"Если
бы в нашем организме действие
многочисленных обратных связей на всех уровнях
было мгновенным, не было бы причин болезней,
старения и смерти. Любая возникающая
патология будет подавлена в самом зародыше."
Гришин В.А.
1.
Постановка задачи.
Известно, что
в реальных усилителях основной вклад в общий Кг вносят гармоники низших
порядков. Высшим гармоникам не уделялось внимания из-за отсутствия
высокоточных анализаторов спектра, способных зарегистрировать их ничтожно
малую амплитуду. Поэтому развитие схемотехники последних десятилетий
было нацелено на снижение, именно низших гармоник, по уровню которых
и определялся общий Кг. Наиболее простым решением для снижения Кг
оказалось - использование общей ООС. Появление операционных интегральных
усилителей с коэффициентом усиления порядка сотен тысяч позволило
получить усилительный тракт с многократным запасом по усилению, что
обеспечило возможность применения глубокой ООС. Среди разработчиков
усилителей возникло негласное правило, типа "обратная связь вылечит
всё". Однако, такое правило справедливо при мгновенной реакции петли
ООС на входной сигнал, что соответствует бесконечно большой полосе
пропускания, что нереально. Необходимо рассмотреть действие ООС на
искажения различной природы, приводящие к появлению гармоник различных
порядков с учётом их фазового сдвига (
)
относительно входного напряжения (Uвх).
2. Действие
ООС на различные гармонические составляющие спектра.
Рассмотрим рис.1,
где утрировано показано спектральное распределение гармоник, типичное
для реального усилителя.
Кривая (1) является
огибающей амплитуд гармоник. Предположим, что в усилитель введена
ООС глубиной 6 дБ, что соответствует 2-х кратному снижению уровня
сигнала на выходе и, согласно общей теории, такому же снижению общей
величины Кг. Однако, такое же снижение справедливо только для гармоник
низших порядков, для которых можно пренебречь фазовым сдвигом выходного
напряжения (Uвх и Uоос). С увеличением номера гармоник (фазового сдвига)
ООС всё в меньшей степени будет влиять на их амплитуду и при достижении
=90гр.,
ООС не повлияет на уровень n-ой гармоники (рис.1). При N>n (>90гр.)
ООС превратится в ПОС, что приведёт к росту амплитуды последующих
гармоник. Огибающая амплитуд с учётом ОС характеризуется кривой (2).
Для ООС глубиной
10 дБ (3-х кратное снижение уровня выходного сигнала), огибающая уровней
гармоник будет соответствовать кривой (3), а для 20 дБ - кривой (4).
Таким образом,
наряду со снижением гармоник низших порядков и, за счёт этого, общего
Кг, путём введения ООС, происходит увеличение уровней высших гармоник
и тем в большей степени, чем больше глубина ООС.
Если усилитель
вносит неощутимую на слух "ступеньку" (ниже порога слышимости при
данных АС), то введение глубокой ООС может поднять уровень соответствующих
ступеньке гармоник настолько, что последняя станет ощутимой.
3. Действие
ООС в идеально-линейном усилителе.
Применение ООС
в таком усилителе может быть обусловлено, например, необходимостью
снижения выходного импеданса, расширения полосы пропускания и т.д.
Однако, наличие временного сдвига между входным (Uвх) и (Uвых) сигналами
приводит к нежелательному явлению.
Обратимся к
рис.2, где Uвх - начальный участок нарастающего входного напряжения;
Uс - начальный участок напряжения сигнала, приложенного к первому
каскаду.
С учётом запаздывания
Uвых и появления Uоос на время t,
в интервале 0-t появится "выброс"
Uв, т.к. здесь ООС не успевает отследить Uвх. Чем глубже ООС, тем
больше амплитуда выброса Uв по отношению к Uс. Ввиду малой величины
t по отношению к периоду звукового
сигнала, рассмотренные искажения приведут к появлению гармоник высших
порядков. Однако, с учётом наличия слухового биокомпрессора, данные
искажения могут оказаться ощутимыми на слух, т.к. указанное явление
происходит в области перехода сигнала через ноль.
"Выброс", пройдя
петлю ООС, вернётся на вход перевёрнутым на 180гр. и далее будет циркулировать
по замкнутой петле с затухающей амплитудой, накладываясь на полезный
сигнал.
4. Заключение.
Из вышеизложенного
следует, что, наряду со снижением общего Кг, глубокая ООС может способствовать
ухудшению субъективного восприятия звука. Из п.2. вытекает необходимость
сдвига n-ой гармоники (при =90гр.)
как можно дальше вправо (рис.1) по оси N для снижения её (и последующих
гармоник) уровня. Это возможно, при fв>>20 кГц, что продлит линейный
участок фазовой характеристики за пределы звукового диапазона и снизит
фазовый набег с увеличением N.
Из п.3. вытекает
необходимость применения быстродействующих (высокочастотных) активных
элементов для снижения t (рис.1)
т.к.
где k -
число каскадов. Целесообразно вместо общей ООС использовать местные
в наиболее нелинейных каскадах, где величиной ti
(и фазовым набегом) можно пренебречь.
Как известно,
для достижения хорошего демпфирования {При плохом демпфировании
противо-Э.Д.С. динамических головок через цепь ООС попадёт на вход
усилителя и наложится на входной сигнал.} акустических систем
(АС) в выходном каскаде необходимо применять усилительные элементы,
обеспечивающие минимальное соотношение Ri/Rн. Это позволит отказаться
от применения глубокой ООС (по напряжению).
Всем указанным
требованиям в наиболее полной мере удовлетворяет электровакуумный
триод: fгр-десятки и сотни мГц, 
.
