Poler och nollställen, motkoppling och loopstabilitet. Skrivet av: Hans Beijner 2003-07-27



Relevanta dokument
Föreläsning 5. Motkoppling och stabilitet bl. Stabilitetskriterier Stabilitetsmarginaler Kompensering Exempel. IE1202 Analog elektronik /BM

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Hambley avsnitt

Laboration 4: Tidsplan, frekvensplan och impedanser. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

TSTE20 Elektronik Lab5 : Enkla förstärkarsteg

Laboration - Va xelstro mskretsar

Hambley avsnitt

VÄXELSTRÖM SPÄNNINGSDELNING

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

VÄXELSTRÖM SPÄNNINGSDELNING

Radioprojekt våren 2002 Antennförstärkare Jimmy Johansson e98 Fredrik Åhfeldt e98 Handledare: Göran Jönsson

Förstärkning Large Signal Voltage Gain A VOL här uttryckt som 8.0 V/μV. Lägg märke till att förstärkningen är beroende av belastningsresistans.

Antennförstärkare för UHF-bandet

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 3 Transistorförstärkare

Tentamen i Elektronik, ESS010, den 15 december 2005 klockan 8:00 13:00

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

Övningar i Reglerteknik

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

Elektro och Informationsteknik LTH. Laboration 3 RC- och RL-nät i tidsplanet. Elektronik för D ETIA01

Halvledare. Transistorer, Förstärkare

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

Umeå universitet Tillämpad fysik och elektronik Ville Jalkanen mfl Laboration Tema OP. Analog elektronik för Elkraft 7.

Förstärkarens högfrekvensegenskaper. Återkoppling och stabilitet. Återkoppling och förstärkning/bandbredd. Operationsförstärkare.

Videoförstärkare med bipolära transistorer

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 6 mars 2006 SVAR

Metalldetektorn. Alla förluster (även virvelströmsförluster. metaller) sammanfattas av symbolen r! Järnföremål. även L!

Mät kondensatorns reaktans

Blinkande LED med 555:an, två typkopplingar.

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

OP-förstärkare. Idealiska OP-förstärkare

TENTAMEN Elektronik för elkraft

Spolens reaktans och resonanskretsar

DEL-LINJÄRA DIAGRAM I

Tentamen i Elektronik, ESS010, och Elektronik för D, ETI190 den 10 jan 2006 klockan 14:00 19:00

Elektronik 2018 EITA35

TSTE05 Elektronik och mätteknik ISY-lab 3: Enkla förstärkarsteg

Tentamen i Elektronik - ETIA01

( ), så kan du lika gärna skriva H ( ω )! ( ) eftersom boken går igenom laplacetransformen före

Laboration, analoga applikationer

System, Modeller och Metoder

Rundradiomottagare Mikael Andersson Martin Erikson. Department of electroscience. ETI 041 Radioprojekt

Elektronik 2018 EITA35

Elektronik grundkurs Laboration 5 Växelström

Ellära 2, Tema 3. Ville Jalkanen Tillämpad fysik och elektronik, UmU. 1

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 4 Operationsförstärkare

Laboration II Elektronik

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

Laborationsrapport. Kurs Elinstallation, begränsad behörighet. Lab nr 2. Laborationens namn Växelströmskretsar. Kommentarer. Utförd den.

Antennförstärkare för UHF-bandet

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

Laboration ( ELEKTRO

TENTAMEN Elektronik för elkraft HT

Operationsfo rsta rkarens parametrar

Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

Hambley avsnitt 12.7 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar) sann 1 falsk 0

Laborationsrapport. Kurs Elektroteknik grundkurs ET1002. Lab nr 5. Laborationens namn Växelström. Kommentarer. Namn. Utförd den. Godkänd den.

Laboration 2: Likström samt upp och urladdningsförlopp

4:8 Transistorn och transistorförstärkaren.

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 8. Sammanfattning av föreläsning 7 Framkoppling Den röda tråden!

RC-kretsar, transienta förlopp

Spänningsstyrd Oscillator

Lokaloscillator för FM-rundradiobandet 98,7-118,7 MHz

Filter. Mätteknik. Ville Jalkanen, TFE, UmU. 1

Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Simulering med simulatorn TINA version 1.0

Tentamen Elektronik för F (ETE022)

Elektronik 2018 EITA35

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

TSTE93 Analog konstruktion

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 21 oktober 2008 klockan 8:00 13:00

Filtrering av matningsspänningar för. känsliga analoga tillämpningar

TSKS06 Linjära system för kommunikation Lab2 : Aktivt filter

Tentamen i Elektronik för F, 2 juni 2005

Avkoppla rätt en kvantitativ undersökning av parasitinduktans hos olika layoutalternativ

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Passiva filter. Laboration i Elektronik E151. Tillämpad fysik och elektronik UMEÅ UNIVERSITET Ulf Holmgren. Ej godkänd. Godkänd

Datorövning 2 Matlab/Simulink. Styr- och Reglerteknik för U3/EI2

OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger

Bestäm uttrycken för följande spänningar/strömmar i kretsen, i termer av ( ) in a) Utspänningen vut b) Den totala strömmen i ( ) c) Strömmen () 2

G(s) = 5s + 1 s(10s + 1)

5 OP-förstärkare och filter

Aktivt stereo delningsfilter för hifi och High End

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

Grundläggande signalbehandling

Elektronik. Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

Andra ordningens kretsar

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

Tentamen i ESS 010 Signaler och System E3 V-sektionen, 16 augusti 2005, kl

Qucs: Laboration kondensator

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 18 oktober, 2010, kl

Laborationsrapport för laboration 2 i ESS010 Elektronik. Olle Ollesson 29 september 2012 Handledare: Sven Svensson

PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik.

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

Transkript:

Poler och nollställen, motkoppling och loopstabilitet Skrivet av: Hans Beijner 003-07-7 Inledning All text i detta dokument är skyddad enligt lagen om Copyright och får ej användas, kopieras eller citeras utan författarens tillstånd. Denna text är tänkt att på ett enkelt sätt förklara en del grundläggande begrepp angående motkoppling i audio förstärkare. Texten är medvetet skriven på ett förenklat sätt och därför har jag ej tagit med mer komplexa uttryck eller synsätt tex Nykvist diagram eller betingat stabila förstärkare. Det verkar vara svårt att hitta något enkelt och lättfattligt i detta ämne skrivet på Svenska, däremot finns mycket engelsk text i detta ämne. Exemplen i detta papper är för stabilisering av motkopplade förstärkare är relativt enkla men är kan vara en realistisk beskrivning av tex en enkel rörförstärkare med 3 steg. Metoden med faskorrigerande nät som är beskriven kan förstås användas i mer komplicerade fall med fler faskorrigerande nät både i förstärkningskedjan och i återkopplingskedjan. Reservation för eventuella mindre fel i text och formler Vad menas med poler och nollställen? För att enkelt förklara vad som menas med poler och nollställen är det bäst att använda några enkla exempel. Om vi tänker oss ett enkelt lågpassfilter med ett motstånd R och en kondensator C så kan vi uttrycka spänningen över kondensatorn enligt följande: Vut = ( jωrc + ) Vin R Vut C Fig detta är en komplex ekvation där: Vut är utspänning Vin är inspänning J = - ω = *π*f π = 3.4 F = frekvens i Hz R är motståndets värde i ohm C är kondensatorns värde i Farad

I detta fall så säger vi att denna krets har en pol vid frekvensen F = Eftersom kretsen innehåller både resistiva och reaktiva komponenter så kommer kretsen att fasvrida utspänningen. Amplituden på utspänningen kan uttryckas enligt: π RC Vut = Vin* ( πrc) + eller i db 0* LOG ( πrc) + Och fasen genom ( ) ATAN πfrc För frekvensen F = πrc fås amplituden / = 0.707 eller -3dB och fasen = ATAN (-) = -45 grader Om vi gör ett något mer komplicerat nät enligt denna figur så får vi: Vin Vut = där: ( T jω + ) ( Tjω + ) T = R*C T = (R+R)*C Vin R Vut R C Fig Denna krets har ett nollställe och en pol, nollstället är där F = π ( C( R + R) ) F = och polen fås ur πrc Det går förstås att tänka sig mer komplicerade kretsar som har fler nollställen och poler, tex ( Tajω + )( Tbjω + )( Tcjω + ) ( Tdjω + )( Tejω + )( Tfjω + )( Tgjω + ) som har 3 nollställen för /*π*ta, /*π*tb och /*π*tc och 4 poler för /*π*td, /*π*te, /*π*tf och /*π*tg

Hur fungerar motkoppling, (negativ återkoppling)? Detta är den klassiska kretsen för att förklara motkoppling: In + A Ut Fig 3 B Vi tänker oss en förstärkare med förstärkningen A där en del B av utsignalen kopplas tillbaka till utgången. Då kan man uttrycka förstärkningen för den motkopplade förstärkaren: A AB Ett exempel:, För negativ återkoppling, (motkoppling) så har B negativt tecken En förstärkare med förstärkningen A = 000 ggr och där B = -/00, då får vi förstärkningen för den återkopplade förstärkaren till 000/(+000*) = 90.9 ggr, man kan också se att för mycket stora värden på A så närmar sig förstärkningen för den återkopplade förstärkaren värdet /B, tex om A är 000000 och B är så blir förstärkningen för den återkopplade förstärkaren 99.99 dvs ca 00 I uttrycket ovan så kan A och B vara mer komplicerade uttryck tex av typen ( Tajω + )( Tbjω + )( Tcjω + ) ( Tdjω + )( Tejω + )( Tfjω + )( Tgjω + ) Man kan också visa att tex distorsion påverkas av motkoppling på samma sätt som förstärkningen, dvs A distorsionen miskas med en faktor AB Också utimpedans hos en förstärkare påverkas av motkoppling, för den vanligaste formen av A motkoppling så sjunker utimpedansen med en faktor AB Vad är loopstabilitet? Det går att visa att en motkopplad förstärkare är stabil dvs inte självsvänger om produkten A*B < när fasvridningen är 80 grader, eller uttryckt på ett annat sätt, en förstärkare är stabil om fasvridningen är mindre än 80 grader vid den frekvens där produkten A*B =.

Notera att en mycket spridd missuppfattning är att detta villkor för loopstabilitet gäller för frekvenskurvan före motkoppling dvs A men detta är inte korrekt. Tex en förstärkare som utan motkoppling fasvrider mer än 80 grader vid en hög frekvens där förstärkningen är högre eller lika med är fortfarande stabil om uttrycket ovan är uppfyllt för den motkopplade förstärkaren, se också exemplet nedan. Fas marginal: Fas marginal är skillnaden mellan 80 grader och det aktuella värdet på fasvridningen vid den frekvens där produkten A*B =, tex om fasvridningen i en förstärkare är 50 grader vid den frekvens där produkten A*B = så säger man att förstärkaren har 30 grader fasmarginal. 30 grader fasmarginal anses som ett minimum för att en förstärkare skall anses som stabil. 30 grader fasmarginal ger ganska stora toppar i frekvenskurvan och översvängar för fyrkantpulser så normalt försöker man få högre fasmarginal, tex 45 eller 60 grader är ganska vanligt. För att förklara loopstabilitet på ett enkelt sätt så kan vi använda figuren nedan som visar förstärkning och fasvridning för en förstärkare som har 3 poler, på 00kHz, 00kHz och 500kHz. Förstärkningsfaktorn A är här för låga frekvenser 00ggr. Man kan se att fasvridningen ökar och når ett asymtotiskt värde av 70 grader vilket är det förväntade för ett system med 3 poler. -3dB punkten ligger på ca 00kHz dvs förstärkningen har minskat 3dB från sitt maxvärde vid frekvensen 00kHz. Ostabiliserad förstärkare 6 4-5 Gain db - -4-6 -8-0 - -4 0. 0.5 50 0 5000 00 500 000 000 5000 0000 Hz 0000 50000 00000 00000 500000 000000 000000 5000000 0000000 0000000 50000000-0 -5-0 -5-30 Intressant är att fasvridningen där förstärkningen är 0dB dvs är ca 30 grader, utifrån detta kan vi dra slutsatsen att denna förstärkare kommer att självsvänga för vissa värden på motkoppling. Detta gäller Phase degrees Mag A*B Phase -0 grader -50 grader -80 grader

alltid om fasvridningen vid förstärkning 0dB är mer än 80 grader. Däremot är inte den icke motkopplade förstärkaren ostabil och inte heller den motkopplade förstärkaren vid låga värden på motkoppling. För att se vid vilket värde på motkoppling som gör förstärkaren ostabil så kan man plotta en kurva för A*B, och justera värdet på B tills man får 80 grader fasvridning vid A*B= dvs 0dB. Detta visas av den bruna kurvan, fasvridning 80 grader inträffar ungefär vid frekvensen 400kHz och det är den frekvens som förstärkaren skulle självsvänga på om den justerades på detta sätt, B i detta fall är 7 vilket betyder att förstärkningen för den motkopplade förstärkaren har ett värde vid låga frekvenser på 00/(+00*7) = 3.3ggr eller ca.5db. Stabilisering av motkopplade förstärkare Vi skall nu se på olika sätt att stabilisera den motkopplade förstärkaren. Vi vet att förstärkaren är stabil om fasmarginalen är 30 grader dvs vi vill nå ett läge där fasvridningen där AB = är mindre än 50 grader. Metoden med dominant pol Om vi sänker frekvensen för den lägsta polen tills AB = vid fasvridningen 50 grader så upptäcker vi att i detta fall den lägsta polen måste sänkas från 00000Hz till ca 0000 Hz för att uppnå en fasmarginal på 30 grader. Ampltudkurvan före motkoppling påverkas nu också och -3dB punkten ligger nu på ca 0kHz, fasfelet ökas också och är ca 3 grader vid 0kHz. Stabiliserad förstärkare, (dominant pol) 6 4-5 Gain db - -4-6 -8-0 - -4-6 0. 0.5 50 0 5000 00 500 000 000 5000 0000 Hz 0000 50000 00000 00000 500000 000000 000000 5000000 0000000 0000000 50000000-0 -5-0 -5-30 Phase degrees Mag A*B Phase -0 grader -50 grader -80 grader

Metod med faskorrigerande nät Istället för att sänka frekvensen på en pol för att göra den dominant så kan man använda faskorrigerande nät. Ett faskorrigerande nät har jag redan beskrivit i fig Faskorrigerande nät beskrevs av Bode redan på 30 talet och användes allmänt i professionell kontrollutrustning och förstärkare under lång tid men under senare tid används denna metod i audio förstärkare nästan inte alls. Det normala förfarandet är att införa en dominant pol på relativt låg frekvens, ibland så lågt som 00 Hz och nästan inte i något fall utanför det hörbara området, för att förbättra fyrkantsvar så används oftast också en kondensator parallellt med seriemotståndet i återkopplingsslingan, denna kondensator inför ett nollställe vilket inför viss faskorrektion. Hur fungerar faskorrigerande nät? Om vi tittar på kretsen nedan bestående av motståndet R och kondensatorn C så har vi följande samband mellan in och utspänning: Vut = ( jωrc + ) Vin R Vut C fig 4 Om vi nu parallelkopplar kondensatorn med en serie-kombination bestående av en kondensator C och ett motstånd R så händer följande: Vin R Vut R Fig 5 C C Vi inför en ny pol bestämd av F = πrc Vi inför ett nollställe bestämt av F = πrc Vi flyttar den ursprungliga polen bestämd av F = πrc till F = πrc

Om vi tänker oss ett nät enligt ovanstående beskrivning med ett nollställe på 00 khz och en ny pol på 70kHz och applicerar detta på vår ursprungliga förstärkare så kan vi vi också uppnå en fasmarginal på 30 grader men en del andra saker händer, tex så blir amplitud kurvan före motkoppling flatare än i föregående fall, -3dB punkten ligger nu på ca 50000 Hz, detta betyder förstås att motkopplingen har större effekt vid högre frekvenser, fasfelet vid 0 khz är nu också bara 4 grader. Notera att den ursprungliga polen som låg på 500 khz har flyttats till 3 MHz. Stabiliserad förstärkare, (faskorrigerande nät) 6 4-5 - -0 Mag A*B db -4-6 -8-5 -0 Grader Phase -0 grader -50 grader -80 grader -0 - -4 0 5 0 0 50 00 00 500,000,000 Hz 5,000 0,000 0,000 50,000 00,000 00,000 500,000,000,000,000,000 5,000,000 0,000,000 0,000,000 50,000,000 Detta är väl ganska intressant att man kan få samma fasmarginal med dessa metoder men i övrigt så pass olika resultat. Det är väl inte mindre intressant att man i böcker och på internet ibland kan läsa att man måste införa en dominant pol så att amplituden sjunker vid högre frekvens och på det sättet uppnå stabilitet detta är uppenbarligen inte sant! I transistor slut-steg används ofta Miller kompensering för att införa en dominant pol dvs man inför en kondensator parallellt med bas kollektor på ett transistor steg, man får då en sk Miller effekt där kondensatorn verkar som om den vore större med samma faktor som förstärkningen i steget. -5-30

Som synes av min enkla räkneövning så kan man få stabiltet med bibehållande av hög bandbredd före motkoppling genom att använda faskorrigerande nät, varför används då inte denna metod mer allmänt i dag? Den troligaste anledningen är nog att det är enklare att använda metoden med dominant pol eftersom man inte behöver mäta upp fasgången över ett stort frekvensområde utan istället kan genom att införa en dominant pol som är av mycket lägre frekvens en någon av de existerande naturliga polerna vara säker på att uppnå tillräcklig fasmarginal. Det kan vara ganska svårt och komplicerat att räkna ut eller att igenom simulering designa faskorrigerande nät speciellt för förstärkare med många poler och komplicerad fasgång. Oftast behövs också mer än ett faskorrigerande nät om hög fasmarginal är önskvärt eftersom ett faskorrigerande nät max teoretiskt kan ge max 90 grader korrektion men mer vanligt är att begränsa korrektion i varje nät till tex 45 grader Jag tycker själv att metoden med faskorrigerande nät är attraktiv pga att man kan bibehålla högre bandbredd och lägre fasfel före motkoppling, det kan inte vara fel att utgå ifrån en bra bred förstärkare innan man applicerar motkoppling tex så kan man slippa det vanliga beteendet att distorsionen ökar vid högre frekvens eftersom råförstärkningen och därigenom motkopplingsgraden minskar. Referenser H. W Bode, Network Analysis and Feedback amplifier design G. E. Walley & H. Wallman Vacuum Tube Amplifiers F. E Terman, Radio Engineers Handbook ITT, Reference Data for Radio Engineers