Phase-Shift

[Dudikoff]

Salut.

 

Stie cineva cum se poate masura phase-shift-ul intr-un amplificator d-asta clasic "Three-Stage LIN Topology" ?

Phase-shift, adica chestia aia de face amplificatorul sa auto-oscileze daca e mai mare de 180 de grade.

 

Si, optional , cum se masoara "open-loop gain-ul" si "closed-loop gain-ul" ?

[miron1947]

face amplificatorul sa auto-oscileze daca e mai mare de 180 de grade.

Daca semnalul amplificat,este intors la intrare in faza,va fi din nou amplificat si va intra in oscilatie.

 

cum se masoara "open-loop gain-ul" si "closed-loop gain-ul" ?

Open loop= fara reactie negativa(maxim),Closed loop cu reactie negativa,la care amplificarea, depinde de valoarea reactiei.

[donpetru]

Si, optional tongue., cum se masoara "open-loop gain-ul" si "closed-loop gain-ul" ?

open-loop gain-ul este castigul in bucla deschisa a unui amplificator audio, deci atunci cand amplificatorul audio "nu are reactie". Deci castigul in bucla deschisa poate lua teoretic orice valoare intre 1 si infinit.

closed-loop gain-ul este castigul in bucla inchisa (negativa sau pozitiva) a unui amplificator audio si este egal cu factorul de amplificare definit in toata gama de frecventa ca fiind egal aproximativ cu raportul dintre valorile rezistentelor din circuitul de reactie.

Phase-margin, denumita si marginea de faza "reprezinta faza suplimentara care adaugata la frecventa la care amplificarea sistemului in bucla deschisa este unitara, pentru a obt. un defazaj de -180 grade". Exista si notiunea de Gain-shift, denumita marginea de amplificare care "masoara cresterea maxim admisa a amplificarii la frecventa la care defazajul este -180".

"Phase-shift-ul" la un amplificator audio se poate determina pe cale teoretica in primul rand dupa ce imprealabil s-a determinat (masurat) anumite marimi (tensiuni) si s-a stabilit frecventa test.

Spre exemplificare, "Phase-shift-ul" se determina astfel:

y=Ysin(w*t+phase shift)

unde Y=U, este tensiunea la factor de amplificare unitar.

y=sin(20Pi*t+phase shift)

Presupunem ca timpul initial este t=0 iar y=u - este valoarea efectiva a tensiuni pe iesirea amplificatorului masurata in gol, in conditii de oscilatie, cu sau fara intrarea amplificatorului la masa.

In continuare vom avea:

sin(20Pi(0)+phase shift)=u

sin(phase shift)=u

Daca u=+1 atunci phase shift = +Pi/2 rads.

Deci, o margine de faza de circa 180grade poate apare datorita unei "reactii pozitive" atunci cand amplificatorul poate produce pe iesire o tensiune chiar si in lipsa unui semnal de intrare. In timpul functionari, daca factorul de amplificare e prea mare, exista pericolul ca amplificatorul la frecvente inalte sa functioneze cu reactie pozitiva. Din aceasta cauza factorul de amplificare exprimat in dB pentru orice topologie de amplificator audio trebuie sa respecte un maxim. De multe ori se incearca marirea factorului de amplificare pentru reducerea sensibilitatii pe intrare, lucru care la anumite nivele de puterii modulate pe iesire intr-un spectru larg de frecvente sa se "inregistreze oscilatii". Aparitia unei marginii de faze pronuntate se face respectand pentru orice topologie in parte valoarea factorului de amplificare. Totodata, mai trebuie tinut cont ca amplificatorul prin functia de transfer caracteristica sa nu contina poli dominanti concretizati prin elemente de compensare in frecventa de tipul RC care la un anumit "gain" si "frecventa" sa permita intretinerea marginii de faza. Multe din proiectele de amplificatoare audio prezinta aceste deficiente, am vazut chiar si proiecte realizate in regim industrial - mar rare, dar sunt.

 

P.S. Un amplificator audio bun nu trebuie sa intre oscilatie in lipsa snubber-ului de pe iesire tip RC.

 

Bibliografie:

https://engineering.purdue.edu/people/natha...nAmp_report.pdf

http://www.indinf.pub.ro/cip/sam/cap10.html

http://www.audiodesignline.com/howto/20140...LQSKH0CJUNN2JVN

http://scs.etc.tuiasi.ro/scslabs/SimboliceDCE/Oscilator.pdf

[miron1947]

In acest caz castigul este unitar.

Diferit de 1,deci supraunitar,castigul maxim.

[donpetru]

Diferit de 1,deci supraunitar,castigul maxim.

Raportul tensiune de iesire pe tensiune de intrare este aproximativ unitar. Eu la acest aspect m-am referit.

[donpetru]

Mai vin aici o precizare legata de masurarea phase shift si anume: dupa masurarea tensiunii u=y aceasta se va raporta la castigul unitar si se va transforma in dB. Functia caracteristica este A=f(phase shift), unde A este amplitudinea pe iesirea amplificatorului a oscilatiei exprimata in dB. Dupa aceea valoarea phase shift rezultata in "radiani" se va transforma in grade. In general, daca phase shift este intre -90..180grade atunci exista pericolul aparitiei instabilitatii in functionare si aparitiei oscilatiei.

 

P.S. Scuze pentru intarzierea acestei completari.

[releu]

Interesanta dezbaterea. Dupa ce Dudikoff a incercat prin fel si chip sa afle o parte din tainele electronici de pe forumul concurenta, uite ca la aceasta problema nu a primit raspuns acolo si a venit aici. E foarte bine si bine ai venit Dudikoff.

 

Despre problema cu masuratul marginii de faza sau phase shift cum spun englezi mai vin si eu cu o precizare legata de faptul cum transformam tensiunea masurata de pe iesire in dB. Tabelul pentru aceasta conversie ar fi acesta (am impresia ca a mai fost publicat si aici pe forum, nu mai stiu exact unde):

Apoi mai adaog cum transformam radiani in grade. Cateva din cele mai utilizate relatii ar fi acestea (extrase din cartea Tabele matematice uzuale - pacat ca nu am la indemana un scaner ca era mai usor dar o sa incerc sa reproduc tabelul):

 

Acum sa fac un mic calcul de curiozitate la un amplificator audio pe care l-am realizat cu mult timp in urma si care oscila - intrarea nu era la masa. Oscila chiar si cu filtru RC. Dar de ce oscila ? In primul rand schema si modul de practic de realizare era .....sa-i zic impropriu. Am masurat cu voltmetru tensiunea de pe iesire si era circa 8-10V. Amplificatorul era alimentat la +/-50vcc iar frecventa de osciltatie am incercat sa o masor cu un frecventmetru. Era putin peste 10kHz dar nu mai stiu exact valoarea.

Acum sa aplic formula de mai sus:

y=sin(20Pi*t+phase shift) care devine phase shift =arcsin(u) - am considerat starea initiala egala cu 0 ca sa nu complic si mai mult lucrurile. Ia sa vedem ce ne da - atunci nici prin cap nu mi-a trecut sa masor asa ceva dar daca tot a intrebat Dudikoff, sa incerc:

deci sa transform tensiunea sau raportul Va/Vb in decibeli, unde Va am sa o consider tensiunea pe care am masurat-o iar Vb tensiunea la castig unitar egala cu 1V. Cum Va=10V si Vb=1V , raportul este egal cu 10. In dB asta inseamna 20, deci 20dB. Eu stiam de la facultate ca NU este obligatoriu sa fie transformata in dB. Dar sa zicem ca nu, atunci un sin(10)=-0,54radiani=10. Haideti ca m-am incurcat, o mana de ajutor va rog. Acum stiu ca 180-10=170grade este phase shift dar nu mai sunt sigur, presimt ca am gresit undeva.

[Dudikoff]

Eu nu i-as spune "margine de faza" la "phase-shift" . Marginea de faza e "phase margin" pe engleza, si se refera la diferenta dintre 180 (la care oscileaza amplifu) si phase shift.

 

 

Misto tabelele alea. Cu radianii chiar nu le am.

 

Am gasit asa pe Wikipedia :

An operational amplifier will oscillate at the frequency at which its open loop gain equals its closed loop gain if, at that frequency the open loop gain of the amplifier is >= 1 and the difference between the phase of the open loop signal and phase response of the network creating the closed loop output = -180?

Mathematically : ΦOL – ΦCLnet = -180?

 

Eu nu prea inteleg open-loop gain-ul asta ...

 

Cu closed-loop am inteles:

Iei un amplif, ii dai 1KHz la intrare cu amplitudinea sa zicem de U1 = 1.4Vp, ii pui voltmetru (audio) la iesire si masori amplitudinea, sa zicem ca gasesti U2 = 60Vp. Faci si un grafic in frecventa daca vrei.

Acum, closed-loop gain-ul = U2/U1. Adica :

 

G_closed = 60V / 1.4 V = 42.85 x

G_closed (dB) = 20 * log10 ( 42.85 ) = 32 dB

 

Bun. Acum ce-i fac eu (practic) la amplif ca sa masor si open-loop gain-ul ?

Pai ... open-loop gain-ul e gain-ul fara feedback. Deci ce fac ? ii iau rezistentele alea si ii pun intrarea inversoare la masa ? sau o las in aer ? sau ce-i fac ?

[releu]

Dudikoff, se vede ca te-ai informat putin mai mult ca mine in legatura cu "phase-shift". Nu degeaba am scazut cei 10 grade mai sus din 180, ceva ceva mai stiam eu dar nici nu stiam exact cum. Au trecut ceva ani buni de cand am absolvit facultatea.

Bun. Acum ce-i fac eu (practic) la amplif ca sa masor si open-loop gain-ul ?

De exemplu, in schema cu AO-ul ala unde ii dai pe "+" un 1,4Vpp, pe iesire poti sa obti teoretic o tensiune foarte mare, deoarece castigul amplificatorului se spune ca tinde spre infinit. Ca sa nu ai castig infinit, practic trebuie sa lipesti pinul rezistentei care vine pe reactie la iesirea amplificatorului la masa. Am facut un desen si o simulare in acest sens ca sa fie totul mai sugestiv:

In imaginea de mai sus gasesti raspuns si la aceasta intrebare a ta:

Deci ce fac ? ii iau rezistentele alea si ii pun intrarea inversoare la masa ? sau o las in aer ? sau ce-i fac ?

[donpetru]

Dl. Dudikoff, puteti sa ne spuneti clar de ce va intereseaza castigul in bucla deschisa ??? La un amplificator operational, castigul in tensiune in bucla deschisa este infinit (tipic el este de ordinul 2*10e5). De ce va intereseaza acest castig!!!! La ce schema de amplificator audio doriti masurarea phase-shift ??

 

LATER EDIT: In site-ul de mai jos gasiti explicativ cele doua metode de masurare a castigului in bucla deschisa si inchisa la un amplificator audio. De fapt, pagina web de mai jos reprezinta o sursa utila de informatie celor care doresc sa-si construiasca prin forte propri un amplificator audio sau doresc sa afle cum functioneaza:

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Aud...o_Amplifier.htm

[releu]

La un amplificator operational, castigul in tensiune in bucla deschisa este infinit (tipic el este de ordinul 2*10e5)

Completez: teoretic este castigul infinit, practic atinge un 70-90dB.

Dudikoff, ai vreun amplificator audio caruia doresti sa-mi masori open loop gain-ul si nu stii cum ???? Arata-ne schema ???

 

p.s. foarte utila pagina web din postul de mai sus a lui donpetru!!!! Nu ar fi rau sa treci macar putin prin ea Dudikoff ?! :a8:

[Dudikoff]

Da, e chiar util link-ul. Si am trecut prin el mai mult, nu doar putin.

Intre timp am gasit si eu un document foarte interesant. Si explica pe intelesul tuturor :

Pina la urma am inteles cum se masoara open-loop gain-ul asta ! Am masurat (teoretic) la amplificatorul la care lucrez acum si are 130 dB in open loop. Si cica cu cit e mai mare cu atit e mai bine, pentru ca diferenta dintre gain-ul open-loop si closed loop e gain-ul care se ocupa de corectarea erorilor (prin reactia negativa). Cu cit e mai mare cu atit sint distorsiunile mai mici.

 

Pai ... in final eu vreau sa ajung sa inteleg cum sta treaba cu stabilitatea asta intr-un amplificator.

Ma chinui de vreo 6-7 luni la un amplificator si nu reusesc sa-l fac stabil. Si nu vreau sa renunt la el, ca in simulator merge perfect si imi da performante extrem de bune. ( THD=0,001%. Stiu ca nu o sa iasa chiar atit, dar iti faci o idee. In acelasi simulator AV400 are 0,02%) Ar fi pacat sa nu-l duc la bun sfirsit.

 

 

Schema ar fi asta. Nu e terminata... Asa cum e acum oscileaza.

Configuratia aia de driveri e o idee de-a mea. Am facut-o asa mai mult la nimereala si ajutat de simulator. Polarizarile nu sint sigur daca sint cele care trebuie. Poate o discutam mai tirziu dupa ce rezolv cu oscilatiile astea, pentru ca s-ar putea sa iasa ceva bun. Curentii in finali se imbina mai bine ca la un qusi-complementar clasic.

 

 

Cam asa arata cea-a mai ramas din prototip dupa ce mi s-a ars o pereche de mosfeti.

[Vizitator spirtaru]

Vezi c? nu ai luat corect reac?ia. Trebuia luat? din rezisten?ele din emitor, ?nainte de bobina paralel? cu rezistorul de 4.7 ohmi. ?i Zobelul trebuie pus tot acolo.

[Dudikoff]

Am incercat in toate felurile. Si asa cum ai zis tu, si chiar si fara bobine si zobeluri ....

[releu]

Cateva posibile greseli:

1. Nu trebuia sa utilizezi dubleti in etajul prefinal (T10 & T12; T11 & T13), deoarece acest lucru, din cate vad, iti face o schimbare de faza de 180grade, ceea ce presupune, in timpul functionarii montajului (regim permanent) un phase-shift de peste 180grade;

2. filtru T cu condensatori (R14, C4, C5) in functia de transfer caracteristica a amplificatorului pot induce un maxim la o anumita frecventa, ast. inc. la o anumita polarizare in c.c. a amplificatorului, impreuna cu o amplificare destul de mare din bucla de reactie, sa intretina phase-shift-ulsau oscilatia.

3. vorbeam mai sus de raportul de amplificare definit in mare parte de raportul rezistentelor R11/R12. Este cam mare. As fi ales un R11 de max. 22k iar filtru RC - Cx, Rx, l-as fi scos initial din circuit. Incearca lucru asta sa vezi daca scapi de ocilatie.

 

Alte cauze de mentinere a oscilatiei:

- rezistentele din grila MOS-FET-urilor sunt cam mici, as fi ales un min. 470 Ohmi;

- realizarea circuitului in mare parte in aer fara realizarea unui cablaj prototip poate fi o cauza, care pe langa una dau doua expuse mai sus, sa intretina oscilatia amplificatorului si sa mareasca phase-shift. In general, din ce am mai masurat, phase-shift nu ar tebui sa-l ai mai mare de 180 grade. Cu un filtru RC pe iesirea amplificatorului, corect realizat (teoretic si practic) pot sa reduci phase-shift de la 150-170 grade la circa 90, ceea ce inseamna limita de stabilitate.

 

In rest, schema ar trebui regandita si nu e bine sa te bazezi 100% pe simulari. Parmise ca in ORCAD ai facut simularea ??? Din cate stiu ORCAD_ul lucreaza cu modele ideale ceea ce in peste 50% din cazuri, o simulare in acest program nu iti este de folos. Ai vrut sa modifici putin IPA300 dar nu ai facut bine.

 

Din ce am mai discutat cu donpetru anul trecut la o bere, circuitul de intrare de la IPA este cel mai prost, nici la AV400 nu este foarte stralucit, deoarece in regim dinamic pot apare tensiuni de atac de amplitudini diferite pe etajul final, deci pe tranzistori "+" si cei "-" (mai ales cand piesele sau tranzistori nu sunt atent selectionati). Acest lucru, denota o probabilitate mare de aparitie a instabilitati in suprasarcini relativ mici a amplificatorului. Eliminarea acestor inconveniente presupune o atentie sporita si o echilibrare atenta a etajului de intrare, de multe ori acest lucru fiind neglijat. Nu degeaba cei care au conceput IPA300 sau N MOS cum i se spune - original -au prevazut un semireglabil pe circuitul de intrare!!! Ti-ai pus vreodata intrebarea asta: de ce, Dudikoff ???? Am vazut ca tu nu le-ai bagat in schema. De ce ???? Simularea e una, realitatea e alta. Eu am avut ocazia sa fac un amplificator ca lumea, si simularea a mers corect si practic a iesit foarte bine, dar caracteristica putere-instabilitate era destul de abrupta. Multi constructori DIY de multe ori nici nu traseaza aceasta caracteritica (instabilitatea poate fi phase-shift). Fiecare schema de amplificator o are pe a sa. Daca caracteristica e puternic cazatoare nu ai facut nimic, chiar daca teoretic ai obtinut un THD de 0,0001% sa zicem, practic o sa fi nevoit sa faci niste modificari care te vor conduce la un THD mult mai mare. Deci, solutii de compromis care doar teoretic iti creeaza sentimentul ca amplificatorul a iesit ceva mai bun dar realitatea o sa-ti confirme contrariu: s-ar putea sa aiba performante chiar mai slabe decat taticul lui!!!

 

Deci, mai gandeste-te ????