О вреде и пользе ООС


           Теория           Домыслы           Введение в практику          Практика          Лирика           Композитные усилители

 

                   Теория

             Возьму на себя смелость утверждать,
             что отрицательная обратная связь (ООС)
             это не просто технический приём, но частный случай
             Абсолютно Универсального Принципа

      Этот Принцип существовал задолго до появления электроники и нас с вами,
в соответствии с этим Принципом осуществляется саморегуляция (гомеостаз) всего сущего
в этом мире - от мельчайших клеток до огромных экосистем планетарного масштаба.

     "Вижу что мало - добавлю, вижу что много - убавлю"

     Посмотрите вокруг себя, и вы обнаружите массу проявлений этого принципа.
Настолько логичных, что непонятно даже, как может быть иначе.
    Каждый из нас пользуется этим механизмом ежесекундно, ну хотя бы для того,
чтобы не пронести ложку мимо рта или не сесть мимо стула.

     Не залезая в большую науку, попытаюсь доступно объяснить, как
можно использовать этот Принцип в технике звукоусиления.

Нелишним будет напомнить, чем на самом деле является звуковой сигнал:
-- цитата из книги Ирины Алдошиной " Основы психоакустики"--
        только два физических параметра сигнала воспринимаются нашей слуховой системой: 
-  интенсивность (т.е. энергия или звуковое давление)
-  время - начало и конец сигнала и его повторяемость во времени (периодичность или частота).
     Все остальное, что мы оцениваем в звуке: его громкость, высота, тембр, звуковое пространство,
тонкие музыкальные нюансы и др. - это результат обработки его нашим слуховым аппаратом и мозгом.
--- конец цитаты ---

    В "электрическом" толковании неискажённая передача сигнала - точное соблюдение
его амплитуды в каждый момент времени. Амплитуда сигнала, нарисованная на шкале
времени представляет собой хорошо нам знакомую форму сигнала.
    Итак, как только мы научимся очень-очень точно передавать форму сигнала, так сразу и
наступит счастье.

Ссылка на статью "ОООС на пальцах"

     Посмотрим же, как может в этом помочь или помешать ООС.

Для примера рассмотрим простейшую модель усилителя.
Он состоит из двух основных частей:
- дифференциальный каскад, умеющий с хорошей точностью вычитать из сигнала А сигнал В.
- нелинейный усилитель напряжения, умеющий умножать полученную разницу примерно на 1000.

Без введения ООС (полагая В=0) будем иметь настолько хорошие параметры усилителя в целом,
насколько хорош нелинейный усилитель.
     Вводим ООС. Для этого возьмём выходной сигнал, с помощью резисторов поделим его на 10
и подадим на вход В.

          Пятый Посыл гласит о том, что абсолютное зло только общая ООС, местные ООС, напротив, могут быть очень полезны.
      Очень хочется узнать чем же, с точки зрения пиар-инженеров, местная ООС отличается от общей?!
С точки зрения науки, 
различие заключается только в количестве каскадов, которые эта ООС охватывает. Следовательно, это различие абсолютно непринципиально. Местная ООС работает точно так же, как и общая !
     Отмечу, что утверждение это справедливо только для минимально-фазовых цепей, то есть для каскадов, свободных от «связей вперёд», когда существует несколько путей прохождения ВЧ сигнала. Впрочем, подобные схемы довольно редки.

         Введение в практику

Любое практическое занятие начинается, опять же, с теории)))
      Из теории устойчивости хорошо известно, что чем большей глубины ООС мы хотим достичь, тем большего быстродействия мы обязаны добиться. Разработка устойчивых широкополосных схем с большим усилением – это технически весьма и весьма сложная задача. Увы, очень немногие разработчики в состоянии преодолеть эту техническую проблему. Тем паче - коммерчески целесообразным способом)). По факту, усилители с глубиной ОООС более 80 дБ можно посчитать по пальцам на одной руке.
      Существуют, однако, технические приёмы для "формального" увеличения глубины ОООС. В первую очередь это попытки увеличить глубину ОООС за счёт сложной коррекции, без существенного увеличения полосы пропускания схемы в целом. Эти попытки очень часто завершаются опять же "формальным" успехом, циферки получаются превосходные. Однако в звучании подобных усилителей всегда присутствует окраска и некая "синтетичность". Даже на LM3886 можно получить глубину ОООС 90 дБ, однако это не делает звук полученного композитного усилителя хоть сколько-нибудь приемлемым. С момента осознания этого практического факта (не подтверждаемого, кстати, существующими теориями) мои усилия направлены, в основном, на увеличение полосы пропускания, ибо только в схемах с очень большим быстродействием наблюдается прямая корреляция между качеством звучания и глубиной ОООС.
      Поясню последнее утверждение.
Рассмотрим классический усилитель класса AB. В момент изменения полярности выходного тока такой каскад имеет характерную "ступеньку". Допустим, мы подали синус 1 кГц. Спектр этой ступеньки имеет массу гармоник и уходит далеко за пределы звукового диапазона. Допустим, в звуковом диапазоне частот ООС работает эффективно и она справилась с этой кривизной; в пределах звукового диапазона всё чисто. Но, поскольку на ультра-высоких частотах ООС работает неэффективно, ступеньку всё ещё видно на осциллограмме как короткие всплески. Искажение формы произошло, однако спектр чист. Означает ли это, что произошло "правильное" усиление?!
      Пример, возможно, не очень убедительный, но это хоть какое-то объяснение, почему с увеличением полосы пропускания мы наблюдаем улучшения в звуке.

      Вы спросите - "если всё так просто, то почему же нам вешают лапшу про трансформаторы, волшебные конденсаторы и прочую а-ля хай-ендную чепуху?!"
      Ответ на поверхности - Маркетологи очень хорошо понимают, насколько опасно вносить ясность в ту самую "мутную воду". Сами они, как известно, не обременены знаниями, им техническая сторона неинтересна. Это, как известно, мешает продажам).
Им нужны Продажи, и чем хуже техника, которую вы покупаете сейчас, тем больше продаж они совершат в дальнейшем.
      Вы же, уважаемый Читатель, раз уж дочитали до этого места, действительно человек с практическим интересом, поэтому перейдём наконец к практике.


         Практика

     Речь пойдёт о практике создания транзисторных усилителей, поскольку только на их примере можно изучить предмет в полном объёме.

     Существует несколько типов звучания, которые можо поделить на группы, по мере возрастания глубины ОООС. Деление это весьма условно, в том смысле, что усилители из одной группы могут обладать признаками соседних групп, однако общая тенденция сохраняется - глубокоосник, например, никогда не будет иметь ватный низ, так же, как усилитель с неглубокой ООС никогда не построит верную и глубокую сцену.

      Итак, типы звучания и их взаимосвязь с глубиной ОООС

1. 20-30 дБ. Общая мутность, что называется, "звука нет". Бывает, что и придрасться-то не знаешь к чему - просто всё одинаково плохо.
2. 30-40 дБ. Звук местами проясняется, НЧ регистр начинает обретать т.н. "упругость", СЧ окрашены, верх ненатуральный и замыленный
3. 40-50 дБ. НЧ регистр почти безупречен, СЧ очищаются, окраска и мусор постепенно "съезжают" в ВЧ область спектра. СЧ уже разборчивы, глубина отрисовывается хорошо, однако ВЧ обычно очень навязчивы и резки. Сибилянты звучат с каким-то "динамическим разрывом"
4. 50-60 дБ. Все искажения постепенно смещаются во всё более ВЧ область. Звук может стать с переизбытком "воздуха" и необъяснимо навязчивым. Сцена постепенно обретает объём.
5. 60-80 дБ. Сцена о и объём строятся безупречно, однако ещё может наблюдаться лёгкая окраска и неестественность.
6. 90-130 дБ. Кристальная ясность. Звук в целом легко читаем и очень информативен, всё как на ладони. НЧ динамически безупречны. СЧ глубоко читаемы и легки. ВЧ вообще никак не акцентированы, они просто есть. Сибилянты натуральны, нет обычного разрыва в их динамике. Струнные, железо и сложная перкуссия естественны. Пространство чёткое и стабильное.

     Схемы без ОООС намеренно не вошли в классификацию. Разнообразие технических решений в этой группе довольно велико, от откровенно никудышных до вполне пристойных. Более того, усилители без ОООС могут одновременно проявлять признаки групп с первой по четвёртую. Например, многие ламповые усилители неплохо строят сцену при откровенной рыхлости НЧ и общей мутности.

      Описанное выше деление - обобщение результатов многолетних экспериментов и наблюдений, проведённых разными людьми на разных макетах и изделиях. Эксперименты над уже готовыми изделиями, по понятным причинам, возможны в довольно узких рамках. Поэтому некоторые макеты (в т.ч. довольно сложные) были построены специально для экспериментов над ОООС. Последний из наших макетов - композитный усилитель с многоконтурной ООС - обладает очень малой задержкой (20 ns) и невероятно глубокой ОС - до 130 дБ на частоте 20кГц. Глубина ООС в нём ступенчато регулировалась от 3000 до 1 миллиона (!!!) раз. Этот макет, по мере увеличения глубины ООС показывал всё более точное и достоверное звучание, чем уверенно и явно доказал преимущества схем со сверхглубокой ООС. Сейчас он проходит обкатку и будет впервые применён в проекте "ULTIMA".


         Лирическое отступление

      Мне всегда казалось, что тема ОООС - один из случаев, когда практика коррелирует с теорией каким - то странным образом.
Меньшим искажениям, теоретически, должен отвечать лучший звук. Эта теоретическая предпосылка обычно подтверждается практически. Но не всегда.
      Примером тому может служить возникновение TIM искажений в медленных усилителях. TIM (переходные интермодуляционные искажения) возникают при быстрых входных воздействиях, когда из-за наличия ОООС некоторые каскады усиления начинают работать на "большом сигнале", вследствие чего нарушается их линейность.
      Приведу ещё один, феноменально непонятный пример. При глубине ОООС более 70-80 дБ уровень искажений (теоретически) вообще не позволяет говорить об их заметности, поскольку они заведомо лучше 0.001%. Однако далеко не все усилители с такими параметрами звучат одинаково хорошо. Думаю, это несоответствие и явилось формальным поводом для появления массы междометий о пользе обратной связи как таковой. Но не суть. Суть же вот в чём. Дальнейшее увеличение глубины ООС (равно как и прочие улучшения) - явно замечаются ушами, даже если искажения в десятки и сотни раз лучше теоретических возможностей слуха.

            Подходим к самому интересному.
      Известно, что провода, конденсаторы и прочие компоненты электрической схемы привносят в звук окраску. Природа этого явления плохо изучена, известно только, что эту окраску практически невозможно измерить. Так вот, экспериментально выяснено, что окраска, возникшая внутри усилителя, охваченного ООС, подавляется наравне с прочими искажениями. Окраска эта неизмерима, однако даже сильная окраска неоптимально спроектированного усилителя при глубине ООС более 95-100 дБ становится совершенно незаметной. Этот трудно поддающийся осмыслению феномен можно и нужно использовать практически. Обычные УМЗЧ не позволяют увеличить глубину ООС более 55-65 дБ, поскольку они недостаточно быстры и попытки увеличить усиление приводят к потере устойчивочти.
      Однако, если УМ спроектирован так, чтобы быть быстрым и стабильным, появляется способ радикально улучшить его звучание.


         Композитные усилители

      Способ этот заключается в присоединении дополнительного широкополосного входного каскада с усилением порядка 50-70 дБ. Композитные усилители, имеющие подобную архитектуру, имеют усиление десятки миллионов раз, и по определению очень быстры. Обратная связь в них всегда многоконтурная, усилитель как бы разбивается ей на отдельные каскады (вводятся местные ООС). Усиление распределяется по каскадам с тем расчётом, чтобы как можно большая его часть осталась на общую ООС. Каждый каскад благодаря глубоким местным ООС имеет очень малые нелинейные искажения, порядка 0.001 - 0.01 %.
      В итоге, мы как бы объединяем два изначально хороших усилителя в единый усилитель, охваченный общей обратной связью.
Общая ООС, после её включения, делает искажения неизмеримо малыми, а звучание - абсолютно достоверным.

      Композитные усилители пока не получили должного распространения ввиду сложной понимабельности и даже где-то "наукоёмкости".
Они очень критичны к стабильности исходных усилителей и параметрам цепей ООС, что делает их неудобными для поточного производства.
По состоянию на май 2015 мне удалось добиться стабильности и повторяемости композита с глубиной ООС 120 дБ. Он войдёт в состав all-in-one агрегатов - двухканального SOLO-2 и 5-ти канального ULTIMA. Эти аппараты будут экспонированы на выставке Российский Hi-End 2015 (18-21 ноября 2015г) и будут доступны к заказу в конце лета.


Ссылка на статью "ОООС на пальцах"

    
На главную

  

Содержание