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

[Edgar]

Не спорьте, эти RC-цепи двоякую роль играют....

[Teoretic]

Значится,так.
Претензий высказано много. Предпоследняя попытка объясниться.

Раз уж тут собрались прожженные практики и виртуозы моделирования в CAD*ах, отталкиваться будем от практики.
Прошу извинить, если некоторые вещи покажутся вам элементарными.

Возьмите свой любимый усилитель.
Подайте на него меандр так, чтобы амплитуда выхода была, ну скажем, 0.1 от максимума усилителя. Частота меандра особой роли не играет, главное, чтобы длительность его импульса в несколько раз превышала время нарастания (чтобы было хорошо видно переходную характеристику).
На выходе должна быть видна переходная характеристика. Обычно она имеет вид экспоненциального заряда конденсатора, в более сложных случаях могут быть выброс и затухающие колебания.
Если вы видите трапецию, это позволяет с уверенностью утверждать, что вы видите те самые динамические искажения, о которых топик. Просто уменьшайте амплитуду меандра, пока не увидите описанное в абзаце выше.
Если видите треугольник, частота меандра слишком велика, уменьшите.

Теперь по переходной характеристике можно измерить время нарастания данного усилителя. Поигравшись с амплитудой, убеждаемся, что от амплитуды оно не зависит (остерегайтесь ограничения).

Это время нарастания просто связано с частотой единичного усиления вашего усилителя:

Тн ~ 3 / (2*pi*Ft),

где Ft -частота единичного усиления (приближенность формулы объясняется тем, что время нарастания зависит от уровней, на которых оно измеряется).

Если есть желание, можно измерить и скорость нарастания, поделив амплитуду импульса на время нарастания, или измеряя наклон переходной характеристики.

Именно эти параметры играют важную роль в линейном режиме усилителя, так как они определяют его быстродействие.

[viktor8m]

Но не суть, это всего лишь вспомогательная часть коррекции . Не основная.

Нет, это основная коррекция (т.к. её частота среза менее других). А вот дополнительные коррекции это R115-С111, С114 и С106, в итоге там первым порядком и не пахнет (впрочем, это не страшно, главное, чтобы в итоге ГВЗ оставался постоянным до 20 кГц).

[Shaq]

Если есть желание, можно измерить и скорость нарастания, поделив амплитуду импульса на время нарастания, или измеряя наклон переходной характеристики.

Это как раз то что в статье называют Signal Slewing (SS) а не Slew Rate (SR)

[.Васильев]

да бог с ним

[Mepavel]

Это время нарастания просто связано с частотой единичного усиления вашего усилителя:

Тн ~ 3 / (2*pi*Ft),

где Ft -частота единичного усиления (приближенность формулы объясняется тем, что время нарастания зависит от уровней, на которых оно измеряется).

Teoretic, ну и к чему приводить эти формулы без вывода?

[Teoretic]

Teoretic, ну и к чему приводить эти формулы без вывода?

Вообще-то в любом учебнике по линейным цепям можно найти.
Хотите, чтобы я вам учебник пересказывал? Ну, я могу, только это не в тему.

[viktor8m]

И всё же спор о формулах излишен. Сначало надо понять, что подразумевается под понятием "динамические искажения". По моему это просто собирательный термин всяких вариантов искажений, когда на вход подаётся сигнал, отличный от стабильного синуса, и сюда входят и SID и TIM и переключательные искажения и т.д. Поэтому надо рассматривать каждый такой вид отдельно, его причины и способы минимизации. Напр., возьмём TIM. Этот вид искажений может возникать только в усилителе с ООС и как раз связан с возможной перегрузкой усилительных каскадов (в первую очередь первого) из-за неминуемых задержек в петле ООС (что приводит к резкому увеличению разностного сигнала на входе). Соответственно, вероятность возникновения TIM (заметьте, что TIM не измеряется какой-то величиной, это или есть или нет на данном сигнале) зависит от усиления каскадов (напр., чем меньше усиление первого каскада, тем меньше шансов ему зайти в область ограничения), от полюсов (чем выше полюса, тем меньше задержка в петле ООС) и самого сигнала (ведь сигнал ООС всегда присутствует, просто из-за задержки он будет не верен для данного момента входного сигнала, и только, если для данного усилителя или сигнал слишком быстрый или задержка слишком большая, разностный сигнал на входе вырастет больше, чем это позволяет оставаться первым усилительным каскадам без ограничения). В то же время даже при наличии TIM его заметность зависит от нашего слуха. Предположим, что данные уши не слышат временной промежуток менее 1 мс, тогда, если первый полюс усилителя выше 160 Гц, то задержка ООС, а значит и участки ограничения входных каскадов и соответственно время проявления TIM эти уши не заметят. Поэтому мне не нравятся ОУ или УМ с огромным усилением и соответственно супернизким первым полюсом (напр., LME49710 и подобные), у них и вероятность и слышимость TIM очень высокая.

[Mepavel]

Предположим, что данные уши не слышат временной промежуток менее 1 мс, тогда, если первый полюс усилителя выше 160 Гц, то задержка ООС, а значит и участки ограничения входных каскадов и соответственно время проявления TIM эти уши не заметят. Поэтому мне не нравятся ОУ или УМ с огромным усилением и соответственно супернизким первым полюсом (напр., LME49710 и подобные), у них и вероятность и слышимость TIM очень высокая.

viktor8m, при охвате обратной связью ОУ с инфразвуковым полюсом задержек в 1 мс не будет. Смотрите как ФЧХ выравнивается после охвата обратной связью.
LME49710 - звучит превосходно. Это лучший ОУ, с которым когда-либо мне приходилось сталкиваться.

[ViktKors]

... из-за неминуемых задержек в петле ООС

ИМХО не стоит смешивать "задержки" в значении "запаздывание сигнала" и "задержки" от минимальнофазовых эффектов.

Обыкновенное кручение фазы в петле ООС не означает непременного "запаздывания сигнала". Усилитель (хоть с одним полюсом, хоть с несколькими) реагирует на входной сигнал практически мгновенно (например подобно интергатору), и выполнение условий устойчивости схемы практически автоматом означает достаточность для корректной работы этой "непосредственной реакции" в петле ООС.
Натуральные задержки, например от конечности скорости движения носителей заряда, в УНЧ, как правило, не особенно критичны.

Несколько хуже, когда характеристика петлевого усиления имеет полюса в правой полуплоскости (например из-за простейшей миллеровкой коррекции). Такая ситуация в значительной степени аналогична физическому запаздыванию сигнала, но в типичном случае тоже вполне преодолевается выполнением условий устойчивости.
Опять-таки, частота таких "паразитных" полюсов никак не соотносится с привычной частотой первого полюса ОУ.

[Teoretic]

И всё же спор о формулах излишен. Сначало надо понять, что подразумевается под понятием "динамические искажения".

Если иметь в виду топик (статью), то этот термин там определен.
Если что-то не так с определением, рад выслушать критику.

По моему это просто собирательный термин всяких вариантов искажений, когда на вход подаётся сигнал, отличный от стабильного синуса,

Опять же, в статье продемонстрировано (скоро будет исправленный вариант) наличие динамических искажений на чистом синусе.

и сюда входят и SID и TIM и переключательные искажения и т.д.

Я как раз против того, чтобы все валить в одну кучу. Тем более, что динамические искажения весьма специфичны, их трудно спутать с чем-то другим (методика их обнаружения в статье также имеется)

Поэтому надо рассматривать каждый такой вид отдельно, его причины и способы минимизации. Напр., возьмём TIM. Этот вид искажений может возникать только в усилителе с ООС и как раз связан с возможной перегрузкой усилительных каскадов (в первую очередь первого) из-за неминуемых задержек в петле ООС

Извините, я отрезал длинную цитату. Она тут, чуть выше.
Уже в который раз читаю о задержках в петле ООС, о размыканиях в петле ООС, и т.д. Эта терминология тянется со времен статей в ж. Радио, где авторы "на пальцах" пытаются объяснить, что происходит. Но это мало соответствует реальности. Оставаясь в рамках линейной теории мы можем говорить не о задержке в петле ООС (которой нет), а о фазовом сдвиге. И не из-за задержек в петле ООС происходит перегрузка входных каскадов, а из-за возрастания входного напряжения, связанного с падением сигнала ООС на высоких частотах.

Соответственно, вероятность возникновения TIM (заметьте, что TIM не измеряется какой-то величиной, это или есть или нет на данном сигнале)

Вот я и пытаюсь показать народу, что усилители можно строить так, чтобы не рассуждать о вероятности, а гордо сказать: в моем усилителе динамические искажения исключены по дизайну.

[AS79]

(заметьте, что TIM не измеряется какой-то величиной, это или есть или нет на данном сигнале

Отала и группа товарищей предложили количественную оценку в тесте DIM100(30).

[Mepavel]

Обыкновенное кручение фазы в петле ООС не означает непременного "запаздывания сигнала". Усилитель (хоть с одним полюсом, хоть с несколькими) реагирует на входной сигнал практически мгновенно (например подобно интергатору), и выполнение условий устойчивости схемы практически автоматом означает достаточность для корректной работы этой "непосредственной реакции" в петле ООС.
Натуральные задержки, например от конечности скорости движения носителей заряда, в УНЧ, как правило, не особенно критичны.

ViktKors, а нельзя было проще написать, что после охвата ООС ОУ с большим усилением и инфразвуковым полюсом задержки сигнала получаются наносекундные?

[viktor8m]

при охвате обратной связью ОУ с инфразвуковым полюсом задержек в 1 мс не будет. Смотрите как ФЧХ выравнивается после охвата обратной связью.

Это на единственном синусе задержек не будет, а на импульсном сигнале будет (имеется ввиду не сам весь сигнал, а отдельные его компоненты, т.е. синусы более высоких частот, к примеру подали импульсный сигнал с шириной 1 мс и амплитудой 1 В и сигнал ООС уменьшает между входами + и - на синусе до 20 кГц скажем до 10 мкВ, а без ограничения может быть максимум скажем 100 мкВ, тогда, из-за задержки сигнал ООС не успеет уменьшить некоторые высокочастотные составляющие этого импульсного сигнала плюс придут гармоники по петле ООС, и между входами + и - сигнал в данный момент входного сигнала может возрасти выше 100 мкВ, вот и ограничение, пока сигнал ООС всё таки не уменьшит меньше 100 мкВ.

Натуральные задержки, например от конечности скорости движения носителей заряда, в УНЧ, как правило, не особенно критичны.

Нет, разговор именно о задержках из-за полюсов (см. механизм выше).

Отала и группа товарищей предложили количественную оценку в тесте DIM100(30).

Ну, Вы увидели множество частот, и как определить величину TIM?

[Mepavel]

Это на единственном синусе задержек не будет, а на импульсном сигнале будет (имеется ввиду не сам весь сигнал, а отдельные его компоненты, т.е. синусы более высоких частот, к примеру подали импульсный сигнал амплитудой 1 В и сигнал ООС уменьшает между входами + и - на синусе до 20 кГц скажем до 10 мкВ, а без ограничения может быть максимум скажем 100 мкВ, тогда, из-за задержки сигнал ООС не успеет уменьшить некоторые высокочастотные составляющие этого импульсного сигнала плюс придут гармоники по петле ООС, и между входами + и - сигнал в данный момент входного сигнала может возрасти выше 100 мкВ, вот и ограничение, пока сигнал ООС всё таки не уменьшит меньше 100 мкВ.

viktor8m, очень интересный пример. Предлагаю смоделировать это в Micro-Cap. Т.е. взять два ОУ с одинаковой максимальной скоростью нарастания и одинаковой Ft. У одного ОУ полюс должен быть инфразвуковой, у другого - ультра звуковой. Вот интересно даже посмотреть превосходство второго, над первым при сравнении выходного сигнала.

[viktor8m]

В микрокапе не выйдет (особенно на моделях ОУ, они не соответствуют реальным), это можно проверить только на слух.

[Mepavel]

В микрокапе не выйдет (особенно на моделях ОУ, они не соответствуют реальным), это можно проверить только на слух.

Плохо, что не получается теоретически как-то обосновать данный факт. Просто анализируя современный рынок ОУ можно сделать вывод, что большинство именно звуковых ОУ имеют низкую частоту полюса. Тоже касается и большинства промышленных УМЗЧ. Почему на форуме встречаются часто лозунги, что первый полюс надо выносить за пределы звуковых частот. Хотя догадываюсь - С. Агеев это рекламировал в своей статье про СЛУМЗЧ, причём без толкового обоснования.

Offтопик:
Тоже касается и применения дубовой и шумной LM318 прямо на входе... Зачем? Только, чтобы доказать, что этот ОУ способен выдержать в составе УМЗЧ испытания на частоте 500 кГц? А шумы на ЗЧ не в счёт?

[viktor8m]

Просто анализируя современный рынок ОУ можно сделать вывод, что большинство именно звуковых ОУ имеют низкую частоту полюса.

Так смотря где применять, если не на входе УМ и не в преобразователе I\U ЦАП, то в других узлах многие такие можно с успехом применять (и их туда и делали), а вот в тяжёлых местах надо быть осмотрительным (те же LME49710 не нашли распространения в УМ).

Почему на форуме встречаются часто лозунги, что первый полюс надо выносить за пределы звуковых частот.

Так множество факторов может играть, напр., малый и линейный ГВЗ, высокая скорость нарастания и др.

[Teoretic]

Почему на форуме встречаются часто лозунги, что первый полюс надо выносить за пределы звуковых частот.

Может, чтобы глубина ОС была постоянной во всем звуковом диапазоне?

[Mepavel]

а вот в тяжёлых местах надо быть осмотрительным (те же LME49710 не нашли распространения в УМ).

Так это и так понятно. Зачем бедную LME49710 запихивать в УМ (у неё то питание +/-17 В)?! Для этого есть LME49810.
Надо делать дискретный УМ, придерживаясь концепции этих микросхем.
P.S. Та же LM3886 - чем плоха? Тот же УМ с низкочастотным полюсом.

ак множество факторов может играть, напр., малый и линейный ГВЗ, высокая скорость нарастания и др.

Если взять любой аналог LME49710 с теми же Ft и SR, то никакой разницы по этим параметрам не будет в принципе.

---------- Добавлено в 22:01 ---------- Предыдущее сообщение в 21:59 ----------

Может, чтобы глубина ОС была постоянной во всем звуковом диапазоне?

Это понятно. Нет, не столько для того чтобы глубина ООС была постоянна. Аудиофилам греет душу постоянство ФЧХ петлевого усиления на ЗЧ. Спрашивается, а зачем это надо? После охвата ООС ФЧХ будет очень ровной в любом случае.