DVD "feedback in audio amplifiers"

[jacquese]

Bonjour Jean-Marc,

Après un peu de recherche...
Ci-dessous un schéma d'ampli classique à trois étages avec un différentiel d'entrée, un VAS, et un buffer de puissance à gain unitaire, en classe A. Le détail ne me semble pas important car c'est juste un exemple support, l'essentiel est d'avoir un étage d'entrée soustracteur en actif qui fasse la fonction V(in) - V(correction)...



C'est pas facile de montrer les distorsions internes au simulateur car il n'est plus question de beau signal sinus, le calcul de disto devient très difficile. Alors juste pour montrer le phénomène j'ai exagéré les valeurs. Pour simuler plusieurs déphasages j'ai choisi plusieurs valeurs de C pour la compensation : 220pF, 1n, et 2n. Je le redis, c'est exagéré pour qu'on puisse mieux voir ce qui se passe...
Ci-dessous :
- première fenêtre : entrée, sorties en rouge pour les trois valeurs
- seconde fenêtre : mesure du courant de sortie du premier étage. Plus le déphase est important, plus le swing traité par cet étage est important
- Troisième fenêtre : tentative (j'espère que c'est à peu près correct) de visualisation de l'erreur du premier étage pour les trois mesures : [v(correction)-v(in)]/gain - i(out), c'est dire sortie idéal - sortie réelle en simulation. (C'est ce qui est difficile à visualiser et je ne suis pas certain que ce soit correct)



On voit que plus le déphasage augmente, plus le swing sur le soustracteur augmente. Plus le swing augmente, plus l'étage d'entrée voit sa disto augmenter en H3. Il faut noter que l'erreur produit par l'étage d'entrée est sensée se retrouver directement à la sortie, pas corrigée et même amplifiée.

Pour finir, une mesure de la disto en sortie de l'ampli, toujours pour les trois mesures : On voit H3 exploser en fonction du déphasage.



Phénomène assez tenu sur le plan objectif dans le réel mais intéressant à étudier. L'étude de l'intermodulation pourrait être intéressant.

Jacques

[JM Plantefeve]

Bonsoir Jacques, merci pour cette investigation qui me rappelle de préciser un point important trop vite pensé comme acquis.

Le message de Jan relayé par Forr et relaté sur le fil "à propos du Hiraga 20W", évoque l'école d'une bande passante large plutôt que réduite, en boucle ouverte. Dit comme cela, on vote les yeux fermés pour la bande passante large, mais ce serait ne pas saisir que ce choix ne touche pas au "produit gain*bande passante" (GBP chez les rosbifs).

En effet, il n'est pas question de démultiplier la valeur de la capacité Cdom, mais : (par exemple)

• d'augmenter l'impédance de charge du Voltage-Amplifier Stage
  
• de voir son gain augmenter (et donc celui de BO général)
  
• de voir l'effet Miller déplacer le pôle dominant vers le bas, sans changer Cdom
  
• de voir la distorsion diminuer en dessous de l'ancien pôle... (souvent 20kHz quand le concept "large bande" est respecté)
  
• ...avec une distorsion inchangée au dessus de l'ancien pôle
  

Sur ta simulation à 10kHz, il y a déphasage augmenté et gain diminué. Le GBP se dégrade, la distorsion augmente, bien sûr. Contrairement à ci-dessus où elle diminue. Mais peut-être est-ce oublier d'autres points ? Jan pose finalement aussi cette question. Et en réalité, cela se traduit par une complication du schéma ou un affaiblissement du slew-rate... Heureusement, le Solide Sphinx est là !

[jacquese]

Bonjour à tous,

Je crois bien que Bruno Putzeys avait parfaitement résumé la situation (feedback, Gain-Bande et bande-passante / déphasage) dans un article. J'essaierai de le retrouver.
Le produit gain-bande est un concept très utile pour analyser ce qu'on peut obtenir d'une contre-réaction. Mais je pense qu'il est tout aussi intéressant de se préoccuper de la distorsion directement produite par chaque étage. On se retrouve alors avec deux approches :
1/ Maximiser le produit gain-bande global sans trop se préoccuper de la distorsion en BO pour que la CR réduise au mieux les distorsions à la sortie
2/ Minimiser la distorsion en BO sans trop se préoccuper du produit gain-bande global pour que la CR est moins à réduire.

Le meilleur résultats ne serait-il pas le meilleur compromis entre les deux approches plutôt qu'un course effrénée vers un produit gain-bande global maximisé ? Quand je regarde l'ampli Hiraga 20W, j'y vois un remarquable exemple d'un tel compromis.

Jacques

[forr]

Bonjour Jacquese,

Je crois bien que Bruno Putzeys avait parfaitement résumé la situation (feedback, Gain-Bande et bande-passante / déphasage) dans un article. J'essaierai de le retrouver.

http://www.edn.com/design/consumer/44187...s-too-much

Le produit gain-bande est un concept très utile pour analyser ce qu'on peut obtenir d'une contre-réaction. Mais je pense qu'il est tout aussi intéressant de se préoccuper de la distorsion directement produite par chaque étage. On se retrouve alors avec deux approches :
1/ Maximiser le produit gain-bande global sans trop se préoccuper de la distorsion en BO pour que la CR réduise au mieux les distorsions à la sortie
2/ Minimiser la distorsion en BO sans trop se préoccuper du produit gain-bande global pour que la CR est moins à réduire.

Le meilleur résultats ne serait-il pas le meilleur compromis entre les deux approches plutôt qu'un course effrénée vers un produit gain-bande global maximisé ?

Ce dépend de ce que l'on entend par "meilleur résultat"... (et par les deux sens du verbe "entendre" ).

Une contre-réaction globale est sensée toujours procurer une meilleure correction de linéarité, disposant de plus de gain de boucle, qu'un circuit comprenant d'importantes contre-réactions locales.
Certes avec ces dernières, on obtient une bande passante en boucle ouverte élargie, mais en même temps, le circuit dispose de moins de contre-réaction pour le linéariser aux basses fréquences.
Le débat sur cette question est ancien.

Le graphique ci-dessous est du à Baxandall et non à Linsley-Hood à qui l'attibue Pass. Il montre que les harmoniques de la distorsion d'un ampli à étage d'entrée à FET (au modèle simplifié) varient avec le gain de boucle de la contre-réaction, et que, tant que celui-ci n'est pas suffisant, les harmoniques, à part la n°2, présentent un taux supérieure à celui sans contre-réaction.
Ce graphique figure dans la thèse de Cheever. On en parlait beaucoup au début de ce siècle, où l'on se montrait très préoccupé de la forme des dégradés de la distorsion harmonique :



Baxandall a publié un graphique similaire, moins souvent montré, avec un transistor bipolaire. C'est plus chahuté :



Tout ceci est relativement connu des spécialistes. Il est facile de deviner la conclusion qu'en tirent beaucoup de concepteurs.
Mais il y a un élément de réflexion nouveau. Il concerne les contre-réactions locales. Cordell en a tout récemment mesuré les effets qu'il a publiés sur le forum DiyAudio : il a retrouvé avec la variation du taux de contre-réaction locale le même genre de comportement harmonique que celui d'un contre-réaction globale. Je ne m'étais jamais posé la question mais cela semble tomber sous le sens.
On ne peut pas négliger cet aspect des choses.

Le circuit de test :



Cela dit, les étages d'entrée des amplificateurs, s'ils sont soignés, permettent des applications de contre-réaction qui n'ont pas de quoi trop inquiéter.

A+

[JM Plantefeve]

Bonjour Jacques,

"Je crois bien que Bruno Putzeys avait parfaitement résumé la situation (feedback, Gain-Bande et bande-passante / déphasage)"
Désolé d'avoir élaboré un message qui ne fait que reformuler la chose (pas loin de 2 heures de modélisation, de simulation et de rédaction, tout de même...), mais à la lecture de ton analyse puis à la vue de ta simulation, j'avais imaginé que cela pouvait être utile.

"...plutôt qu'un course effrénée vers un produit gain-bande global maximisé ?"
Mais il n'était pas question de maximiser le GBP ! Seulement de ne pas détériorer ce qu'on appelle en automatique, le gain statique. Quitte à raccourcir la bande passante de boucle ouverte (mais pas celle de boucle fermée !). La meilleure voie ? je ne suis pas encore certain, mais c'était bien le sujet amené par Forr et Jan.

Bien à toi, Jean-Marc.

[jacquese]

Bonjour Jacques,

"Je crois bien que Bruno Putzeys avait parfaitement résumé la situation (feedback, Gain-Bande et bande-passante / déphasage)"
Désolé d'avoir élaboré un message qui ne fait que reformuler la chose (pas loin de 2 heures de modélisation, de simulation et de rédaction, tout de même...), mais à la lecture de ton analyse puis à la vue de ta simulation, j'avais imaginé que cela pouvait être utile.

Bien à toi, Jean-Marc.

Mais c'est très utile. J'ai cité cet article "au passage" comme une source complémentaire d'information et pas du tout pour minimiser l'apport de ta simulation !

[jacquese]

Bonjour forr,

Une contre-réaction globale est sensée toujours procurer une meilleure correction de linéarité, disposant de plus de gain de boucle, qu'un circuit comprenant d'importantes contre-réactions locales.

Je ne comprend pas cette assertion. Si je divise ma distorsion en boucle ouverte par deux en mettant en place des CR locales, je peux me permettre de réduire mon gain de boucle pour une même distorsion en boucle fermée.

Certes avec ces dernières, on obtient une bande passante en boucle ouverte élargie, mais en même temps, le circuit dispose de moins de contre-réaction pour le linéariser aux basses fréquences.

On n'obtient pas qu'une bande passante élargie, on obtient aussi en sortie une distorsion en boucle ouverte moins importante. On aura effectivement moins de CR pour linéariser en boucle fermée, mais en même temps, il y aura moins à linéariser.
Pour un même résultat en boucle fermée, les deux approches restent donc valides.

Le graphique ci-dessous est du à Baxandall et non à Linsley-Hood à qui l'attibue Pass. Il montre que les harmoniques de la distorsion d'un ampli à étage d'entrée à FET (au modèle simplifié) varient avec le gain de boucle de la contre-réaction, et que, tant que celui-ci n'est pas suffisant, les harmoniques, à part la n°2, présentent un taux supérieure à celui sans contre-réaction.
Ce graphique figure dans la thèse de Cheever. On en parlait beaucoup au début de ce siècle, où l'on se montrait très préoccupé de la forme des dégradés de la distorsion harmonique :



Baxandall a publié un graphique similaire, moins souvent montré, avec un transistor bipolaire. C'est plus chahuté :



Tout ceci est relativement connu des spécialistes. Il est facile de deviner la conclusion qu'en tirent beaucoup de concepteurs.

Diagrammes effectivement très connus. On peut donc en conclure qu'à partir de 40db on est libre de s'arrêter quand on veut !


Il y a un autre aspect : la saturation. avec un CR globale élevée le résultat n'est pas bon. Avec un CR globale faible, c'est bien mieux géré.

Comme toujours, des avantages et des inconvénients pour chaque approche et finalement toujours la possibilité de régler le curseur où on veut entre les deux approches en fonction de ce que l'on cherche à faire lors de la conception.

Bonne soirée.

[forr]

Bonsoir Jacquese,

Si je divise ma distorsion en boucle ouverte de la moitié en mettant en place des CR locales, je peux me permettre de diviser mon gain de boucle de moitié pour une même distorsion en boucle fermée.

Il est à craindre que non. La première victime de la baisse du gain de boucle est l'étage d'entrée : il doit traiter une tension différentielle entre ses entrées non-inverseuse et inverseuse doublée.

On n'obtient pas qu'une bande passante élargie, on obtient aussi en sortie une distorsion en boucle ouverte moins importante. On aura effectivement moins de CR pour linéariser en boucle fermée, mais en même temps, il y aura moins à linéariser.
Pour un même résultat en boucle fermée, les deux approches restent donc valides.

Comme vu ci-dessus, l'étage d'entrée est plus sollicité.
Si les contre-réactions locales diminuent la distorsion, celle-ci peut devenir plus complexe, comportant plus d'harmoniques de rang élévé.
Les inlassables chasseurs de distorsion ont peu recours à des contre-réactions locales (à part celle due à la compensation en fréquence) ils les cantonnent au premier étage. Certains vont jusqu'à introduire des réactions positives pour augmenter spéctaculairement le gain en boucle ouverte afin de réduire à rien (-120 à -140 dB de rigueur) la distorsion.

Diagrammes effectivement très connus. On peut donc en conclure qu'à partir de 40db on est libre de s'arrêter quand on veut !

Putzeys a écrit qu'il n'y avait jamais trop de contre-réaction.

Il y a un autre aspect : la saturation. avec un CR globale élevée le résultat n'est pas bon. Avec un CR globale faible, c'est bien mieux géré.

Il existe des circuits très simples pour que la récupération après saturation soit immédiate. Dans les années 80, l'amplificateur dB6 au gain en boucle ouverte énorme avait été conçu dans cet esprit :

http://audio-database.com/DB%20SYSTEMS/amp/db-6-e.html

A cette époque, on a beaucoup employé le vocable "saturation douce" à propose de certains circuits amplificateurs. Il s'agit une mauvaise description de leur fonctionnement.

Mais avant tout, les tensions des signaux issus des appareils numériques sont aujourd'hui largement normées, et il est facile de faire ce qu'il faut (par exemple, avec des atténuateurs judicieusement placés) pour empêcher les amplificateurs d'une installation domestique de jamais saturer.
Il existe aussi des dispositifs à placer en amont des amplificateurs et conçus pour saturer avant eux.
Enfin, ma philosophie est simple : si un amplificateur sature, cela s'entend, et cela veut dire il n'est pas prévu pour le niveau d'écoute demandé. Il appartient au propriétaire de l'installation d'en tirer les conséquences.

Comme toujours, des avantages et des inconvénients pour chaque approche et finalement toujours la possibilité de régler le curseur où on veut entre les deux approches en fonction de ce que l'on cherche à faire lors de la conception.

On fait ce que l'on veut certes.
Mais on a beaucoup reproché aux circuits fortement contre-réactionnés des tas de défauts de comportement sans les accompagner d'arguments tangibles. Des électroniciens sans états d'âme ont su donner des réponses irréfutables à de telles contestations infondées du fonctionnement des contre-réactions et mettre fin à des légendes insensées qui en ont découlées.

A+

[JM Plantefeve]

"Mais c'est très utile."

Merci Jacques.

J'ai souvent l'impression que mes posts sont transparents malgré le temps passé à une élaboration soignée (à mon sens). Soin pour la crédibilité mais aussi pour la lisibilité. Sur mon pc portable, j'essaie par exemple de ne pas dépasser la hauteur d'un écran par post. Le revers est que c'est chronophage quand on ne veut rien perdre de l'intention, et que l'on se retrouve plus facilement noyé dans le flot. Mais grâce à la veille documentaire et scientifique nécessaire, je progresse encore !

[jacquese]

Bonjour forr,

Si je divise ma distorsion en boucle ouverte de la moitié en mettant en place des CR locales, je peux me permettre de diviser mon gain de boucle de moitié pour une même distorsion en boucle fermée.

Il est à craindre que non. La première victime de la baisse du gain de boucle est l'étage d'entrée : il doit traiter une tension différentielle entre ses entrées non-inverseuse et inverseuse doublée.

Si on note en boucle ouverte : Ao le gain, eo l'erreur en sortie et B le gain du réseau de CR, l'erreur en boucle fermée ef est selon la théorie ef=eo/(1 + Ao B). Si on divise eo par deux et qu'on diminue Ao de moitié et qu'on ajuste B en conséquence on obtient exactement le même ef.
Si ef est le même, l'étage d'entrée verra un signal différentiel du même ordre de grandeur.
Dans l'erreur ef, il y a de la distorsion et du déphasage. Mais comme une contre-réaction locale joue sur les deux tableaux c'est très bien !

Comme toujours, des avantages et des inconvénients pour chaque approche et finalement toujours la possibilité de régler le curseur où on veut entre les deux approches en fonction de ce que l'on cherche à faire lors de la conception.

On fait ce que l'on veut certes.
Mais on a beaucoup reproché aux circuits fortement contre-réactionnés des tas de défauts de comportement sans les accompagner d'arguments tangibles. Des électroniciens sans états d'âme ont su donner des réponses irréfutables à de telles contestations infondées du fonctionnement des contre-réactions et mettre fin à des légendes insensées qui en ont découlées.

Je suis d'accord avec toi. Je dis que les deux approches sont valides, pas plus...

Jacques