Глубокая ООС и динамические искажения в УМЗЧ

[Teoretic]

Динамические искажения.pdfНаверное, это надо было сделать намного раньше, но лучше поздно, чем никогда.
Надеюсь, эта тема внесет некоторую ясность в вопрос о глубокой ООС.

Сама заметка:
http://minus.com/lbwxxedETMAj0

Выкладываю в pdf, там формулы и рисунки.

Модели в MicroCap8:
http://minus.com/lbuW9uqjOJEmpQ
http://minus.com/lba5ivZ94guuqV

Вот плод коллективных трудов, исправленная заметка и модели.
tim2.cir
tim1.cir
Динамические искажения.pdf

[Teoretic]

Teoretic, нет-нет. АЧХ и ФЧХ - это часто малосигнальные параметры усилителя. Причём АЧХ и ФЧХ и на большом сигнале могут быть нормальными, а на выходе будет сигнал типа "пила".

Я подчеркивал, АЧХ надо мерить на максимальном сигнале.
Сможете продемонстрировать такой усилитель, чтобы АЧХ была ровной до 20 кГц, а синус 20 кГц не воспроизводился бы?
;)

Ведь производная от синуса максимальна в нуле. А значит даже при ограничении по скорости нарастания выход на пик будет нормальным (вблизи пика скорость нарастания стремится к нулю).

Не значит.
Если скорость нарастания ограничивает синус уже в нуле, данный синус не будет воспроизведен.

Поэтому АЧХ и ФЧХ всего усилителя в целом - это не показатель скорости нарастания.

Это уже требует доказательства. Потому что тезис ошибочен.

То условие совершенно не нужное. Одно из основных условий - это отсутствие перегрузок каскадов усилителя, при воспроизведение сигнала максимальной амплитуды и максимальной частоты. Для этого АЧХ и ФЧХ каскадов должны быть подобраны таким образом, чтобы в требуемом диапазоне частот и амплитуд входного сигнала не происходило их перегрузок. Всё и придумывать тут нечего, как мне кажется!

Вы тут сформулировали практически то же самое условие, только более сложное.

д мысли понятен, но далёк от реальности. Спрашивается, зачем испытывать усилитель при разомкнутой ООС?

Не только испытывать, а проектировать!

Вторая ошибка - во избежание динамических искажений вообще не должно быть перегрузок (а тут пишется о том, что быстрее должно перегрузиться), при испытаниях на максимальных частоте и амплитуде. Да пусть перегружается, если это на частотах в 10-100 раз больших при тех же максимальных амплитудах.

На этих частотах - пусть. Речь шла о рабочих частотах.
Если выполнить данное условие, то не будет возникать ограничения в предыдущих каскадах, усилитель раньше выйдет в клиппинг по выходу - не будет динамических искажений. Это почти очевидно.

[Mepavel]

Я подчеркивал, АЧХ надо мерить на максимальном сигнале.
Сможете продемонстрировать такой усилитель, чтобы АЧХ была ровной до 20 кГц, а синус 20 кГц не воспроизводился бы?
;)

Стандартный пример, когда скорость нарастания ОУ ограничена. АЧХ практически ровная, а синус сильно искажён.



Данное явление возникает именно из-за ограниченной скорости нарастания. (в примере ток короткого замыкания первого ОУ ограничен значением 1 мА, поэтому и скорость нарастания ограничена)

Не значит.
Если скорость нарастания ограничивает синус уже в нуле, данный синус не будет воспроизведен.

Правильно. Синус не будет вопроизведён, а амплитуда - легко, потому что скорость нарастания - это производная. Для синуса при значении аргумента 0+pi*n её абсолютное значение максимально. Там где скорость нарастания максимальна усилитель становится на ограничение по току (следовательно ограничение по скорости нарастания dv/dt=I/С), при приближении к точке pi/2+pi*n её значение минимально и усилитель выходит из этого ограничения. Поэтому амплитуда воспроизводится (разумеется не со 100% точностью), а синус - нет. АЧХ всего усилителя на максимальном сигнале вроде одинаковая, а искажения большие.
Поэтому надо анализировать АЧХ отдельных каскадов и не допускать перегрузку. Это более информативный подход на стадии проектирования.

На этих частотах - пусть. Речь шла о рабочих частотах.
Если выполнить данное условие, то не будет возникать ограничения в предыдущих каскадах, усилитель раньше выйдет в клиппинг по выходу - не будет динамических искажений. Это почти очевидно.

Очевидно, что если так спроектировать усилитель, то как только выйдёт выходной каскад в клиппинг, то все остальные каскады уйдут в него, потому что ООС будет стремиться исправить ошибку. Следствие этого - большое время восстановления.
Teoretic, по-моему очевидно, что этот критерий совершенно не нужен и не даёт ничего хорошего. Надо смотреть фактам прямо в лицо. И Ваш критерий не имеет ничего общего с моим:

Одно из основных условий - это отсутствие перегрузок каскадов усилителя, при воспроизведение сигнала максимальной амплитуды и максимальной частоты. Для этого АЧХ и ФЧХ каскадов должны быть подобраны таким образом, чтобы в требуемом диапазоне частот и амплитуд входного сигнала не происходило их перегрузок.

[AS79]

А вообще, в усилителе с одним каскадом усиления напряжения динамических искажений быть не может по определению.

Вот о чём я и писал тут пол темы. Что один из вариантов решения проблемы динамических искажений - однокаскадный УН с нужным усилением.

Это почему, я что-то потерял нить рассуждений?

[krulfa]

Хотелось бы подвести итог дискуссии. (а то она уже в явный оффтопик ушла).

А.А. Данилов в книге “Прецизионные усилители низкой частоты» М.: Горячая линия – Телеком, 2008 формирует следующее условия отсутствия динамических искажений:
«Скорость нарастания усилителя с ООС неразрывно связана с его частотой среза по контуру ООС и максимальным выходным напряжением следующим соотношением, называемым условием динамической линейности:
Vмакс >= 2*Pi*Fср оос*Uвых макс”
… главный смысл его в том, что при любом значении скорости нарастания, которое удовлетворяет данному условию, общая отрицательная обратная связь никогда не разрывается, какой бы сигнал мы не подали бы на вход усилителя!»

То есть, если усилитель имеет полосу пропускания 1.9 МГц и выходное напряжение 50В, то по А.А. Данилову потребуется 600 В/мкс. Большинство проанализированных им схем промышленных усилителей этому условию не удовлетворяют.

На мой взгляд, такое требование по скорости нарастания является завышенным. За основу можно взять 15-кратный запас по скорости нарастания относительно требуемого на частоте 20 кГц, на максимальной мощности, который согласуется с моделированием Mepavel и другими упоминавшимися отзывами, при условии наличия на входе УМЗЧ ФНЧ и использовании его для проигрывания музыки, спектр которой ограничен естественным путем.

Или упрощая, УМЗЧ должен иметь полосу полной мощности от 300 кГц.

Но это не все. Если усилитель работает в классе АВ, то следует вспомнить о нелинейности крутизны выходного каскада.

Если в классе АВ используется пара или тройка Дарлингтона с эмиттерными резисторами большой величины, как в промышленной аппаратуре (0.22 – 0.47 Ом), то требование по 15-кратному запасу скорости нарастания нужно смело умножить на два, так как ООС придется компенсировать двукратные скачки крутизны при переходах между областями, где работают два транзистора и где работает только один.

Для ВК на полевых транзисторах ситуация может быть еще хуже, так как в классе АВ при малом токе покоя изменение крутизны от тока покоя до максимального может быть более двух.

P.S. Даже если ООС по А.А. Данилову в усилителе с достаточным быстродействием ООС никогда не разрывается, это не означает отсуствия перегрузки входного каскада, если на него подать сигнал со спектром шире, чем полоса ООС.

[.Васильев]

Вижу, что не помешал бы топик о нелинейных искажениях выходного каскада!
Как я понимаю, именно он "виноват" в 99% всех нелинейных искажений УМЗЧ.
Кто начнет?

давно все есть с полным разбором работы вк .Даны при том различные типы ВК.Так что все было.

[fakel]

давно все есть с полным разбором работы вк .Даны при том различные типы ВК.Так что все было.

Например, у Д. Селфа, исчерпывающе. Или на худой конец у Петрова.

---------- Добавлено в 11:54 ---------- Предыдущее сообщение в 11:52 ----------

А.А. Данилов в книге “Прецизионные усилители низкой частоты» М.: Горячая линия – Телеком, 2008 формирует следующее условия отсутствия динамических искажений:

Лучше в оригинале у Селфа

[Teoretic]

Стандартный пример, когда скорость нарастания ОУ ограничена. АЧХ практически ровная, а синус сильно искажён.



Данное явление возникает именно из-за ограниченной скорости нарастания. (в примере ток короткого замыкания первого ОУ ограничен значением 1 мА, поэтому и скорость нарастания ограничена)

А я еще раз повторю: на картине первый каскад на ОУ - перегружен, имеем типичные динамические искажения. При перегрузке имеем нелинейный режим. Какая тут уже переходная характеристика и скорость нарастания?
Да и не воспроизводит ваш усилитель синус неискаженно. Вы тут как раз в топик иллюстрацию проводите.

[krulfa]

Offтопик:

Лучше в оригинале у Селфа

К сожалению, Селф не дает знаний, как сделать хорошо звучащий усилитель. Он дает основу в том, как уменьшить искажения. А если читать его много и внимательно, то произойдет короткое замыкание в мозге и начнешь думать так же, как и он предлагает в своей книге, а это дорога в никуда.

[Teoretic]

А.А. Данилов в книге “Прецизионные усилители низкой частоты» М.: Горячая линия – Телеком, 2008 формирует следующее условия отсутствия динамических искажений:
«Скорость нарастания усилителя с ООС неразрывно связана с его частотой среза по контуру ООС и максимальным выходным напряжением следующим соотношением, называемым условием динамической линейности:
Vмакс >= 2*Pi*Fср оос*Uвых макс”
… главный смысл его в том, что при любом значении скорости нарастания, которое удовлетворяет данному условию, общая отрицательная обратная связь никогда не разрывается, какой бы сигнал мы не подали бы на вход усилителя!»

Да, но к сожалению, он не пишет, откуда это выражение берется, кроме невнятной фразы о каком-то разрыве ООС, которая мне кажется технически неграмотной (а может, это чрезмерное упрощение для начинающих?). Ссылку-то мог дать!
По крайней мере, я вообще не понимаю смысла этого условия и откуда оно могло возникнуть.
Согласен только, что требования к АЧХ неплохо было бы раздвинуть килогерц до 40, чтобы улучшить фазовую характеристику.

Но это не все. Если усилитель работает в классе АВ, то следует вспомнить о нелинейности крутизны выходного каскада.
Если в классе АВ используется пара или тройка Дарлингтона с эмиттерными резисторами большой величины, как в промышленной аппаратуре (0.22 – 0.47 Ом), то требование по 15-кратному запасу скорости нарастания нужно смело умножить на два, так как ООС придется компенсировать двукратные скачки крутизны при переходах между областями, где работают два транзистора и где работает только один.

Для ВК на полевых транзисторах ситуация может быть еще хуже, так как в классе АВ при малом токе покоя изменение крутизны от тока покоя до максимального может быть более двух.

P.S. Даже если ООС по А.А. Данилову в усилителе с достаточным быстродействием ООС никогда не разрывается, это не означает отсуствия перегрузки входного каскада, если на него подать сигнал со спектром шире, чем полоса ООС.

Вот, и я говорю, самые большие проблемы - в выходном каскаде. А с динамическими искажениями хоть какая-то ясность имееется.

[теоретизирующий практик]

Сообщение от Teoretic


А вообще, в усилителе с одним каскадом усиления напряжения динамических искажений быть не может по определению.



Вот о чём я и писал тут пол темы. Что один из вариантов решения проблемы динамических искажений - однокаскадный УН с нужным усилением.

Mepavel, если интерпретировать понятие динамических искажений по Вашей склонности в неразрывной связи с входом в клипинг, или в подаче запредельного спекра частот, то и однокаскадный усилитель легко находит динамические искажения (при входе и (или )) выходе из клипинга. Проверено не на симуляторе, а в железе.

Анатолий.

Добавлено чуть позже: И в очередной раз повторюсь о действенности способа борьбы с динамическими искаженияим установкой на входе ФНЧ. (впрочем не всегда, если пользоваться источником сигнала с заведомо ограниченным спектром)

И действительно отделить надо котлеты от мух. Перегрузка по входной амплитуде (клиппинг) совсем не то , что перегрузка при запредельных частотах. Хотя часто они взаимно связаны.

---------- Добавлено в 11:16 ---------- Предыдущее сообщение в 10:19 ----------

Если в классе АВ используется пара или тройка Дарлингтона с эмиттерными резисторами большой величины, как в промышленной аппаратуре (0.22 – 0.47 Ом), то требование по 15-кратному запасу скорости нарастания нужно смело умножить на два, так как ООС придется компенсировать двукратные скачки крутизны при переходах между областями, где работают два транзистора и где работает только один.

Krulfa, наверное Вы правы. Другими словами всё зависит от спектра сигнала усилителя с разорванной ОС. Если, например, усилитель имеет склонность к искажениям типа ступенька, то спектр НИ может простираться значительно выше верхней воспроизводимой частоты, и очевидно, что АЧХ усилителя без ООС и характеристика цепей ОС должны уверенно отрабатывать на этих частотах, во избежание ...ит.д и т.д.

С другой стороны, достаточно линейный во всей рабочей полосе усилитель с отключенной ОС автоматически снижает требования к быстродействию...

Анатолий.

[VVS_]

C другой стороны, достаточно линейный во всей рабочей полосе усилитель с отключенной ОС автоматически снижает требования к быстродействию...
Анатолий.

Подпишусь на все сто. Если нечего компенсировать зачем нам глубина и скорость?
Вот как предложение такой компенсации в ВК, которая должна сильно облегчить жизнь ООС https://forum.vegalab.ru/showthread....B8%D0%BA%D0%B0

[теоретизирующий практик]

Сообщение от теоретизирующий практик


C другой стороны, достаточно линейный во всей рабочей полосе усилитель с отключенной ОС автоматически снижает требования к быстродействию...
Анатолий.



Подпишусь на все сто. Если нечего компенсировать зачем нам глубина и скорость?
Вот как предложение такой компенсации в ВК, которая должна сильно облегчить жизнь ООС https://forum.vegalab.ru/showthre...B8%D0%BA%D0%B0

Смотрел я Ваше предложение, жаль, что в железе не реализовано. Кстати, глубина ООС таки требуется, ведь надо выдержать приемлемое выходное сопротивление уся.

Большинство читателей настолько заняты, так что в железе реализовывать придется Вам самому.

Анатолий.

[Mepavel]

А я еще раз повторю: на картине первый каскад на ОУ - перегружен, имеем типичные динамические искажения. При перегрузке имеем нелинейный режим. Какая тут уже переходная характеристика и скорость нарастания?
Да и не воспроизводит ваш усилитель синус неискаженно. Вы тут как раз в топик иллюстрацию проводите.

О чём и был спор - АЧХ нормальные, а динамические искажения большие. Вы же утверждали, что если АЧХ всего усилителя без завалов, вплоть до предельной частоты - то синус воспроизводится без динамических искажений.
P.S. По-моему я же писал какая скорость нарастания: dV/dt=Iогр/C. Перегрузка не по выходному напряжению, а выходному току входного каскада. При этом АЧХ на максимальном сигнале удовлетворительные, а динамические искажения большие. Это я том, что предельная скорость нарастания далеко не всегда описывается однозначно только АЧХ и ФЧХ, как Вы утверждаете.

---------- Добавлено в 13:12 ---------- Предыдущее сообщение в 13:11 ----------

«Скорость нарастания усилителя с ООС неразрывно связана с его частотой среза по контуру ООС и максимальным выходным напряжением следующим соотношением, называемым условием динамической линейности:
Vмакс >= 2*Pi*Fср оос*Uвых макс”
… главный смысл его в том, что при любом значении скорости нарастания, которое удовлетворяет данному условию, общая отрицательная обратная связь никогда не разрывается, какой бы сигнал мы не подали бы на вход усилителя!»

То есть, если усилитель имеет полосу пропускания 1.9 МГц и выходное напряжение 50В, то по А.А. Данилову потребуется 600 В/мкс. Большинство проанализированных им схем промышленных усилителей этому условию не удовлетворяют.

Ну если нужно делать усилитель, который работает вплоть до частоты среза на максимальной амплитуде, тогда да - Vмакс >= 2*Pi*Fср оос*Uвых макс.

---------- Добавлено в 13:22 ---------- Предыдущее сообщение в 13:12 ----------

Mepavel, если интерпретировать понятие динамических искажений по Вашей склонности в неразрывной связи с входом в клипинг, или в подаче запредельного спекра частот, то и однокаскадный усилитель легко находит динамические искажения (при входе и (или )) выходе из клипинга. Проверено не на симуляторе, а в железе.

теоретизирующий практик, не понял к чему это. Опять недоверие симулятору? Полно таких схем и все имеют нормальный клиппинг. Время восстановления очень маленькое. Там вообще речь шла о том, что чем меньше каскадов перегружается, тем лучше. Если у Вас однокаскадный УН на практике плохо выходит из клиппинга, то значит Вы не позаботились об антинасыщающих мерах.

---------- Добавлено в 13:29 ---------- Предыдущее сообщение в 13:22 ----------

Добавлено чуть позже: И в очередной раз повторюсь о действенности способа борьбы с динамическими искаженияим установкой на входе ФНЧ

И Вы себе противоречите

Krulfa, наверное Вы правы. Другими словами всё зависит от спектра сигнала усилителя с разорванной ОС. Если, например, усилитель имеет склонность к искажениям типа ступенька, то спектр НИ может простираться значительно выше верхней воспроизводимой частоты, и очевидно, что АЧХ усилителя без ООС и характеристика цепей ОС должны уверенно отрабатывать на этих частотах, во избежание ...ит.д и т.д.

Т.е. оказывается входной ФНЧ не может спасти от проблем с тем, что на вход усилителя через ОС будет лезть ВЧ спектр от ВК.

[VVS_]

Смотрел я Ваше предложение, жаль, что в железе не реализовано.
Анатолий.

Данная компенсация уменьшает Rвых каскада. ОС остается доработать совсем немного.
Можно реализовать в железе только компенсацию и резистор на землю, дунуть на выход каскада синус и померить что там будет на самом каскаде Кг и выходное сопротивление.
Для этого не надо собирать весь усилитель.

---------- Добавлено в 12:35 ---------- Предыдущее сообщение в 12:34 ----------

Т.е. оказывается ФНЧ не может спасти от проблем с тем, что на вход усилителя через ОС будет лезть ВЧ спектр от ВК.

Поддерживаю.

[audiomun]

Вот о чём я и писал тут пол темы. Что один из вариантов решения проблемы динамических искажений - однокаскадный УН с нужным усилением.

Павел, ты совсем заврался! Покажи - где ты такое писал вообще, и, тем-более - пол темы(??!!), как пытаешься здесь утверждать?(благодетель Вы наш). Специально не поленился - просмотрел все 38 страниц темы, потратив два часа, но не нашел ни одного твоего коммента, равно наоборот - это писали другие коллеги по форуму, коих ты тотчас раскритиковывал в пух и прах. Зато у тебя вполне хватило "знаний" написать такое:

выходной просто повторитель, т.е. быстрый УН.

Повторитель - быстрый УН, это как??? Всё-таки, может повторитель - это УТ? Либо - я совсем отстал(видимо - старая школа). Торопыга Вы наш Вячеслав P.S. И вообще - всю эту теоретическую бодягу можно было(и нужно) уложить в две страницы обсуждения, ибо сия тема давно подробно разжевана в первоисточниках.

[теоретизирующий практик]

Т.е. оказывается входной ФНЧ не может спасти от проблем с тем, что на вход усилителя через ОС будет лезть ВЧ спектр от ВК.

Каюсь, наверное пора на списание, когда имеешь в виду одно, а треплешся о другом, замечаю за собой не первый раз . Конено ФНЧ не являетсч средством борьбы с динамическими искажениями, это средство защиты от помех, могущих к ним привести.

Если у Вас однокаскадный УН на практике плохо выходит из клиппинга, то значит Вы не позаботились об антинасыщающих мерах.

Не обязательно. В моём случае антинасыщение предусматривалось, на максимальной мощности никаких искажений до 70 кГц, но при клиппинге сказывалась входная ёмкость первого транзистора включенного с ОИ (второй транзистор по схеме ОБ), которая в период клипинга заряжалась до непотребной величины цепями ООС из за срыва слежения ООС. Очень похоже на динамические искажения, если не учитывать, что срыв проиходит только при перегрузке уся, что (опять каюсь) нельзя назвать динамическими искажениями. Я бы назвал это характерной формой клипинга, не употребляя слово "динамические". Проблема легко решилась включением перед затвором эмиттерного повторителя, при этом зубец запаздывания не то что совсем исчезает, но уменьшается до мизерной величины, заметной только с "лупой" развертки осциллографа.

Анатолий.

[viktor8m]

Ну тогда что такое динамические искажения?

Под динамическими искажениями понимаются искажения в усилителе, когда на вход подаются сигналы отличные от статического синуса. Они происходят из-за того, что любой сигнал, отличный от статического синуса (напр., музыкальный), представляет собой сумму синусов с разной амплитудой и частотой (а значит скоростью изменения) и вот эти дополнительные синусы с большей частотой (а именно они и создают реальную форму сложного сигнала) могут неправильно усилиться. Поэтому динам. искажения это автоматически вариант интерм. искажений. Некоторые их понимают как только TIM (т.е. переходные интерм. искажения или искажения при резких изменениях формы сигнала), но по моему это не правильно, TIM это лишь один из видов динамических искажений, когда одна из частот (или несколько) перегружает входной каскад, тем самым не давая усилиться другим частотам.

Есть стандартная метода измерения их? Как их пощупать? Нет методы? Интермоды стандарт есть, Кг стандарты есть, АФЧХ стандарты есть. А ту? Есть диновская метода или нет?

Один из популярных вариантов это DIM-30.

И в очередной раз повторюсь о действенности способа борьбы с динамическими искаженияим установкой на входе ФНЧ. (впрочем не всегда, если пользоваться источником сигнала с заведомо ограниченным спектром)

Посмотрите мои посты 595 и 611.

[Teoretic]

О чём и был спор - АЧХ нормальные, а динамические искажения большие. Вы же утверждали, что если АЧХ всего усилителя без завалов, вплоть до предельной частоты - то синус воспроизводится без динамических искажений.

Вы не слышите, что я говорю.
Речь шла об АЧХ на максимальном сигнале. А ваш пример не воспроизводит максимальный сигнал, то есть имеем завал АЧХ.
Дальше уже не о чем спорить.

---------- Добавлено в 13:40 ---------- Предыдущее сообщение в 13:34 ----------

Под динамическими искажениями понимаются искажения в усилителе, когда на вход подаются сигналы отличные от статического синуса. Они происходят из-за того, что любой сигнал, отличный от статического синуса (напр., музыкальный), представляет собой сумму синусов с разной амплитудой и частотой (а значит скоростью изменения) и вот эти дополнительные синусы с большей частотой (а именно они и создают реальную форму сложного сигнала) могут неправильно усилиться.

Непонятно, откуда в звуковом сигнале появились ультразвуковые составляющие?

Поэтому динам. искажения это автоматически вариант интерм. искажений. Некоторые их понимают как только TIM (т.е. переходные интерм. искажения или искажения при резких изменениях формы сигнала), но по моему это не правильно, TIM это лишь один из видов динамических искажений, когда одна из частот (или несколько) перегружает входной каскад, тем самым не давая усилиться другим частотам.

А тут все полностью совпадает с топиком. Конечно, при выходе промежуточного каскада в ограничение происходит 100% интермодуляция, нелинейность-то сумасшедшая.

[viktor8m]

Непонятно, откуда в звуковом сигнале появились ультразвуковые составляющие?

Даже если вход защищён от помех такой частоты (от недостатка фильтрации выхода ЦАП или наводок от силового питания ВК в классе АВ), то могут прийти по цепи ООС (мои посты 595 и 611), да и при неправильной добротности петли ООС (что вероятно при глубокой ООС) даже сигнал нормальной частоты может вызвать перерегулирование с огромной скоростью (т.е. появление ВЧ частот).

[теоретизирующий практик]

Сообщение от теоретизирующий практик


И в очередной раз повторюсь о действенности способа борьбы с динамическими искаженияим установкой на входе ФНЧ. (впрочем не всегда, если пользоваться источником сигнала с заведомо ограниченным спектром)



Посмотрите мои посты 595 и 611.

Ну если обратим внимание на мой на текст в скобочках, то то что выше не надо принимать всерьз. ФНЧ, конечно, может защитить не более чем от помех, и досужих спектроманьяков