Úvod

Napsal jsem mnoho článků o zesilovačích a jejich konstrukčních chybách, například I MISTŘI se mýlí, aneb 50let slepé cesty. Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů, přestože články jako Vliv rezervy zisku na zkreslení ukazovaly zcela jasně v čem se konstruktéři dopouštěli a dopouští chyb.

Podívejme se tedy blíže na jedny z nejvýznamnějších milníků ve vývoji topologií zesilovačů, které následovaly hned po samotném objevu elektronky a sestavení prvních zesilovačů.

Harold Stephen Black

Jeden z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Harold Stephen Black, když patentoval Celkovou zpětnou vazbu, která není mnohými dodnes pochopena.

Harold Stephen Black podal svůj vynález na Americký Patentový úřad již 8. srpna  1928. Myšlenka však byla natolik novátorská a v rozporu s tehdejšími zvyklostmi a uznávanými standardy, že "Mistři" úředníci nebyli vůbec schopni pochopit samotnou podstatu a proto patent z počátku striktně odmítali.

Teprve po pěti letech se  H.S. Blackovi podařilo, že byl 22. dubna 1932 patent US Patentovým úřadem přijat, zveřejněn byl o dalších pět let později 21. prosince 1937 pod číslem 2 102 671. Od zrodu myšlenky k jejímu patentování, tak uplynulo neuvěřitelných 9 let!

Zde je k nalezení a nahlédnutí Blackův patent č. 2102671 z roku 1928 a zde je Blackův text z června 1934 vydaný v BELL laboratořích.

Robert R. Cordell

Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Robert R. Cordell, často vystupující pod jménem Bob Cordell. Zde si musíme uvědomit, že jeho práce vznikaly kolem roku 1980, kde nebyly běžně k dispozici simulační programy a součástková základna byla poplatná tehdejší době.

Robert R. Cordell se ve svých pracích věnovaných TIM část I. část II zaměřil na stabilitu zesilovačů a hledání podstaty zkreslení. Aby byl zesilovač vůbec použitelný, byla jeho stabilita brána jako prvotní.

Z doložených průběhů a textů TIM část I je velmi dobře patrné, že se konstruktéři na přelomu 80. a 90. let vyhýbali více zlomům na charakteristice tím, že zaváděli lokální ZV, které průběh zesílení linearizovaly za cenu snížení zesílení.

V téže době sílí rovněž snahy o zvyšování rychlosti přeběhu, vývoj se tak trochu motá v bludném kruhu, neboť lokální ZV šířku pásma snižují a tím omezují i rychlost přeběhu. V konečném výsledku se konstruktéři blíží k řešení, kdy zesilovače jsou dostatečně rychlé, ale pracují na horním konci přenášeného pásma téměř bez rezervy zisku, čímž celková ZV pozbývá na významu. 

Chybová korekce

Počátkem roku 1984 přichází Robert R. Cordell s řešením popsaném v textu A MOSFET PowerAmplifier with Error Correction*, kde jde o chybovou korekci.

Tato chybová korekce nemá za úkol nic jiného, než zpět navrátit význam celkové ZV. Účelem je nejenom vrátit rozdílové - chybové napětí z výstupu zesilovače zpět na vstup, ale navíc jej ještě zesílit aby byl vliv větší. Jinými slovy co lokální ZV v celkovém zesílení zabily, je třeba se pokusit obnovit.

Topologie z přelomu 80. a 90. let a Chybová korekce se staly vzorem pro ČS konstruktéra Pavla Dudka viz text Pavel Dudek vzestup a pád?. Jak jsem uvedl v úvodu, že "Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů", pak to zde platí dvojnásob, neboť článek popisující kus historie, vyvolal u některých doslova  hysterickou reakci, viz článek Jaromír Merhaut naprostý zoufalec či křivák k pohledání ?.

Lokální ZV

Tak se od přelomu 80. a 90. let  stalo, že zesilovačům začaly dominovat Lokální ZV. Konstruktéři neuměje řešit stabilitu zesilovače jinak než za cenu nízké rezervy zesílení, doslova zatloukali většinu stupňů zpětnovazebními kapacitami a stupňů tak přibývalo. Zesilovače s takovými topologiemi měly výkon, měly velkou rychlost přeběhu často značenou jako SR a měly na měřících přístrojích i male měřitelné zkreslení, jen ten zvuk zněl a stále ještě zní jako Tranzistorový zvuk.

CD a šířka pásma

Na přelomu 80. a 90. let vstoupil na scénu ještě jeden fenomén a tím je záznam na CD. V roce 1974 se o něm začalo uvažovat, aby v roce 1978 společnost Philips představila svůj standard, který významně zasáhl i do topologii a vývoje zesilovačů. CD bylo frekvenčně omezeno jen do 20kHz a tím se i vývoj zesilovačů a jejich topologii začal více či méně omezovat rovněž jen na oblast do 20kHz.

Bohumil Federmann

Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesla má maličkost a nyní mne mohou mnozí napadnout, že psát sám o sobě není atd. atd., ale zpět k topologiím a jejich milníkům.  Hlavní milníky jsou zejména v postavení ZV, zda celková ZV či lokální ZV, nebo jakási dodatečná ZV opravující chyby způsobené lokálními ZV a doplňující celkovou ZV v podobě chybové korekce.

B Federmann se nikdy od Blackova pojetí celkové ZV neodchýlil a považoval ji za stěžejní. V materiálu Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. popsal Dynamickou saturaci, jako konečný důsledek nedostatečné rezervy zisku. V textu SACD, blíže vinylu? se zabýval hodnotami akustického signálu, závislostí možné velikosti amplitudy na frekvenci a v článku Vliv rezervy zisku na zkreslení popsal velmi přesně přímý dopad nedostatku rezervy zisku v závislosti na frekvenci na zkreslení akustického signálu.

Rezerva zisku v závislosti na frekvenci

Rezerva zisku je pro B Federmanna dnes rozhodujícím parametrem Hi-Fi zesilovačů, určuje velikost zkreslení i poslechové vlastnosti zesilovače, které s rezervou zisku přímo korelují. Pokud se konstruktéři z přelomu 80. a 90. let snažili dostat charakteristiku zesílení zesilovače v otevřené smyčce stlačením směrem dolů a doleva co nejlineárnější, pak B Federmann se ji snažil vždy posunout co nejvíce nahoru a doprava, tedy snažil se dosáhnout pravý opak!

Stabilitu dosahoval a dosahuje velmi silnou celkovou ZV a obvodovou i prostorovou minimalizací. Obvodová a prostorová minimalizace je dle B. Federmanna velmi důležitý parametr, kdy při jeho podcenění a nezvládnutí není vůbec možné takový typ zesilovače realizovat. Takový zesilovač disponuje mnohonásobně větším zesílením v mnohem větší šířce pásma, kde se každá návrhová chyba nesčetněkrát více dokáže zúročit.

Z jednotlivých grafů můžeme odečíst rezervu zisku při 100kHz pro topologie z přelomu 80. a 90. let a jejich odvozeniny je to cca 20dB, kdežto topologie Federmann má podmínku více jak 40dB a dosahuje v tomto provedení až 70dB. Ve výsledku je to až 50dB rozdíl ve prospěch topologií Federmann, což s Blackovou celkovou ZV znamená 3.160x menší odchylku od původního signálu.

Závěr

Článek pojednává o významných osobnostech a milnících v historii a vývoji ZV ať již celkové či lokální o jejím správném či nesprávném použití a dopadech do věrnosti signálu.

Diskuse