Skrevet: 09:49, 9 Jun 2006

Anvendt feedback i rørslutt-trinn.

Formålet med dette prosjektet er å studere eventuelle fordeler og ulemper med ulike feedback løsninger. Parametere som vil bli undersøkt er utgangsimpedans (Zo), distorsjonsmønster (HD) og frekvensrespons som funksjon av feedback.

Feedback kan utføres på et uttal ulike måter, i hovedsak er det fire grunntyper alt etter hvordan signalet er hentet (shunt/serie sampling) og hvordan signalet er ført tilbake sammen med det originale signalet (shunt/serie mixing). I tillegg er distansen feedbacksignalet tilbakelegger et moment, man snakker gjerne om lokal feedback (et steg) og global feedback (alle steg), pluss variasjoner av dette.

Pekere til noe litteratur innen emnet:
Basis feedback topologier:
href="http://www.ece.mtu.edu/faculty/goel/EE-4232/Feedback.pdf

Analyse av shunt-shunt feedback:
http://users.ece.gatech.edu/~pallen/Academic/ECE_6412/Spring_2003/L260-ShuntShuntFb-2UP.pdf

Shunt feedback kalkulator:
http://www.veiset.net/miniPP/Shuntfeedback-Excel97.xls

I dette prosjektet er det benyttet to ulike feedback topologier: lokal shunt-shunt feedback og global serie-shunt feedback.
Se denne tråden for bakgrunnen for forsøket: EL84 miniPP

Hypotese: Begge formene for feedback vil senke utgangsimpedansen (Zo) og senke/endre distorsjonsmønsteret. Global feedback vil gi størst utslag i frekvensrespons, siden global feedback inkluderer det antatt svakeste leddet (utgangstransformatoren) innenfor feedback loopen.

Måling og metoder: For å ha en referanse må det foretas målinger av forsterkeren uten feedback. Sagt på en annen måte: open loop respons. Det vil også bli foretatt målinger av utgangstrafoen separat:

Kretsløsningen:

Kretsen er en veldig enkel, den består av en direktekoblet push-pull forsterker. Forsterkeren har kun ett dominant frekvensavhengig ledd, katodeavkoblingen til utgangspentodene. Fc er gitt av 1/(2 Pi R C), i dette tilfellet (R=3k3, C=47u) vil nedre grensefrekvens bli ca 1Hz.

Målingene vil bestå av:
Utgangsimpedans ved 1kHz (Zo): Bestemmes ved å måle spenningen over utgangsklemmene ved ulik last og deretter beregne Zo.
Frekvensrespons 20Hz – 100kHz: Manuelt plott, verdier avleses som true RMS vha digitalt oscilloscope.
Distorsjon: Utføres ved 400Hz sinus input (måleområde analysator 4kHz), opp til 10. harmoniske kan detekteres.

Alle målinger vil bli gjort ved 5V_rms over en resistiv last på 8.2 ohm. Det tilsvarer en effekt på ca 3W_rms.

Måleutstyr:
Funksjonsgenerator 10Hz – 1000kHz
Analog Oscilloscope, Dual channel, 40MHz.
Digital spektrumsanalysator.
Digital oscilloscope / True rms meter, single channel.
Digital og analogt multimeter.

Følgende scenario vil bli undersøkt:
T0) Trafokarakteristikk
A0) Open loop.

B1) ~10 dB global feedback.
B2) ~10 dB shunt-shunt feedback.

C1) ~20 dB global feedback
C2) ~20 dB partial feedback (10dB shunt-shunt + 10dB global feedback)

Egentlig burde jeg også foretatt faserespons som funksjon av frekvens, men det er veldig tidkrevende å utføre med et dual scope som måleinstrument. Jeg får se hvor godt humør jeg er i når jeg starter.

Hvis ikke noe annet dukker opp, regner med å komme med de første målingene i kveld. Innspill før jeg starter, mottas med takk.

Jan E Veiset
NO-6600

Skrevet: 21:42, 9 Jun 2006

Da har jeg gjort en god del målinger, både med shunt feedback og global feedback. Distorsjonsmålingene er gjort ved 5V_rms, ca 7V_rms er maks utgangssignal både i den ene og den andre varianten. Forsterkeren med shunt feedback hadde i utgangspunket en feedbackfraksjon på ca 8 dB, derfor trimmet jeg forsterkeren med global feedback til samme nivå, slik at sammenligningene blir mest mulig reelle.

Det første jeg gjorde var å ta målinger av trafoen tilsluttet signalgenerator på primærsiden. Siden Zout er 600 ohm burde utgangsimpedansen bli (600 / 8000:8 ) = 0.6 ohm. Målt resultat viste 1.17 ohm, altså er det en god del tap i trafoen. Frekvensplottet for trafoen viser også at de minste trafoene til Hammond i HiFi-serien ikke er spesielt lineare når det gjelder frekvensgang. En kraftig dip rundt 40kHz indikerer rimelig høy lekkasje-induktans.

Trafomåling 8.2 ohms last, primærimpedans=600 ohm:

Jepp. Siden trafoene er som de er, vil det favorisere global feedback, da denne forsøker å kompensere for feilene i trafoen. Før vi ser på frekvensplotene, kan vi se på utgangsimpedansen. B1 (Global NFB): 2.6 ohm, B2 (lokal NFB): 2.9 ohm. At global NFB har lavest utgangsimpedans må her tilskrives tapet i trafoen.

Frekvensplot shunt feedback:

Frekvensplot global feedback:

Som vi ser, forsøker global feedback å kompensere for trafoens frekvenskarakteristikk. Oppsettet med shunt feedback vet ikke at trafoen har problemer og forsøker derfor ikke å korrigere. Global NFB på sin side overkorrigerer, noe som fører til en liten topp rundt 20kHz.
Det samme gjelder ved firkantrespons: Shunt feedback korrigerer ikke og firkantpulsen ser ut som firkantpulsen generert med funksjonsgenerator som primærdriver: Global NFB forsøker å korrigere og ender opp med ringing.

Firkantrespons med funksjonsgenerator på primærside:

Firkantrespons fra forsterker med shunt feedback:

Firkantrespons fra forsterker med global feedback:

Når det gjelder frekvensrespons er tingene egentlig som forventet. Global NFB vet hvordan inngangssignalet ser ut og forøker etter beste evne å gjenskape dette der det degraderes. Shunt feedback vet ikke disse tingene og arbeider som om det som er lenger ut i kjeden (les utgangstrafoen) er perfekt.

Så over til noe annet og interessant: Distorsjonsmønster.

Distorsjon, shunt feedback:

Distorsjon, global feedback:

Begge disse målingene er gjort ved 5V_rms (7V peak). Når det gjelder 2. og 3. harmoniske er disse rimelig like, men legg merke til at global feedback reduserer 3. harmoniske noe bedre enn shunt feedback greier. Det interessante er fraværet av høyere ordens distorsjon når det gjelder shunt feedback. Intermodulasjon (som vises som peaker ved 300 og 500Hz) er også litt høyere ved global feedback, muligens pga bedre rippelundertrykkelse ved shunt feedback

Det var dagens arbeid, mer kommer når jeg starter på partiell feedback.

Jan E Veiset
NO-6600

Skrevet: 11:45, 10 Jun 2006

Her kommer en liten avsporing, eller oppklaring, alt ettersom. :) Vi husker distorsjonsmønsteret som oppstod ved global feedback -- i tilegg til 2. og 3. harmoniske var dette også rikt på høyere harmoniske, noe som ikke alltid er like vakker å høre på.

Distorsjonsspekter global feedback:

Så kan man spørre seg: hvor kommer forvrengningen fra i utgangspunket, hvor oppstår den? En klar kandidat er differensialtrinnet: Siden inngangstrioden er en katodefølger med forsterkning mindre enn 1 som drar den andre trioden, er det innlysende at amplituden er ulik for de to fasene. Det i seg selv genererer 2. harmoniske forvrengning. Utgangspentoder i push-pull vil alltid bidra med 3. harmoniske, slik at der har vi to klare syndere. Når utgangssignalet (med forvrengning) føres tilbake via global feedback vil diff-trinnet forsøke å kompensere for dette, noe som i seg selv skaper forvrengningskomponenter av høyere orden.
Da har vi det klart: inngangstrinnet generer 2. harmoniske forvrengning og utgangstrinnet innfører 3. harmoniske. Global feedback introduserer høyere ordens distorsjon, og slik har vi det gående i en feedback loop.

For å bøte på dette kan vi ta ondet ved roten. 3. harmoniske som pentodene innfører er ikke veldig enkelt å gjøre noe med. Noe som derimot er enkelt er å ballansere diff-trinnet ved å introdusere en konstantstrømgenerator (CCS) som kilde for negativ forsyning (C-). Den enkleste måten å gjøre det på er å bruke disse nymotens greiene som kalles halvledere, transistorer og lysdioder er to komponenter av den arten. Lysdioden brukes som 2V referansespenning og transistoren som strømforsterker. Hvis du ser tilbake til den første postingen i denne tråden, ser du at det står R3 or CCS på skjemaet hvor den felles katodemotstanden er plassert.

En 60 sekunders halvleder CCS:

Dette burde kurere skjevheter i diff-trinnet og eliminere 2. harmoniske forvrengning, slik at vi blir stående tilbake med kun 3. harmoniske pluss evt høyere ordens harmiske introdusert av global feedback. Og siden 2. harmoniske tidligere var dominat, vil det å eliminere den redusere høyere ordens harmoniske betraktelig.

Distorsjonsmønster med CCS i diff-trinn:

Vakkert hva?
Det meste av distorsjonen er fjernet vha noe billig silisiumsgreier. (for de som lurer: det er fullt mulig å lage gode konstantstrømkilder også ved hjelp av rør)

Konklusjonen er: Hvis du ikke liker harmonisk forvrengning, dra den opp med roten.

Jan E Veiset
NO-6600

Skrevet: 17:53, 10 Jun 2006

[quote="slowmotion"]Er det siste bildet ( med konstantstrømgenerator ) med eller uten feedback?

Det er med global feedback.

Altså har dette

blitt redusert til dette

ved å gjøre tingene ordenlig i driversteget.

Siden det var 2. harmoniske som dominerte tidligere, var denne dominat for å produsere høyere ordens harmoniske. Disse er fortsatt til stede, men de ligger nå under oppløsningen på analysatoren min. Du kan fortsatt se et snev av 5. harmoniske der nede i støygulvet.
Nå skal det sies at denne forsterkeren veldig enkel -- og bygget av veldig få komponenter slik at kompromisser måtte inngås. Men like fullt er det jeg har skrevet gyldig i mer komplekse konstruksjoner.
Med CCS og feedback ligger THD nå i området under -50dB ved halv effekt. Det må sies å være bra for et effekttrinn basert på rør. Den klassiske metoden for å forsøke å redusere forvrengningen ytterligere på er ved hjelp av mer feedback. Men før eller siden kommer man til et punkt hvor det som står på papiret (målinger) ser mye bedre ut enn det som kommer ut av høyttalerne.
Negativ feedback er et tveegget sverd!

Jan E Veiset
NO-6600