Разрыв общей обратной связи
Продолжение темы "Современные операционные усилители (ОУ) и теория четырехполюсников (ТЧ)"
Большое спасибо за ваши мнения. К сожалению, тему забанили и ознакомиться со всеми не удалось. Продолжим. Мое вИдение картинки.
Прежде всего, изображенное на рисунке не стоит воспринимать буквально. К построению абстрактных моделей иногда прибегают, когда "увидеть" реальность невозможно, например, как кольцо Кеккуле.
Прежде всего абстрагируйтесь от секунд, Ампер, Вольт и прочего и выявим некоторые закономерности в работе ОУ при наличии ООС.
по горизонтали:
t1-t2 - время срабатывания ООС (растет с глубиной ООС).
t2-t3 - быстродействие ОУ (скорость нарастания)
t3-t4 - устойчивость ОУ (например, его реактивность*) и его "отношение" к динамической нагрузке.
по вертикали:
0-U2 - по сути это Кус без ООС (выше Кус, выше 0-U2). Кроме высоты мы видим крутизну подъема, а это сказывается на следующем параметре
S - площадь помехи. Что она из себя представляет, не знаю, но её величина находится в реальной области, потому ограничена 0-Eпит. По сути, это тот самый критерий, по которому можно выбрать ОУ. Чем площадь меньше, тем лучше.
Например, ОУ с большим Кус и быстродействии:
Из-за большой глубины ООС t1-t2 большое. За это время (по причине большого Кус) сигнал "взлетит" очень высоко (+Епит ему не барьер). ООС сработала и благодаря своему быстродействию сигнал возвращается на место (t2-t3). Однако Шумахер на треке t2-t3 и в городе t3-t4 - большая разница, поэтому имеем время установления t3-t4. В чем
Зачем эта модель? По аналогии с приведенным мной примером, каждый может прикинуть то, что он получит в итоге выбирая тот или иной ОУ.
Было много комментов по поводу моей некомпетентности, отсылы к умным книгам и пр.. Спасибо, конечно, признаю, я всегда был троечником, однако предлагаю ознакомиться с цитатой из Селфа стр. 61:
Существует обширная отрасль знаний, которая занимается вопросами устойчивости систем с обратной связью – это теория автоматического управления. В любом книжном магазине, где продается техническая литература, можно найти немало увесистых томов с названием «Проектирование систем управления» или вроде того. Для рассмотрения систем с обратной связью в этих книгах используется анализ в частотной области (на основе методов преобразования Лапласа), вычисление собственных чисел матриц, а также множество различных критериев устойчивости. Разумеется, использование всего этого аппарата требует от разработчика недюжинных знаний в области высшей математики. Но при проектировании аудио усилителей методы теории управления не находят широкого применения. Причина этого заключается в том, что эти методы подразумевают, что разработчик хорошо знает свойства всех блоков системы и объекта управления, особенно в терминах полюсов и нулей. Но в случае проектирования аудио аппаратуры это не так.
Там же он приводит рекомендацию, как использовать СИМ-ы (для проверки устойчивости), но правде говоря, я не замечал, что на Веге так делают, впрочем, это личное дело каждого.
Почти уверен, что эта моя модель только набросок, но уже сейчас она вполне пригодна для выбора ОУ под свои задачи. По моему (личному) мнению, использование их в УМЗЧ это как из пушки по воробьям (или создание себе проблем, а затем героическое их решение). Например, Селф не делает больших отличий между ВЧ и не очень компонентами, но предостерегает от введения большой глубины ОООС.
Предлагаю несколько его цитат (Селф с. 119):
Разумеется, лучше, если спроектированный усилитель будет иметь постоянный коэффициент усиления (при разомкнутом контуре ООС) вплоть до частоты 2 кГц, чем, скажем, до частоты 20 Гц, но на самом деле в обоих случаях речь идет практически об одном и том же УМЗЧ, за исключением того, что второй имеет больший запас усиления на низких частотах, чем второй. На высоких частотах оба усилителя характеризуются одним и тем же значением глубины ООС (напомним, что именно этот параметр определяет возможность линеаризации УМЗЧ и тем самым снижения значения КНИ) и, возможно, одинаковую максимальную скорость нарастания выходного сигнала. Но второй УМЗЧ будет обладать большей инерционностью.
(с.68)
При проектировании УМЗЧ разработчик должен использовать всю свою интуицию и опыт, чтобы оценить величину коэффициента ООС, которая обеспечит стабильную работу усилителя. Исходя из опыта автора, значение глубины ООС 30 дБ на частоте 20 кГц обычно вполне безопасно (если на выходе УМЗЧ установлена индуктивность для компенсации емкостного характера нагрузки).
Значение коэффициента ООС, равное 40 дБ на той же частоте, было бы уже рискованно.
А что моя модель? Предлагаю пытливым прикинуть, как будет выглядеть картинка, если Кус и ск. нарастания будут поменьше. Как писал выше - критерий чисто относительный, сначала (гипотетически) стройте границы крутого ОУ, а внутрь него впишется тот, что попроще. Разумеется, второй вариант будет иметь меньшую площадь. Шумахер в городе тоже отменяется, на его месте пенс на Оке. Очевидно, что отсутствие ООС вообще даст нам отсутствие S. И еще одно интересное замечание: уменьшение питающего напряжения уменьшает площадь S, т.е. искажения. На мой взгляд не совсем логично. Но как знать.
И еще несколько цитат В. Матюшкин РА 8/98 с. 10
"...нелинейность усилителя проявляется гораздо сильнее во время переходного процесса (длительность которого за счет задержки сигнала в цепь ООС может быть значительной)..."
"... реальные звуковые программы очень далеки от стационарности и на самом деле вызывают в УМЗЧ почти непрерывный переходный процесс..."
""Вследствие малой длительности переходного процесса по сравнению с временем лабораторных измерений, они пока "ускользают" от экспериментального изучения (для этого требуется разработка специальных методов) и в то же время легко воспринимаются на слух..."
И еще рисунок из РА 5 2003 с. 3 (а что это там за просечки такие?)))
и кратенько пара цитат, поясняющих рисунок:
"...инерционный выходной каскад не успевает отследить начальный скачок сигнала при выходе из ограничения, из-за чего ООС включается с некоторой задержкой порядка 1мкс."
"В результате происходит многократное включение-выключение ООС до выхода сигнала из ограничения, проявляющееся в размывании участка ограничения сигнала."
Кстати, большинство красивых чисел в даташитах измерены при гармоническом сигнале, причем, наверняка качественном. А вот как поведет себя наш Шумахер в городе....
Предвижу вопрос: "А почему Селф? знавали и покруче!" Отвечу. Я пытаюсь его работу изучать. Его книга - это как предсказания Нострадамуса. Пока не поймешь сути, читаешь как тлф. справочник на китайском. Тем не менее я доволен выбором своей настольной книги. Если же кто-то изучает работы других разработчиков, милости просим, наверняка у вас есть что сказать, будет познавательно услышать мнение учеников других учителей.
И еще. Недавно доведена до ума реплика "Безупречного", предложенная Селфом. Разумеется, реплика отвечает всем критериям, которых автор придерживается. Сразу оговорюсь, просто взять и собрать его - не выйдет. На это ушло 2 года моей работы, прежде всего именно в области теоретических изысканий в области схемотехники УМЗЧ в основном по книге Селфа. В плане субъективной оценки усилителя решать не мне. Это будут делать специалисты в области субъективной экспертизы.
На мой взгляд, оценивать работу вообще любого специалиста должны пользователи, но никак не сам разработчик.
В следующей статье я ознакомлю читателей со структурой УМЗЧ, имеющего сверхмалую ООС, например, 10проц. (уж не знаю, сколько это в дБ). В соответствии с моделью, параметр 0-U2 вообще не успеет выйти за пределы +Е. Изготовив образец я столкнулся с проблемой, решить которую можно написав функцию преобразования усилителя. Надеюсь на вашу помощь, поскольку в математике я не силен.
*устойчивость ОУ (например, его реактивность) - Селф очень едко высмеял неудачно выполненную встроенную коррекцию какого-то ОУ. К сожалению, не нашел страницу. Я к тому, что "И на старуху бывает проруха"))).
По делу у меня всё. Теперь немного лирики, кому не интересно, дальше можно не читать.
Вопрос для специалистов по черному ящику (ЧЯ).
Например, для AD 8065. Усиление без ООС 130дБ, шум на входе 100нВ. Делаем на нем усилитель (скажем, усиление в 100 раз). Шум на выходе - 100нВ * 100 = 10uB. Могу предположить, что это минимально возможное напряжение на выходе ОУ, которое он может отработать (квант). Значит, если на выходе ЧЯ 10uV, то при Кус 130дБ, на входе ОУ будет 10e-18. То есть усилитель почувствует даже пер*еж электрона (10е-16 Кл.)?
Где я ошибся?
Ув. Голунов высказал интересную мысль:
-разработчику нужно разделять "железную" часть и "субъективную", т.е. слушателя. Тогда дело пойдет.
Вашими устами, да мёд пить! Когда киборги завоюют землю, ваша мечта исполнится! А разработчикам какое счастье: вместо какофонии усиливаемых звуков "дуэт двух кристально чистых синусов, дающих идеальный консонанс!"
А до той поры... И еще. Из ваших комментов ясно, что вы считаете п/физическую модель слуха не полной. Судя по всему вы знаете, о чем высказываетесь. Признателен вам за то, что вы развеяли мои сомнения.
Для вас фрагмент:
3.2. Слуховое восприятие нелинейных искажений с. 55
Кафедра РПВЭС
Вологдин Э.И.
ЧАСТОТНАЯ, ДИНАМИЧЕСКАЯ И
СПЕКТРАЛЬНАЯ КОРРЕКЦИЯ ЦИФРОВЫХ
АУДИО СИГНАЛОВ И ФОНОГРАММ
"Восприятие тембра звучания в значительной мере связано с нелинейностью слуха
человека, в частности с нелинейностью передаточной барабанной перепонки и среднего
уха. Из-за этой нелинейности возникают как гармонические, так и
интермодуляционные искажения, которые называются субъективными, так как они слышны, но их нет в исходном звуке.
Изучен этот эффект явно недостаточно...
При высокой громкости звука субъективные гармоники 2, 3, 4 и 5 порядков не
искажают звук, они только меняют тембр звучания, и никогда нас не раздражают.
Благодаря им, звучание часто становится мягче, иногда ярче, но всегда приятнее. С
понижением звукового давления субъективные гармоники уменьшаются, музыка
становится тусклой, неинтересной – так она и звучит, когда нет субъективных
искажений. Именно поэтому нормальные люди, особенно молодежь, предпочитают
громкую музыку. Старшему поколению восприятию тихой музыки помогает музыкальная память."
Об этикете и недюжинных умственных способностях
Прочел забавный коммент: "прочитай А.А. Данилова "линейные системы....". Всё. Ну прочитал ... название... и ничего не произошло. Друзья, страничку хотя бы укажите!
Далее. Ему указывают, типа, если ОК в реж. АВ, то система становится нелинейная. Далее идет бла-бла.
Читаем определение:
Свойства линейных систем:
1. Порядок установки линейных систем не влияет на результирующий сигнал.
2. Любая сложная система будет линейна, если составлена из линейных систем и блоков суммирования.
На стр. 168 (Селф) можно глянуть на линейность ОК в реж. АВ. п. 2 нарушен.
(для тех, кому неймется). Поставьте ОК в реж. АВ на вход УМ. Как линейность на выходе? п. 1 тоже нарушен
"Фу, ужас какой. замкни ООС и будет тебе счастье". Понимаю, встречают по одежке. Однако высказываться не вникнув в тему всё же не стоит.
Спасибо за внимание.
Сообщение от Валентин87
и потом сетовать на несоответствие SPICE-а реальности. Вы хотя б задались вопросом, как заменить реальный транзистор этим замечательным способом...
Социальные закладки