حالت فوق رخ می‌دهد و آپ‌امپ در منفی تغذیه اشباع می‌شود. مشاهده می‌شود که فیدبک مثبت به مدار اجازه نمی‌دهد تا به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کند چرا‌که ولتاژ خروجی به سرعت به یکی از ریل‌های تغذیه اشباع می‌شود، به این علت که در حلقه فیدبک مثبت “افزایش منجر به افزایش” شده و “کاهش منجر به کاهش”.
اگر بهره حلقه برای هر سیستم مثبت باشد تابع تبدیل آن به صورت Av=G/(1-GH) بیان می‌شود. در صورتیکه GH=1 باشد مقدار بهره سیستم (Av) بینهایت می‌شود و سیستم شروع به نوسان می‌کند. بعد از این برای حفظ نوسان‌ها به هیچ سیگنال ورودی نیاز نیست که این حالت برای ساخت اسیلاتور کاربردی است.
اگرچه اغلب این حالت نامطلوب به نظر می‌رسد ولی در الکترونیک برای پاسخ سوئیچینگ سریع به یک سیگنال یا وضعیت، از این حالت استفاده می‌شود. یک مثال کاربردی برای فیدبک مثبت حلقه هیسترزیس است که یک قطعه یا سیستم منطقی یک وضعیت مشخص را حفظ می‌کند تا زمانی‌که ورودی از میزان آستانه مشخصی عبور کند. به این رفتار سیستم bi-stability می‌گویند و گیت‌های منطقی و دستگاه‌های دیجیتال سوئیچینگ مانند مولتی‌ویبراتورها غالبا این رفتار را دارند. همانطور که مشاهده شد فیدبک مثبت یا احیا کننده، بهره سیستم و همچنین ناپایداری سیستم را افزایش می‌دهد که ممکن است منجر به خودنوسانی و از این قبیل مشکلات شود. فیدبک مثبت به طور گسترده در مدارات نوسانی مانند اسیلاتورها و مدارات تایمینگ استفاده می‌شود.
سیستم فیدبک منفی در الکترونیک
کنترل فیدبک منفی تقویت‌کننده با استفاده از یک مقاومت فیدبک Rf صورت می‌گیرد که بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی Vout را به ورودی معکوس ( – ) اعمال می‌کند.
اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد، آپ‌امپ این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند ولی به دلیل اینکه به ورودی معکوس تقویت‌کننده متصل شده است، خروجی منفی‌تر می‌شود. بخشی از این ولتاژ خروجی به وسیله شبکه فیدبک Rf به ورودی بازمی‌گردد.
بنابراین ولتاژ ورودی با سیگنال فیدبک منفی کاهش می‌یابد، که باعث کوچک‌تر شدن ولتاژ خروجی شده و این چرخه ادامه دارد. نهایتا خروجی ثابت می‌ماند که مقدار آن توسط نسبت بهره Rf÷Rin تعیین می‌شود و در این مقدار پایدار باقی می‌ماند.
به همین‌صورت اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس حالت فوق رخ می‌دهد و خروجی آپ‌امپ مثبت (معکوس) شده که به سیگنال ورودی منفی اضافه می‌شود. در اینجا خواهیم دید تا زمانی که خروجی بین سطوح اشباع بالا و پایین باشد، فیدبک منفی به مدار این امکان را می‌دهد تا به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کند.
بنابراین ولتاژ خروجی توسط فیدبک منفی کنترل و تثبیت خواهد شد، زیرا با حلقه‌های فیدبک منفی “افزایش منجر به کاهش” و “کاهش منجر به افزایش” می‌شود.
اگر بهره حلقه برای هر سیستم مثبت باشد تابع تبدیل آن به صورت Av=G/(1+GH) تعریف می‌شود.
کاربرد فیدبک منفی در تقویت‌کننده‌ها و سیستم‌های کنترل فرآیند بسیار گسترده است زیرا به طور معمول این نوع فیدبک در الکترونیک بسیار پایدارتر از سیستم‌های فیدبک مثبت هستند، و سیستم فیدبک منفی زمانی پایدار است که در هیچ فرکانسی به جز شرایط تعیین شده مدار به خودی خود دچار نوسان نشود.
مزیت دیگر فیدبک منفی این است که سیستم‌های کنترل را نسبت به تغییرات تصادفی در مقادیر اجزاء و ورودی‌ها ایمن‌تر می‌کند. البته فیدبک منفی هم بی‌هزینه نیست و باید با احتیاط از آن استفاده کرد زیرا فیدبک منفی ویژگی‌های عملیاتی یک سیستم را به طور قابل توجهی تغییر می‌دهد.
امیدواریم از این آموزش لذت برده‌باشید. در این آموزش سعی کردم به‌طور کامل مفهوم فیدبک در الکترونیک را برای شما شرح دهیم، برای یادگیری مطالب بیشتر یا آموزش‌های پروژه‌های جذاب الکترونیکی، مقالات وبلاگ ما را مطالعه کنید.
سوالات و نظرات خود را در بخش دیدگاه برای ما بنویسید.
