Амплитудные искажения гармонического спектра УМЗЧ, ООС и амплитудная характеристика.

[bukvarev]

Добавил еще несколько экспериментов (начиная с 6_ххх).
https://drive.google.com/folderview?...k0&usp=sharing
Описание - в файле Описание_файлов.txt,
Картинка структурной схемы текущей модели - Структурная схема модели.gif.
Тут главное - попытаться идентифицировать разные искажения по их характеру "на слух".
Обязательно смотрите спектры "радиоимпульса" в конце каждого файла.

Также отдельно проводил эксперименты по попытке увидеть увеличение "фазового" шума при охвате ОООС. Шум уменьшается в меньшей степени, чем глубина ОООС лишь при малом фазовом запасе, когда система - на грани устойчивости. На осциллограммах сложного сигнала при охвате ОООС, выходной сигнал значительно ближе к оригиналу, и его временнЫе уклонения даже более гладкие на вид. По меньшей мере, в этой модели мне пока не удалось обнаружить эффекта "размножения" шума при охвате ОООС, как предполагалось в https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post1997059. Возможно, в значительной мере быстрые временнЫе отклонения, вызванные "эллипсностью" ААХ, сглаживаются фильтром масштабного звена, даже если он тоже имеет нестабильность. Но скорее всего, просто "рулит" линейное вычитание, и в звуковом диапазоне начинает работать осреднение нестабильностей.

В общем, на данный момент при монотонной нелинейности входного каскада никаких "фазовых" проблем не замечено. Не ослабиться может только любой из видов флюктуации рабочей точки входного каскада. Видимо, там и нужно искать источник проблем. А сдвинуть эту рабочую точку реактивность других каскадов и нагрузки не в состоянии.

Что касается очень сильного снижения заметности искажений при охвате неглубокой ОООС, то скорее всего, причина - в слишком грубом приближении НЭ, у чистой exp искажения быстро снижаются с уменьшением амплитуды входного напряжения. У реального транзистора это - не так.

В общем, пока ничего не обещаю, но возможно, использую приближение Эберса-Мола для моделирования входного каскада. Туда и температуру "по правильному" можно будет запихнуть, соединив "тепловой" вход модели транзистора с выходом "теплового" фнч. В этом случае получится более адекватная модель нелинейных и тепловых искажений. Либо - только учту изменение температуры кристалла как параметр существующей модели НЭ входного каскада. Только эти модели будут долго просчитываться .

[Nick-nack]

Если же найду что-то, что идеальная ОООС не ослабляет, то можно копать дальше

Это конечно известный факт, но я всё равно напишу
Искажения, вызванные динамическим изменением выходного импеданса транзистора зависят только от его крутизны и усиления каскада.
Пример:

схема - идеальный ИТУН (G1,G2), с крутизной 2mS,
Сверху - нагруженный на Rload-(50kOhm), получаем усиление 40дБ
Снизу - усиление задаётся петлей ООС (R7,R8) - тоже 40дБ
E1,E2 - идеальные ВК

Нелинейность введена модуляцией R2, R6 (символизирует выходное сопротивление транзисторов)

THD - в обоих вариантах одинаковы.

Одинаковы только эти искажения. Понятно, что в первом случае ещё добавятся искажения, вызванные бОльшей модуляцией Ic из-за тяжёлой нагрузки.

[Rova]

Евгений, смотрю на блок схему. Вроде бы все правильно, единственное 100 герц стоило бы рассматривать как мультипликативную функцию модуляции питания. Спектры, к сожаленнию, посмотреть не могу. По звуку судить сложно.

Я все думаю как визуализировать фазовые проблемы, чтобы наглядно было видно влияние ооос.
Можно ли технически показать реальную АХ каскада с RC цепью (увидеть живой эллипс) ? Если это реально, то дальше все будет проще - вносим вариабельную от самого сигнала емкость, подаем не синус, а сложный сигнал и смотрим как меняется АХ. Потом охватываем обратной связью и опять оцениваем изменения. Потом вносим статическую нелинейность и смотрим, что становится с фазовой при выпрямлении статической при охвате ооос.

И, если это невозможно, то есть еще один вариант, но он визуально, имхо, не скажет какой характер проблем остается.
Берем модель с фазово-амплитудной модуляцией типа нашей тепловой. Получаем разностный сигнал. Потом охватываем ооос и опять получаем. Потом увеличиваем глубину ооос до тех пор, пока разностный сигнал почти не прекратит уменьшаться.

После этого мы можем менять величину амплитудно-фазовой модуляции (а так же частоту ФНЧ) и оценивать по энергии разницы насколько лучше-хуже ооос справляется с проблемой в зависимости от фазовой составляющей. Причем нам не так важна адекватность модели именно тепловым, главное, чтобы это была мультипликативная нелинейная функция от сигнала с задержкой. По сути можно взять только первый каскад вашей модели.

[bukvarev]

единственное 100 герц стоило бы рассматривать как мультипликативную функцию модуляции питания.

В первом каскаде она мультипликативна. Но я уже послушал, как звучит мультипликативная сетевая помеха. Знакомый звук ))). Это - не то.

Можно ли технически показать реальную АХ каскада с RC цепью (увидеть живой эллипс) ? Если это реально, то дальше все будет проще - вносим вариабельную от самого сигнала емкость, подаем не синус, а сложный сигнал и смотрим как меняется АХ. Потом охватываем обратной связью и опять оцениваем изменения.

В принципе, можно. Только на сложном сигнала получится не эллипс, а жирная прямая.
По вариабельной от самого сигнала емкости (например, емкость к-б транзистора) - уже пройденный этап. Она трансформируется в обычные нелинейные искажения - 2, 3 и.т.д. гармоники. В "юбку" же может преобразоваться модуляция АХ исключительно фильтрованным сигналом, полученным с помощью нелинейного преобразования от исходного сигнала, или узкополосной добавленной помехи (кстати, в звуковых файлах результатов "юбки" весьма широки и с высоким уровнем - -70..-80 дБн).

Стандартную оценку может дать сумма квадратов разностей отсчетов исходного и выходного сигналов, но здесь ОООС рулит, т.к. теоретически она минимизирует средний квадрат ошибки (при существующем отношении верхней частоты звукового сигнала к частоте единичного усиления).

Однако, можно попробовать определить пиковые отклонения или "гладкость" уклонений, как "последний шанс". В смысле, что в среднем ОООС все уклонения уменьшает, за исключением некоторых эксцессов . Но я пока такие выбросы не обнаружил (у меня еще выводится разностный сигнал на одном графике с результатом и исходным сигналами).

Потом увеличиваем глубину ооос до тех пор, пока разностный сигнал почти не прекратит уменьшаться.

По этому поводу совершенно точно скажу, что величина будет под -200..300 дБ и ограничится лишь временем вычисления, т.к. время работы модели с ростом глубины ОООС линейно растет.
Жалко времени .

После этого мы можем менять величину фазовой модуляции (а так же частоту ФНЧ) и оценивать по энергии разницы насколько лучше-хуже ооос справляется с проблемой в зависимости от фазовой составляющей. Причем нам не так важна адекватность модели именно тепловым, главное, чтобы это была мультипликативная нелинейная функция от сигнала с задержкой. По сути можно взять только первый каскад вашей модели.

Я уже написал постом выше, по результатам выходит, что ОООС делает лучше всегда. По большому счету, какая разница, насколько? Вот если бы она делала хуже, тогда понятно, можно ловить, при каких условиях это происходит.

ЗЫ. Я настоятельно рекомендую Вам установить Матлаб (версии 7.8.0 и старше), тогда я смог бы передавать не картинки, а графические файлы .fig. Их можно очень детально рассматривать, масштабировать и.т.д. А также, самому запускать модель. А то я могу выводить на форуме лишь "огрызки" в виде картинок .

И еще по поводу тепловых. Если брать более строгую модель, то при изменении температуры кроме изменения усиления нелинейно будет происходить смещение рабочей точки, и в сигнал добавится низкочастотная компонента. В текущей модели ее нет. Поэтому и думаю, что все же стоит "дожать" тепловые, хотя бы в объеме Эберса-Мола. Тут соображения примерно такие:
изменяется мощность, изменяется рабочая точка, и огибающая сигнала начинает "плыть", при этом изменяется спектральный состав. И мы можем этот переходный процесс услышать. Тем более, что тепловая модель имеет не первый порядок, т.е. переходный процесс может быть вполне сложным. И он достаточно медленный, т.е.услышать успеют все ))). Я что-то начинаю склоняться к мнению, что часть "грязи" - достаточно низкоскоростной процесс. Но не чисто мультипликативный, что важно . Т.е. изменения будут как бы в пределах "юбок" по всему спектру, в динамике, но к "фазовым" отношения иметь не будут.

[korolkov24]

Это конечно известный факт

Не факт вовсе.
Напряжение на коллекторе без ООС и с ООС.

А здесь входной сигнал с ООС побольше, чтобы выходное напряжение было одинаковым в обоих случаях.

[Сухоруков Сергей]

Поэтому и думаю, что все же стоит "дожать" тепловые...

Это правильно. Печёнкой чую, что тут прячется "нежданчик".

[Rova]

В принципе, можно. Только на сложном сигнала получится не эллипс, а жирная прямая.

Вот и хотелось бы увидеть "толщину" этой жирной линии. Если увеличение глубины ооос не будет уменьшать ее толщину, то это и будет говорить, что ооос против фазовой модуляции бессильна. И тогда останется найти ее потенциальные источники. К тому же, думаю, линейную фазовую проблему типа групповой задержки при наличии статической нелинейности превратит в нелинейную фазовую. И тут неясно, что для звука будет лучше.

В "юбку" же может преобразоваться модуляция АХ исключительно фильтрованным сигналом, полученным с помощью нелинейного преобразования от исходного сигнала, или узкополосной добавленной помехи (кстати, в звуковых файлах результатов "юбки" весьма широки и с высоким уровнем - -70..-80 дБн).

Вот как раз энергию этих искажений никто толком не учитывает, потому что это не подпадает под понятие гармоники как сигнала кратного по частоте, и как результат классической интермодуляции не учитывают тоже. А энергия там может лежать немалая.

Стандартную оценку может дать сумма квадратов разностей отсчетов исходного и выходного сигналов, но здесь ОООС рулит, т.к. теоретически она минимизирует средний квадрат ошибки (при существующем отношении верхней частоты звукового сигнала к частоте единичного усиления).

ОООС определенно уменьшает амплитудную ошибку, но если не уменьшает ошибку фазовую, то абсолютной векторной точности не получится при любой ее глубине. Тогда может стоит изменить и подход к осной схемотехнике.

ЗЫ. Я настоятельно рекомендую Вам установить Матлаб (версии 7.8.0 и старше), тогда я смог бы передавать не картинки, а графические файлы .fig. Их можно очень детально рассматривать, масштабировать и.т.д. А также, самому запускать модель. А то я могу выводить на форуме лишь "огрызки" в виде картинок .

Ок, поищу, поставлю.

[bukvarev]

Полоса ААХ без ОООС очень жирна, до безобразия. С ОООС - намного лучше . Это я обязательно покажу на шуме.

ОООС определенно уменьшает амплитудную ошибку, но если не уменьшает ошибку фазовую, то абсолютной векторной точности не получится при любой ее глубине. Тогда может стоит изменить и подход к осной схемотехнике.

. Я уже устал.. ОООС уменьшает любую ошибку в аудио полосе. Она уменьшает разность мощностей между нормированными исходным сигналом и результатом. В эту мощность входит вся мощность, и гармоник, и "юбок", и всего остального, что только можно выдумать. И "фазовые" в том числе. Они же изменяют форму сигнала? Если да, то их точно так же ОООС уберет. Если не изменяют, то тогда это - не искажения вовсе. Такого не бывает, чтобы при одинаковости формы оставалась некая неучтенная энергия. Это же закон сохранения энергии. И векторная точность прямо пропорциональна глубине ОООС, без вариантов. Модель, как она есть сейчас, "утаскивает" ошибку ниже всех мыслимых пределов.

А вот когда будет плохо - так это если вычитатель ОООС будет параметрически от чего-нибудь зависеть. А все другие факторы - просто подавляются работой системы слежения. Вот над этим и стоит подумать отдельно. Особенно, если вычитатель выполнен на переходе транзистора .


ЗЫ. После любого эксперимента должно быть время для осознания результатов, и общее представление о процессе должно также меняться, иначе эксперименты бессмысленны. А проведенное моделирование лично для меня принесло значительные результаты в части того, как "звучат" разные линейные и нелинейные искажения, в том числе и шумовая "юбка". Да, кроме звучания искажений я хотел также проверить на модели, будет ли эффект "сбоя" работы ОООС на нестационарных сигналах при временнЫх искажениях и идеальном вычитателе. Его нет. А что касается фаз, то лишний раз убедился, что не стоит рассматривать "на пальцах" работу системы, оперирующей приращениями. Велик риск ошибки в выводах. Хотя в "фазовой" концепции по началу что-то такое неуловимое меня увлекло, это точно .

[korolkov24]

. Я уже устал..

[Rova]

И "фазовые" в том числе. Они же изменяют форму сигнала? Если да, то их точно так же ОООС уберет.

Согласен, фазовых без амплитудных быть не может, ос бесконечной глубины уберет любую ошибку.
Для меня остается тип ошибки, формирующий "юбку" - поиск всех ее причин, количественная оценка и влияние на звук. Ну и потенциально возможная миграция статической нелинейности в этот тип искажений при охвате ос разумной глубины.
Надо еще все хорошенько обдумать.

[bukvarev]

Для меня остается тип ошибки, формирующий "юбку" - поиск всех ее причин, количественная оценка и влияние на звук. Ну и потенциально возможная миграция статической нелинейности в этот тип искажений при охвате ос разумной глубины.
Надо еще все хорошенько обдумать

Вот .
Я пока "попричесываю" модельку, кое-чего добавлю..
Ставьте Матлаб, перейдем в режим неторопливого целенаправленного поиска .

[Rova]

Вот .
Я пока "попричесываю" модельку, кое-чего добавлю..
Ставьте Матлаб, перейдем в режим неторопливого целенаправленного поиска .

Поставлю на работе . Дома только планшет.
Собственно, это может быть целый класс динамической нелинейности со своими интермодуляциями и прочими аналогиями..
В плане наличия и примерных причин этого явления я все же прав. Не прав в том, что никакая ос этого не уберет. То есть оказался прав лишь частично .

[belka]

Спаяли бы что-нибудь полезное лучше, чем копья ломать. Цветомузыку какую-нибудь, что ли.
Женя говорил, что мой повторитель обмеряет с пристрастием, а вы его отвлекаете всякой околонаучной демагогией.

[bukvarev]

Женя говорил, что мой повторитель обмеряет с пристрастием,

Вадим, стыдно признаться, но до сих пор лежит на столе спаянный, но не доведенный твой повторитель, и несколько пакетов транзисторов разных.. Обязательно обмерю )))
(Впрочем, и MW тоже валяется в виде отдельных плат, трансов и передних панелей пока ).

[belka]

Offтопик:

Вадим, стыдно признаться, но до сих пор

Да всё нормально. Фигнёй не занимайся, не трать время. Лучше поспать на диване иногда, чем что-то непонятное искать в тёмной комнате непонятно зачем.

[wert]

Я все думаю как визуализировать фазовые проблемы, чтобы наглядно было видно влияние ооос.
Можно ли технически показать реальную АХ каскада с RC цепью (увидеть живой эллипс) ?
Если это реально... И, если это невозможно...

В соседней ветке про "транзисторный ламповик" показал искажения АХ - полюсную характеристику. И утверждаю, что на полюсах, где происходят импедансные бури, искажения максимальны. Для RC цепи на первом рис. диаграмма Боде, полюсная характеристика (искажения АХ на полюсах) и характеристика фазовых искажений. Все это получено при помощи оператора DEL, описывал в соседней ветке. И второй рисунок искажения Кг на полюсах.
Пока разбег по частоте имею, но кажется близок к ответу.
Так вот, НЧ полюс самый близкий к звуковому диапазону. НЧ полюс модулируется любыми воздействиями на УНЧ (приведенные импедансы в точке расчета изменяются - модулируется амплитуда, фаза, положение по частотной оси).
Может это вам поможет в дальнейшем поиске и сузит рамки этого поиска.

[Игорь Гапонов]

это то, о чём говорил Евгений - ошибка суммирования. В "Идеальной ООС" (выполнены все требования в петле) ПХ входного ФВЧ неохваченного ООС передастся лучше (нагрузка ФВЧ как входное УМа меньше гуляет), а охваченного ООС - с расширением полосы вниз и сглаживанием добротностей нулей и полюсов. Если симулякр сильно качает полюса, то ищите, где сумматор ошибается.

P.S. Между прочим, у ламповых трансформаторных безосых выхлопов частота среза по низу сильно гуляет. Во-первых, "имтегральное мю" сердечника зависит от амплитуды сигнала (посмотрите на форму тока обмотки в районе нижней частоты среза - ужас , но уху хуже "антикомпрессия" чем форма - гуляет "размер" звукового образа) и наблюдаются магнитострикционные (принципиально нелинейные) явления в трансформаторе ("трещит" - когда сердечник вибрирует и склейка или сжатие не помогают - силы сравнимы с тепловым расширением, "гудит" при нормальной намотке значительно меньше - когда провод вибрирует), а во-вторых, резонансные ГГ (главный и электромеханический) зависят от амплитуды (обычно понижается процентов на 10-30 при подходе к номинальной мощности), т.к. только масса подвижки остаётся почти неизменной, но B(x), Сm(X), Rm(x), Le(I) и Re(I), где x- смещение, I- ток. При достаточном количестве витков (расчёт намагничивания на Fн/10) с первым можно не считаться. Но второе - бич классической конструкции ЭД ГГ.

[bukvarev]

Как и обещал, построил ААХ на шумовых реализациях. Метод такой:
Сэмплы исходного сигнала расставляются в порядке возрастания, запоминаются индексы и разность отсчетов относительно линейной функции. Далее синхронно (по вычисленным индексам) переставляются сэмплы выходного сигнала и из обеих сигналов вычитается "спрямляющая разность", чтобы получить линейную исходную статистику.
Это важно, т.к. фильтрованный "звуковой" шум будет иметь гауссову плотность.

В начале - реакция полностью загруженной модели (кроме аддитивного шума и фона, все "фазовые модуляторы" - на полную, все нелинейные звенья и тепловые модуляции тоже "вкл") на звуковой шум (секундная статистика):


Далее, при тех же условиях модели был подан шум с равномерной плотностью распределения, без ограничения полосы (совсем "белый"), реализация 0,1 с:


Ну и наконец, в модели был отключен выходной нелинейный каскад, и тепловая модуляция, т.е. осталась только "фазовая" и входной каскад:

Видно, что ОООС лучше даже при шуме, граничная частота спектра которого в 5 раз выше частоты первого полюса коррекции! А для "звуковой" полосы - все совсем хорошо .

[PMCF]

Просьба прокомментировать, с позиций приобретенного в данной ветке опыта, практические выводы инженера компании Soulution, его имя Christoph Schurmann. Он полагает, что передача низкоуровневой информации в музыкальном сигнале страдает от "звона" на шинах питания, а он, в свою очередь, создается стабилизаторами с глубокой ООС. Если применять быстрые стабилизаторы параллельного типа, все красиво на осциллографе, и звучит хорошо. На чем лежит вина в первом случае, на ООС ?

[korolkov24]

На чем лежит вина в первом случае, на ООС ?

На инженерах, которые не умеют использовать стабилизаторы с ОС.
Иногда, в классе D, интегральные стабилизаторы так шумят, что шум видно осциллографом, но всё это лечится правильной топологией.
Стабилизатор, нагрузка и ёмкость на входе-выходе стабилизатора, создают устойчивую или неустойчивую систему, в первом случае никаких аномалий, кроме его собственного шума нет. (параллельный стабилизатор тоже имеет шум).