Неустойчивость УНЧ - как это работает?

[Димитрий К]

Схема УНЧ известная, классическая. Работает хорошо...
Но я обратил внимание, что в теории она неустойчивая - при частоте, на которой ФЧХ пересекает -180 град. усиление существенно больше единицы (8 dB).



По идее этот усилитель должен стать генератором и через небольшое время сгореть. А он хорошо работает, никаких посторонних шумов не слышно, ничего не греется, и на 1 КГц КНИ менее 0,01%.



Его несложно подкорректировать до устойчивого состояния - он работает точно так же, как в неустойчивом состоянии.
Собственно вопрос темы: Как такое возможно?

[.Васильев]

неправильно может моделируете. С9 100пф вам ни о чем не говорит?

[mellowman]

Но я обратил внимание, что в теории она неустойчивая - при частоте, на которой ФЧХ пересекает -180 град. усиление существенно больше единицы (8 dB).

Теперь нужно обратить внимание на разницу в open/closed loop gain и глубину оос.

[Димитрий К]

неправильно может моделируете. С9 100пф вам ни о чем не говорит?

В смысле - усилитель устойчивый, просто я не ту кнопку нажал?
И чем 100р не угодили? Я туда ставил 47р и 150р - в железе результат одинаково рабочий.

Теперь нужно обратить внимание на разницу в open/closed loop gain и глубину оос.

Разомкнуть ОООС? И зачем? Если я правильно понимаю, разомкнутую систему исследуют чтобы не заморачиваться с замкнутой - разве не так? Если типа разомкнутая соответствует каким-то критериям, то и замкнутая будет устойчивой...
У нас нет проблем с моделированием замкнутой - она в моделировании не устойчивая. А в железе работает и не жужжит.

[DmitryU]

Разомкнуть ОООС? И зачем? Если я правильно понимаю, разомкнутую систему исследуют чтобы не заморачиваться с замкнутой - разве не так? Если типа разомкнутая соответствует каким-то критериям, то и замкнутая будет устойчивой...
У нас нет проблем с моделированием замкнутой - она в моделировании не устойчивая. А в железе работает и не жужжит.

Просто неправильно понимаете.
Вы смотрите к-т передачи от входа к выходу, а надо смотреть к-т передачи в петле между базой Т1 и базой Т2. Т.е. из первого графика нужно еще вычесть к-т передачи делителя ОС. И сразу станет видно, что условие устойчивости выполняется. И с приличным запасом, кстати.

[ypvypv]

Характеристика с замкнутой петлей нужна чтобы определить коэфициент усиления, а потом с помощью этого коэфициента и характеристики с разомкнутой петлёй оценить устойчивость.

https://wzone.vegalab.ru/faq/microcap

[Димитрий К]

Как было предложено - посмотрел на базу Т2 ничего не размыкая (пробник VF2).
Получается, что запас устойчивости по усилению аж 20 дБ, а по фазе - все 180 град. Как-то очень радужно выходит... это подозрительно.



Может я опять что-то неправильно делаю?

[DmitryU]

Как было предложено - посмотрел на базу Т2 ничего не размыкая (пробник VF2).
Получается, что запас устойчивости по усилению аж 20 дБ, а по фазе - все 180 град. Как-то очень радужно выходит... это подозрительно.

Может я опять что-то неправильно делаю?

У вас к-т передачи в петле обращается в единицу примерно в районе 200 КГц. До 180 град. на этой частоте есть запас примерно 45 град. - это запас по фазе (на сколько нужно "довернуть" фазу до 180 град). По амплитуде нужно смотреть в точке, где набег фазы в петле равен 180 град. В этой точке по вашим графикам к-т передачи в петле примерно -16 ДБ, это запас по амплитуде (сколько не хватает до 0 ДБ). Вполне нормальные значения.

P.S. Неплохо бы графики отградуировать по-человечески (чтобы целые значения отображались) и провести горизонтальную сетку, тогда будет проще ориентироваться.

[Димитрий К]

Неплохо бы графики отградуировать по-человечески (чтобы целые значения отображались) и провести горизонтальную сетку, тогда будет проще ориентироваться.

Согласен. К сожалению в этой Тине не получается у меня задать сетку с целыми значениями - она сама рисует сетку по "У" как хочет.

Я нарисовал линии, чтобы было видно.
Коэф. передачи в единицу там вообще не обращается - он меньше единицы.
КУ на графике в децибелах, то есть единичное усиление - это будет уровень ноль децибел. А полка КУ находится на уровне -0,4 дБ, уровня 0 дБ нет нигде. А полка - это на ФЧХ будет 0 град.
На частоте 200 КГц усиление -1 дБ, то есть приблизительно 0,8. Если этот уровень интересен - я его выделил, там фаза -34 град.



В любом случае, если смотреть базу Т2 не разрывая ОООС, запасы устойчивости получаются большими.
Мне главное понять, правильно ли я выбрал точку, и правильно ли считаю запасы устойчивости.

----------------------------------------------------

Разобрался с сеткой графиков. Тот же график в нормальной сетке + на всякий случай добавил график на выходе УМ.

[DmitryU]

К-т усиления рассматривают в разомкнутой петле. У вас это отношение напряжения на базе Т2 к разнице напряжений между базами Т1 и Т2. Он в единицу обратится, судя по графикам, где-то в районе 200-300 килогерц, на этой частоте разница между 180 и фазой напряжения на базе Т2 - запас по фазе. А усиление в ДБ на частоте, где фаза равна 180 град, взятое с обратным знаком - запас по амплитуде.

[Димитрий К]

К-т усиления рассматривают в разомкнутой петле.

Спасибо за пояснения. Но я, к сожалению, так и не понял куда нужно поставить пробник и где разорвать цепь, чтобы посмотреть графики.

[DmitryU]

Спасибо за пояснения. Но я, к сожалению, так и не понял куда нужно поставить пробник и где разорвать цепь, чтобы посмотреть графики.

Вход разомкнутой петли - дифференциальное напряжение, т.е. разность напряжений между базами входного дифференциального каскада. Вероятно, есть дифференциальный пробник в симуляторе (в том, которым я пользуюсь, есть). Выход разомкнутой петли - это выход делителя ООС, или, что то же самое, напряжение на инвертирующем входе (база Т2).
Можно просто написать формулу - V(T2:B)/(V(T1:B)-V(T2:B)).

[Димитрий К]

Вход разомкнутой петли

В Тине диф.пробника не нашел, есть в Мультисиме - попробую там.

А цепь ведь нужно будет разорвать, я правильно понимаю?
Оторвать делитель ООС от базы Т2 - это будет выход. Тогда что делать с базой Т2 - не оставлять же висеть в воздухе... На землю присоединить? Тогда там всегда будет ноль.

---------- Сообщение добавлено 13:51 ---------- Предыдущее сообщение было 12:13 ----------

В Мультисиме установил разностный пробник "4" между напряжениями на базах (Т1 - Т2) - "вход".
Пробник "1" - напряжение делителя ООС - "выход".
Вывел на график амплитуды их отношение V1/V4 (коэффициент усиления) - сиреневый.
На графике фазы - фаза на делителе ООС - голубой.

По графику амплитуды определил частоту единичного усиления - уровень 0 дБ. К сожалению точные уровни по оси "У" не выставляются, поэтому максимально близкое к нулю.
На частоте единичного усиления по графику фазы определил сдвиг фазы - 85 град. Разность 180 - 85 = 95 град. - запас устойчивости по фазе.

На графике фазы определил частоту, на которой сдвиг -180 град. На этой частоте КУ = -19 дБ. Запас устойчивости по усилению 19 дБ.



Надеюсь, теперь всё правильно... Да и запасы получились вменяемые.

[DmitryU]

А цепь ведь нужно будет разорвать, я правильно понимаю?

Если делать как я написал, то не нужно разрывать, вы и так будете измерять к-т передачи с разомкнутой петлей (к-т усиления * к-т передачи цепи ООС).

Надеюсь, теперь всё правильно... Да и запасы получились вменяемые.

Да, теперь все похоже на правду и из графиков видно, что есть приличный запас устойчивости.

[Димитрий К]

Спасибо.
А то я подумал, что нарушаются фундаментальные законы, и явлено чудо
Теперь буду модели и на устойчивость проверять.

-------------------------------------------------------------

Может кому тема понадобится. Если администрация считает, что не понадобится - можно закрывать.

[Димитрий К]

Есть один любопытный способ корректировки устойчивости - цепь RC между базами дифкаскада. Или, в более общем случае - между прямым и инвертирующим входами усилителя.

На рисунке это С51 и R51.
Интересность этого способа в том, что ФЧХ на выходе делителя ООС (Пробник 1) вместо быстрого спада делает S-образный зигзаг и далее медленно снижается до некоторого уровня (в нашем случае около -120 град), а далее спад прекращается. То есть ФЧХ в обозримом диапазоне вообще не пересекает уровень -180 град.



Величины С51 и R51 влияют на графики на частотах выше точки "перелома" и совершенно не влияют на частотах ниже "перелома". То есть не должно быть влияния на звучание усилителя. На схеме подобраны такие номиналы С51 и R51, чтобы S-зигзаг на ФЧХ не был слишком крутым, и чтобы "горб" на АЧХ был ниже уровня единичного усиления (0 дБ).

В железе способ был проверен - сейчас УМ работает, никакого влияния на режимы и звучание я пока не заметил.

Интересно узнать мнение форумчан относительно применимости данного способа коррекции. Возможно, у него есть скрытые недостатки?

[Walter]

Возможно, у него есть скрытые недостатки?

Нужно постоянное выходное сопротивление предыдущего каскада. Или малое - буфер, или резистор перед РГ.
Будет изменятся выходное (наприемер, РГ), будет плавать коррекция.

Из неприятного - данная коррекция соединяет на ВЧ входы ОУ, поэтому в неинверте ВЧ превращается в синфазку, когда ДК начинает "ездить" по генератору тока.
Из приятного - данная коррекция соединяет на ВЧ входы ОУ, поэтому в инверте ВЧ будет замыкаться на землю, т.е. разность входных напряжений не будет затыкать дифкаскад.

[Димитрий К]

Что касается синфазки, то более-менее эффект проявится на частотах более 700КГц, т.е. можно не обращать внимания КМК.
На частоте 20КГц сопротивление цепи коррекции около 82КОм.

И таки да, в зависимости от положения регулятора громкости фаза значительно "плавает".

На рисунке красная кривая - максимальная громкость, оранжевая кривая - делитель 23КОм/1КОм:



При этом на уровень -180 все равно не выходим.

Без коррекции ФЧХ ведет себя точно так же:



Область левее S-зигзага что с коррекцией, что без коррекции одинакова для одного положения РГ.

Для наглядности свел все четыре варианта в один масштаб:



График амплитуды не привожу, т.к. он не меняется от делителя РГ.

[Walter]

Димитрий К
, Противо Перегрузочная Коррекция имеет несколько другой вектор, чем стабильность усилителя.
В нете есть статья о работе дифкаскада с разностным сигналом.
Практический вывод из нее, если ДК без эммитерных резисторов, то он затыкается при 50мВ разностного сигнала.
С падением усиления на входе УМ и начинает расти этот разностный сигнал, когда УМ не может скомпенсировать изменение сигнала.
ППК ставят, что бы его прибить.
Есть еще статья Метью Отталы про ТИМ, там она тоже описывается.

Синфазка начинает влиять гораздо раньше 700кГЦ, можно даташит на какой нибудь видео-ОУ скачать AD8066 стр 15.

Что бы не перегружать вход дифкаскада, нужно рисовать ППК и С2 (по вашей схеме), таким образом, что бы дифф и синфазный сигналы на входе падали быстрее, чем усиление ОУ.

[Николай_87]

Почему доминантный полюс всего 70гц? Это ведь на КНИ влияет, такой спад глубины обратной связи.