Lokalne sprzężenia zwrotne w układach tranzystorowych

[Dragon]

Witam,

nie wiem czy temat umieściłem w dobrym dziale. Jeśli nie, to proszę o przeniesienie.

Ponieważ o układach tranzystorowych nie wiem praktycznie nic, stąd moje pytanie. Jakie są sposoby minimalizacji zniekształceń w układach tranzystorowych? Czy są one skuteczne? Do czego można je porównać?
W układach lampowym mamy m.in ultralinear, QUAD, pseudo-QUAD, lokalne sprzężenie na oporniku katodowym. Czy są odpowiedniki tego w tranzystorach?

Pozdrawiam,
Dragon

[Einherjer]

Przede wszystkim stosuje się rezystory w obwodzie emitera. Ultralinear to sprzężenie na siatkę drugą, QUAD wymaga transformatora, więc nie koniecznie bezpośrednio się przenoszą na tranzystory. Poszukaj książki "Designing Power Amplifiers" Boba Cordella. Masz tam krok po kroku pokazaną ewolucję prostego wzmacniacza w stronę coraz lepszej liniowości.

[Romekd]

Dragon
Wprowadzenie lokalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego w stopniu z tranzystorem polega na włączeniu niezablokowanego kondensatorem rezystora w obwód emitera lub połączeniu rezystorem kolektora z bazą. Pierwsze rozwiązanie podnosi rezystancję wejściową i minimalnie również wyjściową stopnia, drugie pociąga za sobą obniżenie rezystancji wejściowej i wyjściowej (w tym przypadku rezystancja wewnętrzna źródła sygnału sterującego wpływa bezpośrednio na głębokość ujemnego sprzężenia zwrotnego). Oba rozwiązania mogą być stosowane jednocześnie.

Einherjer, dziękuję za informacje o książce Boba Cordella. Nie znałem jej, a jest bardzo ciekawa!

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Romku, książka faktycznie bardzo ciekawa, szczególnie, jeśli skonfrontuje się ją z książką Douglasa Selfa. Cordell jest zwolennikiem stosowania klasycznych wtórników w stopniach wyjściowych BJT wzmacniaczy, Self poleca układ Sziklaiego (CFP). Cordell uważa, że lepiej stosować MOSFETy w stopniach wyjściowych, Self, że BJT. Obaj mają całkiem solidne argumenty. "You pick your poison"

[Dragon]

Bardzo dziękuję za odpowiedzi.

Książka wydaje się być napisana schludnie, a tematy uporządkowane w odpowiedniej kolejności. Niestety mój poziom angielskiego pozwala mi na zrozumienie co drugiego zdania, ale może kiedyś jak się podszkolę, powyższa lektura wyląduje w mojej biblioteczce

Czyli rozumiem, że konstruktorzy układów tranzystorowych lubują się raczej w głębokim globalny sprzężeniu zwrotnym? No chyba, że te rezystory lokalnego USZ naprawdę są skuteczne.

A może by tak dołożyć TG z QUAD'em do układu tranzystorowego? QUAD jest moim zdaniem bardzo skutecznym reduktorem zniekształceń.

Skoro wzmacniacze na bardzo nieliniowych elementach aktywnych (tranzystorach), mają zniekształcenia THD o bardzo małej wartości (co nie znaczy, że o dobrym rozkładzie harmonicznych), to jakoś te zniekształcenia są redukowane.

Pozdrawiam,
Dragon

[Einherjer]

QUAD sprawdza się tam, gdzie masz stopień mocy ze wzmocnieniem napięciowym. We wzmacniaczach tranzystorowych najrozsądniej jest zastosować wtórnik, który ma duże wzmocnienie prądowe, ale napięciowe nieco poniżej jedności. "Goły" tranzystor bipolarny jest owszem bardzo nieliniowy, ale ma też bardzo duże wzmocnienie (właściwie to transkonduktancję). Jeśli przy pomocy rezystora w obwodzie katody zmniejszymy jego transkonduktancję do wartości porównywalnej z transkonduktancją lampy, JFETa albo MOSFETa to będzie on o wiele bardziej liniowy. W praktyce rezystor katodowy nie może być zbyt duży, bo odkładałoby się na nim zbyt duże napięcie stałe, nadmiar wzmocnienia lepiej spożytkować na globalne sprzężenie zwrotne. Nie daj tylko posłuchu popularnemu stwierdzeniu, że wzmacniacze tranzystorowe projektuje się tak, żeby tylko uzyskać jak największe wzmocnienie nie troszcząc się o liniowość. Dla przykładu obciążenie stopnia ze wspólnym emiterem źródłem prądowym zwiększy wzmocnienie, ale też poprawi liniowość.
Układ Sziklaiego również wykorzystuje lokalne sprzężenie zwrotne i pozwala uzyskać bardzo liniowe stopnie wzmacniające i wtórniki. Sam wtórnik emiterowy to przecież układ ze stuprocentowym lokalnym sprzężeniem zwrotnym. Dzięki dużej transkonduktacji tranzystorów to sprzężenie jest głębsze i wtórnik jest bardziej liniowy.

[Dragon]

Bardzo dziękuję za odpowiedź.

Mam jednak pewne obawy (może niesłuszne )

"Goły" tranzystor bipolarny jest owszem bardzo nieliniowy, ale ma też bardzo duże wzmocnienie (właściwie to transkonduktancję).

-może porównanie nie będzie do końca właściwe, ale kojarzy mi się to trochę z : ""Goły" wzmacniacz operacyjny jest owszem bardzo nieliniowy, ale ma też bardzo duże wzmocnienie
"

Jeśli przy pomocy rezystora w obwodzie katody zmniejszymy jego transkonduktancję do wartości porównywalnej z transkonduktancją lampy, JFETa albo MOSFETa to będzie on o wiele bardziej liniowy.

-to mi się kojarzy trochę z: "Jeśli przy pomocy rezystora w obwodzie sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu operacyjnym zmniejszymy jego wzmocnienie do wartości porównywalnej ze wzmocnieniem lampy, to wzmacniacz operacyjny będzie on o wiele bardziej liniowy." - wiadomo, ja mówię o globalnym USZ, a nie o lokalnym, ale nalezy pamiętać, że linearyzacja linearyzacji nie równa. THD ulegnie redukcji. A inne zniekształcenia lub wyższe harmoniczne? Czasami jeden ruch pociąga za sobą kolejne.
"

Układ Sziklaiego również wykorzystuje lokalne sprzężenie zwrotne i pozwala uzyskać bardzo liniowe stopnie wzmacniające i wtórniki

-niestety nie mam bladego pojęcia, jak działa taki układ, ale pytanie czy twierdzenie , że "bardzo liniowe stopni wzmacniające" zawsze będzie przekładało się na niskie zniekształcenia nieliniowe w całym spektrum harmonicznych (zwłaszcza tych wyższych). O globalnym USZ też się mówi, że linearyzuje wzmacniacz. A bardzo głębokie USZ, BARDZO linearyzuje wzmacniacz. Nawet tak, że THD = 0,001%, ale to 0,001 to poziom 37 harmonicznej Nie wiem jak w tym układzie, ale jak lampa pracuje jako wtórnik (układ Circlotron), to stopień zniekształceń końcówki mocy spada, ale wzrasta zapotrzebowanie na napięcie sterujące i może się okazać, że poprzedni stopień wniesie nawet większe zniekształcenia niż sam stopień mocy. Pytanie w tym miejscu, co wymaga stopień mocy z głębokim lokalnym USZ od poprzednich stopni. Co z redukcją zniekształceń w poprzednich stopniach?

Mam nadzieje, że osoba obeznana w temacie nie uzna mnie za ignoranta, ale ewentualnie sprostuje.
Po prostu jakoś za łatwe mi się to wydaję. Uzyskanie nie wiarygodnie wysokiej liniowości z elementu skrajnie nieliniowego za pomocą jednego rezystora.
Jakoś ta prostota i sposób redukcji zniekształceń (nieliniowy element + duże wzmocnienie -> liniowy element + małe wzmocnienie) za bardzo kojarzy mi się z głębokim globalnym USZ...

Pozdrawiam,
Dragon

[Einherjer]

Widać w Twoim poście uprzedzenie do głębokiego ujemnego sprzężenia zwrotnego i powtarzanie utartych stwierdzeń. Większość z nich pochodzi od ludzi, którzy po prostu nie rozumieją dogłębnie działania sprzężenia zwrotnego i jego wpływu na układ. To co piszesz o wyższych harmonicznych to nieporozumienie. Owszem, w układzie z głębokim sprzężeniem zwrotnym wyższe harmoniczne będą miały większy udział w całościowym THD, ale tylko dlatego, że zostaną one słabiej stłumione niż niższe harmoniczne, ale i tak będą niższe niż w układzie bez sprzężenia! Jak masz SETa bez sprzężenia, to Twoja 37 harmoniczna będzie wynosiła powiedzmy 0,01% i nie zauważysz jej, bo druga harmoniczna będzie miała 10%. Jeśli po zastosowaniu sprzężenia zwrotnego druga harmoniczna będzie miała 0,1% to masz szansę zauważyć wysokie harmoniczne stłumione znacznie mniej. Podobnie rzecz się ma z innymi zniekształceniami.
Twoje skojarzenia ze wzmacniaczami operacyjnymi są całkowicie poprawne. Zwróć jednak uwagę, że w przyrodzie nie występuje żaden "naturalnie" liniowy element wzmacniający, uznawane za stosunkowo liniowe triody mają w zasadzie "wbudowane" lokalne sprzężenie zwrotne.

[Dragon]

Dziękuję za odpowiedź.

Większość z nich pochodzi od ludzi, którzy po prostu nie rozumieją dogłębnie działania sprzężenia zwrotnego i jego wpływu na układ.

- Sam nie wiem. viewtopic.php?f=18&t=21945#p233815
W powyższym temacie Tomasz Janiszewski opisuje, dlaczego głębokie USZ jest szkodliwe. Pisze on:
"Niewątpliwie budowa wzmacniacza cechującego się miernymi parametrami bez sprzężenia zwrotnego, w oczekiwaniu że silne sprzężenie zwrotne (takie na poziomie 60-80dB) mija się z celem. aby takie wzmacniacz nie wzbudzał się po zamknięciu pętli - zwykle musi mieć sztucznie ograniczone pasmo przenoszenia, po czym okazuje się że mimo działania sprzęzenia nie jest w stanie przenieść sygnałów o wyższych częstotliwościach z pełną mocą (ograniczenie szybkości narastania napięcia wyjściowego). Te "odchody" jak to określiłeś, krążąc w pętli sumują się z sygnałem wejściowym, czemu częstokroć towarzyszy wielokrotna intermodulacja, pojawiają się produkty nieliniowości bardzo wysokich rzędów brzmiące dla ucha bardzo przykro, i to pomimo że sumaryczny współczynnik zniekształceń (THD) może być bardzo mały. Wreszcie minimalne nawet opóźnienia czasowe (powstające wskutek sumowania się elementarnych opóźnień przez niedostrzegalne w innych warunkach ogniwach dolnoprzepustowych, ograniczających pasmo na poziomie wielu megaherców) w obecności głębokiego sprzężenia zwrotnego skutkują przesterowywaniem stopni wejściowym i powstawaniem sławetnych zniekształceń TIM. [...]"

Nie znam Tomka osobiście, ale z jego wpisów wnioskuje, że ma bardzo dużą wiedzę i na pewno rozumie jak działa USZ. Z tego co przeczytałem Tomek chyba uważa właśnie, że silne USZ wprowadza właśnie wyższe harmoniczne. Do tego trzeba obciąć pasmo, żeby wzmacniacz się nie wzbudził, co powoduje ograniczenie szybkości narastania napięcia wyjściowego.

Kolejną moją wątpliwością jest artykuł Wiktora Krzaka, zdaje się linkowany kiedyś na Triodzie, przez użytkownika z nickiem "Piotr". Opisuje On co prawda wzmacniacze OTL, a właściwie ich wady. Jedną z nich jest właśnie bardzo silne USZ. Tutaj link: https://sites.google.com/site/krzacze/otl

"Wzmacniacze OTL w 99% przypadków pracują w klasie B, przy silnym niedopasowaniu, co owocuje koszmarnym wręcz poziomem zniekształceń. Najgorsze, że również dla małych sygnałów, a do tego nieparzystych rzędów.
Zniekształcenia te są redukowane ogromnym globalnym sprzężeniem zwrotnym. W efekcie na pomiarach tonem prostym wzmacniacz wypada rewelacyjnie, ale w zderzeniu ze skomplikowanym przebiegiem muzycznym jest źle, albo gorzej."

Opisuje On właśnie typowy przypadek bardzo nieliniowego wzmacniacza- lampy w klasie B z niedopasowaniem, dające zniekształcenia nieparzystych rzędów. Myślę, że ten typ wzmacniacza jest właśnie bardzo podobny do tranzystorowego (co prawda większość wzmacniaczy pracuje w klasie AB, a nie B, ale dla lamp zmiana klasy i zniekształcenia skrośne są o wiele mnie wyczuwalne niż w tranzystorze. Do tego sam tranzystor jest bardziej nieliniowy, więc wydaje mi się, że ten przykład jest w miarę trafny). Tu też widzimy kolejną opinię, że silne globalne USZ to nie jest wyjście.

Reduktor Szumu omawia w ciekawy sposób dlaczego podejście typu - zrobić wzmacniacz o słabych parametrach i podłączyć silne globalne USZ - nie wypaliło.
Tutaj podaję link do filmu. https://youtu.be/MV9Jd3k7iU0?t=3m36s Film odtworzy się już miejscu, traktującym o USZ.
Zresztą przekonali się o tym konstruktorzy wzmacniaczy tranzystorowych na przełomie lat 60/70 - jak to opisano w powyższym materiale.

Stąd mam pewne wątpliwości co do silnego USZ. Oczywiście w żaden sposób nie neguję płytkiego globalnego USZ i wydaje mi się, że należy zrobić porządny wzmacniacz bez USZ i dopiero potem myśleć o zamknięciu pętli.
Jak tylko znajdę czas, postaram się pomierzyć już gotowe wzmacniacze(zarówno tańsze, droższe tranzystorowe jak i PP i SE lampowe i USZ i bez). Jeśli tylko udałoby mi się, trafić na porządny sprzęt do pomiaru, rozwiało by to prawdopodobnie wszystkie wątpliwości (niezależnie od tego, po której stronie leży prawda )


Wracając jednak do tematu (tak, wiem -sam zacząłem o tym globalnym USZ) i do poprzednich postów.

Jeśli przy pomocy rezystora w obwodzie katody zmniejszymy jego transkonduktancję do wartości porównywalnej z transkonduktancją lampy, JFETa albo MOSFETa to będzie on o wiele bardziej liniowy. W praktyce rezystor katodowy nie może być zbyt duży, bo odkładałoby się na nim zbyt duże napięcie stałe, nadmiar wzmocnienia lepiej spożytkować na globalne sprzężenie zwrotne.

- czyli jak to w końcu wygląda w praktyce? To, że jest teoretyczna możliwość zrobienia liniowego tranzystora poprzez duży rezystor katodowy(chyba chodzi o rezystor emiterowy) to jedno. Ale pytanie czy to rozwiązanie się praktykuje. Sam piszesz, że konstruktorzy wolą raczej nadmiar wzmocnienia spożytkować na USZ. Do tego ów rezystor strasznie się grzeje.

uznawane za stosunkowo liniowe triody mają w zasadzie "wbudowane" lokalne sprzężenie zwrotne.

- nie bardzo rozumiem o co chodzi. Mógłbyś rozwinąć?

Sam wtórnik emiterowy to przecież układ ze stuprocentowym lokalnym sprzężeniem zwrotnym.

-czy w takim razie nie potrzeba do wysterowania takiego stopnia większego napięcia (czy prądu w tranzystorze)? Jeśli tak, to czy poprzedni stopień nie wprowadzi większych zniekształceń? Może być podobnie jak z triodą mocy. Sama wnosi stosunkowo małe zniekształcenia, ale poprzedni stopień już duże, bo potrzeba dużego napięcia sterującego.

Pozdrawiam,
Dragon

[Einherjer]

Odnosząc się do tego w największym skrócie: Jeśli zbudujesz wzmacniacz nie troszcząc się w ogóle o jego liniowość w otwartej pętli, tylko bezmyślnie dokładając wzmocnienie i kompensując potem ten wzmacniacz "ciężką ręką" to efekt oczywiście będzie bardzo zły. Tyle, że winnym złych parametrów wzmacniacza będzie inżynier, który go źle zaprojektował i źle użył narzędzia jakim jest sprzężenie zwrotne. Jak dasz małpie pędzel i nie namaluje Ci arcydzieła na miarę Van Gogha to winny będzie pędzel, tak? Poczytaj artykuły z linearaudio.net, forum diyaudio.com, książki wspomnianych Selfa i Cordella albo artykuły http://sound.whsites.net/index2.html Zobaczysz, że jest wielu inżynierów, którzy projektują wzmacniacze z bardzo głębokim sprzężeniem zwrotnym, ale robią to w sposób mądry i przemyślany, osiągając świetne rezultaty.
We wzmacniaczach lampowych OTL stopień mocy pracuje na obciążenie o bardzo niskiej impedancji, punkty pracy lamp końcowych są "patologiczne", więc wzmacniacz w otwartej pętli jest bardzo nieliniowy. Potrzebujesz jednak sprzężenia zwrotnego, żeby obniżyć impedancję wyjściową. Masz paskudnie nieliniowy wzmacniacz objęty pętlą sprzężenia, czyli w zasadzie to o czym pisałem wyżej.
To nie jest tak, że "płytkie" globalne sprzężenie jest lepsze niż głębokie. Zresztą co to znaczy płytkie? Ile dB głębokości sprzężenia stanowi granicę między dobrym płytkim sprzężeniem a głębokim i złym? Jeśli sprzężenie będzie płytkie to źle użyte narobi mniej złego, ale dobrze użyte przyniesie mniej korzyści niż głębsze. To tylko narzędzie, Ty uparcie podajesz przykłady złego jego użycia i ma to według Ciebie dowodzić tego, że samo narzędzie jest złe.
Wtórnik emiterowy nie wzmacnia napięcia, ale znakomicie potrafi dostarczyć do obciążenia duży prąd. Poprzedzający go stopień musi dostarczyć sygnał o nieco większej amplitudzie niż oczekiwana na wyjściu, ale za to bardzo mały prąd. Taki rozdział zadań pozwala odpowiednio zoptymalizować oba stopnie i uzyskać lepsze rezultaty niż, gdy stopień wyjściowy ma wzmacniać i prąd i napięcie. Znajdziesz w sieci przykłady tranzystorowych stopni mocy ze wzmocnieniem napięciowym, ale efekty ich zastosowania są marne.
Co do triody: zastanów się co zmienia wprowadzenie siatki ekranującej w tetrodach/pentodach i jak właściwe działa triodowe połączenie pentody.

[Romekd]

Witam.

Romku, książka faktycznie bardzo ciekawa, szczególnie, jeśli skonfrontuje się ją z książką Douglasa Selfa. Cordell jest zwolennikiem stosowania klasycznych wtórników w stopniach wyjściowych BJT wzmacniaczy, Self poleca układ Sziklaiego (CFP). Cordell uważa, że lepiej stosować MOSFETy w stopniach wyjściowych, Self, że BJT. Obaj mają całkiem solidne argumenty. "You pick your poison"

Masz rację. Obaj Panowie są prawdziwymi pasjonatami, z profesjonalnym podejściem do elektroniki "audio", i pewnie oboje mają rację...
Jak widać doskonały rezultat można osiągnąć różnymi metodami. Mosfety pod pewnymi względami przypominają w działaniu lampy elektronowe, więc wprowadzane przez nie zniekształcenia nieliniowe mają nieco inny charakter (minimalnie większy poziom harmonicznych, ale z przewagą tych niższego rzędu, to tak w największym uproszczeniu... ).

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Dragon
Bardzo duże ujemne sprzężenie zwrotne nigdy nie jest czymś złym, jeśli sensownie się go użyje, a wzmacniacz odpowiednio skompensuje częstotliwościowo. Wspomniany przez Ciebie "Reduktor szumu" jest autorem projektu wzmacniacza słuchawkowego z doskonałym układem scalonym TPA6120 firmy Texas Instruments. "Reduktor szumu" poprzedził układ TPA6120 kolejnym wzmacniaczem operacyjnym, typu OPA2134, którego stałoprądowe wzmocnie z otwartą pętlą sprzężenia przekracza 120 dB (80 dB dla częstotliwości 1 kHz). Nie znam wartości wzmocnienia napięciowego układu TPA6120 dla otwartej pętli (nie podano go w nocie aplikacyjnej; układ z szybkością narastania napięcia wyjściowego 1300 V/μs i dużo większym wzmocnieniem pewnie by się wzbudził), ale podejrzewam, że też jest dość spore. We wzmacniaczu słuchawkowym te kaskadowo połączone układy pracują ze całkowitym wzmocnieniem napięciowym 2 (w sumie zapewniają wzmocnienie 6 dB, które ja w swoim wzmacniaczu podniosłem do 12 dB, bo wydawało mi się to korzystne). Tak duża redukcja wzmocnienia ujemnym sprzężeniem zwrotnym dała świetne rezultaty. Tak wyglądają zniekształcenia nieliniowe tego układu (z podniesionym przeze mnie wzmocnieniem do 12 dB) przy obciążeniu układu słuchawkami 50 Ω oraz 22 Ω (przy głębszym ujemnym sprzężeniu parametry były jeszcze lepsze):

wzm_sł_3,38V_1_50omow.png

wzm_sł_3,38V_2_50omow.png

wzm_sł_3,38V_1_22R.png

wzm_sł_3,38V_2_22R.png

Używam słuchawek, których moduł impedancji wynosi 250 Ω i które z tym wzmacniaczem współpracują po prostu rewelacyjnie (przy większej impedancji obciążenia, jaką zapewniają moje słuchawki, poziom wprowadzanych przez wzmacniacz zniekształceń nieliniowych jest jeszcze niższy od tego na wykresach...).

Pozdrawiam
Romek