Азы, часть четвертая: частотно-зависимое петлевое усиление
Физически невозможно создать усилитель с равномерным или растущим усилением в бесконечной полосе частот (для этого нужен источник энергии с бесконечной мощностью). Поэтому с ростом частоты, рано или поздно, усиление всегда снижается. Например, у большинства ОУ, разработанных за последние 50 лет, это происходит уже на частотах в десятки-сотни герц:
Одновременно со снижением усиления фаза выходного сигнала начинает отставать от фазы входного - АФЧХ усилителя имеет "полюс":
С дальнейшим ростом частоты
усиление продолжает падать в 10 раз (на 20дБ) с увеличением частоты в 10 раз (на декаду), а отставание фазы приближается к 90 градусам. (Если полюсов несколько, то каждый добавляет 20дБ/декаду к падению усиления и 90 градусов к отставанию фазы - но об этом позже.)
Если поместить такой ОУ в петлю ООС с коэффициентом передачи, к примеру, B=-1/10 (делитель из резисторов 9кОм и 1кОм с выхода ОУ на его инвертирующий вход), то получим вот что:
На низких частотах петля ООС снижает усиление (
синяя линия) до 1/B=10 (20дБ) и стабилизирует его - в этом примере полюс теперь не на 50Гц, а на 500кГц. Оставшееся усиление уходит на борьбу с искажениями ("линеаризацию").
Коэффициент передачи ошибки/искажений (
красная линия) на частотах в десятки герц в этом примере составляет -80дБ, т.е. искажения выходного каскада ОУ ослабляются в 10000 раз. Если предположить, что выходной каскад без ООС генерирует 0.1% искажений на 20Гц, то ООС снизит их до 0.000 01%.
С ростом частоты усиление ОУ падает на 20дБ/декаду, и с ним снижается способность петли ООС линеаризовать ОУ. В этом примере, на 20кГц ошибка выходного каскада ОУ ослабляется всего на ~30дБ, или в 30 раз. Если предположить, что выходной каскад без ООС и на 20кГц генерирует 0.1% искажений, то ООС снизит их до 0.003%.
При большом петлевом усилении LG (
голубая линия на графике), коэффициент передачи ошибки/искажений примерно равен -1/LG:
Поэтому, как правило, говорят оне о коэффициенте передачи искажений, а просто о петлевом усилении или "глубине обратной связи" как мериле способности ООС линеаризовать усилитель.
Чем больше петлевого усиления в рабочей полосе частот, тем сильнее ООС ослабляет искажения.
Падение петлевого усиления с частотой приводит к росту искажений с частотой в усилителях с ООС (хотя есть и другие механизмы, ответственные за это) и смещает спектр искажений в ВЧ область спектра. При этом на НЧ искажений мало, что дает субъективный эффект четкого, мощного, глубокого баса (см. упомянутый выше мастер-класс Bruno Putzeys), который часто преподается как эффект от источника питания с большим запасом энергии и/или низкого выходного сопротивления усилителя, который способен контролировать акустику со сложным импедансом.
Как Рус отметил выше, есть мнение (Бруно, Шушурина/Ламма, Нельсона Пасса), что если петлевого усиления мало, то субъективно лучше иметь его (и уровень искажений) примерно одинаковым в рабочей полосе частот усилителя.