Pytanie o sprzężenie zwrotne

[Profesjonalista]

Witam.
Dlaczego nie mogę zejść ze wzmocnieniem napięciowym w układach TDA2050 i podobnych poniżej 20 ? ,poniżej tej wartości układ daje full napięcie stałe na wyjściu głośnika.
Dlaczego w wzmacniaczach bez stopnia różnicowego z kondensatorem wyjściowym(np. stk4392) mogę dać wzmocnienie 5 a nawet mniej , blisko jedności i jest wszystko ok.

pozdrawiam
Arek.

 

[mbar]

Daje full napięcie, bo przestał być stabilny. W przypadku wzmacniaczy operacyjnych (a takim jest też i ten Tadek, czy LM do gainclona) wzmocnienie ustalone w pętli sprzężenia jest wyznacznikiem "obszaru stabilności", co jest wynikiem konstrukcji wzmacniacza i całkiem ciekawej teorii omówionej w książce "Op Amps for Everyone" w rozdziale "5 Feedback and Stability Theory".
Mała podpowiedź: chodzi m.in. o fazę sygnału
Ogólnie, żeby "scalak" był stabilny dla wzmocnienia 1 (unity gain), musi być odpowiednio zaprojektowany (i np. mieć wewnętrzną kompensację).

Now, keep in mind that we are using complex
numbers, which have magnitude and direction. When the loop gain approaches minus
one, or to express it mathematically 1∠–180°, Equation 5–5 approaches 1/0 ⇒ ∝.
The circuit output heads for infinity as fast as it can using the equation of a straight line.
If the output were not energy limited, the circuit would explode the world, but happily, it
is energy limited, so somewhere it comes up against the limit.
Active devices in electronic circuits exhibit nonlinear phenomena when their output approaches
a power supply rail, and the nonlinearity reduces the gain to the point where the
loop gain no longer equals 1∠–180°. Now the circuit can do two things: first it can become
stable at the power supply limit, or second, it can reverse direction (because stored
charge keeps the output voltage changing) and head for the negative power supply rail.
The first state where the circuit becomes stable at a power supply limit is named lockup;
the circuit will remain in the locked up state until power is removed and reapplied. The
second state where the circuit bounces between power supply limits is named oscillatory.
Remember, the loop gain, Aβ, is the sole factor determining stability of the circuit or system.
Inputs are grounded or disconnected, so they have no bearing on stability.

Stability is determined by the loop gain, and when Aβ = –1 = |1| ∠–180° instability or oscillation
occurs. If the magnitude of the gain exceeds one, it is usually reduced to one by
circuit nonlinearities, so oscillation generally results for situations where the gain magnitude
exceeds one.

 

[raven1985]

Ogólnie im mniejsze wzmocnienie ustalisz tym większym wzmocnieniem dysponuje pętla sprzężenia zwrotnego a im więcej wzmocnienia w pętli tym większe problemy ze stabilnością.
Tak jak wyżej kolega napisał można skompensować tak wzmacniacz żeby był stabilny dla każdego wzmocnienia w tym dla najgorszego przypadku czyli wzmocnienia 1 i tak są przeważnie skompensowane wzmacniacze operacyjne ale one tak muszą być bo nie wiadomo z jakim wzmocnieniem będą pracować no i końcowy użytkownik takiego WO nie musi się niczym przejmować (takie plung & play : trudno przecież przewidzieć kto będzie takie WO używał) ale z wielu względów nie jest to optymalne rozwiązanie.
Dlatego wzmacniacze mocy są kompensowane tak aby były stabilne dla pewnego praktycznego zakresu wzmocnień bo nikt przecież nie będzie używał wzmacniacza ze wzmocnieniem 1 Trzeba uważnie czytać noty aplikacyjne.

Dlaczego w wzmacniaczach bez stopnia różnicowego z kondensatorem wyjściowym(np. stk4392) mogę dać wzmocnienie 5 a nawet mniej , blisko jedności i jest wszystko ok.

To czy wzmacniacz ma stopień różnicowy czy nie ma nie ma znaczenia.

Jak chcesz się czegoś dowiedzieć więcej to polecam "Sztukę elektroniki" i książkę TI :
"Op Amps For Everyone" Ron Mancini o której pisał wyżej kolega
dostępną tu: http://focus.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf
Po polsku była seria artykułów w EdW.

 

[Profesjonalista]

Dzięki koledzy, czytam aplikacje ale właśnie zastanawia mnie co wyprowadza ze stabilności wzmacniacz, tak nagle i tak drastycznie. Lekturę jakoś bo nie po Polsku :wink:

 

[djrobo]

mozesz tez poszukac materialow o BIBO stabilnosci

 

[mbar]

Podpowiedzi już miałeś. Podstawową rzeczą, jaką trzeba pamiętać, to taka, że wszędzie, gdzie masz prąd zmienny, obliczenia się prowadzi na liczbach zespolonych. W "drutach" często używa się postaci wektorowej, w której taka liczba ma moduł (po elektrycznemu niech będzie "amplituda") i kąt (po elektrycznemu niech będzie "faza"). Jeśli przesunięcie "fazy" sygnału przekroczy 180 stopni, to z ujemnego sprzężenia zrobi się dodatnie i stabilność szlag trafia
Powyższy opis nie jest w 100% ścisły, ale mam nadzieję, że teraz zerkniesz do jakiejś książki na ten temat

 

[Profesjonalista]

Tak to rozumiem w 100% - matematycznie nie ale elektronicznie bardzo dobrze tylko nie rozumiem skąd ta odwrócona "za bardzo' faza..
Czy chodzi po prostu o to że sygnał z stopnia końcowego ulega przesunięciu na wejsciu różnicowego z powodu zbyt wolnych tranzystorów końcowych w stosunku do reakcji stopnia różnicowego ?, to by też tłumaczyło stosunkowo niską prędkość narastania napięcia dla przeciętnego OW - celowo spowolnioną.

 

[mbar]

Tak to rozumiem w 100% - matematycznie nie ale elektronicznie bardzo dobrze tylko nie rozumiem skąd ta odwrócona "za bardzo' faza..

Wydaje mi się, że sam sobie przeczysz -- odwrócona "za bardzo" faza wynika z matematyki... użytej do opisu modeli elementów elektronicznych.

Czy chodzi po prostu o to że sygnał z stopnia końcowego ulega przesunięciu na wejsciu różnicowego z powodu zbyt wolnych tranzystorów końcowych w stosunku do reakcji stopnia różnicowego ?, to by też tłumaczyło stosunkowo niską prędkość narastania napięcia dla przeciętnego OW - celowo spowolnioną.

Myślisz w dziedzinie czasu, a w tym wypadku powinieneś myśleć w dziedzinie częstotliwości.
Bez ogarnięcia tego dalej się nie posuniemy:
http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_margin
http://en.wikipedia.org/wiki/Bode_plot#Gain_margin_and_phase_margin
http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_stability_criterion
(Nyquista już sobie daruję)

Prościej się nie da Musisz też przyjąć do wiadomości, że:
- każdy wzmacniacz (operacyjny, mocy audio) jest filtrem dolnoprzepustowym (patrz char. Bodego, co to oznacza) o często więcej niż jednym elemencie całkującym
- "Tadek", LM i inne, które nie są stabilne dla wzmocnień równych jedności, najwyraźniej nie mają odpowiednich elementów kompensujących, bo pewnie w ich aplikacjach przyniosłoby to więcej złego, niż dobrego.

Dla LM4780 minimalne wzmocnienie ustalane pętlą to 10x, jeśli będę miał chwilę czasu przez weekend, to postaram się coś policzyć -- ale już teraz obejrzyj sobie z jego noty charakterystykę Open Loop Frequency Response, bo ona jest tu kluczowa.

 

[Profesjonalista]

Noty znam prawie na pamieć, ale nadal nie wiem dlaczego tak się dzieje jak się dzieje, matematyka próbuje coś tam tłumaczyć ale to tylko teoria a przed nią była praktyka czyli "prawa" fizyka i mnie interesuje co się dzieje w układzie wzmacniacza od strony napięć i prądów. Jak oni kompensują WO że działają z Vg=1 ?

 

[mbar]

interesuje co się dzieje w układzie wzmacniacza od strony napięć i prądów.

No to tyle w temacie, bo powinno Cię interesować, co się dzieje od strony częstotliwości i faz.

Jak oni kompensują WO że działają z Vg=1 ?

To pewnie tajemnica handlowa

 

[Profesjonalista]

Interesuje , ale dlaczego ta faza się zmienia od strony elektrycznej?

 

[mbar]

Bo w obwodzie występuje prąd zmienny, elementy różniczkujące i całkujące.
Bo do opisu takich sytuacji używa się liczb zespolonych.
I tak w koło macieju...

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zastosowanie_liczb_zespolonych_w_analizie_obwodów_elektrycznych

Mam wrażenie, że ten wątek szybuje do poziomu niedawnego wątku o kondensatorze, co to przez niego elektrony tunelowały...

[ Dodano: 2010-06-02, 18:49 ]
Ponieważ wchodzimy już na absolutne podstawy, muszę się spytać: wiesz co to i z czego się składa impedancja?

 

[raven1985]

Bo w obwodzie występuje prąd zmienny, elementy różniczkujące i całkujące.
Bo do opisu takich sytuacji używa się liczb zespolonych.
I tak w koło macieju...

Piszesz coś chyba sam nie wiesz o czym. Jakie elementy różniczkujące i całkujące ?
Cała ta matematyka raczej koledze nie pomoże i nie jest potrzeba do zrozumienia działania sprzężenia zwrotnego.

Profesjonalista napisz jak twoim zdaniem działa sprzężenie zwrotne bo jak będziesz wiedział jak to działa to wszystko zrobi się jasne i proste.

Interesuje , ale dlaczego ta faza się zmienia od strony elektrycznej?

Zmienia się bo każdy element aktywny (tranzystor, lampa) ma skończoną szybkość (pojemności), jego parametry zależą od częstotliwości.

 

[irek]

Jak oni kompensują WO że działają z Vg=1 ?

Jest stosowana kompensacja tzw biegunem dominujacym czyli po polsku opadanie charakterystyki ustala jeden kondensator i powinna opadac ona z nachyleniem 6dB/oct az do wzmocnienia rownego 1 gdzie wyznaczamy czestotliwosc graniczna opampa. Jesli mamyu opampa 1Mhz czyli dla wzmocnienia 1 to dla wzmocneinia 10 bedziemy mieli juz tylko 100khz ale uklad bedzie caly czas stabilny.

W koncowkach mocy jak zmniejszysz wzmocnienie to rosnie pasmo a ze nie maja one kompensacji biegunem dominujacym do punktu wzmocnienia 1 tylko charakterystyke tzw wielobiegunowa ktora ma rozne nachylenia w roznych punktach opadania charakterystyk to mzoe sei zdazyc ze w pewnej sytuacji sygnal podawany z wyjscia bedzie w fazie z wejsciem i zrobi sie generator. Mozna probowac ''odkrecic faze w petli sprzezenia zwrotnego, co ustabilizuje uklad.

W praktyce mozesz podlaczyc pr-ek wzmocnienia do koncowki i zwiekszajac wzmocnienie obserwowac na oscyloskopie kiedy uklad zacznie sie podwzbudzac, wtedy mozesz probowac przeciwdzialac temu. Tylko ze stabilnosc w spoczynku to jedno a dla roznych obciazen to drugie dlatego badanie stabilnosci to dosc zmudna sprawa.

No i najwazniejsze, wzmacniacz tracac stabilnosc wzbudzi sie ale raczej nie nasyci dajac pelne napiecie zasilania. Jesli nie wzbudza sie a rosnie napiecie stale na wyjsciu to znaczy ze zrobiles sprzezenie DC i ono jest za to odpowiedzialne.

Bawilem sie kiedys TDA2050 i wg noty katalogowej podwzbudzal sie a uspokoilo go zdaje sie 22pF miedzy wyjsciem a wejsciem. Scalaki roznych firm moga roznie reagowac, ale po takiej kompensacji mam stabilna koncowke z pasmem >200khz! Musialem dodac tylko mala cewke wyjsciowa bo sie podwzbudzala na obciazeniu pojemnosciowym.

 

[mbar]

Piszesz coś chyba sam nie wiesz o czym. Jakie elementy różniczkujące i całkujące ?

Sorki, tu przesadziłem (przyznaję się, trochę złośliwie zaciemniłem), a chodzi o pojemność i indukcyjność oczywiście.

Cała ta matematyka raczej koledze nie pomoże i nie jest potrzeba do zrozumienia działania sprzężenia zwrotnego.

Nie mogę się do końca zgodzić. Odnoszę wrażenie, że kolega traktuje sprzężenie zwrotne jako coś idealnego, co ma po prostu jakąś wartość i już. Ale w zagadnieniach stabilności układów elektronicznych po prostu nie da się uniknąć choćby liźnięcia tej matematyki. "Poziom" sprzężenia zwrotnego to nie tylko amplituda sygnału dostarczana do (w tym wypadku) wejścia odwracającego (poziom ten jest wyznaczany przez stosunek impedancji, a w najprostszym przypadku stosunek odpowiednich rezystancji pętli) ale też i faza tego sygnału dla danej częstotliwości. Wzmacniacz operacyjny "sam z siebie" wprowadza przecież przesunięcie fazowe, co doskonale widać na wykresie charakterystyki wzm. przy otwartej pętli sprzężenia!


EDIT: irek powyżej bardzo dobrze "łopatologicznie" to wyjaśnił.

 

[Profesjonalista]

Cały czas piszemy o tym samym, rozumiem że przesuniecie fazowe zwiększające się z wzrostem f jest spowodowane pojemnościami równoległymi , szeregowymi rezystancjami i impedancjami ?

 

[mbar]

Nie jestem w stanie powiedzieć, na ile są za to odpowiedzialne "pasożyty", a na ile projekt / topologia samego wzmacniacza. Może wiedzą to tylko technologowie od krzemu u producenta

 

[raven1985]

Jest stosowana kompensacja tzw biegunem dominujacym czyli po polsku opadanie charakterystyki ustala jeden kondensator i powinna opadac ona z nachyleniem 6dB/oct az do wzmocnienia rownego 1 gdzie wyznaczamy czestotliwosc graniczna opampa. Jesli mamyu opampa 1Mhz czyli dla wzmocnienia 1 to dla wzmocneinia 10 bedziemy mieli juz tylko 100khz ale uklad bedzie caly czas stabilny.

Irek napisał o ważnej rzeczy w tradycyjnym (napięciowe sprzężenie zwrotne) iloczyn pasma i wzmocnia jest stały.

Cały czas piszemy o tym samym, rozumiem że przesuniecie fazowe zwiększające się z wzrostem f jest spowodowane pojemnościami równoległymi , szeregowymi rezystancjami i impedancjami ?

Nie jestem w stanie powiedzieć, na ile są za to odpowiedzialne "pasożyty", a na ile projekt / topologia samego wzmacniacza. Może wiedzą to tylko technologowie od krzemu u producenta

Za przesunięcia fazowe jest odpowiedzialna skończona szybkość wzmacniacza a więc wszystko co ma na nią wpływ zaczynając od tranzystorów przez topologie układu a kończąc na projekcie płytki.
Cała sztuka polega na tym aby uciąć wzmocnienie zanim przesunięcie fazy osiągnie 180 i ujemne sprzężenie zwrotne zmieni się w dodatnie zamieniając wzmacniacz w generator.

 

[Profesjonalista]

Czyli dobrze robią jak znajduje punkt tuż przed destabilizacją ?

 

[mbar]

Tuż przed to raczej nie, lepiej mieć jakiś zapas stabilności.