Hiend Audio, DIY, Hi-Fi, Stereo, Electronics site, for lovers of high-fidelity music reproduction. High-End Vacuum Tubes. Silicon. Do-It-Yourself Audio Systems. Schematics: amplifiers, speakers, horns, CD, DAC. Circuits, Topologies, Acoustics, Cables, Speakers, Voltage Regulators, Equipment Upgrades, Modifications, Problems, Solutions, Tips, Tricks. ------ Dla pasjonatów Hiend Audio, najwyższej wierności odtwarzania muzyki na sprzęcie budowanym, modyfikowanym samemu. Wiedza: elektronika, układy lampowe i krzemowe, wzmacniacze, głośniki, kolumny, tuby, DAC, kable, DIY, porady, sztuczki, problemy, rozwiązania, tor audio.

«

»

Aug 27 2013

Print this Post

Brzydkie słowo na “S” …

… lub mówiąc inaczej:  dlaczego Ujemnego Sprzężenia Zwrotnego nigdy nie jest zbyt wiele…

 

Niniejszy tekst stanowi tłumaczenie niezwykle ciekawego artykułu Pana Bruno Putzeys:

“The F-Word  -  or, why there is no such thing as too much feedback”

“(c) Linear Audio www.linearaudio.net translated with permission”

Firma (C) Linear Audio, którą znajdziecie pod www.linearaudio.net – wyraziła zgodę na niniejsze tłumaczenie.

A więc: zaczynamy … gdzieniegdzie dorzuciłem swoje 3 grosze … w takich oto { nawiasach klamrowych } …

Ujemne Sprzężenie Zwrotne (USZ)  jest podstawowym, {dość} prozaicznym pojęciem w inżynierii {czy też w teorii sterowania}, a jednocześnie zarazem pojęciem budzącym niezwykle spolaryzowane emocje  w świecie Audio. Niektórzy mawiają iż jest ono złe, a inni zaś mówią, że nie ma w nim nic złego, dopóki nie aplikuje się go zbyt wiele.

Pan Bruno Putzeys w tej kwestii znalazł się {ze swoimi poglądami}  w obozie, w którym jest zupełnie sam, ale nie jest to dokładnie stanowisko “wypośrodkowane”.

-Co Ty { żeż najlepszego } piszesz?

- (Tutaj trzeba ostrożnie {politycznie} …) Zamierzasz popełnić artykuł wyjaśniający eeeerrr…. “kontrolę błędów” ?!

- Fuj !  “Dziesięć mitów obalonych !”   Napisane przez samego Pana Sprzężenie we własnej osobie. Albo jeszcze lepszy {durniejszy tytuł}:    “Sprzęgać, czy NIE Sprzęgać ??  { oto jest pytanie }

To musiała by być prawdziwa farsa!  Nikt by nawet nie zauważył, że pointa nadchodzi.

A tak zupełnie poważnie. Nienawidzę artykułów o tytułach typu “Dziesięć … mitów obalonych”. Musiałbym zacząć od wymienienia okrągłej liczby niezdarnie sformułowanych tez typowych dla obozu przeciwników USZ, którzy prawdopodobnie nigdy ich nie wypowiedzieli, i zestawić to z kilkami skrótami, zaczerpniętymi z książek szkolnych,  posłużyć się uproszczonymi wyjaśnieniami, aby umieścić sprawę we właściwym kontekście.  A po rozstrzelaniu, powieszeniu i upieczeniu w ogniu poglądów moich adwersarzy, że to co oni twierdzą to wcale tak nie działa ….

… zapewne zabrakło by możliwości ku uzasadnieniu – dlaczego właściwie nie.

To by pozostawiło po sobie doskonałe status quo, w którym każdy pozostanie przy swoich poglądach, a prawdy obiektywne zostaną ekstrapolowane gdzieś pośrodku.

Ja chcę jednak to zrobić lepiej. Nie jest przejawem wybitnej inteligencji, gdy się otwiera debatę wskazując na “Ekstrema” na przeciwnych biegunach całego spektrum możliwych opinii,  a następnie stworzy się jakiś wyimaginowany kompromis.

Kiedy jedna osoba mówi, że 2 + 2 = 5,  a druga osoba mówi, że 2 + 2 = 6, to wcale nie jest najrozsądniejszą strategią przyjęcie stanowiska, iż obiektywna prawda to jest: 2 + 2  = 5,5.

Tego typu podejście, pogląd, nie ma nic wspólnego z umiarkowanym czy wypośrodkowanym. W rzeczywistości są to bowiem wszystko bardzo skrajne tezy.

Nie zważając na taki fakt, iż autor niniejszego ma reputację osoby o silnych poglądach, to w niniejszym artykule nie znajdziesz żadnych takich ekstremalnych tez.

Co to jest USZ ?

Odpowiedź {książkowa} :  “Jest to topologia, w której zmuszamy wzmacniacz, aby reagował na swój własny sygnał wyjściowy, poprzez dołączenie jego części do pożądanego sygnału wejściowego  oraz do niechcianego sygnału zakłóceń..  Jeśli odpowiedź uzyskana na wyjściu w wyniku pobudzenia sygnałem zakłócającym jest mniejsza w przypadku zastosowania sprzężenia, jak bez jego zastosowania, to mamy do czynienia z USZ. ”

Poza światem audio, kwestie USZ są niezwykle wszechstronnie rozpracowane w ramach dyscypliny zwanej teorią sterowania, w której USZ jest wykorzystywane w praktycznie każdym możliwym do wyobrażenia procesie -  aby go lepiej kontrolować, lub wręcz aby umożliwić, aby ten proces pozostawał stabilny.

Narażając się na powtarzanie oczywistych oczywistości, zamieszczam poniżej uproszczony przykład pętli sprzężenia zwrotnego, którą typowo można znaleźć we wzmacniaczach audio:

F-r1

Rys. 1:  Uproszczony schemat sprzężenia zwrotnego

Na Rys. 1 oznaczenie “s” oznacza liczbę zespoloną reprezentującą częstotliwość: 2πjf

Funkcja przejścia B(s) to jest zazwyczaj stała, czyli czynnik tłumiący będący częścią pętli sprzężenia, reprezentujący wzmocnienie o wartości “1″ lub zazwyczaj mniejsze.

Niestety, nie możemy sprawić, iż funkcja przejścia A(s) elementu wzmacniającego będzie niezależna od częstotliwości.

Albowiem każdy układ fizyczny ma jakąś bezwładność. Gdybyśmy to zignorowali, to system by “przereagowywał” radykalnie każde najmniejsze odchylenie w sposób katastrofalny.

Musimy zatem “zmniejszyć” naszą początkową reakcję na występujący na wyjściu układu błąd, w przeciwnym razie musielibyśmy również traktować samą bezwładność naszego układu jako “błąd” i staralibyśmy się z nią walczyć.

Aby z kolei nie przesadzić w drugą stronę, to wcale nie jest konieczne, aby na dłuższą metę cały czas nasza reakcja była bezustannie “nieadekwatna”.

Najprostszym rozwiązaniem dla tego dylematu jest funkcja kontrolna zwana integratorem {całkująca, integrująca}.

Drugi węzeł sumujący {w naszym modelu} dodaje do sygnału wartość niepożądanego sygnału zakłócającego, reprezentowanego jako ε.

Taka reprezentacja jest poprawna, niezależnie od faktu, czy sygnał błędu ε   jest zależny od sygnału, czy też nie. Gdyby ε był zależny od sygnału, to można by rozbudować model w taki sposób, aby ten fakt odzwierciedlić, ale nie jest to konieczne, aby uzyskać podstawową wiedzę i zrozumienie w zakresie interesujących nas problemów. Na razie będziemy traktować ε tak, jakby był to całkowicie niezależny sygnał, a wrócimy do tej kwestii nieco później.

Podążając naszym tokiem rozumowania “od tyłu w kierunku do frontu” – możemy napisać równanie na wartość sygnału wyjściowego:

y = e + (y) ⋅ (x + y ⋅ B (y))

Rozwiązując to względem Y:

y   =   ( 1 / ( 1 – A(s)*B(s) ) )  * e    +    ( A(s) / ( 1 – A(s)*B(s) ) ) * x

Sygnał wyjściowy ma najwyraźniej dwie składowe: sygnał wejściowy oraz sygnał błędu, a oba są modyfikowane przez różne czynniki, które możemy tutaj wyodrębnić i nazwać jako Funkcję Transmitancji Sygnału oraz jako Funkcję Transmitancji Błędu, odpowiednio:

y = ETF(s) * e + STF(s) * x

Kamieniem węgielnym teorii USZ jest przesłanka, iż maksymalizując wartość funkcji A(s) spowodujemy, iż Funkcja Transmitancji Błędu ETF(s) dąży do zera, a Funkcja Transmitancji Sygnału będzie dążyć do wartości ( 1 / B(y) ).  Wielkość ( A(s)*B(s) ) jest nazywana “Wzmocnieniem pętli”.  Jest to bardziej precyzyjna nazwa dla określenia tego, co nazywamy luźno “ilością ujemnego sprzężenia zwrotnego”. Weźmy teraz jako przykład wzmacniacz audio wyposażony w dokładnie jeden stopień integratora (zobacz rys. 1) i wykreślić dla niego różnorodne funkcje składowe, jak na Rys. 2.

F-r2

Rys. 2:  Pętle sprzężenia wyższego rzędu

Wzmocnienie o nachyleniu zbocza 20dB/oktawę staje się czynnikiem dość ograniczającym, jeśli chcesz uzyskać naprawdę dobra jakość dźwięku.  Załóżmy, że chcemy osiągnąć 0,001% THD przy częstotliwości 20kHz, a stopień końcówki mocy w otwartej pętli generuje zniekształcenia w postaci trzeciej harmonicznej na poziomie 0,3%. Oczywistą rzeczą byłoby więc ustawić wzmocnienie pętli o wartości 300, czyli = 50dB, przy częstotliwości 3x20kHz = 60kHz. Punkt przecięcia osi poziomej (wzmocnienie o wartości “1″, które odpowiada mniej więcej pasmu częstotliwości przy zamkniętej pętli, wstępuje w okolicy 18MHz, a to by było wystarczające.Koncepcja byłaby ciekawa … o ile byłaby wykonalna.

Uprzednia Linearyzacja stopnia wyjściowego wygląda jednak tutaj o wiele bardziej obiecująco. To, co jest czasem nazywane linearyzacją, to jest naprawdę niczym innym, jak zastosowaniem jakiejś formy lokalnego sprzężenia zwrotnego.

Rys. 2: Relacje między wzmocnieniem oraz funkcjami przejścia w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego

F-r3

Rys. 3:   “Linearyzacja” stopnia wyjściowego

To co przedstawiono na Rys. 3. to jest tak zwana “zagnieżdżona pętla”. Dla uproszczenia poczyniłem założenie, iż budujemy wzmacniacz o wzmocnieniu przy zamkniętej pętli sprzężenia równym “1″ oraz że stosujemy dwa bloki sterujące, składające się z “idealnych” integratorów, to znaczy ich pasmo przenoszenia cechuje się nachyleniem o wartości 20dB/dekadę, oraz że ta właściwość się konsekwentnie rozciąga aż po prąd stały DC. Gdy już raz “wyczujemy” o co w tym ogólnie chodzi, to w ramach uszczegółowienia będziemy mogli sobie wstawić dokładniejsze reprezentacje funkcji transferu.

Tak więc A/s oraz B/s to są funkcje integrujące, przy czym stałe czynniki A oraz B stanowią dwu-krotność swoich stosownych iloczynów Wzmocnienie x Szerokość Pasma.

Częstotliwość wzmocnienia jednostkowego dla globalnej pętli byłaby ustawiona znacznie poniżej szerokości pasma dla zamkniętej lokalnej pętli. W tym konkretnym przypadku oznacza to po prostu, że A jest wielokrotnie mniejsze od B.

Możemy opisać nasz system jako:

y = e + (B/s) * (A/s) *(x-y) -y)

Rozwiązując to względem y:

y = x * ( AB / ( s*s + B * s + AB ) ) + e * ( s*s / ( s*s + B * s + AB ) )

Nie zastanawiając się nad tym zbytnio – właśnie stworzyliśmy pętlę sprzężenia zwrotnego drugiego rzędu, o zachowaniu podobnym do tego przedstawionego na Rys. 4).

F-r4

Rys. 4:  Funkcje pętli z dodatkową “linearyzacją” stopnia wyjściowego

Dla niskich częstotliwości (pamiętaj, s = 2πjf), to, co pozostaje z tego sygnału błędu, jest teraz wprost proporcjonalne do kwadratu częstotliwości. Dla każdego zmniejszenia częstotliwości do połowy, zniekształcenia spadną czterokrotnie. Normalny trójstopniowy wzmacniacz z lokalną pętlą wokół końcówki mocy byłby odpowiednią realizacją dla tej koncepcji.  Należy pamiętać, że ETF(s) pokazuje tutaj tylko to, co się dzieje ze zniekształceniami wywodzącymi się z samego stopnia mocy.  Błędy z poza pętli lokalnej stopnia mocy są poprawiane jedynie przez czynnik A/s, a błędy z poza globalnej pętli sprzężenia – nie są korygowane w ogóle.

Innym sposobem konstruowania pętli większego rzędu jest utworzenie kaskady składającej się z kilku stopni. Jest taka stara plotka o konstruowaniu wzmacniaczy zbudowanych z kaskady złożonej z kilku stopni, celem uzyskania gigantycznego wzmocnienia, a następnie zastosowanie kompensacji na bij zabij, aby tylko zapewnić, czy raczej przywrócić im stabilność pracy. Wartość niezbędnego ku temu kondensatora kompensacyjnego jest wtenczas tak wielka, iż wtenczas pozostajemy bez jakiejkolwiek rezerwy na “slew rate”, czyli na prędkość narastania zbocza. Ale sprawa wygląda nieco subtelniej. Takie załatwienie sprawy daje w rezultacie całkowicie normalną pętlę sprzężenia pierwszego rzędu, z normalnymi prędkościami narastania zbocza. aczkolwiek z fenomenalnie poprawionym wzmocnieniem w zakresie częstotliwości 0,01Hz, jeśli mięlibyśmy taką fantazję.

Jest to po prostu zupełnie inny, aczkolwiek równie nieskuteczny sposób budowania czegoś tak imponująco skomplikowanego, że sama okoliczność, iż udałoby nam się spowodować, że to w ogóle zadziała sprawiłaby, iż poczujemy się niesłychanie przyjemnie, ciepło i wewnętrznie ukontentowani.

Uzyskanie korzystniejszego wzmocnienia pętli w ramach kaskady stopni integrujących uzyskuje się w taki oto sposób: (Rys. 5):

F-r5

Rys. 5: Kaskadowe zestawienie integratorów dla poprawy wzmocnienia pętli

Każdy pośredni wynik jest podawany dalej do przodu, do węzła sumującego znajdującego się znajdującego się przed źródłem błędu. Nie stosuje się tutaj żadnej pętli lokalnej wokół końcówki mocy. Jest tutaj jedynie jedna globalna pętla. Algebraicznie, to ta pętla robi takie coś:

y = e + ( A/s + AB/(s*s) ) * (x – y )

Rozwiązując względem y:

y = x * ( AB + B*s ) / (s*s + B*s + AB )   +   e * (s*s) / (s*s + B*s + AB )

Porównaj teraz ten wynik z wynikiem jaki uzyskaliśmy wcześniej dla przypadku zagnieżdżonych pętli (równanie 1). Funkcja Transmitancji Sygnału jest nieco inna, lecz Funkcja Transmitancji Błędu jest dokładnie taka sama.  Z punktu widzenia zniekształceń, nie ma tutaj jakiejkolwiek różnicy

pomiędzy jedną “macho” pętlą sprzężenia zwrotnego, a lokalną pętlą sprzężenia zwrotnego z nieco prostszą pętlą globalnego sprzężenia wokół niej. A zatem projektanci, którzy zamierzają użyć “głównie lokalnego sprzężenia zwrotnego, z jedynie niewielką ilością globalnego sprzężenia zwrotnego” .. pracują pod jedną wielką iluzją. To nie ma jakiegokolwiek znaczenia. Czy zdecydujesz się na użycie pętli zagnieżdżonych, czy też raczej na globalne sprzężenie zwrotne – zależy od innych uwarunkowań praktycznych, ale nie ma to jakiegokolwiek wpływu na wszystko to, co dotyczy tematu rzeczywistej jakości dźwięku.

Trzeba dodać tutaj może, że ta kaskadowa, czy raczej ta wersja ze “zmiennymi stanami” nie nadaje się do adaptacji czy dostosowania do przypadku trójstopniowego układu wzmacniacza. Pętla drugiego rzędu jest realizowana jako sieć typu CRC w formie litery “T” czyli w formie układu kompensacyjnego. Niech C będzie o wartości dwukrotnie większej jak wartość kondensatora kompensacyjnego, który zastępujesz, a rezystor R (odniesiony jako bocznik do masy) dobierz o wartości tak niskiej, jak to tylko jest możliwe, aby zachować stabilność.

Alternatywna strategia redukcji zniekształceń nazywana jest “korektą błędów”. Tutaj się robi rzecz następującą: pomiar różnicy między oczekiwaną wartością na wyjściu (czyli wartością wejścia) oraz faktyczną wartością na wyjściu, a następnie odejmowanie tej wartości od sygnału na wejściu (Rys. 6).

Intuicyjnie to powinno nam zadziałać idealne, ale musimy pamiętać, że stopień mocy nie jest nieskończenie szybki. Posiada inercję. Dla uproszczenia modelowania, stopnie mocy są przedstawiane jako nic innego jak punkt sumacyjny oraz źródło zniekształceń, ale w rzeczywistości sygnał korekcyjny, jaki jest z takiej kombinacji doprowadzany z powrotem do wejścia układau nie powoduje natychmiastowej zmiany na wyjściu układu. Brak stosownej korekty na wyjściu ujawnił by się więc jako jeszcze większy błąd pomiaru i spowodowałby jeszcze silniejszy impuls korekcyjny. Aby temu zapobiec, pętla korekcji błędu jest wyposażona w filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej równej B / (2π)

 

F-r6

Rys. 6:  System korekcji błędów

Przepisanie rysunku jak wyżej w sposób algebraiczny daje

y  = e – B / (s+B) * e  + A/s (x-y)

Rozwiązanie powyższego względem y daje nam :

y = (s*s) / (s*s + (A+B)*s +AB) * e + A / (s+A) * x

Funkcja Transmitancji Sygnału zależy teraz już tylko od A, natomiast Funkcja Transmitancji Błędu jest nieco inna w formie, ale znowu mamy tutaj funkcję drugiego rzędu, zawierającą w liczniku jedynie czynnik s*s.  Korekcja błędów tutaj nie różni się zasadniczo od tej jaka występuje w zwykłej pętli. Dodaje jedynie kolejny “rząd” w ramach pętli wzmocnienia, w taki sam sposób, jak to wcześniej się stało przy zastosowaniu lokalnego sprzężenia zwrotnego. Zatem wybór jednej z tych opcji wynika z kwestii raczej układowych i praktycznych, takich jak np. prostota obwodu, ale na pewno nie ma jakiegokolwiek związku z jakością dźwięku. Nie ma powodu, aby oczekiwać, iż wzmacniacz, który używa tej techniki, miałby brzmieć inaczej od jakiegokolwiek innego wzmacniacza, w którym stosuje się podobne wzmocnienie pętli przy użyciu globalnego sprzężenia lub przy użyciu zagnieżdżonej pętli.

Kontrowersje

Teoria sterowania jest podstawowym i standardowym elementem studiów inżynierskich: Skuteczność USZ w zakresie utrzymania myśliwców bojowych w powietrzu, promów na morzu,  czy też powstrzymywaniem elektrowni jądrowych przed wybuchaniem.  Takie zastosowania USZ jakoś nigdy nie stały się przedmiotem licznych kontrowersji. Jakoś tylko w światku audio użyteczność USZ jest kontestowana i ożywia gorącą debatę, w której to krytycy mówią, że poprawne wynik pomiarów osiągane w układach bez sprzężenia zwrotnego brzmią o wiele lepiej niż doskonałe wyniki pomiarów, uzyskiwane dzięki zastosowaniu sprzężenia zwrotnego.  Zwolennicy z kolei będą twierdzić, iż nie ma nic złego w modyfikowaniu dobrego wzmacniacza zapięcia wokół niego pętli USZ, o ile tylko nie zastosujemy tego USZ w nadmiarze, o ile nie “przesadzimy”.

Ale co to znaczy pojęcie: “wzmacniacz z olbrzymią ilością sprzężenia” ?  Co to znaczy “powolny” czy też  “szybki” ?
Osobliwe w tej całej dyskusji jest mieszanie pojęć, swoisty gulasz z termologii technicznej, pomieszanej ze świeckimi pojęciami takimi jak “prędkość”, pasmo przenoszenia w otwartej pętli, iloczyn wzmocnienie-częstotliwość graniczna (ang. Gain-Bandwidth Product, GBP), wielkość wzmocnienia, wielkość wzmocnienia w pętli, a to wszystko razem wymieszane do postaci pełnej dysonansów papki semantycznej  {smacznego !}

Pasmo przenoszenia w otwartej pętli jako miara “szybkości”

Najbardziej pouczające jest wyrażenie typu:  “powolny wzmacniacz o wielkim sprzężeniu”. Przetłumaczone na język techniczny mogło by to oznaczać wzmacniacz, nazwijmy to np. Wzmak X, o charakterystykach wzmocnienia w pętli otwartej oraz w pętli zamkniętej, jak przedstawiono na rysunku 7.

F-r7

Rys. 7:  Wzmacniacz “X” jest “powolnym wzmacniaczem z dużą ilością sprzężenia zwrotnego”

Wykres naszkicowany cieńszą kreską na rysunku 7 stanowi reprezentację wzmocnienia osiąganego w otwartej pętli  A(s). Przedstawia on jak wyglądało by wzmocnienie tego wzmacniacza, w funkcji częstotliwości, gdyby pozostawić pętlę otwartą i nie stosować jakiegokolwiek sprzężenia zwrotnego. Pasmo przenoszenia takiego wzmacniacza wynosiłoby mniej niż 10 Hz, stąd też określenie “powolny”. Z kolei określenie “duża ilość sprzężenia” odnosi się do faktu, iż dzięki zamknięci pętli sprzężenia zwrotnego, wzmocnienie tego wzmacniacza spada w dół o całe 100dB. W zamkniętej pętli wzmocnienie wynosi niemal  1/ B(s).  Jako że  B(s)=0,1, więc mamy tutaj do czynienia ze wzmacniaczem o wzmocnieniu równym 10. Natomiast
różnica pomiędzy wzmocnieniem w otwartej pętli a  wzmocnieniem osiąganym w zamkniętej pętli w znacznej mierze pokrywa się z wartością wzmocnienia pętli, określanego jako A(s) * B(s).

Zważając na powyższe, bardzo łatwo jest teraz zrozumieć, jak taki merytoryczny sposób myślenia sprawia, że ​​wielu czytelników czuje się nieswojo w tej kwestii. No bo toż to intuicyjnie brzmi mniej więcej analogicznie do sytuacji, w której z {upartego} osła robimy bardzo szybkiego konia wyścigowego, a to za sprawą prostego zabiegu, polegającego na zapętleniu jego ogona do jego pyska.

Dla kontrastu, wzmacniacz Y (Rys. 8) to jest  “szybki wzmacniacz z małą wartością USZ”. Nawet zupełnie bez sprzężenia zwrotnego jest on w stanie obsłużyć pasmo aż do pełnych 20kHz,  więc “nie potrzeba zbyt wielkiej wartości sprzężenia, aby uzyskać szerokie pasmo przenoszenia”.

F-r8

Rys. 8:  Wzmacniacz “Y” jest “szybkim wzmacniaczem o niewielkiej ilości sprzężenia zwrotnego”

Stąd też, w wyniku czytania tego typu opinii, często spotykamy się z (fałszywym) przekonaniem
iż szybkość wzmacniacza jest uzależniona od szerokości przenoszonego przezeń pasma w otwartej pętli.
Semantyka może być jednak wyjuątkowo zdradliwa. Albowiem “prędkość” – o ile w ogóle w ogóle, to jest pojęcie związane z domeną czasu. Aby zatem określić, który z tych dwóch wzmacniaczy jest “szybszy” – to logicznym jest, iż powinniśmy raczej patrzeć na ich osiągi zobrazowane w domenie “czasu”. Weźmy dla przykładu funkcję skoku jednostkowego.

Cztery wykresy na rysunku nr 9 pokazują sygnały na wyjściu każdego ze wzmacniaczy X oraz Y, w odpowiedzi na skok jednostkowy napięcia o 10mV. Raz są przedstawione z zapiętym sprzężeniem zwrotnym, a raz bez.

F-r9

Rys. 9: Wykresy odpowiedzi impulsowej wzmacniaczy X (ciemne linie) oraz Y (jaśniejsze linie) w domenie czasu, przy otwartej (górne linie) oraz zamkniętej (dolne linie) pętli sprzężenia zwrotnego.

W otwartej pętli (górne krzywe), Wzmacniacz X daje w wyniku linię prosta, w odpowiedzi na
stałe napięcie wejściowe. Natomiast wzmacniacz Y daje w wyniku odpowiedź, która początkowo ma takie samo początkowe nachylenie, ale zaczyna się stopniowo wypłaszczać, stabilizować asymptotycznie w kierunku napięcia o stałej wartości, które jest poza skalą niniejszego wykresu, (około 1.7V), co następuje gdzieś tak po około 100μs lub jakoś tak. Faktycznie, Wzmacniacz X zacznie robić to samo, czyli tak samo zacznie się wypłaszczać, ale początek tego zjawiska rozpocznie się gdy osiągnie napięcie około 10 000 Volt, co nastąpi po około jednej sekundzie. Tak by się stało, gdyby jego szyny zasilające mu na to pozwoliły.

Patrząc z kolei na odpowiedź impulsową w ramach zamkniętej pętli (te krzywe poniżej), wyraźnie widać, iż te wzmacniacze się zachowują prawie identyczne, początkowo startują w zasadzie  dokładnie tak samo szybko, czyli dokładnie tak, jak w przypadku odpowiedzi impulsowej w otwartej pętli. Jedyną tutaj różnicą jest to, że wzmacniacz Y w pewnym momencie stwierdza, że jest już “wystarczająco blisko” wartości docelowej i zaczyna wypłaszczać, podczas gdy wzmacniacz  X taki pogląd przejawia minimalnie ciut wyżej. Obydwa wzmacniacze są w zasadzie tak samo “szybkie”, niezależnie czy z zapiętym sprzężeniem zwrotnym, czy też bez zapiętego sprzężenia zwrotnego.

Tak więc wracając do naszej metafory:  wcale nie zamieniliśmy upartego osła na konia wyścigowego. Ten osioł już od zarania był koniem wyścigowym.

Jedyną rzeczą, jaką nam załatwia “zapięcie” pętli sprzężenia, to jest posadzenie w siodle jockey’a, który koniowi powie, kiedy ma już przestać gonić.

“Szybki” to tak naprawdę oznacza … jak szybko dobiegnie na miejsce.  Natomiast wzmocnienie wzmacniacza mierzone w otwartej pętli to mówi nam jedynie o tym, jak daleko ten koń jest gotów biec samoistnie, zanim ktoś mu nie powie, iż to już jest najwyższa pora, żeby się zatrzymać.

To samo widzimy, i niejako potwierdza się, po nałożeniu wykresów wzmocnienia wzmacniaczy X oraz Y. Patrz rysunek 10.

F-r10

Rys. 10:   Wykresy wzmocnienia dla wzmacniaczy X oraz Y

Jeśli jesteś przyzwyczajony do żonglowania wykresami Bodego oraz wykresami uzyskiwanymi na oscyloskopie, tak jak ja, to prawdopodobnie masz taki zwyczaj, że patrzysz na prawą stronę wykresu jednego z nich, aby stwierdzić, co zrobi lewa strona tego drugiego i wice wersa.
Podobnie jak cztery wykresy pokrywały się z lewej strony w domenie czasu, tak samo możemy oczekiwać, że tutaj pokryją się po prawej stronie – na wykresie Bodego w domenie częstotliwości.

Wzmocnienie otwartej pętli nie stanowi jakiegokolwiek indykatora “prędkości” i i nic nam nie mówi o jakości zachowania układu ze sprzężeniem zwrotnym. Zniekształcenia, jakie mamy nadzieję zniwelować, stłumić, za pomocą sprzężenia, występują w zakresie częstotliwości audio, a więc to co się naprawdę liczy to jest wzmocnienie pętli przy częstotliwościach audio.

Jeśli przy niektórych, nieprawdopodobnie niskich częstotliwościach jest ono znacznie wyższe, to nas to nie za bardzo interesuje. Jeżeli natomiast na drugim końcu spektrum częstotliwości audio jest ono zbyt małe – wtenaczas mamy czym się martwić.

Iloczyn Wzmocnienie x Szerokość Pasma jako miara “prędkości”

Wszystkie wzmacniacze trójstopniowe mają jedną oczywistą wspólną cechę: ich wzmocnienie w pętli spada z prędkością 20dB na dekadę . Odnosząc się do rysunku 1, to jest rola stopnia transimpedancji. Jeśli spojrzymy na wykresy odpowiedzi impulsowej przedstawionej na rysunku 9:  Co mogło by spowodować, że te wzmacniacze będą reagować szybciej ? Oczywiście, było by to przesunięcie asymptoty 20dB/decadę w kierunku w prawo.  Ale czyż nie jest to równorzędne z przesunięciem tej asymptoty również do góry ?  Ależ oczywiście, mój drogi Watsonie !  Jeśli chemy “przyśpieszyć”  wzmacniacz, to musimy podwyższyć wzmocnienie na całej długości tej właśnie asymptoty. Szybszy wzmacniacz to jest po prostu taki wzmacniacz, który ma większą wartość wzmocnienia pętli przy wysokich częstotliwościach, co w większości przypadków oznacza większe wzmocnienie pętli wskroś całego pasma audio. A zatem również vice versa:  Jedynym sposobem na uzyskanie “większego sprzężenia” w ramach trójstopniowego wzmacniacza jest spowodowanie, aby ten wzmacniacz był “szybszy”.

Fizyczna implementacja takiej koncepcji odbywa się poprzez zmniejszenie wartości kondensatora kompensacyjnego. Ale niestety, nie możemy tego tak po prostu bezkarnie zrobić.

Zarówno stopień wejściowy jak i wyjściowy to są filtry dolnoprzepustowe. Teoria sterowania mówi nam, że dodatkowe przesunięcie fazy spowoduje iż cała pętla stanie się niestabilna, jeśli jest wartość wzmocnienia będzie zbyt duża, więc musimy ustawić wzmocnienie pętli w taki sposób, aby stało się ono mniejsze od wartości 1 jeszcze znacznie poniżej częstotliwości granicznych zarówno stopnia wejściowego, jak i stopnia wyjściowego.

Pasmo przenoszenia stopnia wejściowego oraz stopnia wyjściowego ogranicza częstotliwość wzmocnienia jednostkowego, a tym samym również ogranicza wartość wzmocnienia pętli.

Ja celowo tutaj posługuję się pewnymi uproszczeniami – odsyłam Was tutaj do dowolnej z doskonałych książek na temat wzmacniaczy mocy dwóch głównych autorów piszących o tej materii, lub do każdego innego dobrego podręcznika dotyczącego teorii sterowania. Tam znajdziecie więcej szczegółów. Natomiast tak w skrócie: Jeśli wszystkie inne parametry pozostają porównywalne, to “szybciej” oznacza “większe wzmocnienie pętli”.

Dlaczego tak się stało ?

Nie wiem dokładnie, od kiedy USZ do zastosowań we wzmacniaczach audio stało się problemem, rozdmuchanym do wielkości takiej, jakim ten problem jest obecnie. Jest jednak pewna konwergencja “wątków”, czy raczej “przypowieści”,  w tym zakresie.

Przypowieść 1 :  TIM

W 1970 roku , Otala zidentyfikował kontrowersyjne pojęcie TID: Transient Intermodulation Distortion (~ zniekształcenia intermodulacyjne odpowiedzi impulsowej)  – dość fantazyjnie określenie opisujące zniekształecnia będące skutkiem Slew rate Induced Distortion, czyli SID (~zniekształcenia związane z ograniczoną prędkością czasu narastania impulsu).  Jest to mała Chihuahua w porównaniu  do Bullmastiff’a w postaci SID, więc upewnijmy się najpierw, iż dobrze rozumiemy ten drugi problem.

Ograniczenie w szybkości narastania impulsu oznacza, że ​​wzmacniacz staje wobec konieczności odtworzenia sygnału o bardzo gwałtownie zmieniających się wartościach chwilowych sygnału, o bardzo dużej szybkości zmian napięcia tego sygnału – ale nie nadąża.  Albowiem maksymalna szybkość zmian, jaką może wyprodukować, jest zależna od prądu, jaki jest dostępny dla celów ładowania lub rozładowania kondensatora kompensacyjnego.  Prąd ten jest dostarczany przez stopień wejściowy, a jego maksymalna wartość jest ustalana przez wartość rezystora w ogonie pary tranzystorów wzmacniacza różnicowego. Kiedy wymagane jest szybsze tempo zmian, wtenczas stopień wejściowy staje się przeciążony i zupełnie nie reaguje na jakiekolwiek “większe” zmiany. W tym momencie następuje załamanie działania całej pętli USZ i nie jest ona już w stanie dalej kontrolować pracy wzmacniacza.

Coś podobnego, choć znacznie bardziej subtelnego, dzieje się już przy niższych prędkościach zmian sygnału. Rysunek 2 przedstawia informacje oraz uwagi, że zakłócenia pojawiają się jako napięcie błędu wskroś wejścia różnicowego na wejściu wzmacniacza. Ponownie okazuje się, że pętla sprzężenia zwrotnego jest bezsilna. Dodaj zniekształcenia stopnia wejściowego do
naszego poprzedni schematu, a otrzymamy rysunek 11 .

F-r11

Rys. 11:   Dodajemy do modelu sygnał błędu stopnia wejściowego

Po chwili refleksji, zdajemy sobie sprawę, że nieliniowa część Vdiff jest jedynie kolejnym źródłem sygnału, sygnału błędu, jaki jest “dodawany” do źródłowego sygnału wejściowego w ramach wejścia różnicowego wzmacniacza. To jest bardzo zła informacja. Błąd po prostu dodaje się do sygnału wejściowego {i staje się od niego nierozróżnialny}. Sprzężenie zwrotne, nie widzi albowiem jakiejkolwiek różnicy pomiędzy porządanym sygnałem wejściowym “x”, a  niepożądanym sygnałem błędu ε. Natomiast jasno z tego widać, iż fizyczne “źródło” zniekształeceń typu SID znajduje się poza pętlą sprzężenia zwrotnego!

To przeczy wcześniejszej tezie, że “Zniekształcenia TIM są powodowane przez wykorzystanie USZ”.
Jeśli jest jakakolwiek zależność, to musi ona wynikać z określonych zachowań będących skutkiem określonego sposobu implementacji układu. Natomiast dla danego iloczynu wzmocnienia i pasma przenoszenia, GBW, szybkość narastania napięcia sygnału jest wielkością stałą, a poziom zniekształceń SID można dokładnie oszacować, na podstawie ilorazu aktualnej szybkości zmian względem maksymalnej możliwej szybkości zmian. Nic innego nie zmniejszy zniekształceń typu SID, jak poprawa topologii obwodu.

Niestety, w “tamtych czasach” wielu teoretyków nie zauważało tej warunkowości zawartej w zdaniu wcześniejszym i zaczął się wyścig szczurów w zakresie Szybkości narastania odpowiedzi impulsowej, a wyznawcy tego nurtu po dziś dzień uważają, iż szybkie tempo narastania odpowiedzi impulsowej jest jedynym najważniejszym parametrem, z którego można wyrokować o jakości dźwięku wzmacniacza, a zatem iż ta wartość nigdy nie jest wystarczająco wysoka.

To ironiczne, że panująca w tamtych czasach przeważająca opinia (a dla niektórych jest ona obowiązująca również i dzisiaj) iż im więcej sprzężenia, tym więcej zniekształceń TIM.

Natomiast SID jest odwrotnie proporcjonalny do trzeciej potęgi szybkości narastania napięcia wyjściowego, a co za tym idzie – do iloczynu wzmocnienie x pasmo przenoszenia (GBW).

Zatem {ironicznie}, dokładnie to, co pozwala zwiększyć wzmocnienie pętli skutkuje natychmiastowym i olbrzymim spadkiem mierzonych zakłóceń TIM.

Cóż za kardynalne niedopatrzenie może wyjaśnić, w jaki to sposób skądinąd inteligentni ludzie dochodzą do fałszywego przekonania, że jest dokładnie odwrotnie w rzeczywistości?

Myślę, że dwie rzeczy musiały się tutaj zejść razem. Po pierwsze: zamieszanie wynikające z faktu, co to tak naprawdę znaczy “dużo ” lub ” mniej” USZ (patrz wcześniejszy wywód). Po drugie, powodem mogły być rezultaty pomiarów, rzeczywiste wyniki praktycznych eksperymentów, które doprowadziły do stwierdzenia niższych wartości TIM po zastosowaniu niższych wartości sprzężenia zwrotnego. Rzeczywiście, te niefortunne eksperymenty prowadzone w latach 70′tych sugerowały takie wyniki. Kluczem jest natomiast, JAK te eksperymenty były przeprowadzane. Jeden taki eksperyment mogłem akurat prześledzić. Bazował on na wariancie, polegającym na wprowadzeniu degeneracji emiterowej w ramach pary tranzystorów różnicowych wzmacniacza wejściowego, poprzez umieszczenie rezystorów szeregowo z emiterem każdego z tranzystorów z pary wejściowej. Takie działanie to jest  faktycznie formą lokalnego sprzężenia zwrotnego i najpewniejszy sposób na zmniejszenie transkonduktancji stopnia wejściowego.

F-r12

Rys. 12:   Degeneracja różnicowej pary stopnia wejściowego

Na rys. 12, ten blado-szary wykres pokazuje pierwotną odpowiedź impulsową uzyskaną w ramach tego stopnia. Po wprowadzeniu natomiast degeneracji, o wartości współczynnika równej
10 , uzyskuje się odpowiedź tak jak przedstawia to ten drugi wykres, wąska czarna kreska.  Jednakże to byłoby jednak jest dość bezcelowe, aby pozwolić, aby częstotliwość wzmocnienia jednostkowego spadła dziesięciokrotnie, jako że wzmacniacz w tej nowej sytuacji pozostanie stabilny nawet w sytuacji, gdy wartość kondensatora kompensacyjnego C będzie dziesięciokrotnie mniejsza, niż poprzednio.

Cała krzywa wykresu przesuwa się teraz o całą dekadę w prawo, a to pozwala skutecznie przesunąć podbić wzmocnienie pętli dla wysokich częstotliwości z powrotem do góry o 20dB ( przebieg nr. 3). A zatem, w końcu, tylko wzmocnienie pętli dla prądu stałego poleciało o 20dB w dół, ale poza tym to niewiele więcej się zmieniło. Dla większości zakresu częstotliwości pasma audio, przebiegi oznaczone numerem 1 oraz 3 w znakomitej większości się dokładnie pokrywają.

Ale co się jeszcze tutaj zadziało ? Degeneracja pary wejściowej skutkuje też inną konsekwencją: Nieliniowość tranzystorów wejściowych  jest teraz znacznie zredukowana ( Rys. 13) !

F-r13

Rys. 13:  Odpowiedź impulsowa wejściowej pary różnicowej: bez degeneracji ( przebieg ciemny), oraz z zastosowaniem degeneracji (przebieg jasnoszary)

Lecz w jakim stopniu ? No cóż, po zmniejszeniu wartości kondensatora C około 10 krotnie, ta sama prędkość zmiany sygnału wymaga teraz zaledwie jednej dziesiątej tego prądu, co poprzednio. Zmniejszenie wartości prądu 10-krotnie zmniejszy 3-cią harmoniczną napięcia Vdiff o współczynnik 1000, a piątą harmoniczną zmniejszy aż sto tysięcy razy. Wzmocnienie pętli zasadniczo nie uległo zmianie, ale zniekształcenia SID zostały praktycznie całkowicie wyeliminowane.

Poprawa walorów odsłuchowych “audio” musiała być zatem spektakularna, … ale przecież wyraźnie nie można tego sukcesu przypisać zmniejszeniu wartości ujemnego sprzężenia zwrotnego, no bo przecież w ogóle nie zmienialiśmy wartości tego sprzężenia !!!

Większość ludzi już wie, że degeneracja stopnia wejściowego jest uznaną metodą pozbycia
się zniekształceń SID. Jako że zniekształcenia SID mogą zostać wyeliminowane w sposób niezależny od kwesti USZ, zatem nie ma podstawy twierdzenie o istnieniu związku przyczynowo-skutkowego pomiędzy nimi.  Eksperyment był ogromnym sukcesem,  ale wnioski jakie wyciągnięto z poczynionych obserwacji były nieprawidłowe. Prawidłowa konkluzja natomiast brzmi następująco: Zniekształcenia SID można wyeliminować bez ingerowania we wzmocnienie pętli, więc wzmocnienie pętli nie jest genezą, czy przyczyną, powstawania zniekształceń SID. SID jest rezultatem niczego innego, jak błędnie zaprojektowanej topologii obwodu. Prosta i oczywista sprawa, a wprowadzenie degeneracji emiterowej stopnia wejściowego stanowi metodę na naprawienie tej przypadłości.

Drugi etap omawianego eksperymentu polegał na umieszczeniu rezystora równolegle do kondensatora kompensacyjnego C, dzięki czemu uzyskano zmniejszenie przyrostu wzmocnienia dla DC i zrównanie tego wzmocnienia do tej samej wartości, jaka występuje przy  20kHz ( rys. 12 , przebieg 4) .

Test był wykonywany na wzmacniaczu o topologii złożonej kaskody, która umożliwiała zastosowanie takiego podejścia. W ten oto sposób, wzmocnienie pętli zostało zaiste obniżone wskroś całego zakresu pasma przenoszenia audio. Przypuszczam, że jako iż zniekształcenia tego wzmacniacza wcale nie była nieznaczna, to spowodowanie, iż one staną się “wyrównane” wskroś całego pasma częstotliwości audio sprawiło, iż o wiele łatwiej “prześlizgnęły” się pod radarem subiektywnych percepcji psychoakustycznych. Moje własne subiektywne doświadczenia to potwierdzają. Dla moich uszu, wzmacniacze z normalnym spadkiem wzmocnienia rządu 20dB/dekadę, ale których zniekształcenia na końcu pasma nie są pomijalne, zachowują się tak, jak gdyby miały “szkliste” brzmienie tonów średnich, oraz jakieś takie obrazowanie stereo typu “super-glue” (polska kropelka, czyli klej cyjanoakrylowy ??), tak jak to określił znany autor K.K. dające wrażenie iluzji “sensacyjności”, nienaturalnie sztywnych i kontrolowanych do niemożliwości basów. Niektórzy uwielbiają takie brzmienie i dołączyli do   subkultury zwolenników bardzo silnych, wypasionych wzmacniaczy. Ja do tej grupy nie należę, a stając wobec konieczności dokonania wyboru – wybiorę wariant o wyższej wartości zniekształceń, ale za to takich, które są równomiernie rozłożone wskroś całego pasma częśtotliwości.

Czwarty etap jest również bardzo ważny dla naszej historii: podejście polegające na całkowitym wyeliminowaniu sprzężenia zwrotnego, oraz na ustawianiu poziomu wzmocnienia używając jedynie metody degeneracji emiterowej dla stopnia wejściowego oraz rezystora zamiast kondensatora kompensacyjnego. Istnieje kilka wzmacniaczy, które są dostępne w handlu, pracujących w klasie A, które są nadal wykonywane w ten sposób.

Słyszałem , że ta ostatnia zmiana to była trochę taką Epifanią {Świętem Trzech Króli ?). Nie ma tutaj żadnej dyskusji: wzmocnienie pętli zostało tutaj zredukowane z wartości około 26dB (przy 20kHz ) do wartości “wcale”. W odróżnieniu od pierwszego etapu , tutaj rzeczywiście wskazujemy na coś, na zależność pomiędzy wartością wzmocnienia pętli, a postrzeganą jakością dźwięku . Tutaj zaiste coś ciekawego się dzieje.

 

Przypowieść 2 :  Zniekształcenia tytułem “Ponownego wprowadzania”

Tak jak wspominałem wcześniej, błąd zawarty w sygnale jest funkcją amplitudy tego sygnału. W roku 1978 Pan Baxandall zauważył, że USZ wprowadzane wokół prostych nieliniowości tworzy zupełnie nowe składowe komponenty zniekształceń , takie, których w tym sygnale w ogóle wcześniej nie było (Rys. 14).

F-r14

Rys. 14:  Rozkład widmowy z wyjścia układu z rysunku 15, w funkcji A(dB).
Od góry do dołu : Częstotliwość podstawowa , 2. harmoniczna, 3. harmoniczna, … itd.

Wszelkie próby rozwiązania w sposób analityczny problemu integratora, który jest zapięty pętlą USZ, w którym występują uzależnioną od poziomu sygnału składową błędu jest po prostu niemożliwością. Równania różniczkowe zawierające komponenty nieliniowe po prostu nie mają żadnych rozwiązań algebraicznych. Na szczęście możemy jednak uzyskać jakościowe zrozumienie tej tematyki, patrząc na tę kwestię jedynie przy bardzo niskich częstotliwościach, czyli w tym obszarze, gdzie wzmocnienie jest stałe.

Wyobraźmy sobie mocną nieliniowość, ale wyłącznie drugiego rzędu, oraz pętlę USZ zawiniętą wokół tego. (Rys. 15). Nieliniowość jest paraboliczna. Jak tylko zamkniemy pętlę sprzężenia, to stworzymy coś, co nie jest ani parabolą, ani linią prostą. W rzeczywistości będzie to krzywa zawierająca w sobie komponenty opisane pierwiastkiem kwadratowy. To z kolei, jak wiadomo, rozwija się na szereg nieskończony, który zawiera zarówno komponenty parzyste, jak i nieparzyste. Kreśląc poziom dystrybucji składowych harmonicznych w funkcji poziomu wzmocnienia pętli, uzykskamy wykresy takie jak uzyskał Baxandall - patrz Rys. 14.

F-r15

Rys. 15:   Wyłącznie drugorzędowa nieliniowość wprowadzona do pętli USZ

Zapomnij więc te stare opowieści, które wieszczą, iż harmoniczne drugiego rzędu są niesłyszalne i niegrożne, gdyż nie jest to po prostu prawda.  Składowe parzyste produkują zniekształcenia IMD, które następnie zamulają cały dolny koniec pasma częstotliwości.Tym niemniej nie można wątpić, iż wyższe harmoniczne są zarówno bardziej “słyszalne”, jak również zdecydowanie bardziej irytujące. Ten wykres, uzyskany metodami matematycznymi, potwierdza dokładnie to, co eksperymentatorzy stwierdzili empirycznie: jeśli weźmiesz dość przyzwoicie brzmiący wzmacniacz, pracujący bez sprzężenia zwrotnego i dodacie do niego USZ, to zabrzmi on nieco bardziej “otwarcie” w paśmie najniższych częstotliwości, ale jednocześnie w pozostałych aspektach brzmienie będzie bardziej nieprzyjemne. Tendencja taka utrzyma się co najmniej przez pierwsze 10 dB, do 20dB, wzmocnienia pętli, więc najwyraźniej staniemy wobec dylematu, przed wyborem pomiędzy czymś co można nazwać “muzykalnością”, a czymś co możemy nazwać “precyzją” – z braku lepszego określenia.  Problem polega tutaj na tym, że takie eksperymenty odsłuchowe są z konieczności prowadzone na wzmacniaczach które są “płaskie” zaś do nawet 20 kHz, nawet przy otwartej pętli sprzężenia, zazwyczaj wzmacniaczach lampowych.

Wzmacniacz lampowy, który ma płaską odpowiedź w zakresie od 20Hz do 20kHz, posiada prawdopodobnie bardzo niekontrolowany wykwit biegunów tuż poza granicą pasma częstotliwości audio i i będzie niestabilny już w momencie, gdy wzmocnienie pętli przekroczy 15dB.

Tak więc będziemy obserwować “pogorszenie muzykalności” aż do momentu, gdy cała sprawa się rypnie, wpadnie w oscylacje i przestanie działać. Oczywiście ten eksperyment daje wrażenie, że im więcej USZ, tym jest gorzej. Musicie jednak wzrokiem spojrzeć poza ten “garb”. {patrz wykres Baxandall’a !)
Prawie nikt nie próbował kiedykolwiek przez ten garb przeskoczyć, więc mało kto rzeczywiście usłyszał tą nieuniknioną ( i szczerze mówiąc magiczną ) poprawę, druzgocącą wręcz poprawę, jaka następuje, gdy przedostaniesz się poza ten “garb” – w zakres powiedzmy powiedzmy 20 lub 30dB wzmocnienia pętli. Od tego momentu uzyskujesz jednoznaczną i łatwo zauważalną poprawę netto, a potem już jest tylko coraz lepiej.  W nagłym porywie fantazji napuściłem na ten temat zaprzyjaźnioną firmę audio, znajdującą się w południowej Holandii, sugerując jednocześnie metodę owinięcia wzmacniacza pętlą, która osiąga prawie 60dB wzmocnienia w ramach pętli, wskroś całego zakresu pasma częstotliwości audio w ramach wzmacniacza lampowego. {wytłuszczenie: zjj_wwa}. Gdy tylko to draństwo miało ochotę działać stabilnie, to brzmiało nieskazitelnie – jak bajka. Parametry “mierzone” na przyrządach – również wypadały bardzo dobrze.
Tak więc opowieści o “zakłóceniach z tytułu ich ponownego wprowadzania” mają więc bardzo jednonzaczne podsumowanie: Po prostu nie ma czegoś takiego jak “zbyt dużo” Ujemnego Sprzężenia Zwrotnego. Jest natomiast problem { w postaci “garba”}, który się nazywa “niewystarczająca ilość” USZ, a przy okazji to się {cynicznie} pokrywa z czymś, co projektanci nazywają “niewielką ilością”, lub “płytkim” USZ {czyli dokładnie na szczycie garba Pana Baxandall’a}.

Teraz jesteśmy w stanie zrozumieć, jak w pewnym momencie entuzjastycznie nastawieni, kompetentni audiofile zabłądzili i dali się wprowadzić w błąd w kwestii USZ, wyciągali mylne wnioski w sprawach dotyczących tej tematyki. Normalnie jednak, nauka nauka i inżynieria działa na zasadzie popełniania błędów, a następnie korygowania ich, w miarę jak prace się posuwają do przodu.

Dlatego też potrzebujemy jeszcze omówić trzeci czynnik, który pomoże zrozumieć, jakim cudem pochopne wnioski nagle zostały ucementowane i awansowały do rangi niepodważalnej ortodoksyjnej doktryny.

Przypowieść 3:  Kłamstwa marketingowe, Specyfikacjonizm oraz “zbyt wiele zer”

W latach mojej młodości, japońskie wzmacniacze tranzystorowe były podawane jako sztandarowe przykłady sprzętu, który miał fantastyczne wyniki pomiarów laboratoryjnych, a grał po prostu strasznie. Spróbuj nawet w dzisiejszych czasach stanąć i zacząć na głos wychwalać zalety jakiegoś wzmacniacza, jakoby posiadającego bardzo niski poziom zniekształceń , a zawsze się znajdzie jakiś mądrala który Ciebie skontruje, mówiąc  “… wiesz, pomiary to nie mówią o wszystkim.  Pamiętaj, w latach 80-tych, rynek był wręcz zalewany przez tego typu wzmacniacze, które miały 0,00001 % zniekształceń nieliniowych, a skrzeczały straszliwie …”. A Ci co stoją obok i go słuchają, kiwają głowami w ożywionym potwierdzeniu.  Jeden z nich nawet pociągnie ten temat jeszcze dalej, powtarzając {jak papuga} tę samą mantrę podczas innego spotkania audiofili, ale przy okazji do tego komiunikatu doklei jeszcze jedno dodatkowe “zero”. Tymczasem prawda jest taka, że nikt nigdy nie poczynił jakichkolwiek stwierdzeń, w tamtych czasach, odnośnie tego typu liczb.

Wcale przez to nie chcę powiedzieć, że te broszury marketingowe nie wprowadzały w błąd. Owszem, wprowadzały.   Czasami robiono to dyskretnie {małymi kłamstewkami}, podając informację, czy też delikatnie podając wartość THD, ale pomijając istotny szczegół, iż to jest THD mierzone przy 1kHz/1W.  W innych przypadkach stosowano inną technikę, którą współcześni nazwaliby bezczelnym kłamstwem. Ta grupa wzmacniaczy w ogóle nie dostarczała parametrów, jakie były obiecywane na ulotkach, i grały tak samo parszywie, jak i wyglądały ich “faktycznie” zmierzone parametry.

Wspaniałe parametry były podawane również w przypadku zupełnie tanich i podłych konstrukcji wzmacniaczy, jako że wiązała się z tym nadzieja czy wręcz oczekiwanie, iż żaden recenzent nie zada sobie fatygi, aby te parametry zweryfikować lub zmierzyć. Z kolei bardziej szanujące się firmy podawały nieco skromniejsze “wyniki pomiarów” {mniej bezczelne kłamstwa}, gdyż liczyły się z możliwością, cz też wychodziły z rozsądnego założenia, że ktoś to wreszcie zweryfikuje i zmierzy.  Gdyby w tamtych czasach marketingowcy zdawali sobie sprawę z tego, jak wielką dywersję i szkodę czynią dla całego rynku audio, to zapewne byli by popełnili seppuku.

Zemsta

Wpływ powyższych zjawisk na rynek audio w sensie sprzedaży był bardzo głęboki i o kluczowym znaczeniu.  USZ stał się nie tylko przedmiotem przedmiotem podejrzliwości i kpin, ale również przedmiotem kpin stały się faktyczne, prawdziwie “dobre” wyniki pomiarów {co bardziej wybitnych konstrukcji}, albowiem gdy tylko ktoś się pochwalił lepszymi parametrami, to od razu był obzygany błotem poprzez skojarzenie z “dużą ilością USZ”.  Skoro te twoje parametry są “takie dobre” – to znaczy że musiałeś zaaplikować dużą ilość USZ …. więc to po prostu nie może ładnie grać.

Jakiekolwiek wyniki pomiarów, czy raporty pomiarowe stały się bezprzedmiotowe, otwierając tym samym bramy dla roszczeń o dźwiękowej doskonałości, które nie miały jakiegokolwiek poparcia w fizyce w ogóle { audio Voo-Doo }.

Stąd też pojawił się trend, iż cały segment wysokiej klasy wzmacniaczy ustandaryzował się konstrukcyjnie na przesłance małej ilości wzmocnienia w pętli oraz związanym z tym znacznym poziomem zniekształceń. Oczywiście, te wszystkie wzmacniacze mają własny “charakter”  {czyli: zniekształceń}, dodając w ten sposób kolejną warstwę absurdu, czy też relatywizmu, jako że oto mamy kolejny wzmacniacz, który “brzmi nieco inaczej” … więc być może jest on wart szczególnej uwagi. Niektórzy projektanci stali się znani na całym świecie, ponieważ udało im się, bardziej metodą prób błędów, niż metodą myślenia, uzyskać w rezultacie wzmacniacze, które pomimo iż posiadają bardzo słabą, lub wręcz żadną kontrolę błędów, oraz związany z tym poziom zniekształceń w zakresie od 0,1% – 1%, to jakimś cudem te wytwory nie podkolorowywały dźwięku zbyt nadmiernie.

Żmudne rzeźbienie kształtu widma zakłóceń wzmacniacza poprzez łączenie i dopasowanie różnych
technik, urządzeń aktywnych oraz warunków obciążenia stało się działalnością z pogranicza Zen, czyli taką która gwarantuje, iż co bardziej wybitni staną się prawdziwym GURU w tym zakresie.

Co więcej, wraz z nastaniem konstrukcji o niskim lub wręcz żadnym USZ, nadeszły czasy bardzo kiepskiego PSRR (Power Supply Rejection Ratio – czyli parametr opisujący odporność wzmacniacza na zakłócenia pochodzące z zasilacza). Stało się wręcz modne i oznaką kompetencji  zjawisko polegające na przewymiarowywaniu zasilaczy oraz ich filtrów, a nawet stosowanie stabilizacji zasilania, wespół zespół z jakąś ezoteryczną zabawą polegającą na dobieraniu mieszanki różnych kondensatorów celem znalezienia mikstury, która a jak najmniejszym stopniu wpływa na dźwięk. Mając możliwość zaszaleć w zakresie tych kondensatorów, które są w bezpośredniej ścieżce sygnału – jak widać było jak dla niektórych niewystarczające.  Projektanci, którzy powinni wiedzieć lepiej {bo mają ku temu wiedzę teoretyczną}, propagują frazesy na temat “szybkich wzmacniaczy z umiarkowanym globalnym sprzężeniem zwrotnym”, lub alternatywnie o stosowaniu jedynie “lokalnego sprzężenia zwrotnego”.

Unikanie USZ, a w szczególności globalnego USZ, sprawiło, również oznaczało, iż dłuższe łańcuchy stopni wzmacniających szybko kumulowały produkty zniekształceń składowych.  Nastało nieustające dążenie do minimalistycznego wzornictwa. Jeśli wszystko, co dodajemy do ścieżki sygnałowej oddala nas od celu, to naturalnym było dążenie do zadowolenia się jedynie jak najmniejszą liczbą elementów toru. Doprowadziło to do absurdalnych sytuacji, w których fantastyczne brzmiące nagrania, który zostały nagrane {na sprzęcie studyjnym?} w ramach toru gdzie sygnał przechodzi przez łańcuch liczące nawet do stu stopni wzmacniających .. są następnie odtwarzane na audiofilskich systemach, gdzie nawet dodanie przejrzystego bufora okazywało się  niemożliwością. Opinie dotyczące Hi-fi stanowią obecnie kompletne pobojowisko.  Nieliczne czasopisma, które są zdolne do wykonywania własnych pomiarów i testóe, potrafią zamieszczać przedruki najbardziej nawet przerażających charakterystyk widma zniekształceń przeróżnych wzmacniaczy i de facto określają je mianem “niezłych”. Obiektywność została zdegradowana z poziomu “niezależnie od tego, kto dokonuje obserwacji” do poziomu “wspierania sprzedaży konkretnej marki”. Dla mnie osobiście cała ta uderzyła w dno, gdy w 2009 roku dwóch recenzentów, jeden holenderski, a drugi brytyjski, niezależnie zauważyli, że dany model tego samego wzmacniacza (niedrogi produkt o wybitnej konstrukcją), zabrzmiał zaskakująco muzykalnie jak na wzmacniacz o tak niskim poziomie zniekształceń.  Żyjemy w 21 wieku, w którym to inżynierowie sprzętu audio projektują produkty aktywnie unikając stosowania dwóch najpotężniejszych narzędzi, jakie są dostępne dla całej współczesnej nauki i techniki : pomiarów oraz kontroli błędów.

Zakres spustoszenia i szkody, jaki został wyrządzony przemysłowi Audio i jego reputacja w szerszym świecie inżynierii pozostaje niepowetowana – aż do czasu, gdy nie zdecydujemy się zrobić z tym porządek i przejąć nad tym kontrolę.

 

Na koniec, kilka rzeczy do zapamiętania:

  • Strzeż się źródeł sygnałów błędów z poza pętli USZ.
  • TIM to nie jest jakiś specjalny rodzaj zakłóceń; jest to raczej metoda do badania SID, czyli błędów wynikających z ograniczonej prędkości narastania zbocza sygnału.
  • SID może być wyeliminowany bez wprowadzania jakiejkolwiek zmiany współczynnika wzmocnienia pętli.  W związku z tym, SID nie jest powodowany przez USZ.
  • Wzrost wzmocnienia pętli poprawia TIM. Nie ma tutaj żadnego targowania się, czy kompromisu pomiędzy “zwykłymi” zniekształceniami, a zniekształceniami “TIM”.
  • Publikacje Pana Otala nigdzie nie implikuje, ani też nie dowodzi, że wzmacniacze lampowe są lepsze niż krzemowe.
  • Wzmocnienie DC w otwartej pętli nie jest miarą tego, ile USZ dany wzmacniacz posiada.  Natomiast wzmocnienie pętli przy 20kHz – to i owszem.
  • Szybkość narastania zbocza jest złym prognostykiem odnośnie jakości dźwięku.
  • Pasmo przenoszenia wzmacniacza w otwartej pętli nie jest miarą szybkości wzmacniacza; natomiast iloczyn pasma przenoszenia i wzmocnienia granicznego – to i owszem.
  • Upewnij się, że rzeczywiście słuchałeś wzmacniacza o sprawdzonych pomijalnych zniekształceniach, zanim popełnisz opinię na temat jakości dźwięku vs.  pomiary.
  • Upewnij się, że rzeczywiście słuchałeś wzmacniacza o dużym wzmocnieniu pętli, zanim popełnisz opinię o jakości dźwięku vs. sprzężenie zwrotne.
  • Różne proponowane alternatywne systemy korekcji błędów są funkcjonalnie równoważne zwykłemu sprzężeniu zwrotnemu.
  • Zagnieżdżone pętle USZ są funkcjonalnym odpowiednikiem globalnego sprzężenia zwrotnego.
  • Pętle sprzężenia wyższego rzędu pozwalają sprawić, iż wolniejsze wzmacniacze również zyskują szansę osiągnięcia najwyższej jakości klasy dźwięku.
  • Istnieją jedynie same zalety ze stosowania stratosferycznych ilości {absurdalnie wysokich} USZ. Nie ma tutaj żadnych wad. Jedyna trudność, jaka się z tym wiąże, to jest wpaść na pomysł, jak to zrealizować.
  • Im więcej USZ, tym lepiej to brzmi, … ale pod warunkiem, że to nigdy nie będzie mniej niż 30 dB wskroś całego spektrum częstotliwości audio.

 

Podziękowania

Wiele podziękowania dla : Peter van Willenswaard , bez którego pamięći i chęci do działania, ten artykuł byłby uboższy o kilka bardzo ważnych kwestii.  Dziękuję również Guido Tent  i  Bart van der Laan za to że podołali ciężarowi mojego “porywu fantazji”.

( tłumaczenie w toku / ciąg dalszy nastąpi / obrazki uzupełnię niebawem … )

( to be continued … )

F-r16

 

 

audio, DIY, hiend, audio-hiend, hiend-audio, HiEnd, diy, tube, tetrode, pentode, triode, tetroda, pentoda, trioda, hi-end, Hifi, HiFi, Hi-Fi, amp, amplifier, Amplifier, amplifiers, high-end, highend audio, highend-audio, audio highend, audio-highend, amps, analogowy, CD, DAC, digital Do-It-Yourself, Hi-End, hifi, hi-fi, transistor, diode, tranzystor, dioda, diody, kolumny, lampy, loudspeaker, Loudspeakers, music, napęd, odtwarzacz, player, preamp, preamplifier, przedwzmacniacz, reproduction, stereo, wzmacniacz, operacyjny, wzmacniacze, Amplifiers, Amps, analog, analogowo-cyfrowy, converter, cyfrowa, cyfrowe, cyfrowy, elektroda, elektrody, głośnik, głośnika, głośnikami, głośnikowe, głośnikowy, kolumna, lampowe, lampowy, listen, listening, muzyce, muzyka, muzykę, odtwarzanie, Op-Amp, Op-amps, Preamp, Preamplifier, preamplifiers, preamps, przedwzmacniacza, przedwzmacniacze, Przedwzmacniaczy signal, signal-path, speaker, speakers, sygnał, sygnały, system, valve, video, Wzmacniacz, wzmacniacza, wzmacniaczy, Yourself, analogowa, analogowe, analogowo, Audio, conversion, converters, diode, Diode, elektrod, elektrodach, elektrodami, głośnikach, głośniki, głośnikiem, głośnikom, głośników, głośnikowych, głośnikowymi, interconnect, kolumn, kolumną, kolumnach, konwerter, krzem, krzemowa, lamp, lampa, lampowa, MKP, MKT, muzyką, muzyki, op-amp, Opamps, pentod, pentoda, pentode, pentody, Preamplifiers, przewód, przewody, silicon, Stereo, sygnale, sygnałem, sygnałowi, sygnału, tranzystory, trioda, triode, Triody tube, tubes, valves, Wzmacniacze, ADC, Analogowo-Cyfrowy, Analogowy, cable, cables, dioda, electrolytic, elektrodą elektrodzie, elektrolit, elektrony, głośnikowa, głośnikowi, głośniku, interconnects, kabel, kable, kondensator, kondensatory, krzemem, krzemie, krzemowy, lampach, lampie, Lampy, Loudspeaker, loudspeakers, Napęd, Odtwarzacz, Opamp, operacyjne, operacyjny, opornik, opornika, oporników path, pentodach, Pentode, pentodom, Player, płytka, Preamps, Przedwzmacniacz, Przedwzmacniacze, Reproduction, resistor, resistors, rezystor, rezystora, Signal, słuchać, słuchanie, transistor, transistors, tranzystor, tranzystora, tranzystorowa, triodą, triodach, triodzie, Tubed, Analog, capacitor, Cyfrowa, Cyfrowe, Cyfrowy, diod, diodach, diody, electron, Elektroda, elektrodom, Elektrody, elektrolita, elektrolity, elektron, elektronami, elektronowe, elektronu, foliowe, foliowy, Głośnik, Głośnika, Głośnikach, Głośnikami, Głośniki, Głośników, Głośnikowe, Głośnikowy, ic, Kolumna, kolumnami, kolumnie, kolumnom, Kolumny, kondensatora, Konwerter, Krzem, krzemowe, Lampowe, Listen, Listening, Muzyce, Muzyka, Muzyką, Odtwarzanie, OpAmp opamp, operacyjnego, operacyjnemu, opornikach, opornikami, oporniki, opornikom, opornikowi, oporniku, PCB, Pentody, Przedwzmacniacza, przedwzmacniaczy, rezystorach, rezystorom, rezystorów, rezystory, ścieżka, Signal-path, Speaker, Speakers, srebrny srebro Sygnał, Sygnały, System, tranzystorem, tranzystorowe, tranzystorowy, triod, triodom, Valve, Video, Wzmacniacza, Wzmacniaczy, Analogowa, Analogowo, Analogowo-cyfrowy, capacitors, diodom, Elektrodach, Elektrodami, elektrolicie, elektrolitów, elektronów, elektronowy, Głośnikiem, Głośnikom, Głośnikowi, Głośnikowych, Głośniku, IC, Kolumn, Kolumną, Kolumnach, Kolumnami, kondensatorów, kondensatorze, krzemowej, krzemowych, krzemu, Lamp, Lampa, Lampowa, Lampowy, Muzykę, Muzyki, Op-amp, OpAmps, Oporniki, Pentod, Pentoda, pentody, pentodzie, polipropylene, polistyrene, Przewód, Przewody, Ścieżką, Ścieżkami, Silicon, Sygnale, Sygnałem, Sygnałowi, Sygnału, trace, Trioda, Triode, triody, Tube, Tubes, Valves, Cable, Cables, Dioda, Diody, diodzie, Electrolytic, Elektrod, Elektrodą Elektrodzie, Elektrolicie, Elektrolit, Elektrolita, elektrolitami, elektrolitowi, Głośnikowa, Kabel, Kable, kondensatorami, kondensatorem, kondensatorom, kondensatorowi, Kondensatory, Krzemem, Krzemie, Krzemowa, Lampach, Lampie, Operacyjne, Operacyjny, Opornik, Opornika, Oporników Path, Pentodach, Pentodom, Resistor, Resistors, Rezystor, Ścieżki, Słuchanie, Transistor, Transistors, Tranzystor, Triodą, Triodach, Triodzie, Tubed, .ape, .eac, .flac, amper, ape, Capacitor, Capacitors, Diod, Diodach, Diodom, Diodzie, drukowana, Drukowana, eac, Electron, Elektrodom, elektrolitach, Elektrolitach, Elektrolitami, Elektrolitów, Elektrolitowi, Elektrolity, Elektron, Elektronami, Elektronów, Elektronowe, Elektronowy, Elektronu, Elektrony, flac, Foliowe, Foliowy, Głośnikowymi, Interconnect, Interconnects, Kolumnie, Kolumnom, kondenastorach, Kondenastorach, Kondensator, Kondensatora, Kondensatorami, Kondensatorem, Kondensatorom, Kondensatorów, Kondensatorowi, Kondensatorze, Krzemowe, Krzemowej, Krzemowy, Krzemu, Operacyjnego, Operacyjnemu, Opornikach, Opornikami, Opornikom, Opornikowi, Oporniku, Pentodzie, Polipropylene, Polistyrene, Rezystora, Rezystorach, Rezystorom, Rezystorów, Rezystory, Ścieżka, Tranzystora, Tranzystorem, Tranzystorowa, Tranzystorowe, Tranzystorowy, Triod, Triodom, volt, wat, watt, wolt, voltage, current, voltage regulator, capacitance multiplier, gyrator, low-noise, high-voltage, HV, Salas, regulator, coupling, interstage, inter-stage, rectifier, prostownik, bridge, mostek, choke, dławik, transformer, transformator, transformers, transformatora, transformatory, dławiki, chokes, dławika, dławików, dławików, cyrklotron, circlotron, transil, transile, warystor, waricap, cyrklotron, circlotron, Futterman, SEPP, SE, PP, Single-Ended, Push-Pull, OTL, Output, Transformerless, Transformer-Less, WK, WA, Wspólna Katoda, Wspólna Anoda, Wtórnik Katodowy, Cathode Follower, Common Cathode, Emitter, Baza, Collector, Kolektor, Gate, Source, Drain, Ohm, Volt, Watt, Farad, microfarad, milifarad, Henry, Inductance, Indukcyjność, Capacity, Capacitance, Pojemność, Mosfet, Hexfet, Signal-path, ścieżka, sygnał, sygnału, sygnałowa, solder, tin, lut, lutowanie, spice, pspice, jfet, cmos, hexfet, pmos, nmos, bjt, bipolar, junction, feedback, negative feedback, sprzężenie, zwrotne, sprzężenie zwrotne, USZ, NFB,

Permanent link to this article: http://hiend-audio.com/2013/08/27/brzydkie-slowo-na-s/