Аудиофильские Мифы Об Усилителе Отрицательная Обратная Связь Заключение
Автор: Бруно Путцейс - 18 Июля 2020 Года
(Свеженькое)
В.: Но откуда вы знаете, что эта штука будет стабильна?
Ответ: От Жуковского, мля. Потому что мы начали с запроса о стабильном высокочастотном отклике. Расчет говорит нам, что если это то, что мы хотим, тогда это схема, которую нам нужно построить. Вы строите его, и вы получаете точный ответ, о котором вы просили.
Я знаю, что “фазовый сдвиг” и “стабильность” - это раздражающие слова для некоторых людей. Но как только они начнут со схемы и найдут выясните, что он делает потом. Этот метод снимает догадки. Просто работать в обратном направлении от желаемого результата. Попросите стабильный усилитель, вы получите стабильный амп.
(Всего-то делов)
В.: Я не уверен, что слышал такой подход где-нибудь раньше.
А: Это стандартный путь для людей, которые проектировали сигма-дельта ЦАП и АЦП. Там все настолько нормально, что большинство из них даже не волнует, сколько обратной связи они получили. Они заботятся только об отклике фильтра высоких частот, который на их жаргоне называется шумом передаточной функции. Вы можете сделать целую карьеру в конвертерах, даже не заметив, что вы создали что-то, что имеет много обратной связи и что может быть полезно для усилителей мощности.
(Я пришёл к тому же. Выстраиваем правильную АЧХ, и пофиг, какие там будут искажения: всё равно, никто ничего лучшего в этом схемотипе не получит. Перед нами всё цветёт, за нами - всё горит)
В.: Меня все время что-то беспокоит. Просто некоторое время назад вы сказали, что фазовый сдвиг может увеличиваться только тогда, когда вы находитесь ниже единичного усиления. Но здесь у вас есть вся протяженность выше фед и все второй порядок.
Ответ: На самом деле это единственное место, где вы должны держать сдвиг фазы вниз:
на единице усиления. Над ним вы можете иметь столько, сколько вам нравится, и под ним тоже. Это было известно в теории управления с 1932-го. Это называется критерием стабильности Найквиста.
В.: Это все из учебника ?
А: Да, только не hi-fi.
Вопрос: Так как же это выглядит в качестве контур?
А: Вот один из способов построить такую АЧХ (усиления):
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Вы начинаете с каскадирования двух интегрирующих усилительных каскадов. Но это дает вам наклон второго порядка полностью вниз. Вам всё ещё нужно сбить порядок до первого на высоких частотах. Так добавьте обходной путь, который берет верх на высоких частотах. На низких частотах вы видите и тот и другой интеграторы. На высоких частотах вы видите только ФНЧ первого порядка.
(Усилители с ВЧ-каналом. Просто, но неэффективно.)
В.: Я уже говорил вам, что пробовал каскадные стадии и она стала нестабильной. Вы только что раскрыли для меня одну тайну.
А: Не волнуйтесь об этом. Это не самый очевидный способ охватить ООС ФНЧ второго порядка в любом случае, и вы не единственный. Люди думали что охват монопетлёй ООС нескольких каскадов усиления невозможен именно поэтому. Так что отдел маркетинга вмешался и изменил историю, сказав, что монопетли глубокой ООС были “плохи для звука” и что дизайнеры " предпочитают использовать только мелкие общие ООС в сочетании с местной обратной связью”.
Что сводится к следующему:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Сначала вы строите локальную петлю ООС вокруг ВК. Это дает вам ВК с коэффициентом усиления 1, но с меньшими искажениями. Затем вы надеваете на него вторую петлю ООС. Это называется вложенной петлёй ООС. Вы можете видеть, что он делает то же самое, что и предыдущая версия. В данном случае это первый интегратор, который обходит (общей петлёй ООС) локальную петлю ООС.
(Варианты Белки, Корсакова, Могильного. Хм, схера бы они здесь)
В.: Ну, это я понимаю. Локальная обратная связь вокруг ВК в сочетании с некоторой общей обратной связью. Разве большинство усилителей не работают как сейчас?
Ответ: Да. Эта вложенная петля напрашивается и имеет встроенный обход. Усилители с "неглубокой глобальной обратной связью в сочетании с местной обратной связью" составляют большинство высокоуважаемых линейных схем усилителей - рабочих лошадок. И они звучат великолепно!
Их секрет в том, что там обратная связь не совсем мала. Вы берете немного местной обратной связи и немного общей обратной связи. Вы складываете их вместе, и то, что вы получаете, это больше неглубокая ООС. Теряется значительная сумма.
Но их производители предпочитают заминаться их тележка к мифу обратной связи, утверждая, что эти усилители имеют меньше обратной связи, чем Снежный человек. Нет, не знают.
Назови меня идиотом за то, что я пытаюсь плыть вверх по течению и использовать тот факт, что я применяю глубочайшую ООС в качестве аргумента для повышения продаж. Но ООС - это то, что делает или ломает усилитель, и так было на протяжении десятилетий.
И что теперь? спрятать её?
Честно говоря, я думаю, что настоящие лохи - это те, кто купился на миф и начал новые компании делать усилители, которые явно избегают обратной связи.
(Бу-го-га)
Вопрос: Можете ли вы достичь порядка спада АЧХ выше, чем второй? Где же конец наращиванию крутизны спада АЧХ?
А: Большинство линейных усилителей останавливаются на третьем порядке, объединяя локальную петлю первого порядка с так называемой двухполюсной компенсацией в петле общей ООС.
По линейным стандартам усилителя более трети порядок становится немного жестким. Но это хлеб с маслом для Сигма-дельта-модуляторов, люди. Контуры обратной связи со спадами АЧХ высокого порядка начали появляться только в усилителях мощности потому, что люди с конвертерным фоном начали обращать свое внимание на класс D, полностью пропуская линейный. Не ошибитесь: петли ООС высокого порядка легче применяются к линейным усилителям, чем класс D, просто никто не ждёт улучшенного дизельного двигателя.
Моё притязание на славу - это получение этих самых петель для УМЗЧ класса D 7-го порядка, и заставить общую петлю ООС гладко работать с таким порядком действительно тяжело, но оно того стоит.
В.: Я так понимаю, что миф об обратной связи не прижился в кругах разработчиков усилителей класса "Д".
А: Вообще-то, нет. И наши воспоминания тоже свежи.
Еще в 90-е годы получены первые работоспособные петли обратной связи, и затем были замкнуты ООС после выходного фильтра, это основные вехи. Это было только тогда этот класс D начал звучать, как усилители, и стал узнаваемым, как жизнеспособная альтернатива классу А.
Но это ноу-хау не является достоянием широкой общественности. Теперь, когда класс D имеет хороший общественный имидж, новые люди пытаются участвовать в этом деле, но они на 20 лет отстают с точки зрения знаний. Так что в последнее время лишь немногие компании выпускают усилители класса D, которые выглядят как полный регресс: никакой обратной связи или только предварительная фильтрация обратной связи.
Вы можете поспорить, что миф о плохой обратной связи очень важен для их маркетинга. Секс со схемами на нитрид-галлиевых ПТ - и вуаля, идеальная приманка для прессы.
(Наш человек: ржот над тупорылыми
)
В.: Полагаю, вы хотите сказать, что можете сделайте петлю обратной связи все более и более сложной, и результаты будут продолжать расти все лучше и лучше. Но и дороже тоже, и я думаю, что довольно много людей сказали бы, что мы уже давно прошли тот момент, когда это улучшало звук. Итак, до каких пор углубление ООС - это достаточно хорошо?
А: Добавление порядка обратной связи (и углубление, тем самым, ООС) не стоит практически ничего с точки зрения стоимости добавленных частей. Есть только инвестиции во время работы: вокруг растет число причудливых цепей с высоким коэффициентом усиления.
Умно спроектированная петля ООС может сбить искажения в несколько тысяч раз за несколько долларов стоимости компонентов.
(Наконец-то разумный западник)
Просто не стоит задавать вопрос, когда он достаточно хорош, и проходить через хлопоты бесконечных тестов на прослушивание, если вы можете просто стрелять в точку, это очевидно, намного лучше, чем нужно.
(Вот жы оно, слово золотое! И я так думаю: ну какого хера прослушивать 100 усей, если можно сразу сделать лучший в мире и не париться, что кто-то его переиграет - пусть даже его параметры будут слишком хороши для современных источников сигнала)
Единственная причина, почему трудно донести сверхлинейность для конечного потребителя по бюджетной цене - это экономия на масштабах производства. Это произойдет только тогда, когда действительно большая компания решит сделать это.
(То, что говорил Агеев: сделать сверхлинейник не мудрено, но дорого в кустарных условиях, если бы промышленность захотела, она завалила бы нас дешёвыми сверхлинейниками.
Но она не хочет: есть более прибыльные вещи: те же смартфоны)
Звучание их представляет огромный контраст со звуком усилителей с нулевой обратной связью. Вам нужно улучшить ВК и источник питания, а это дорого. Каждая отдельная деталь в конечном итоге влияет на результат. Некоторые даже считают предметом гордости, что они настроили звук каждого щелкающего резистора в схеме до тех пор, пока не наступит некоторое звуковое равновесие. Я называю это разбрасыванием грязи равномерно.
(Хаффно в борще, ога
)
Я не говорю, что совершенно невозможно сделать усилитель с нулевой обратной связью с приемлемой точностью, но вы никогда не сможете сделать это с хорошим соотношением цены и качества.
Вопрос: отрицательная ли обратная связь вызывает TIM? Может быть, некоторые усилители с глубокой ООС не звучат из-за этого?
А: Ох уж этот старый каштан. Я не знаю, почему это так продолжает муссироваться. Может быть, комментатор думает, что TIM - это что-то настолько жуткое, что перед ним бессильны учёные?
Для этих людей у меня плохие новости. В TIM нет ничего таинственного. Его источник точно идентифицируется. Это легко понять даже тем, у кого мимолетный интерес к усилителям. Это легко измерить.
Это снова станет техническим, но я обещаю, что это окупится. Позвольте мне нарисовать схему линейного усилителя.
В.: Извините, что вмешиваюсь, но почему вы должны это делать, из всех людей, выбрать, чтобы объяснить TIM с линейным усилителем?
А: Потому что усилители класса Д не имеют Тим! Это
так специфично. TIM - это своего рода искажение, которое происходит в дифференциальном входном каскаде линейных усилителей, следующих этой [вообще говоря, любой] топологии:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Это так просто, как я могу это нарисовать. Не имеет значения, говорим ли мы о маленьком операционном усилителе или усилителе мощности, основная схема та же самая.
Вы имеете три каскада.
Первый - это дифференциальный входной каскад. Он берет напряжение и превращает его в ток.
Второй каскад - интегратор. Он использует ток для зарядки конденсатора коррекции вместе с входным дифкаскадом. Второй каскад усиливает напряжение, которое буферизуется выходным каскадом.
Коэффициент А - продукт усилений первого и второго каскадов.
Входной каскад работает на разделении тока эмиттерного ГСТ Ib меж двумя входными транзисторами и нагружен на токовое зеркало. Когда ток покоя разделяется равномерно, выходной ток равен 0. Как только вы поступает входное напряжение, токораспределение становится несбалансированным и разность тока транзисторов дифкаскада течет в конденсатор второго каскада. Надо понимать, что напряжение на базе второго каскада ничтожно, а вот на коллекторе - десятки вольт. Это напряжение прикладывается к конденсатору коррекции, вызывая большой ток, сильно нагружающий входной дифкаскад с частоты первого полюса - с единиц/сотен герц.
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Входной каскад не особенно линеен. Он имеет S-образную кривую преобразования напряжения в ток, из которой только середина, немногие милливольты, достаточно прямые. Симметричная и гладкая нелинейность дифкаскада приведёт к нечётным гармоникам.
Давайте немного изменим структурную схему и объедините усиления первой и второй ступеней вместе и оставьте только нелинейность в своей собственной красной коробке:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Чтобы выяснить, сколько искажений вносит вход, нам нужно знать только входное напряжение. Вычислив его, ты получишь право ничего знать о контуре обратной связи. Для искажений имеет значение только разностное напряжение.
В.: У вас нет петли обратной связи, но у нас уже есть ТIM?
А: Правильно. В первом приближении, выходное напряжение - это просто предполагаемое выходное напряжение, которого достаточно, чтобы понять, что происходит дальше. От ожидаемого выходного напряжения вашего усилителя вы находите ожидаемое (без искажений) входное напряжение путем деления на Ку(ф), затем вы можете вычислить искажения.
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Когда мы все-таки замкнём петлю ООС, искажение входного сигнала усилится вместе со входным сигналом на КуООС (усиление после обратной связи). Петля обратной связи не вызывает ТIM, но она также не поможет исправить ситуацию, ибо поражён входной каскад.
Это делает ТIM настолько неприятными искажениями: они добавляются к входному сигналу.
Они не находятся внутри контура обратной связи и не фильтруется. Это по всему спектру.
(Бруно разделяет точку зрения, что в ООСном усилителе единственный каскад вне петли ООС - входной, и его искажения ООСью не давятся)
Мы не говорим о неких тонких формах окраски звука. Мы говорим о явном потрескивании и плевке. Звук ТIM совсем не похож на дегустацию вин в терминологии аудиообзоров. Он противный, грубый, идет от 0 до 60 (миль в час
) и обратно в мгновение ока. Он внезапно кричит на тебя, а потом снова исчезает. Если вы ожидаете использовать ТIM для объяснения некоторых звуковых тонкостей игры усилителя мощности струнное трио, поверьте мне, вы никогда не слышали ТIМ.
Теперь посмотрите внимательно на термин "искажение ТIM". Она пропорциональна кубу 1/A. Теперь предположим, что каким-то образом удалось увеличить коэффициент усиления до введения обратной связи в 10 раз:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Тем самым мы снизили TIM в 1000 раз.
(выигрыш 1000 раз при увеличении Ку в 10 раз объясняется кубической зависимостью искажений дифа от напряжения разностного сигнала).
В.: Я понимаю, почему вы бы сочли это иронией судьбы. Вы увеличиваете коэффициент усиления перед введением обратной связи и получаете непропорциональное сокращение ТIM. Таким образом, Вы делаете обратную связь больше, а получаете меньше ТIМ.
А: Забавный старый мир, не так ли? Миф о том, что обратная связь вызывает
ТIМ, не просто неточен или частично неправилен. Он - полная противоположность правде. Вы не часто получаете такие простые и точные инженерные истины.
Если у вашего усилителя есть
ТIМ, это означает, что вы пытались
, но не смогли получить глубокой обратной связи. Потому что вы оборудовали его таким дифференциальным входным каскадом, который линейно обрабатывает только крошечные сигналы. Не удалось избежать
ТIМ, потому что вам удалось перегрузить входной диф.
Это дает Вам удобный шибболет (библ: проверочное слово, камень преткновения) для тех случаев, когда кто-то наклоняет ваше ухо по поводу обратной связи на вечеринке. Просто спросите их: "вызывает ли обратная связь
ТIМ". Если они скажут "Да", вы можете спокойно
плюнуть им в правый глаз игнорировать всё, что они могут предложить по этой теме.
(Вот цуко такое.
)
Вопрос: Почему это называется Тим?
А: Если усиление А обратно пропорционально частоте,
ТIМ пропорционален кубу изменения частоты. Так что это, в основном, связано с резкими переходными процессами.
Парень, который первым упомянул об этом и назвал это
переходной Интермодуляцией - это был Матти Отала из Финляндии. Он разработал тест, который может отделить искажение входного каскада от других частотно-кубических источников.
ТIМ - это, на самом дел, не название типа искажений, а метод тестирования, который позволяет найти их. Он смешивает синусоидальную волну с прямоугольной.
Переходная часть относится к краям прямоугольной волны, Интермодуляция к дело в том, что продукт искажения на самом деле оказывается ниже частоты входного сигнала. Все дело было в том, чтобы показать, что вы не можете просто игнорировать входной каскад. Вот такая схема.
Люди просто думали, что это был обвинительный акт обратной связи в общем.
Вы можете найти
ТIМ, но в наши дни мы называем его тусклым. Это стандартная часть проверки усилителя, протокольная и совсем не эзотерическая.
Вопрос: но верно ли, по крайней мере, то, что слишком много отрицательной обратной связи может будет ли плохо, если реализовано неправильно? Есть ли такие примеры продукты на рынке?
Ответ: Короткий ответ таков: нет.
Если вы можете сделать тонну обратной связи и сохранить ее стабильной - хорошо, делайте. Но очень часто вы видите петли обратной связи, которые не могут реализовать все потенциальные преимущества ООС.
Вложенные петли ООС в линейном режиме, например, усилители.
ТIМ случается, когда усилитель не имеет достаточного усиления холостого хода (перед замыканием общей петли ООС). Локальная петля вокруг ВК ничего не меняет в линейности усилителя: входной каскад видит в терминах сигнала. Поэтому усилители с вложенными петлями ООС должны смягчать
ТIМ отдельно, например, добавляя локальную обратную связь вокруг входного каскада.
(Как конденсатор миллеровской ООС вокруг ОУ в Натали и ушнике сержанта)
В классе D усилители одним из наиболее слышимым источником искажений является выходной фильтр. Если вы только возьмете обратная связь перед выходным фильтром, возможности для улучшения довольно ограничены. Принимать некоторую обратную связь до фильтра и некоторую после также ненужный компромисс.
(Охват ООСью выходного ФНЧ актуален и для нас)
В.: Итак, понятие что местная обратная связь лучше глобальной…
А: ... это точно прямо противоположно истине, да.
(А я шо говорю?)
Вопрос: правда ли, что увеличение отрицательной обратной связи снижает искажение низких порядков за счет увеличения искажений более высоких порядков (которые гораздо заметнее)? Если это правда, то есть ответ, что это не выдача, если все искажения достаточно низко? Насколько низко - это достаточно низко?
А: Зерно истины на самом деле очень тонкое.
Чтобы объяснить, мне нужно удалить напряжение искажений Ve и замените его реальной нелинейностью. Вот вам и выигрыш единства усилитель, выполненного с суммирующим узлом, усилительным каскадом и чем-то, что производит искажение, обернутое в петлю обратной связи с единичным коэффициентом усиления. Искажение - это передаточная функция типа Vout = f(Vin).
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
И снова мы будем работать в обратном направлении. Предположим, что вы уже известно выходное напряжение. Какое напряжение появляется перед источником искажений? Это обратная нелинейность (сигнал ошибки), приложенная к выходному сигналу. На входе каскада усиления мы находим то же самое значение, теперь делённое на усиление холостого хода A. Наконец, чтобы добраться до входного напряжения Vin на входе суммирующего узла, нам нужно добавить выход обратно.
Если A достаточно велико, то выход напряжение будет почти равно входному сигналу. Достаточно равны, чтобы мы могли заменить это для Vo в аргументе f -1:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Результат показывает, что при использовании глубокой обратной связи всё работает так, как и ожидалось. У вас есть компонент искажения и чем больше вы делаете А, тем меньше искажение становится. Единственная неожиданная часть, это что искажение - это не первоначальное искажение, а его обратная сторона, сигнал ошибки, противо-искажение по форме.
В.: На мой взгляд, это довольно академично. Я не думаю, что обратное какое-то искажение это будет звучать совсем не так, как первоначальное искажение.
А: Я бы вообще согласился. Тем не менее, вы можете поставить интересный опыт, если из любопытства сможете ухитриться собрать схему, в которой f(x) не имеет высших гармоник.
Скажем, f(x) = x-квадрат + x. только производит искажение второго порядка, тогда как его обратное значение равно f -1(x)=sqrt(0.25+x) - 0.5. Этот квадратный корень имеет высшие гармоники, включая нечетные.
В крайнем случае, таким образом, обратная связь заставит эти гармоники появиться из ниоткуда. Если ваш цель состоит в том, чтобы сделать обратную связь плохой, это именно тот тип примера, который вам нужен.
Ошибка, которую они совершают - предположение, что эти высшие гармоники продолжают расти по мере того, как усиление А становится больше. Это неправильно, конечно, потому что, как только искажение перевернулось, оно просто остается равным исходному.
Так что ради спора, если бы у вас была идеальная нелинейность второго порядка, самое худшее, что вы можете сделать это - применить мелкую ООС. Компоненты искажений более высокого порядка появляются задолго до того, как вы получаете уменьшение искажений.
Вопрос: Предположим, что ваш исходный f(x) был квадратным корнем? Будет ли это означать, что высшие гармоники будут быстро спадать, так как это обратная связь заставляет его перевернуться в квадрат x?
А: Абсолютно! Но ты я не вижу, чтобы люди использовали этот пример, потому что это разрушило бы их цель.
В.: Я думаю, что разбиты все технические аргументы, которые я слышал против обратной связи в аудиоусилителях, и потом еще немного. Неужели действительно нет ничего против ООС? Может быть, что-то такое, о чем ты рассказал только своей жене?
А: Честно говоря, нет. В конце концов, я... не любитель смотреть на измерения. Я слушаю музыку, как и любой другой звукопсих. У меня есть уши, и я ими пользуюсь.
И то, что я слышу - это постоянное улучшение с каждым разом, когда я нахожу новый хрип, чтобы добавить больше обратной связи.
Музыка просто становится более эмоциональной и более осязаемым. Если бы это было не так, я бы сорвался с места, как выстрел, пытаясь найти причину, но на данный момент для меня нет никакой тайны в ООС, ожидающей объяснения.
Краткое изложение ключевых тезисов о обратной связи усилителя
-
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Не повторяйте этой схемы в домашних условиях!
- Обратная связь - это естественный процесс, который происходит вокруг нас. Инженеры научились использовать его для решения многих сложных задач. Создание точных усилителей и фильтров - это некоторые примеры, связанные с аудио.
- Главный миф об обратной связи состоит в том, что её легко накапливать больше по желанию. Это верно только на дозвуковых частотах. Выше по звуковому диапазону каждый дБ обратной связи достаётся очень трудно.
- Пресловутый усилитель 70-х годов, у которого была "глубокая ООС", обеспечивал её глубину только на низких частотах, но её очень мало оставалось на высоких частотах. К сожалению, они использовали тип входного каскада, который работает должным образом только в том случае, если у вас действительно есть много обратной связи. Это и вызвало ТIM.
- Углубление ОООС быстро приводит к уменьшению ТIM. Это полная противоположность широко распространенному мифу, что ТIM вызваны ООС.
- Вложение локальных и глобальных петель является наиболее распространенным способом увеличения обратной связи. Почти все современные усилители класса AB работают именно так. Они не являются усилителями с мелкой обратной связью, даже если они продаются как таковые.
- Полная глобальная обратная связь (монопетля ООС) не так проста в достижении и применении, но по результатам превосходит вложенную (многопетлёвость) или частичную (мелкую?) обратную связь.
- Теория обратной связи очень продвинута в области сигма-дельта ЦА-АЦ преобразователей. Разработанные там методы также часто используются в усилителях класса D.
- Обратная связь переворачивает форму искажения. Это может превратить искажение с несколькими высшими гармониками в одно с большим количеством высших гармоник или наоборот. На практике эффект имеет значение только в лабораторных диковинках, специально построенных для демонстрации эффекта.
- Обратная связь является одним из наиболее эффективных инструментов для улучшения качества звука. Хотя затраты на НИОКР могут быть существенными, использование обратной связи практически не влияет на стоимость схемы.
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста
Вход или
Регистрация
Наш человек в Гаване.
