Úvod

Po dvou úvodních článcích, které byly zaměřeny na některé základní principy Topologie Federmann, na vlastnosti tranzistoru, jeho náhradní schéma a na popis chování R-C členu, kterým ve své podstatě každý tranzistor je.

Dnes se podíváme na konkrétní odlišnosti a dopady použití celkové zpětné vazby a lokální zpětné vazby, výsledek bude pro mnohé rozhodně zajímavý.

Celková zpětná vazba

Abychom mohli dostatečně využít vynikající vlastnosti celkové zpětné vazby, musíme vliv všech lokálních zpětných vazeb dostatečně potlačit. Zde si musíme uvědomit, že každý tranzistor, jeho vstupní odpor R_BD, jeho kapacity C_BE a C_CB nám tvoří lokální zpětné vazby, k těmto prvkům musíme přidat vliv všech připojených obvodů.

Přestože se bavíme o celkové zpětné vazbě, vliv vynucených lokálních zpětných vazeb je nezanedbatelný a musíme si je co nejvíce uvědomovat, jen tak můžeme sestavit takovou topologii, která nebude na těchto nežádoucích, parazitních zpětných vazbách příliš závislá.

Zapojení

Pro účely posouzení vlivu celkové zpětné vazby použijeme obdobné zapojení jako u Modelu Federmann.  Kapacitu C₁ použijeme pro celkovou zpětnou vazbu a kapacitu C₃ pro lokální zpětnou vazbu.

Sic zůstává kapacita C₃ trvale připojena je její hodnota nastavena na 0pF. Dále budeme krokovat jen kapacitu C₁ a sledovat změnu charakteristik.

Kapacita C₂ ovlivňuje spodní konec přenášeného pásma, proto ji volíme pro tyto účely dostatečně velkou, aby nám neovlivňovala celkovou charakteristiku zesilovače.

Statické nastavení

Zde můžeme vidět charakteristiky při C₁=0pF, kde je patrné, že výstupní napětí mění na kritickém kmitočtu velmi strmě svou fází od 0°po 180°.

Na grafech níže je detail, abychom lépe pochopili poměry v zesilovači. Mohlo by se zdát, že zesilovač bude náchylný na kmitání, proto jsem udělal i detail poměrů na neinvertujícím i invertujícím vstupu, jak je patrné nikdy nenastává oscilační podmínka, ba co víc je zesilovač dostatečné vzdálen, když se vstupní fáze nedostane ani přes 30°. Je však vidět, že na krátký okamžik se dostává přenosová charakteristika nad AU*. 

Krokování

Zde se již můžeme podívat, jak to dopadne při krokování kapacity C₁ v rozmezí 0,25-0,5-1-2-4 a 8pF.

Mění se nám tvar přenosové charakteristiky na horním konci přenášeného pásma, ale ponechal jsem i pohled na to co se děje se zesílením v otevřené smyčce A_U^* zesilovače. Je vidět, že A_U^* se nikterak výrazně nemění.

Na grafu níže se můžeme podívat, jak to vypadá s průběhem U_dif a fázovými poměry na obou vstupech zesilovače.

Zapojení s lokální zpětnou vazbou

• Již legendární zapojení od Marshalla Leacha mělo lokální zpětnou vazbu. Používání lokální zpětné vazby se pak stalo módní záležitostí a používali ji téměř všichni. V konečném důsledku mělo zajišťovat lepší stabilitu, ale stejného výsledku by se bylo dosáhlo použitím tranzistorů s výrazně nižší šířkou pásma.
• Polská stavebnice má řešenou lokální zpětnou vazbu za pomocí dvou kapacit, jejichž vliv se pak sčítá.
• DPA od Pavla Dudka má těchto vazeb hned několik, na kolektorech diferenciálních stupňů je s frekvencí zvětšující se zátěž a druhá zajímavě řešená lokální zpětná vazba je za pomocí malé kapacity a spolu s ní napěťově závislé kapacity, která je realizována za pomocí diody.

Lokální zpětná vazba

Krokování poprvé

C₁ volíme 0pF tím vyřadíme frekvenčně závislou část celkové zpětné vazby a pustíme se hned do krokování kapacity C₃.

C₁ vyřadíme a C₃ krokujeme v rozmezí 1-2-4-8-16-32 a 64pF. Přidání lokální zpětné vazby má však na zapojení katastrofální dopad.

Již pro kapacitu 1pF se zapojení stává značně nestabilní a zisk vysoce převyšuje A_U^*, Udif skokem dosahuje 12V. Při zvyšování kapacity C₃ se poměry nepatrně lepší, ale pro normální provoz jsou spíše destruktivní!

Krokování podruhé

Aby bylo zapojení funkční, vrátíme C₁ o velikosti 1pF, kde je průběh dle předchozích grafů pěkně vykompenzovaný.

Nechávám krokovat C₃ podruhé a výsledek se dostavuje. Frekvenční pásmo se omezuje velmi pěkně, ale omezuje se i A_U^*, což není příliš dobré. Na spodních grafech je dále znázorněn dopad do U_dif a fázových poměrů, který je rovněž velmi významný.

Závěr

Máme za sebou první konkrétní srovnání vlivu lokální a celkové zpětné vazby a měli bychom dojít k nějakému konkrétnímu závěru. Pro tyto účely se podívejme na dopad celkové a lokální zpětné vazby.

Celková zpětná vazba

Zvyšující-se zpětnovazební kapacitou C₁ se snižuje mezní kmitočet, aniž by se výrazněni měnilo zesílení A_U^*, výsledkem je zvyšování rezervy A_U^* na mezním kmitočtu. U_dif se nám posouvá naopak k vyšším kmitočtům, stejně tak jeho fázové natočení.

Lokální zpětná vazba

Zde to vypadá naprosto jinak. Zvyšující-se zpětnovazební kapacitou C₃ se rovněž snižuje mezní kmitočet, ale jeho pokles je mnohem elegantnější, což u celkové zpětné vazby nedosáhneme.

Potud ta příjemnější část vlivu lokální zpětné vazby. Pokud se podíváme dále, pak zjistíme, že pokles zesílení na mezní frekvenci je doprovázen výrazným poklesem zesílení A_U^* a samozřejmě výrazným nárůstem Udif a zhoršením fázových poměrů U_dif.

To vše se nám v konečném důsledku projeví jako obrovský nárůst zkreslení pod mezní frekvencí a činnost diferenciální dvojice v silně nelineární oblasti.

Dovětek

Mnohé se dá vyjádřit matematicky a vypočítat. Fázové poměry na vstupech diferenciální dvojice jsou úměrné zpoždění, ale taky odklonu od vrcholu průběhu.

Pro sinový průběh by platilo:

Z fázového posunu  U_dif=(U_B*(1-cosinus α))/A_U

Z rezervy A_U dostaneme U_dif=U_B/( A_U^*-A_U)

Závěr k Celkové zpětné vazbě

Jde o velmi elegantní řečení, ale je nutno si uvědomit, že regulace šířky pásma, za pomocí zpětnovazebního kondenzátoru není ta pravá. Nejlépe je nastavit šířku pásma takovou jaká při konkrétním zapojení vyšla, tedy průběh optimálně vykompenzovat.

Z prvního obrázku je patrné, že pro šířku pásma do 100kHz je charakteristika dokonale rovná a kritický kmitočet je cca 20MHz. Pro lepší průběh U_dif je vhodné použít cca dvojnásobný zpětnovazební kondenzátor. Pro konkrétní případ by to bylo ne 1pF, ale cca 2pF. Šířka pásma se z cca 20MHz sníží pod 10MHZ a vrchol Udif přesune z cca 20MHz na cca 50MHz.

Další omezení šířky pásma je zapotřebí provést nejlépe vřazením příslušného pasívního filtru do signálové cesty před samotný zesilovač. U zapojení by se daly najít bez kapacity C₃ dva uzly, cca 20MHza 70MHz, ale o tom někdy příště.

Závěr k Lokální zpětné vazbě

Možná nekonečné zkoušky typu pokus omyl v minulosti mnohým přinesli zdánlivě dobrý výsledek, obzvláště když byl jejich poslech omezen jen na CD nahrávky, které si navíc sami ještě za pomocí různých limitérů silně zkomprimovali.

Pro kvalitní Hi-Fi zařízení je však tato cesta jen špatně použitelná. Pro případy více stupňových zesilovačů se situace nikterak výrazněji k lepšímu nezmění, spíše naopak.

Doba krásných nahrávek na magnetofon s předmagnetizací daleko přes 200kHz a vinyl nesoucí informaci o signálu daleko přes 100kHz, musela na chvíli ustoupit CD, které se spokojily jen s 20kHz. Ale vše se jednou končí, opět se frekvenční pásmo vrací daleko nad 100kHz a s ním i spousta problémů kolem zesilovačů. Jeden z nich je právě použití lokální či celkové zpětné vazby.

 Pokračování brzy a bude stále zajímavější...

Diskuse 

Podívejte se na články se stejnou tématikou.