دور التغذية في تحقيق مكاسب عالية التأثير مع استهلاك السلطة المنخفضة

مقدمة: قانون الموازنة في تصميم الدائرة الحديثة

إن المبادئ التي تتطلب وجود نظم إلكترونية تؤدي أداء عالياً بينما تستهلك الحد الأدنى من الطاقة لم تكن أكبر من أي وقت مضى، ومن الرصد الصحي القابل للارتداء إلى أجهزة الاستشعار عن بعد والتصوير الصوتي المتطور، يواجه المصممون تحدياً دائماً: كيفية تحقيق مكاسب كبيرة في مجال الاستقرار دون تصريف البطارية أو توليد الحرارة المفرطة، ويقف التغذوية على أنها أحد أقوى الأدوات وأكثرها دقة في تصميمات المشابهة، مما يتيح التوفيق بين الإنتاج المتطور.

The Fundamentals of Feedback in Electronic Circuits

ومن صميمها، فإن التغذية المرتدة هي عملية يتم فيها أخذ عينات من جزء من إشارة الناتج إلى الدائرة وإعادة إلى المدخلات، وتقترن هذه الإشارة المعادة بالمدخل الخارجي، إما بإضافة إلى ذلك (التعليقات الإيجابية) أو التراجع عنه (التغذية المرتدة السلبية) وتختلف سلوك نظام التشغيل المغلقة بأكمله اختلافاً جوهرياً عن سلوك جهاز الترميز المفتوح وحده.

سلبي مقابل التغذية الإيجابية

والارتداد السلبي هو الأسلوب السائد المستخدم في التضخيم والتجهيز الدقيق للإشارة، فبإقتطاع جزء من الناتج من المدخلات، تصحح الدائرة تلقائياً الانحرافات، مما يؤدي إلى تقليل التشويه، وتوسيع نطاق التردد، وتوعية المكونين بالتسامح، وتعزز التعليقات الإيجابية، على النقيض، إشارة المدخلات وتستخدم عادة في أجهزة الفرز، والجمعيات، وطريقة تحقيق الاستقرار.

مفهوم لووب الفيدباك

"الثغرة المرتدة" "تعتمد على ثلاث أجزاء أساسية: مرحلة الكسب الأمامي (عادةً مرحلة الضخ أو الحرف المفصّل)" "شبكة التغذية المرتدة" "التي عادةً ما تكون "أقساط مقاومة" "و" "حيث تكون الإشارة المرتدة مقترنة بالمدخلات" "وإنجازات الكم المغلقة"

How Feedback Enables High-Voltage Gain

ومن أكثر الجوانب المضادة للتغذية المرتدة أن بإمكانها بالفعل زيادة المكاسب التي يمكن استخدامها في الدائرة التي تتجاوز ما يمكن أن توفره الأجهزة العاملة وحدها، وفي حين أن المكاسب الأولية المفتوحة في مرحلة النقل قد تقتصر على بضع مئات، فإن التغذية المرتدة تتيح للمصممين تحقيق مكاسب مستقرة من الآلاف أو أكثر من خلال الطبقات المتعددة المراحل.

تعزيز المكاسب من خلال التغذية العكسية

وفي نظام مصمم جيدا للتغذية المرتدة، فإن المكاسب المغلقة تُحدد بالكامل تقريبا من خلال شبكة التغذية المرتدة، مثلا، أن المضخة التي لا تُغيّر مع نسبة مقاومات للتغذية المرتدة تبلغ 100، توفر زيادة مفتوحة في الحيز المغلقة تبلغ 101، بغض النظر عما إذا كان المكسب المتاح من التشغيل مفتوحاً هو 000 10 أو 000 100 شخص، وهذا الحساس يعني أن المصمم يمكنه استخدام مراحل عالية من حيث الدخل.

خفض الاستقرار والاختلاس

وينشأ التحلل في المضخمات من عدم وجود خطوط في الأجهزة العاملة، ويقلل التراجع من التشوهات المتناسقة بعامل مساوٍ لكسب الثغرة، فعلى سبيل المثال، إذا كان التشوه النسيج الكلي للصوت المفتوح 1 في المائة، وزاد الازدهار المفاجئ 100، فإن التشويهات المغلقة قد تهبط إلى 0.01 في المائة، وهذا التحسن الهائل يتيح للمصممين تشغيل مترجمين في المناطق الأقل قوة، وأكثر انفتاحا.

Bandwidth extension

كما أن الاسترداد يوسع نطاق النطاق الترددي المستخدم للمضخم، ويظل المنتج الذي يكسب رباعيا ثابتا تقريبا بالنسبة للعديد من الطبقات المضخمة، وإذا ما قللت التغذية من المكاسب بعامل 10، فإن النطاق الترددي يزيد بعامل 10، وهذه الممتلكات تتيح تحويل المراحل المنخفضة القوة، ومتوسطة النطاق، إلى مكسب كبير.

For a deep dive into gain-bandwidth trade-offs, refer to this technical article from Analog Devices on negative feedback in op-amps].

تحقيق استهلاك منخفض للطاقة مع التغذية

ويسود استهلاك الطاقة في المضخمات التحيز الذي يتدفق حاليا من خلال مرحلة الإنتاج والحاضر الخماسي للأجهزة العاملة، ويمكن أن تؤدي آليات التغذية إلى تخفيض كبير في كل من هذين الاتجاهين، مما يتيح تحقيق مكاسب عالية دون زيادة نسبية في سحب الطاقة.

التعظيم الحالي

وفي مضخم من الدرجة ألف، يجب أن يكون التحيز الحالي عاليا بما يكفي لاستيعاب تقلب الإشارة المتوقع مع الاحتفاظ بجهاز الإنتاج في منطقة خطية، وبدون تعليقات، يجب على المصمم أن يضع التحيز في حساب التباينات في المكونات ودرجة الحرارة العائمة، ويخفف من حدة هذا الشرط من خلال تعديل نقطة التشغيل باستمرار للتعويض عن التغيرات، مما يسمح بأن يكون التحيز أقرب إلى الحد الأدنى نظري، ويقلل من استهلاك الطاقة.

كفاءة الخدمات العامة وخدمات التغذية

وتُستخدم مراحل إنتاجية من الدرجة باء على نطاق واسع في أجهزة التعبئة السمعية وأجهزة السماع الرئيسية، وهي توفر في جوهرها كفاءة أعلى من درجة ألف ولكنها تعاني من تشوهات فيما بين مختلف القطاعات، وتستخدم التغذية الرجعية لقمع هذا التشويه، مما يتيح لمرحلة الإنتاج أن تعمل في تيارات أقل من خمس سنوات، وتصحح حلقة التغذية العكسية عدم التقادم في نقطة الصفر، مما يتيح للمضخم أن يحقق مكاسب عالية مع انخفاض كبير في إنتاج الطاقة.

التعافي من الإدمان

وتطبق الدوائر المتكاملة الحديثة خططا تحيزية تكيفية يجري فيها تعديل التحيز القائم على أساس من الناحية الدينامية استنادا إلى مستوى الإشارة، وترصد حلقة التغذية إشارة الارتداد إشارة الناتج وتزيد التحيز فقط عندما تكون هناك تقلبات كبيرة في الإشارات، وتخفض التحيز إلى حد أدنى من السلطة المتحفظة، وتعتمد هذه التقنيات، المعروفة باسم عملية صنف G أو صنف-H، كليا على التغذية الارتجاعية لتنظيم حجم العرض أو التحيز الحالي في الوقت الحقيقي.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميمات لدائرة التغذية

ويتطلب تصميم دوائر التغذية المرتدة لتحقيق مكاسب عالية وتدني السلطة اهتماماً دقيقاً باختيار العناصر، واختيار الطبقات، وتعويض الاستقرار، ويمكن أن يؤدي التغلب على هذه العوامل إلى الارتداد، أو رد الفعل المتدني، أو الاستهلاك المفرط للطاقة في شبكة التغذية المرتدة نفسها.

اختيار علم الأحياء الأيمن

وهناك أربعة أجسام مرتدة أساسية: مجموعات الفولط، وأجهزة التجميل، والسلاسل الحالية، والشق الحالي، ولكل منها آثار واضحة على المدخلات والنواتج، مما يؤثر بدوره على استهلاك الطاقة، أما بالنسبة لتطبيقات الكسب بالفولط، فإن التغذية المرتدة بمجموعات الفولطية، فهي أكثر شيوعا لأنها توفر قدرا كبيرا من المدخلات وقلة إنتاجية، فتؤدي زيادة التغذية المرتدة إلى انخفاض المدخلات.

العنصر: الاختيار والتسامح

وتستهلك شبكة التغذية العكسية نفسها القوة، لا سيما إذا استخدمت قيم المقاومة المنخفضة لتقليل الضوضاء، وفي تصميمات منخفضة القدرة، ينبغي اختيار مقاومي التغذية الارتجاعية بدرجة عالية بما يكفي للتقليل من التيار الثابت من خلال المقسم، ولكن ليس عاليا بحيث يؤدي الضوضاء أو القدرة الطفيلية إلى تدهور الأداء، كما أن المواءمة الدقيقة بين المقاومين أمر أساسي عند تحديد نسب الكسب، حيث تؤدي الأخطاء إلى خفض دقة التصميم.

ويمكن الحصول على إشارة مفيدة لاختيار العناصر في شبكات التغذية المرتدة من مذكرة تطبيقية للصكوك بشأن اختيار المقاوم للتغذية المرتدة للمصابين بداء منخفض القدرة ].

تحليل القابلية للقدرات والتعويض

ويمكن أن تُنقش حلقات التغذية إذا ما اقتربت المرحلة من حلقة العمل 180 درجة في ترددات حيث يكون المكسب أكبر من الوحدة، فتقنيات التعويض عن الاستقرار، مثل التعويض المهيمن أو تعويض ميلر، تخفض عمداً مكاسب السحب في فترات التردد العالية لضمان هامش المرحلة الكافية، وكثيراً ما تستهلك شبكة التعويض قوة إضافية، ولكن التصميم الدقيق يمكن أن يقلل من هذه القيم التي تُعد في إطار مخططات ذات قوة دفعية منخفضة.

التقنيات المتقدمة في مجال التغذية من أجل تحقيق الغين والكفاءة

وبالإضافة إلى التوليدات الأساسية، تم تطوير عدة تقنيات متقدمة للتغذية المرتدة من أجل دفع حدود المكاسب وكفاءة الطاقة.

Voltage Series Feedback in Detail

أما الارتجاع فيتمثل في مجموعة من المقاييس العالية المضخمة، وفي هذه التشكيلة، ترتبط شبكة التغذية المرتدة من الناتج إلى اللافتة، وتطبق الإشارة إلى المدخلات على مدخلات الرفض غير المحبة، كما أن المكسب من الطاقة المغلقة هو (+ ر/ ر/ ر م) مما يتيح الدقة الممتازة، ولأن شبكة التغذية المرتدة تستمد من الناتج، فإن التصميم الدقيق يضيف إلى ذلك.

أجهزة الاسترجاع الحالية

وتستخدم أجهزة الاسترجاع الحالية هيكلاً مختلفاً حيث تكون الإشارة المرتدة هي نتاج ظاهري وليس فولطاً، مما يوفر ميزة كبيرة في معدل الرذاذ وزوارق النطاق، حيث أن العوارض الداخلية لا تحتاج إلى فرض قيود كبيرة، إذ أن هذه الأجهزة يمكن أن تحقق مكاسب كبيرة في ظل وجود مقياس أدنى من المستوى التقليدي الذي يقاوم الاسترجاع، ولكن يجب أن تكون هناك بدائل مقاومة لاسترجاعها.

التغذية الناشطة والعناية

وفي بعض التصميمات العالية الدقة، يستعاض عن شبكات التغذية المرتدة السلبية بعناصر نشطة، مثل المضخات الإضافية أو مراحل التحويل، ويمكن أن توفر التغذية المرتدة الفعالة مكاسب كبيرة من حيث الحلقة دون الضوضاء الحرارية للمقاومين الكبار، مما يتيح استهلاكا أقل من الطاقة، كما أن التعويض التغذوي، حيث يرسل جزء صغير من المدخلات مباشرة إلى مسار الإنتاج، يمكن أن يحسن الاستقرار دون تحقيق مكاسب مربحة.

For a comprehensive overview of current feedback amplifier design, the ]EDN article on current feedback amplifiers] offers practical guidance.

التطبيقات العملية في الإلكترونيات الحديثة

إن مبادئ التغذية المرتدة من أجل تحقيق مكاسب عالية وتدني القدرة في طائفة واسعة من منتجات العالم الحقيقي.

أجهزة الاستطلاع المحمولة

ويجب أن تحقق أجهزة التعبئة الهاتفية الرئيسية في الهواتف الذكية وأجهزة الاتصال المحمولة مكاسب كبيرة في دفع الهواتف المحمولة المنخفضة القوادة بينما تسحب أقل من بضعة مليمترات من البطارية، وتستخدم التغذية الرجعية لتحديد المكسب بدقة، وتخفض التشويه إلى أقل من 0.001 في المائة، وتحافظ على استجابة مسطحة للترددات، وتضع أجهزة التكرير الصوتية ذات الترددات السلبية تحقق هذا التوازن عن طريق تشغيل مرحلة الإنتاج في حد أدنى من حلقة التحيزات غير الصحيحة.

دائرة الاستشعار بين الوجوه

وفي أجهزة الاستشعار بالأشعة فوق البنفسجية، مثل أجهزة الترميز الحرارية أو أجهزة الترميز الضوئي، كثيرا ما تكون الإشارة من جهاز الاستشعار صغيرة جدا (الموارد إلى المطاحن) وتتطلب مكاسب كبيرة قبل تحويل المواد المشابهة إلى الأرقام القياسية. وتستخدم أجهزة القياس الرجعية لتعزيز الإشارة إلى مستوى قابل للاستعمال.

الصك الطبي البيولوجي

وتحتاج أجهزة الإرسال الكهربائي الكهربي (ECG) والمضخمات الكهرونسيفلورية (EEG) إلى مكاسب عالية للغاية (من 60 إلى 100 دي بي) وإلى ضوضاء منخفضة جداً، بينما تعمل هذه الأجهزة من طاقة البطارية لسلامة المرضى، فالاسترجاعات ضرورية لتحديد المكسب، والتصفية من قدرة الكهرباء، والحفاظ على الرفض العالي للحركة المشتركة.

الاتجاهات الناشئة في تصميمات البلدان المنخفضة الدخل المعززة

ومع تطور جداول التكنولوجيا وتطبيقاتها، لا تزال هناك استراتيجيات جديدة للتغذية المرتدة.

التغذية الإيجابية والرقمية

ويمكن أن تُعدل دينامية شبكة التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي، على سبيل المثال، مقياس رقمي في مسار التغذية المرتدة، يُسمح بتغيير المكسب استنادا إلى مستوى الإشارة أو الظروف المحيطة، وتحقيق الاستخدام الأمثل لاستهلاك الطاقة، كما أن الدوائر التحيزية التناسبية التي تستخدم التغذية الارتجاعية لرصد تقلبات الإنتاج وتعديل متوسط التحيز الثابت أصبحت مشتركة في النظم السمعية والبصرية.

تصميم منخفض الفولط

ومع انخفاض كميات الإمدادات إلى أقل من 1 خامسا في العمليات المتقدمة التي تضطلع بها اللجنة، يصبح الحفاظ على مكاسب كبيرة أمرا صعبا لأن غرفة القيادة المتاحة تحد من عدد مراحل التوسع التي يمكن التغلب عليها، ويجري تكييف تقنيات التغذية للعمل في الإمدادات من الباطن إلى الخامس.

For further reading on low-voltage feedback amplifier design, see this ScienceDirect overview of low-voltage amplifier techniques].

خاتمة

فالاسترجاع هو أكثر بكثير من مجرد آلية تصحيحية في الدوائر الإلكترونية، وهو مبدأ تصميمي أساسي يمكّن المهندسين من تجاوز القيود المتأصلة على الأجهزة العاملة، وتحقيق مكاسب عالية التأثير في استهلاك الطاقة منخفض بشكل ملحوظ، ومن خلال اختيار أفضل للطب، والقيم المكوّنة، واستراتيجية التعويض، يمكن للمصممين أن يخلقوا مضخمات دقيقة ومستقرة وفعالة.