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

[Nick]

Но тогда непонятно, почему серьёзные производители звукоусилительной аппаратуры не хотят идти по этому пути?

Это конечно самый весомый аргумент

[Mepavel]

Nick, согласен. Учитывая, что некоторые форумчане считают зарубежных разработчиков, мягко выражаясь, глупцами или маркетологами.
Кстати, а по теме вполне ясно, что бесконечно уменьшать быстродействие выходного каскада нельзя. Наступит ограничение по скорости нарастания (и это показывает моделирование - глубина ООС увеличивается, а искажения резко растут). Вот только осталось точно вывести закон о влиянии скорости нарастания на искажения. Непонятно, скорость нарастания должна соответствовать принципу "чем больше, тем лучше", или есть определённое значение, выше которого качественного улучшения не происходит? Ну хотелось бы увидеть, что-то вроде функциональной зависимости уровня THD (IMD) от скорости нарастания при сохранении постоянной глубины ООС для верхней частоты звукового диапазона. Разумеется хотя бы для идеальной модели усилителя на RC цепочках, как в первом посте у автора.

[Nick]

Ну хотелось бы увидеть, что-то вроде функциональной зависимости уровня THD (IMD) от скорости нарастания при сохранении постоянной глубины ООС для верхней частоты звукового диапазона. Разумеется хотя бы для идеальной модели усилителя на RC цепочках, как в первом посте у автора.

В идеальной модели распрастроннёных усилителей всё ограничивается ёмкостью коррекции и максимальным током её зарядки. Если сделать даже с небольшим запасом так, чтобы в моделе нигде не было ограничений при заданных условиях, то естественно нелинейных искажений не будет.

Другими словами в модели автора ветки надо учитывать, что выходной фильтр (коррекция) уменьшает ВЧ сигнал. Поэтому если на выходе ОУ напряжение не может достичь ожидаемого значения выходного напряжения делённого на коэф. передачи фильтра (на частоте сигнала), то он будет зарезать. Будет зарезать - будут нелинейные искажения. Посчитать их не сложно, нужно прикинуть какие искажения получаются на выходе ОУ из-за ограничения и помножить на АЧХ выходного фильтра. Вопрос только нафига это нужно, ведь к нормально сделанным усилителям эти рассчёты не имеют никакого отношения...

[Johny]

Вот только осталось точно вывести закон о влиянии скорости нарастания на искажения.

Ситуация, при которой достигнут предел скорости нарастания в любом из каскадов усилителя, и это не обязательно будет каскад с доминирующим полюсом, означает, что устройство перестало быть усилителем. Любые рассуждения о линейности устройства в этих условиях становятся бессмысленными.
Известно также, что прилично звучащие усилители имеют время установления менее 3...4 мкс. Вычислить необходимую скорость нарастания не представляет труда - поделите амплитуду напряжения сигнала на время установления.

Ну хотелось бы увидеть, что-то вроде функциональной зависимости уровня THD (IMD) от скорости нарастания

Зависимости уровня THD (IMD) от скорости нарастания не существует. THD (IMD) измеряются на стационарном сигнале, т.е. когда все переходные процессы в устройстве завершены.

[Teoretic]

[off]. А раз так, то выходит, что если использовать инерционный выходной каскад, то можно при смешных затратах получить существенный выигрыш в глубине ООС и, вроде как, в качестве звучания. Но тогда непонятно, почему серьёзные производители звукоусилительной аппаратуры не хотят идти по этому пути?

Во-первых, в наше время маркетинг преодолевает разум, и не только в звукотехнике.
Во-вторых, мы здесь так и не увидели ссылок на зарубежных разработчиков, осознавших пути исключения динамических искажений.

---------- Добавлено в 07:21 ---------- Предыдущее сообщение в 07:18 ----------

[off]. Однако подход с инерционным выходным каскадом позволяет существенно увеличить глубину ООС на ЗЧ при тех же затратах на достижение заданной fгр, которая ограничена конструкцией и стоимостью применяемых радиоэлектронных компонентов.

Инерционным входным каскадом.

[audiomun]

Вычислить необходимую скорость нарастания не представляет труда - поделите амплитуду напряжения сигнала на время установления.

..... И она будет равна 0,8 от полученного значения Вячеслав

[Johny]

0,8 от полученного значения

Какого?

[Teoretic]

Nick
Кстати, а по теме вполне ясно, что бесконечно уменьшать быстродействие выходного каскада нельзя. Наступит ограничение по скорости нарастания (и это показывает моделирование - глубина ООС увеличивается, а искажения резко растут). Вот только осталось точно вывести закон о влиянии скорости нарастания на искажения.

Сейчас я вам выведу. ;)
Для максимальной воспроизводимой частоты U = Um sin(wt), Um - амплитуда синуса, w - круговая частота. Скорость нарастания этого сигнала V = w Um cos(wt), амплитуда скорости - w Um.
Ну и считаем, для 20 кГц и амплитуды выходного сигнала 100 В (берем с запасом)
V = 2 * pi * 20000 * 100 / 1000000 = 12.57 В/мкс.
То есть, если скорость нарастания вашего усилителя не меньше полученной величины, он все вам воспроизведет!

[Mepavel]

В идеальной модели распрастроннёных усилителей всё ограничивается ёмкостью коррекции и максимальным током её зарядки. Если сделать даже с небольшим запасом так, чтобы в моделе нигде не было ограничений при заданных условиях, то естественно нелинейных искажений не будет.

Это понятно. Нет ограничений по току зарядки Скор, нет ограничений по выходному напряжению - искажений нет.

поэтому если на выходе его ОУ напряжение не может достигать нужного значения выходного делённого на коэф. передачи фильтра на частоте сигнала

Вот об этом и речь. Т.е. другими словами искажений не будет, пока ОУ не станет перегружаться по выходу?

[Nick]

Offтопик:

Вот об этом и речь.

Это реально детский сад какой-то .

Т.е. другими словами искажений не будет, пока ОУ не станет перегружаться по выходу?

Если модель в остальном линейна (ОУ идеальный), то конечно и это очевидно.

[Mepavel]

Ситуация, при которой достигнут предел скорости нарастания в любом из каскадов усилителя, и это не обязательно будет каскад с доминирующим полюсом, означает, что устройство перестало быть усилителем. Любые рассуждения о линейности устройства в этих условиях становятся бессмысленными.

Не всё так просто! Ну какой-то же сигнал на выходе будет. Пусть кривой, но всё же. Судя по всему в таких усилителях (когда инерционный выходной каскад), ограничение по скорости нарастания будет ограничиваться перегрузкой первого каскада по выходу. Т.е. можно считать, что зависимость THD от скорости нарастания инерционного каскада будет резкой (пороговой).

[Mepavel]

Промоделировал схему из первого поста. Всё так и есть, причиной явных динамических искажений является просто напросто перегрузка первого каскада по выходу (см. нижний график).

[Johny]

Ну, точно, детский сад.
Ничего не понимает.

[Mepavel]

Ну, точно, детский сад.
Ничего не понимает.

Что не так? Схема автора из первого поста.

---------- Добавлено в 09:08 ---------- Предыдущее сообщение в 08:59 ----------

Для максимальной воспроизводимой частоты U = Um sin(wt), Um - амплитуда синуса, w - круговая частота. Скорость нарастания этого сигнала V = w Um cos(wt), амплитуда скорости - w Um.
Ну и считаем, для 20 кГц и амплитуды выходного сигнала 100 В (берем с запасом)
V = 2 * pi * 20000 * 100 / 1000000 = 12.57 В/мкс.
То есть, если скорость нарастания вашего усилителя не меньше полученной величины, он все вам воспроизведет!

Так то так. Просто есть два случая, как я уже писал. Один - когда скорость нарастания ограничивается током перезарядки ёмкости (это прямое ограничение по скорости нарастания), второй - когда какой-либо каскад уходит в ограничение по напряжению.
В Вашем примере сама по себе RC цепочка никогда не может войти в ограничение по скорости нарастания из-за тока перезарядки. Всё будет ограничиваться максимальным напряжением, поступающим от предыдущего каскада.

[audiomun]

Известно также, что прилично звучащие усилители имеют время установления менее 3...4 мкс. Вычислить необходимую скорость нарастания не представляет труда - поделите амплитуду напряжения сигнала на время установления.

Тогда сделаю акцент - время установления и скорость нарастания суть разные понятия и между собой не связанные, видимо, ты имел ввиду..... на время длительности фронта нарастания импульса? Вячеслав

[Mepavel]

Тогда сделаю акцент - время установления и скорость нарастания суть разные понятия и между собой не связанные, видимо, ты имел ввиду..... на время длительности фронта нарастания импульса? Вячеслав

Я что-то, если честно, тоже не понял о чём сказал Johny. Максимальное время нарастания - это вообще dV/dt. Можно конечно поделить размах напряжения, на время установления (причём в это время войдёт время перерегулирования и т.п.). Итого получим по такому методу скорость нарастания несколько (а в некоторых случаях и значительно) меньшую, чем реальная. Если не ошибаюсь, производители ОУ измеряют среднюю скорость нарастания на участке 10% и 90% от всего размаха импульса.

[Johny]

Тогда сделаю акцент - время установления и скорость нарастания суть разные понятия и между собой не связанные

Точно так.

...видимо, ты имел ввиду..... на время длительности фронта нарастания импульса? Вячеслав

Конечно.

[Mepavel]

На мой взгляд усилитель с малыми динамическими искажениями должен выглядеть примерно так (просто и со вкусом).
(На картинках АЧХ и ФЧХ петлевого усиления, клиппинг и меандр на 10 кГц)

[Johny]

усилитель с малыми динамическими искажениями должен выглядеть примерно так

Совсем не так!

[AS79]

На мой взгляд усилитель с малыми динамическими искажениями должен выглядеть примерно так

И это маленькие