Lokal vs global motkoppling i förstärkare

[Max_Headroom]

Fördelar och nackldelar med respektive metod?

Och hur bra kan det bli helt utan motkoppling? LC-audios "The end" t.ex., hur bra är den på en skala?

[Nattlorden]

The End? Bättre än de flesta behöver, skulle jag säga.

[Morello]

Det ena utesluter inte det andra. En konceptuell skillnad är att konventionell "lokal återkoppling", dvs shuntåterkoppling (eller lokal degenerering) reglerar med avseende på ström och inte spänning och således ökar utgångsimpedansen.

[Pabo]

Då man degenererar en transistor genom att koppla en resistor mellan emitter och den negativa matningen så förbättrar man linjäriteten hos komponenten men samtidigt så måste man i ett lokalt motkopplat förstärkarsteg terminera kollektorströmmen mha ett motstånd på kollektorn för att bestämma arbetspunkten och när man gör detta så kommer signalströmmen till det efterföljande steget bli en försumbar del av den totala strömmen genom transistorn. Detta medför en olinjäritet vilket resulterar i att den totala linjäriteten i ett lokalt motkopplat steg inte förbättras lika mycket som gain minskar. Ett förstärkarsteg i en globalt motkopplad förstärkare kan vanligtvis tillåtas ha "fri" förstärkning eftersom DC punkten effektivt justeras av motkopplingen och därmed kommer den totala strömförändringen genom respektive steg nästan uteslutande vara signalström. Därmed uppnås en väldigt hög gain i förhållande till olinjäriteten vilket leder till att den totala distorsionen hos en globalt motkopplad förstärkare är mycket lägre än den hos en lokalt motkopplad.

En nackdel med globalt motkopplade förstärkare är dock att det skapas intermodulationskomponenter av de harmoniska övertonerna, även om dessa då är väldigt låga.

[Svante]

En nackdel med globalt motkopplade förstärkare är dock att det skapas intermodulationskomponenter av de harmoniska övertonerna, även om dessa då är väldigt låga.

Hmm... Fundera lite nu. Vilka frekvenser kan såna intermodulationskomponenter tänkas hamna på... ? Blir de kanske en del av den harmoniska serien? Syns de då?

Som jag tror jag begrep det en gång i världen, så var det så här, och man förklarar det enklast med ett exempel: Antag två förstärkarsteg med 100 ggr förstärkning. Distorsionen minskar i princip lika mycket som motkopplingen. Om man motkopplar lokalt till 1 gång minskar distorsionen till 1/100 i båda stegen. Hade de 10 % dist, blir det nu 0.1 %. Om man motkopplar globalt i stället, har förstärkaren 10 000 ggr förstärkning, och distorsionen är fortfarande 10% i utgångssteget. Totala disten sjunker nu till 0.001%.

...men. Det blir knepigare när man inser att förstärkningen avtar mot högre frekvenser, dels vad gäller stabiliteten, men också pga att hög förstärkning i första steget kan leda till överstyrning av det innan andra steget hunnit reagera och ge motkopplingssignal tillbaka. Råkar man ut för det kan disten i stället öka jämfört med det lokalt motkopplade fallet. Förmodligen är det viktigt att bandbredden är lägre på det första steget än det andra. I praktiken blir det, som i så många andra ingenjörsmässiga sammanhang, en fråga om att göra en vettig avvägning mellan de två. Att säga att den ena är bättre än den andra är helt enkelt inte sant, åtminstone inte i alla fall. Verkligheten är dessutom mer komplicerad än vad jag beskrev ovan, det finns flera saker att ta hänsyn till.

Dessutom är den här kunskapen lite dammig, måhända har saker och ting ändrats sen jag höll på och byggde.

[Harryup]

Och tidsfel?
För att detta skall fungera perfekt förutsätts väl att amplituden teoretiskt borde vara konstant och att distorsionsprodukten är identisk hela tiden. Eller?

[Svante]

Och tidsfel?
För att detta skall fungera perfekt förutsätts väl att amplituden teoretiskt borde vara konstant och att distorsionsprodukten är identisk hela tiden. Eller?

Hur menar du?

[Harryup]

Man kvittar ju "gammal" redan förekommen distorsion med ny förmodligen kommande distorsion. Men man vet ju bara hur den gamla såg ut men inte hur den nya kommer att se ut. Om man då väger in att man skickar in "lite" distorsion ifrån hög amplitud (full orkester med stort konutslag) och skall kvitta den mot den produkt som blir av trianglarna. Hur bra kommer det bli?
Mot emk'n ifrån basen skickar vi ju också in i steget fast det kommer inte bli någon efterföljande för trianglarna eftersom basen då står still (nåja teoretiskt iallafall). På statiska mätsignaler fungerar det ju utmärkt även över en skapad högtalarlast, men hur blir det med dynamisk musik.

[Morello]

Negativ återkoppling implementerat i en analog stärkare tillser att utsignal och insignal kontinuerligt jämförs och således geneerar vad som normalt kallas "fel-signal". Man behöver alltså inte köra i diket innan man märkt att det gått fel. Sådana gamla analogier är rent nonsens .

Som Pabo mycket riktigt påpekad, kommer ett återkopplat steg att uppvisa ett övertonsspektrum av högre ordning än samma steg om det arbetat open loop. Detta är dock ingen problem eftersom dessa högre ordningens produkter, om allt implementeras korrekt, får extremt svag nivå.

EMK'n från elementen (inte bara bas-element) är en rörelseunducerad spänniing som enbart, sett från slutsteget, ger sig till känna som en resistiv del i impedansen
Att detta skulle ställa till problem för återkopplingen är en klassisk myt som ofta anförs av mer eller mindre dogmatiska konstruktörer av icke återkopplade tillika högdistorderande rörapparater av single end-typ.

[Svante]

EMK'n från elementen (inte bara bas-element) är en rörelseunducerad spänniing som enbart, sett från slutsteget, ger sig till känna som en resistiv del i impedansen
Att detta skulle ställa till problem för återkopplingen är en klassisk myt som ofta anförs av mer eller mindre dogmatiska konstruktörer av icke återkopplade tillika högdistorderande rörapparater av single end-typ.

Njamennämenväntanu...
Resultatet av EMKn syns bäst kring elementets resonans, det är bara då elementets elektriska impedans skiljer sig från talspolens. Jag skulle vilja påstå att man framförallt får reaktiva (inte resistiva) effekter av detta. Nu är det inte mycket som skiljer dem från en vanlig spole eller konding, så bara förstärkaren klarar lite reaktiv last så är det ingen fara. Men jag håller med om att att tänka rörelse och mot-emk, ofta leder in i nåt man bara nästan förstår, och därför lätt utnyttjas i övertygningssyfte. Tar man ner det på jorden och säger att effekten är identisk med en spole och en kondensator, så blir det inte lika magiskt.

[Morello]

Joalltså, hur är fasen vid resonanstoppens maxima?

[Harryup]

Morello:
Låter praktiskt, fast.
Om vi, åtminstonde jag tillåter mig att stanna tiden för ett ögonblick.
Så finns en signal som når förstärkarens ingångssteg, en signal som just kommit till drivsteget för sluttrissorna och en signal på väg ut till högtalarna. Med global motkoppling kan jag inte se att man kan kontinuerligt kvitta distorsionen med "rätt" distorsion. Nån slags grunddistorsion ja, men den i varje ögonblick musikgenererade distorsionen då. För att det skall fungera så måste ju förstärkaren vara "tom" mellan utgång till ingång. Annars har man ju redan en signal på väg som blev kvittad mot "något annat".
Hur var det nu med Ottala?

[Svante]

Joalltså, hur är fasen vid resonanstoppens maxima?

...Jag skulle vilja påstå att man framförallt får reaktiva (inte resistiva) effekter av detta. Nu är det inte mycket som skiljer dem från en vanlig spole eller konding, så ...

Jodå, vid resonanstoppens maximum är det rent resistivt, därav "framförallt" och "inte mycket". Men vid sidorna är det ganska reaktivt.

[Svante]

Morello:
Låter praktiskt, fast.
Om vi, åtminstonde jag tillåter mig att stanna tiden för ett ögonblick.
Så finns en signal som når förstärkarens ingångssteg, en signal som just kommit till drivsteget för sluttrissorna och en signal på väg ut till högtalarna. Med global motkoppling kan jag inte se att man kan kontinuerligt kvitta distorsionen med "rätt" distorsion. Nån slags grunddistorsion ja, men den i varje ögonblick musikgenererade distorsionen då. För att det skall fungera så måste ju förstärkaren vara "tom" mellan utgång till ingång. Annars har man ju redan en signal på väg som blev kvittad mot "något annat".
Hur var det nu med Ottala?

Du pratar som om det vore vågutbredning i förstärkaren, men då skulle det bara ta cirkus 1 ns att komma igenom förstärkaren. Det är lixom helt fel skala eftersom ljushastigheten är så hög. Om kvittningen kommer 1 ns för sent gör det inget, speciellt som en bandbegränsad signal (som vi ju har numera iom CD) knappast hoppar från maxminus till maxplus på 1 ns. Betydligt värre är det med den lågpassning som varje steg ger pga sin övre gränsfrekvens. Ottala pratade om nåt sånt, och kontentan var (om jag minns rätt) att första steget bör ha sämst bandbredd, annars kan det bli överstyrt. Och så bör man lågpassa lite försiktigt på ingången så slipper man de vassaste flankerna, tror jag också han sa.
Men designen måste förstås i sin helhet, man kan inte haka upp sig på om global eller lokal motkoppling är "bäst". Till slut är det summan av alla avvägningar som konstruktören gjort som bestämmer om det blir bra eller inte. Det är nog bara i reklambladen man kan ursäkta att man skriver att global motkoppling är dåligt.

[Morello]

Morello:
Låter praktiskt, fast.
Om vi, åtminstonde jag tillåter mig att stanna tiden för ett ögonblick.
Så finns en signal som når förstärkarens ingångssteg, en signal som just kommit till drivsteget för sluttrissorna och en signal på väg ut till högtalarna. Med global motkoppling kan jag inte se att man kan kontinuerligt kvitta distorsionen med "rätt" distorsion. Nån slags grunddistorsion ja, men den i varje ögonblick musikgenererade distorsionen då. För att det skall fungera så måste ju förstärkaren vara "tom" mellan utgång till ingång. Annars har man ju redan en signal på väg som blev kvittad mot "något annat".
Hur var det nu med Ottala?

Det lättaste är nog att ta fasta på alla tusentals mätningar som indikerar att en skickligt dimensionerad återkopplad förstärkare uppvisar distorsion med kusligt låg nivå. <-100dB är i princip vardagsmat idag.

Som Svante mycket riktigt påpekar är tidsfördröjningen många tiopotenser lägre än signalens tidskonstant, varför någon översläng pga detta aldrig ger sig till känna. En skicklig konstruktör förser naturligtvis apparaten med ett ingångsfilter således att signalens bandbredd begränsas till en sådan nivå att den kan hanteras. Professor Otala? Utöver att hälla besnin på brasan tillförde han väl inte så mycket. Hans artikel om fasmodulation är förvisso välskriven, men han gör några ganska orimliga ansater i början. Sedan inses det ganska lätt att fasmodulationen bara är ett problem om den intrinsiska linjäriteten är kass i kombination med en alltför liten closed-loop-bandbredd. Tillser man en bandbredd som är en eller två dekader större än arbetsbandbredden är problemet obefintligt.

Vad Otala kanske är mest känd för är hans artiklar om slewrate-inducerad dist, men detta var känt långt innan han lärde sig krypa I själva verket är det bara att tillse tillräckligt stor slewrate, så att insignalen inte gör anspråk på större derivata än vad slewrate medger. I en konventionell förstärkare bestäms slewrate av viloströmmen i ingångssteget i kombination med den kapacitiva last som faskompensationen i form av "miller-kondingen" utgör.

[Pabo]

Trevlig debatt!

Ville bara förtydliga det jag skrev om att man får fler övertoner då man motkopplar en förstärkare.

En icke motkopplad förstärkare genererar andra och tredjetonsdistorsion. En motkopplad genererar dessa men även summan av dessa, och summan av de föregående plus de nya plus .... Resultatet är en skog av övertoner men som Morello påpekade så skall de vara lååångt därnere, typ -120dB eller så.

Svante

Som jag tror jag begrep det en gång i världen, så var det så här, och man förklarar det enklast med ett exempel: Antag två förstärkarsteg med 100 ggr förstärkning. Distorsionen minskar i princip lika mycket som motkopplingen. Om man motkopplar lokalt till 1 gång minskar distorsionen till 1/100 i båda stegen. Hade de 10 % dist, blir det nu 0.1 %. Om man motkopplar globalt i stället, har förstärkaren 10 000 ggr förstärkning, och distorsionen är fortfarande 10% i utgångssteget. Totala disten sjunker nu till 0.001%.

Detta är svårbegripligt. Hade de 100ggr eller 10000ggr?

Om förstärkarsteget hade 10% dist vid 100ggr förstärkning kan det inte ha det vid 10000ggr förstärkning. Låt oss anta att man vill ha ut 4V över kollektormotståndet som är 10k (ger 0,4mA). För att få 100ggr förstärkning skall då emittermotståndet vara 100ohm men för att få 10000ggr måste det vara 1ohm och då blir den olinjära bas-emitterresistansen vida större än emittermotståndet och därmed blir olinjäriteten mycket större. Det jag är ute efter är alltså den praktiska implementationssvårigheten med att öka kollektormotståndet till 1Megaohm för att på så vis upprätthålla bas-emitterlinjäriteten med ett 100ohmsmotstånd.

Det blir alltså att jämföra päron och äpplen i det här fallet.

Jag vill jämföra en kvot som fås genom att dividera förstärkningen med olinjäriteten och eftersom man kan låta ett globalt motkopplat steg justera sin arbetspunkt mha den enorma förstärkningen vid DC så kan man lasta kollektorerna med strömgeneratorer som ju är oändligt högohmiga (teoretiskt), behålla sin emitterdegenerering och ändå få otroligt hög förstärkning och därmed hög kvot förstärkning/olinjäritet vilket i slutänden ger distorsionen då man sluter loopen.

[Martin]

Harryup: allting är ju relativt. Visst blir det lite fördröjning i en förstärkare men tid står ju i relation till frekvens, eller hur? Så om frekvensens (som man vill förstärka) periodtid är tillräckligt låg i relation till tidsfördröjningens periodtid så kommer påverkan av tidsfördröjningen att vara försumbar. Ställer man det i sin tur i relation till andra typer av distorsion som påverkar lägre frekvenser tom inom det hörbara området(!) så blir den lilla tidsfördröjning som man pratar om i en reko förstärkare totalt ovidkommande.

Man kan tom se förstärkaren som en egen liten enhet där saker som händer på ingången händer samtidigt som det händer på utgången med väldigt rimlig nogrannhet även för frekvenser som är mycket högre än vad man någonsin kommer att förstärka.

[Svante]

Pabo:

De enskilda stegens förstärkning i mitt exempel är 100 ggr hela tiden. När de kopplas ihop får man 10 000 ggr förstärkning. Utgångssteget är alltså identiskt i de två fallen, det är bara motkopplingen som ändras.

Jag ska erkänna att jag inte tänkt så noga på detaljerna i specifika transistorkopplingar, utan snarare tänkt mig förstärkarna som "svarta lådor" med råförstärkning=100 ggr.

Om jag skulle göra ett försök att gräva ner mig i det, så skulle det lokalt motkopplade fallet ha samma värde på emitter- och kollektormotstånd och därmed lokalt motkopplad till förstärkningen 1. Denna koppling kanske har 0,1% dist. I det andra fallet kan emittermotståndet vara signalmässigt minskat till 1/100 av kollektormotståndet, så att förstärkningen blir 100 per steg och disten borde nu bli 10% i utgångssteget för samma utsignal. Två sådana steg i rad ger 10 000 ggrs förstärkning, och den dominerande delen av disten uppstår i utgångssteget eftersom signalnivån är 100 ggr lägre i ingångssteget. När global motkoppling för total förstärkning 1 appliceras på de två stegen sjunker disten till 1/10 000 till 0,001%.
Jag tror det funkade även i det detaljerade fallet, väl?

[Harryup]

Och man får ingen dynamikbegränsning med motkoppling?

[Svante]

Och man får ingen dynamikbegränsning med motkoppling?

Ehh... Menar du samma sak som jag med dynamik, dvs nivåskillnad mellan starkaste och svagaste möjliga signal? Max utnivå ändras inte särskilt mycket, den sätts inom några dB av matningsspänningen, däremot sjunker brusnivån med motkoppling, så snarast skulle jag säga att dynamiken ökar som följd av motkoppling.

Eller menar du nåt annat?

[Morello]

Och man får ingen dynamikbegränsning med motkoppling?

Dynamikbegränsningen får man från ett system där övertonernas fasläge är sådant att signalen komprimeras. Enklaste sättet att fixa kompression är antingen att köpa en SET-häck eller helt enkelt genom att koppla in en kompressor.

[Svante]

[quote="Morello]
Dynamikbegränsningen får man från ett system där övertonernas fasläge är sådant att signalen komprimeras. [/quote]

Ehh... Det kan väl inte bli många dB? 10% dist, vilket är mycket, kan knappast göra mer än någon dB. Jag skulle inte kalla det kompression heller, brukar man det?

[Morello]

Dynamikbegränsningen får man från ett system där övertonernas fasläge är sådant att signalen komprimeras.
Ehh... Det kan väl inte bli många dB? 10% dist, vilket är mycket, kan knappast göra mer än någon dB. Jag skulle inte kalla det kompression heller, brukar man det?

10%? Det finns åtskilliga SET-steg med 30-40% THD i basregistret Om nu jämför detta med en fyrkant, vars övertonshalt är ganska exakt 41%, så blir det lustigt

[Tekko]

40% i basen på en förstärkare ? Fy Fan den stärkaren vill inte jag ha!

[Nattlorden]

Dumt - du hade ju kunnat sälja den vidare!

( Nån som har siffror på KR's stärkare... eller Silver Night? )

[Morello]

Dumt - du hade ju kunnat sälja den vidare!

( Nån som har siffror på KR's stärkare... eller Silver Night? )

Har sett mätningar på ett KR-slutsteg och det var fråga om extrema distnivåer

[Nattlorden]

Morello... och ändå låter det så underbart?

[Martin]

Du kanske inte är så kräsen som du tror.

[Morello]

Morello... och ändå låter det så underbart?

Ja, det är nog så att den excessiva 2:a och 3:e ordningens dist uppskattas i vissa läger. Dessutom bidrar ju den milda kompressionen till att svaga detaljer lyfts fram och hörs bättre. Man ska inte glömma att SE-steg på 5-10W fungerar som en kompressor/limiter vid relativt svag nivå. Ganska många SE-steg med 300B har bara en användbar uteffekt på ett par watt, varefter disten stiger kraftigt.

[tvett]

http://www.electronics-lab.com/blog/?p=23239

Discuss....