К вопросу о сравнении выходных каскадов.

[BesPav]

В этом профильном разделе форума обсуждается огромное количество различных конструкций усилителей мощности и телефонных усилителей, между тем вопросы оптимизации различных составляющих их блоков остаются в тени цельных конструкций. С учетом этого обстоятельства авторы и комментаторы иногда пользуются отсутствием подробностей об особенностях работы конкретных реализаций выходных каскадов, а также вольно или невольно вводят форумчан в заблуждение.
Для наведения ясности в этом вопросе и предназначена эта пополняемая тема.
Итак, какие же параметры требуются от выходного каскада? Ответ на этот вопрос позволит нам сформировать различные рейтинги и разработчики при формировании своих усилителей получат достаточно удобный инструмент анализа и библиотеку типовых решений.
1. Так как выходной каскад непосредственно работает на достаточно низкоомную нагрузку от него требуется иметь низкое выходное сопротивление, доли Ома. Пока опустим тот момент, что выходное сопротивление снижается также и за счет действия ООС, оставим его для дальнейших рассуждений.
2. Так как выходной каскад в подавляющем большинстве случаев охвачен обратной связью, то от него требуется иметь полосу работы бОльшую, нежели полоса работы этой ООС. Здесь есть важная оговорка и важное следствие. Оговорка – так как выходной каскад непосредственно связан с нагрузкой, а нагрузка в общем случае неизвестна, то полоса работы выходного каскада учитывается для наихудшего случая. Следствие – полоса работы ВК не должна использоваться в схеме коррекции условно устойчивого усилителя так как нагрузка в общем случае неизвестна.
3. Область безопасных режимов, т.е. возможности конкретной реализации ВК отдавать в нагрузку соответствующую сигналу мощность и рассеивать выделяющееся при этом тепло.
4. Высокое (или, в более общем случае управляемое) входное сопротивление и по возможности малую (или опять управляемую) емкость. Этот параметр напрямую определяет особенности сопряжения ВК с предыдущим узлом типового усилителя – усилителем напряжения, УНом.
Для начала достаточно, а по ходу дискуссии и необходимости дополним.
Приступим, как наглядно оценить комплексную величину выходного сопротивления? В симуляторе – достаточно просто, подключаем к выходу выходного каскада идеальный источник тока и измеряем величину напряжения на выходе ВК. Если полученное напряжение разделить на ток подключенного источника тока и включить линейный режим отображения, то получим график непосредственно в Омах.
Пример:


Следующее, как наглядно оценить комплексную величину полосы работы ВК? И снова, в симуляторе – несложно, подключим на вход нашего ВК источник напряжения с паразитными параметрами порядка типовых величин нагрузки ВК (для примера 1 МегОм и 22 пФ) и посмотрим, что же у него получится на выходе.
Пример:



По результатам подобных вычислений весьма наглядно отображаются различия в работе выходных каскадов, вот например:

Думаю всем любопытствующим будет очевидны преимущества ВК с графиком зеленого цвета перед ВК с графиком красного цвета.

Замечания и комментарии приветствуются, первое сообщение будет дополняться по мере развития дискуссии и если тема окажется интересной для сообщества.

Крупное продолжение вот здесь.

[BesPav]

это как?

Это вот так:


---------- Сообщение добавлено 00:01 ---------- Предыдущее сообщение было 00:00 ----------

Мы что, пришли к месту, где нужно объяснять, как ОООС влияет на выходное сопротивление УМ?

Дмитрий, ну как будто в первый раз.

---------- Сообщение добавлено 00:02 ---------- Предыдущее сообщение было 00:01 ----------

Павел, я продолжаю неистово молиться за Вас.

Взаимно!

[hippo64]

Дмитрий, ну как будто в первый раз.

ну и вы не в первый раз врете, ут немного сложней вашего представления

[BesPav]

к одному и тому же УНу в усилителе с ОООС часто подключают ВК и "двойку" и "тройку".

И оно даже иногда работает, представляете?

[Malinovsky D]

Дмитрий, ну как будто в первый раз.

Как теперь понимаю, я не вкурил мысль, высказанную коллегой Petr-1951.
Он, похоже, имел в виду, что после охвата ОООС выходное сопротивление УН меняется. Строго говоря, если подключать нагрузку к выходу УМ (охваченного глубокой ООС), то выходное напряжение УН будет увеличиваться. Формально, это можно классифицировать, как отрицательное выходное сопротивление. Но этот от лукавого.

[BesPav]

Видимо УН увидев что подключена "двойка" сразу с перепугу уменьшает свое выходное сопротивление до 10 кОм, так?

Нет, просто УН видит нагрузку порядка 47 кил вместо мега, соответственно и результат.
УНу-то пофиг на чем его выходной ток превратиться в напряжение, на чистом качественном резисторе с минимальной девиацией самого тока или на входном сопротивлении ВК, которое само по себе весьма и весьма кривое.

да как же , повторяет

Мосфет нарисуй.

Как теперь понимаю, я не вкурил мысль, высказанную коллегой Petr-1951.
Он, похоже, имел в виду, что после охвата ОООС выходное сопротивление УН меняется.

Не-а. Меняется его выходной ток.

[Petr-1951]

[QUOTE=vladimir sim;3045208Я вам больше скажу- сама Заратустра неинтересна более чем полностью, ну не может нормальный человек мусолить схему из трех деталей десятилетиями, да еще и с посредственными характеристиками.
[/QUOTE]
Вы не правы. Дмитрий дал толчок для новых решений. Вот простейший пример реализации ВК по его идеям работающий Rail-to-Rail
В качестве источника 3,7 В можно использовать хоть аккумулятор, хоть изолированный источник питания

p.s.
Как отмечал Дмитрий он и нагрузку 2 мкФ на частоте 20 кГц тянет без проблем

[BesPav]

Строго говоря, если подключать нагрузку к выходу УМ (охваченного глубокой ООС), то выходное напряжение УН будет увеличиваться.

Строго говоря, на выходе УНа будет то же самое напряжение.
А вот в R_вх_ВК потечет немного больший ток чем без нагрузки.
Ведь на само деле в точку выхода УНа еще подключено и его собственное выходное сопротивление, а оно естественно разное у разных топологически УНов.

[Petr-1951]

Не-а. Меняется его выходной ток.

Выходной ток может меняться у источника напряжения (каким и является УН) в зависимости от сопротивления нагрузки.
А раз УН держит выходное напряжение независимо от нагрузки значит он имеет сравнительно низкое выходное сопротивление, много меньше нагрузки, а не 1 МОм!

[BesPav]

Выходной ток может меняться у источника напряжения (каким и является УН) в зависимости от сопротивления нагрузки

У типового УНа на выход смотрит коллектор/сток, он выдает на выход столько тока, сколько нужно для работы схемы.
Этот ток делится на ток нагрузки УНа в виде параллельного соединения чистой нагрузки УНа (если разработчик понимал, что делает и зачем) и ток входа ВК.
ВК повторяет напряжение выхода УНа, получившееся на параллельном соединении и дополнительно к этому потребляет от УНа немного тока для собственной работы (в зависимости от собственно построения ВК).

---------- Сообщение добавлено 00:42 ---------- Предыдущее сообщение было 00:24 ----------

А раз УН держит выходное напряжение независимо от нагрузки значит он имеет сравнительно низкое выходное сопротивление, много меньше нагрузки, а не 1 МОм!

Не-а.
Это входной каскад сравнения "доливает" на выход УНа сколько надо.
Поставьте на входе Тройки 330 Ом нагрузки УНа и посмотрите какое там выходное сопротивление

[Malinovsky D]

Интересный вопрос поднят. И для прояснения ситуации весьма полезен.

Выскажу свою точку зрения на этот вопрос.

Итак. Имеем некий УМ, устойчивый. С замкнутой ОООС.

В нем есть УН, представляющий собой управляемый источник тока. Как правило, в таком режиме у него высокое выходное сопротивление.

Есть некий ВК. Пусть будет двойка с ОК.

Измеряем напряжение на выходе УН на холостом ходу.
Подключаем нагрузку к ВК. И видим, что напряжение на выходе УН несколько увеличилось. Потому что на переходах БЭ в ВК падение напряжения увеличилось, и ООС компенсирует это падение, увеличивая напряжение УН.

Если считать в лоб, то это отрицательное выходное сопротивление. Ток вырос, а выходное напряжение тоже выросло....

Что здесь не так?

А вот что.
Измерять нужно петлевое усиление.

И если мы увидели, что при подключении нагрузки петлевое усиление снизилось, например, на 10 дБ, это означает, что именно эти децибеллы и были потеряны в УН, который наиболее чувствителен к выходному току.
То есть, нужно смотреть не на ту дельту, на которое выросло выходное напряжение УН при подключении нагрузки. Нужно считать, что при такой-то нагрузке, выход УН ослабился на 10 дБ (примерно. Есть потери и в предыдущих каскадах).

И теперь, зная приращение тока, отбираемого от УН, можно посчитать его выходное сопротивление. И оно получится весьма высоким. И от замыкания ОООС оно не становится меньше.

[bukvarev]

Любой транзистор - ПНВТ с некоторой крутизной и большим выходным сопротивлением, практически - источник тока.
УН - тоже эквивалент большого качественного транзистора.
Его усиление на НЧ определяется произведением крутизны на суммарное сопротивление нагрузки. При охвате ОООС эта крутизна в первом приближении не изменяется.
Рассуждая в терминах приращения выходного тока можно придти выводу, что, например, у эмиттерного повторителя выходное сопротивление всегда высокое, а под нагрузкой просто глубина ОООС становится меньше Ведь выходное сопротивление исходного транзистора очень большое, а охват обратной связью свойств самого транзистора не изменяет..

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Решение этой задачи следующее:

Дифференциальное сопротивление в любой точке усилителя определяется формулой Блекмана (отношением глубины ОООС при КЗ к глубине ОООС на холостом ходу). Поэтому дифференциальное сопротивление на выходе УН после охвата ОООС уменьшается относительно исходного (которое состоит из параллельных выходного сопротивления УН, резистора, конденсатора нагрузки УН и входного сопротивления ВК к комплексном виде) пропорционально глубине ОООС.

Естественно (формула Блекмана - для комплексных величин), после охвата ОООС меняется и характер этого сопротивления в области, где глубина ОООС значима. Оно становится активным. То, что ВК, рассчитанный на емкостный характер источника сигнала, не начинает при этом "свистеть", связано лишь с тем, что на критических частотах (выше нескольких МГц), ОООС практически не работает, за счет чего режим запитки ВК на ВЧ сохраняется.

[Alto]

Любой транзистор - ПНВТ с некоторой крутизной и большим выходным сопротивлением, практически - источник тока.
УН - тоже эквивалент большого качественного транзистора.
Его усиление на НЧ определяется произведением крутизны на суммарное сопротивление нагрузки. При охвате ОООС эта крутизна в первом приближении не изменяется.
Рассуждая в терминах приращения выходного тока можно придти выводу, что, например, у эмиттерного повторителя выходное сопротивление всегда высокое, а под нагрузкой просто глубина ОООС становится меньше Ведь выходное сопротивление исходного транзистора очень большое, а охват обратной связью свойств самого транзистора не изменяет..

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Решение этой задачи следующее:

Дифференциальное сопротивление в любой точке усилителя определяется формулой Блекмана (отношением глубины ОООС при КЗ к глубине ОООС на холостом ходу). Поэтому дифференциальное сопротивление на выходе УН после охвата ОООС уменьшается относительно исходного (которое состоит из параллельных выходного сопротивления УН, резистора, конденсатора нагрузки УН и входного сопротивления ВК к комплексном виде) пропорционально глубине ОООС.

Естественно (формула Блекмана - для комплексных величин), после охвата ОООС меняется и характер этого сопротивления в области, где глубина ОООС значима. Оно становится активным. То, что ВК, рассчитанный на емкостный характер источника сигнала, не начинает при этом "свистеть", связано лишь с тем, что на критических частотах (выше нескольких МГц), ОООС практически не работает, за счет чего режим запитки ВК на ВЧ сохраняется.

Вот в этом проблема глубокоосников. ООС не начинает свистеть поскольку обрезана по частоте. И этот вариант не идеален. Нужно изначально закладываться, что колебания в усилителе с оос неизбежны и присутствуют всегда, даже на постоянном токе. ОООС работает с задержкой, компенсируя несоответствия привнесенные раньше. Думаю существует некий оптимум глубины ОС для достоврности передачи, хотя должен заметить, что верностью воспроизведения ВВ2021 доволен как слон. Только у меня проблема, возбуд. Вот по этому нес оит доверять глубокоосники в лапы дилетантов. А насчет выходного каскада, то он должен быть в режиме А.

[Petr-1951]

... выходное сопротивление исходного транзистора очень большое, а охват обратной связью свойств самого транзистора не изменяет..
... дифференциальное сопротивление на выходе УН после охвата ОООС уменьшается относительно исходного ... пропорционально глубине ОООС.
.

изменяет свойства УН за счет ООС (как и усилителя в целом)
что и требовалось доказать

---------- Сообщение добавлено 11:47 ---------- Предыдущее сообщение было 10:56 ----------

Не-а.
Это входной каскад сравнения "доливает" на выход УНа сколько надо.
Поставьте на входе Тройки 330 Ом нагрузки УНа и посмотрите какое там выходное сопротивление

Все зависит от тока покоя выходного каскада УНа. Обычно скромненькие 6...12 мА, в некоторых усилителях и до 40 мА дотягивает.
Сделайте выход с током 100 мА он и 330 Ом потянет

[Malinovsky D]

отношением глубины ОООС при КЗ к глубине ОООС на холостом ходу

Вопрос к этому месту.
Как измеряется глубина ОООС при КЗ? Строго говоря, при КЗ на выходе УМ, его петлевое равно нулю, поскольку на выходе нет напряжения.
Но это не суть, в общем.
Более принципиальный вопрос - то, что у всех каскадов после охвата ООС можно обнаружить отрицательное выходное сопротивление, поскольку приращение выходного тока вызывает увеличение выходного напряжения.
Вот этот момент смущает. Никто об этом нигде не пишет.

---------- Сообщение добавлено 09:56 ---------- Предыдущее сообщение было 09:50 ----------

что и требовалось доказать

Ну если это действительно так, то придется снять шляпу в знак признания серьезности затронутого вопроса, и собственных заблуждений.
Но сначала нужно таки прояснить ситуацию. А уже потом продолжить молиться.

[Petr-1951]

информация для преподавателей радиотехнических ВУЗов. На мой взгляд была бы хорошая тема для дипломного проекта
Компенсационный метод тестирования моделей усилителей.pdf

[ИГВИН]

Цитата Сообщение от Petr-1951
А раз УН держит выходное напряжение независимо от нагрузки значит он имеет сравнительно низкое выходное сопротивление, много меньше нагрузки, а не 1 МОм!

Не-а. Это входной каскад сравнения "доливает" на выход УНа сколько надо.

Не проще ли для начала рассмотреть процессы при отсутствии ОООС?
В диапазоне от ХХ до КЗ.

[fakel]

Более принципиальный вопрос - то, что у всех каскадов после охвата ООС можно обнаружить отрицательное выходное сопротивление, поскольку приращение выходного тока вызывает увеличение выходного напряжения.
Вот этот момент смущает. Никто об этом нигде не пишет.

Я писал давным-давно в споре с Л.Зуевым по поводу коррекции Хаксфорда

[Malinovsky D]

Я писал давным-давно в споре с Л.Зуевым по поводу коррекции Хаксфорда

Я имел в виду книги и статьи.
и мне пока не совсем понятно, насколько корректен такой взгляд на происходящее?
Поскольку из него выходит, что после замыкания четырехполюсника ОООС все параметры внутренних каскадов меняются - в том числе АФЧХ.
А вот это кажется некорректным утверждением.
Поскольку АФЧХ петлевого усиления при замыкании ОООС остается той же.

Добавлю.
На мой взгляд, выбор точки зрения зависит от того, облегчит ли эта точка зрения решение задачи, или усложнит?
Выбирать декартовы координаты, или полярные. Подвижную систему координат, или неподвижную?

Пока не вижу особой пользы от рассматривания выходного сопротивления УН (перед ВК из составных включений ОК) отрицательным при замыкании ОООС. Это прикольно да.
Но для определения устойчивости УМ как это поможет?
Скажем так - в чем это поможет? Пока вижу пользу только для тренировки мозгов. Но хотелось бы увидеть еще какую-то.

[hippo64]

А вот это кажется некорректным утверждением.

Дима. оно не кажется, оно некорректно.Ибо . как минимум, всё, что касается УТ, не менеятся абсолютно.

[bukvarev]

Вопрос к этому месту.
Как измеряется глубина ОООС при КЗ? Строго говоря, при КЗ на выходе УМ, его петлевое равно нулю, поскольку на выходе нет напряжения.

Дмитрий, там все просто. При КЗ на выходе петлевое действительно равно нулю (т.к. рассматриваем усилитель с одной петлей), но в формулу входит отношение возвратных разностей в комплексном виде (а глубина ОООС - модуль возвратной разности). F=1-T, где T - петлевое усиление. И сразу все встает на своим места. При нулевом петлевом в числителе оказывается единица.
У меня есть лишь некоторые колебания в части того, как правильно выбрать исходное сопротивление. Правильным, скорее всего, является выбор сопротивления в выходной цепи УН при работе усилителя без ОООС на номинальную нагрузку. Но это в принципе, закономерности не нарушает. В том числе, и для полевиков в ВК.

ЗЫ. И всех - с праздником!