Роль усилителей обратной связи в системах обработки звуковых сигналов

Усилители обратной связи являются фундаментальными строительными блоками в современных системах обработки аудиосигналов. Их способность точно контролировать усиление, стабилизировать производительность цепи и резко снизить искажения делает их незаменимыми во всем: от профессиональных консолей для смешивания до наушников потребительского класса. Возвращая часть выходного сигнала на вход, усилители обратной связи формируют поведение активных цепей для достижения уровней точности и надежности, которые недостижимы только с помощью конструкций с открытым контуром. В этой статье исследуются теория, топологии, преимущества, практические приложения и компромиссы проектирования усилителей обратной связи в аудиосистемах.

Основы усилителей обратной связи

Усилитель обратной связи состоит из базового усилителя (с коэффициентом усиления в открытом цикле A) и сети обратной связи, которая возвращает на вход часть выходного напряжения или тока. Базовая блок-схема характеризуется коэффициентом обратной связи β (бета).Прирост в замкнутом цикле A_f задаётся:

A_f = A/(1+Aβ)

Количество (1 + Aβ) известно как разница усиления или возврата петли. Когда Aβ велико (намного больше 1), усиление замкнутого цикла упрощается примерно до 1/β, что делает его в значительной степени независимым от вариаций усиления открытого цикла. Этот принцип является основой отрицательной обратной связи.

Отрицательная обратная связь возникает, когда сигнал обратной связи вычитается из входа (вне фазы).Положительная обратная связь добавляет сигнал обратной связи в фазе, что может вызвать колебания и обычно избегается в линейном усилении, если намеренно не используется в осцилляторах или регенеративных схемах.

Типы конфигураций обратной связи

Обратная связь может применяться в четырех основных топологиях в зависимости от того, как воспринимается выход (напряжение или ток) и как сигнал обратной связи сочетается с входом (серией или шунтом).

Обратная связь по напряжённости (Series-Shunt)

Сеть обратной связи воспринимает выходное напряжение и подает обратно напряжение последовательно с входом. Эта топология увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление, что делает ее идеальной для усилителей напряжения, где желательно низкое выходное сопротивление. Это наиболее распространенная конфигурация в схемах аудиооператоров.

Обратная связь текущего сериала (Series-Series)

Обратная связь ощущает выходной ток и возвращает напряжение последовательно. Это увеличивает входное сопротивление и увеличивает выходное сопротивление, полезное в усилителях транспроводимости (преобразователях напряжения к току), таких как те, которые используются на некоторых этапах предварительного усилителя.

Обратная связь с охотой на напряжение (Shunt-Shunt)

Обратная связь ощущает выходное напряжение и подает ток параллельно (шунт) с входом. Это уменьшает как входное, так и выходное импеданс, часто используемый в преобразователях тока в напряжение (усилителях трансимпеданса), таких как фотодиодные усилители.

Обратная связь с охотой (серия охотников)

Эта топология ощущает выходной ток и питает ток параллельно входу. Она уменьшает входное сопротивление и увеличивает выходное сопротивление, подходящее для усилителей тока.

В аудиосистемах преобладает обратная связь по ряду напряжений, поскольку большинство аудиоусилителей работают на напряжении. Однако понимание всех четырех топологий помогает инженерам проектировать специализированные этапы, такие как предусилители микрофона (где обратная связь тока может быть полезна для низкого шума ввода) или усилители наушников (где датчик тока на выходе улучшает коэффициент демпфирования).

Основные преимущества аудиосистем

Широкое распространение усилителей обратной связи в аудио обусловлено несколькими хорошо понятными преимуществами.Каждое преимущество возникает из способности отрицательной обратной связи торговать снижением прибыли для улучшения линейности и предсказуемости.

Стабилизация прибыли

Прирост в открытом цикле усилителя изменяется в зависимости от температуры, напряжения питания и старения компонентов. Отрицательная обратная связь снижает чувствительность к этим изменениям в коэффициенте (1 + Aβ). Например, если коэффициент усиления в открытом цикле усилителя изменяется на 20%, но коэффициент усиления в петле составляет 1000, коэффициент усиления в замкнутом цикле изменяется только на 0,02%. Эта предсказуемость имеет решающее значение в прецизионных аудиосхемах, где коэффициент усиления должен оставаться стабильным с течением времени и температурой.

Искажение сокращение

Нелинейности в активных устройствах (транзисторы, операционные усилители) вызывают гармонические и интермодуляционные искажения. Отрицательная обратная связь уменьшает эти нелинейности тем же фактором (1 + Aβ). Петля обратной связи пытается исправить выход, чтобы соответствовать входу, эффективно линеаризуя усилитель. Общее гармоническое искажение (THD) в высокоточных аудиоусилителях может быть уменьшено от процентов до частей на миллион (ppm) с достаточной обратной связью. Этот метод является основной причиной, по которой современные твердотельные усилители достигают исчезающе низких THD-фигур.

Расширение полосы пропускания

Продукт усиления пропускной способности усилителя является примерно постоянным. При торговле низкочастотным приростом в открытом цикле для более высокого прироста в замкнутом цикле отрицательная обратная связь расширяет полосу пропускания. Полоса пропускания в замкнутом цикле становится:

BW_CL = BW_OL × (1 + Aβ)

Этот эффект позволяет аудиоусилителям поддерживать плоскую реакцию далеко за пределами слышимого диапазона, обеспечивая последовательную фазовую реакцию и уменьшая количество индуцированных артефактов.

Модификация импеданса

Как отмечается в топологиях, обратная связь может адаптировать импеданс ввода и вывода. В аудиосистемах импеданс низкого выхода улучшает демпфирование громкоговорителей (предотвращая неконтролируемое движение конуса), в то время как импеданс высокого входа обеспечивает минимальную нагрузку предыдущих этапов. Например, стандартный усилитель отрицательной обратной связи может достигать импеданса вывода ниже 0,1 Ом, обеспечивая превосходное управление динамиком.

Уменьшение шума (выборочное)

Хотя обратная связь не может уменьшить шум, создаваемый самой входной стадией, она может уменьшить шумовые вклады с более поздних стадий.Петля обратной связи заставляет усилитель исправлять ошибки, эффективно ослабляя шум, введенный после точки суммирования обратной связи. Этот принцип используется в конструкции предусилителя с низким уровнем шума, где первая стадия остается доминирующим источником шума, но последующие стадии могут быть спроектированы с более широкой полосой пропускания и более низким искажением без ухудшения шумопроизводительности.

Практические применения в аудиообработке

Усилители обратной связи встроены почти в каждый блок цепочки аудиосигналов. Ниже приведены ключевые приложения с деталями дизайна.

Предусилитель

Предусилители микрофона требуют чрезвычайно низкого шума, переменного усиления и высокого импеданса ввода. Отрицательная обратная связь используется для установки точных значений усиления (часто переключаемых или управляемых потенциометром). Типичный активный сбалансированный вход использует дифференциальную обратную связь для отбрасывания шума в общем режиме. Сеть обратной связи также определяет частотную реакцию; например, путем включения конденсаторов в путь обратной связи, предусилитель может быть адаптирован для плоского усиления или выравнивания RIAA для фоно-картриджей. Точность усиления, обеспечиваемая обратной связью (]Wikipedia: Усилитель отрицательной обратной связи ) здесь имеет важное значение.

Усилители мощности

Выходные стадии должны доставлять большие токи с минимальным искажением. Усилители мощности комплементарной симметрии обычно используют вложенные петли обратной связи: глобальный цикл обратной связи от выхода к входной дифференциальной паре корректирует общие нелинейности, в то время как локальная обратная связь на стадии усилителя напряжения (VAS) и выходной стадии улучшает линейность и стабильность. Выбор коэффициента обратной связи (обычно 20-30 дБ) уравновешивает снижение искажений относительно предела стабильности. Многие высокопроизводительные конструкции также включают циклы DC сервопривода (интеграция обратной связи) для устранения смещения выходной мощности без конденсаторов связи. Эти методы хорошо документированы в текстах аудиотехники, например в Аналоговые устройства: Компенсация обратной связи для усилителей аудиосигнала .

Уравнители и фильтры

Активные эквалайзеры используют сети обратной связи, построенные из резисторов и конденсаторов для создания частотно-зависимого усиления. Классическая схема управления тоном Baxandall использует отрицательную обратную связь вокруг операционного усилителя для увеличения или сокращения басовых и трехкратных частот. Аналогично, графические эквалайзеры используют банки активных фильтров (часто Sallen-Key или топологии с переменным состоянием), где обратная связь устанавливает центральную частоту, Q и усиление. Фильтры с переменным состоянием одновременно выводят сигналы с низким пропуском, полосовым пропуском и высоким пропуском, суммируя обратную связь в нескольких путях. Эти фильтры являются основой полос канала микшера и подвесных процессоров.

Смешивание консолей и суммарных усилителей

В профессиональных аналоговых смесителях суммирующие усилители объединяют несколько аудиоканалов в стереошину. Инвертирующие суммирующие усилители используют простую топологию виртуального поля, где отрицательный вход op-amp (суммирующий переход) удерживается на потенциале земли посредством обратной связи. Это линейное суммирование позволяет избежать перекрестных помех и поддерживает чистоту сигнала. Резистор обратной связи устанавливает общий коэффициент усиления, а входные резисторы выбираются для обеспечения правильного взвешивания. Поскольку сумматорный переход является виртуальной землей, изоляция канала к каналу превосходна.

Стабильность и компенсация

В то время как отрицательная обратная связь обеспечивает многочисленные преимущества, она имеет критическое ограничение: стабильность. Каждый усилитель имеет паразитные емкости и индуктивности, которые вводят фазовые сдвиги. На высоких частотах дополнительное фазовое отставание (в основном от усилителя с открытым контуром) может превратить отрицательную обратную связь в положительную обратную связь, вызывая колебания. Критерий стабильности Nyquist диктует, что усиление петли должно иметь фазу менее 180° (или положительный фазовый запас) на частоте усиления единства.

Для обеспечения стабильной работы инженеры добавляют компенсационные сети, которые снижают коэффициент усиления в открытом цикле на высоких частотах, намеренно снижая коэффициент усиления в петле для обеспечения запаса фаз не менее 45° (желательно 60°). Наиболее распространенным методом является компенсация по фазе доминантного полюса, где конденсатор (часто конденсатор Миллера) создает низкочастотный полюс, который откатывает коэффициент усиления до того, как другие полюса вызывают чрезмерный сдвиг фаз. Это снижает полосу пропускания, но гарантирует стабильность. В усилителях мощности звука компенсация дополнительно осложняется импедансом нагрузки и индуктивностью вывода; компенсационные сети часто включают в себя серии RC-шумов для влажного высокочастотного колебания. Хорошим ресурсом для более глубокого понимания являются Электронные учебные пособия: Op-amp Input Impedance (включая эффекты обратной связи).

Соображения в отношении дизайна и компромиссы

Оптимизация обратной связи для аудиосистем требует балансировки нескольких конкурирующих факторов.

• Высшая обратная связь (более крупный Aβ) улучшает стабильность усиления и уменьшает искажение, но снижает коэффициент усиления замкнутого цикла и подчеркивает скорость разбиения усилителя. Для данного усиления с открытым циклом существует оптимальное количество обратной связи. Чрезмерная обратная связь может вызвать временное искажение интермодуляции (TIM), потому что усилитель не может идти в ногу с быстрыми изменениями сигнала при исправлении ошибок.
• Шум в Сети обратной связи: Резисторы в сети обратной связи генерируют тепловой шум, который усиливается усилением шума (1 + R_]f/R_g. Для конструкций с низким уровнем шума значения резисторов должны сохраняться как можно ниже без перегрузки выходной стадии усилителя. Предпочтительны резисторы металлопленки с низкими коэффициентами напряжения.
• Динамический диапазон: Отрицательная обратная связь снижает способность качения сигнала усилителя, поскольку выход должен быть больше для исправления ошибок. Это может уменьшить пригодный для использования динамический диапазон, если усилитель толкается вблизи его рельсов питания. Дизайнеры должны обеспечить достаточный запас хода.
• Тепловые соображения: В усилителях мощности компоненты сети обратной связи могут дрейфовать с температурой, изменяя усиление замкнутого цикла. Использование низкотемпературных резисторов и термической связи критических компонентов помогает поддерживать точность.
• Усилители класса AB полагаются на обратную связь, чтобы сгладить область кроссовера и уменьшить искажение кроссовера. Однако мертвая зона в характеристике передачи все еще может вызывать высокочастотные артефакты, если петля обратной связи слишком медленна. Локальная обратная связь вокруг выходной стадии (например, с использованием резисторов эмиттера) часто добавляется для улучшения линейности перед глобальной обратной связью.