La controreazione (per altoparlanti) (cc)
Inviato: 30/11/2017, 14:17
la controreazione negativa è una tecnica che obbliga un sistema a portarsi verso un punto di equilibrio.
Un esempio molto interessante è la valvola di Watt per regolare la pressione di una caldaia: quando la pressione cresce la valvola si chiude (la pressione diminuisce) quando la pressione cala la valvola si apre (la pressione cala). Qualsiasi sistema con retroazione prevede che una parte dell'uscita venga prelevata e confrontata con l'ingresso.
Nella figura è in evidenza il percorso beta che riporta l'uscita al nodo (di ingresso del llop) dove avviene l'operazione (Vin-Vf). Quindi l'attuatore viene pilotata da questo segnale differenza.
La controreazione è detta negativa perché l'uscita viene riportata all'ingresso con il segno invertito (contrariamente la controreazione è positiva e porta il sistema alla instabilità). La controreazione ha dei vantaggi:
- aumenta la banda passante
- riduce il rumore riferito all'ingresso
- riduce le non linearità
negli amplificatori la controreazione (di tipo tensione-tensione) aumenta l'impedenza di ingresso e diminuisce l'impedenza di uscita (che è poi quello che si chiede ad un amplificatore HiFi per pilotare dei diffusori a bassa impedenza (4 o 8 ohm).
Esistono altri tre tipi di controrezione (corrente-corrente, tensione-corrente e corrente-tensione) con effetti diversi sull'impedenza di ingresso e di uscita. Per ottenere un generatore di corrente si preleva la corrente invece che la tensione.
Vediamo dove sta il "trucco". A conti fatti risulta che:
come si vede se A è molto grande il contributo di 1/A può essere trascurato rispetto a beta e l'uscita non dipende più da A (il guadagno dell'attuatore) ma soltanto da beta (che è un numero tipicamente minore o uguale a 1). Ricordo che A è il guadagno calcolato con il carico collegato.
Se A è "forte ma stupido" può essere indotto a comportarsi come beta che è "piccolo ma intelligente". In un amplificatore operazionale (per uso generico) A è nell'ordine di centomila o più (quindi molto grande). In un ampli per HiFi (per motivi che non indagheremo) può valere qualche migliaio (ma anche molto meno).
Quindi il guadagno dell'attuatore A deve essere preferibilmente molto grande. Il fattore
è detto margine di guadagno.
In un sistema controreazionato (tensione-tensione):
- il rumore (riferito all'ingresso) diminuisce quanto il margine di guadagno
- la distorsione armonica diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di uscita diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di ingresso aumenta quanto il margine di guadagno
- la banda passante (con polo dominante) aumenta quanto il margine di guadagno.
le stesse cose sono scritte qui con tutti dettagli matematici: http://www.uniroma2.it/didattica/ea/dep ... ro_EA1.pdf
Per contro il guadagno diminuisce quanto il margine di guadagno. Il margine di guadagno rappresenta la "ricchezza" che si può spendere per "acquistare" prestazioni migliori.
Ci sono poi cose che la controreazione non può fare per esempio migliorare lo slew rate ovvero aumentare la velocità con cui l'attuatore risponde agli stimoli in ingresso.
Va da sé che se il margine di guadagno è "piccolo" anche la riduzione della distorsione (e tutti gli altri miglioramenti) saranno "piccoli" (ed in tal caso l'uscita dipenderà ancora da A con i suoi difetti).
Se A è distorce poco non serve applicare una controreazione massiccia.
Se A è non distorce la controreazione potrebbe essere inutile.
Se lo slew rate è insufficiente o la banda passante ad anello aperto troppo limitata la controreazione porta alla distorsione di intermodulazione dinamica.
Esistono ottimi amplificatore con controreazione e ottimi amplificatori senza controreazione. Entrambe sono difficili da realizzare.
Un aspetto molto importante dei sistemi controreazionati è la stabilità rispetto alle variazioni termiche (per esempio l'offset in uscita).
Un esempio molto interessante è la valvola di Watt per regolare la pressione di una caldaia: quando la pressione cresce la valvola si chiude (la pressione diminuisce) quando la pressione cala la valvola si apre (la pressione cala). Qualsiasi sistema con retroazione prevede che una parte dell'uscita venga prelevata e confrontata con l'ingresso.
Nella figura è in evidenza il percorso beta che riporta l'uscita al nodo (di ingresso del llop) dove avviene l'operazione (Vin-Vf). Quindi l'attuatore viene pilotata da questo segnale differenza.
La controreazione è detta negativa perché l'uscita viene riportata all'ingresso con il segno invertito (contrariamente la controreazione è positiva e porta il sistema alla instabilità). La controreazione ha dei vantaggi:
- aumenta la banda passante
- riduce il rumore riferito all'ingresso
- riduce le non linearità
negli amplificatori la controreazione (di tipo tensione-tensione) aumenta l'impedenza di ingresso e diminuisce l'impedenza di uscita (che è poi quello che si chiede ad un amplificatore HiFi per pilotare dei diffusori a bassa impedenza (4 o 8 ohm).
Esistono altri tre tipi di controrezione (corrente-corrente, tensione-corrente e corrente-tensione) con effetti diversi sull'impedenza di ingresso e di uscita. Per ottenere un generatore di corrente si preleva la corrente invece che la tensione.
Vediamo dove sta il "trucco". A conti fatti risulta che:
come si vede se A è molto grande il contributo di 1/A può essere trascurato rispetto a beta e l'uscita non dipende più da A (il guadagno dell'attuatore) ma soltanto da beta (che è un numero tipicamente minore o uguale a 1). Ricordo che A è il guadagno calcolato con il carico collegato.
Se A è "forte ma stupido" può essere indotto a comportarsi come beta che è "piccolo ma intelligente". In un amplificatore operazionale (per uso generico) A è nell'ordine di centomila o più (quindi molto grande). In un ampli per HiFi (per motivi che non indagheremo) può valere qualche migliaio (ma anche molto meno).
Quindi il guadagno dell'attuatore A deve essere preferibilmente molto grande. Il fattore
è detto margine di guadagno.
In un sistema controreazionato (tensione-tensione):
- il rumore (riferito all'ingresso) diminuisce quanto il margine di guadagno
- la distorsione armonica diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di uscita diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di ingresso aumenta quanto il margine di guadagno
- la banda passante (con polo dominante) aumenta quanto il margine di guadagno.
le stesse cose sono scritte qui con tutti dettagli matematici: http://www.uniroma2.it/didattica/ea/dep ... ro_EA1.pdf
Per contro il guadagno diminuisce quanto il margine di guadagno. Il margine di guadagno rappresenta la "ricchezza" che si può spendere per "acquistare" prestazioni migliori.
Ci sono poi cose che la controreazione non può fare per esempio migliorare lo slew rate ovvero aumentare la velocità con cui l'attuatore risponde agli stimoli in ingresso.
Va da sé che se il margine di guadagno è "piccolo" anche la riduzione della distorsione (e tutti gli altri miglioramenti) saranno "piccoli" (ed in tal caso l'uscita dipenderà ancora da A con i suoi difetti).
Se A è distorce poco non serve applicare una controreazione massiccia.
Se A è non distorce la controreazione potrebbe essere inutile.
Se lo slew rate è insufficiente o la banda passante ad anello aperto troppo limitata la controreazione porta alla distorsione di intermodulazione dinamica.
Esistono ottimi amplificatore con controreazione e ottimi amplificatori senza controreazione. Entrambe sono difficili da realizzare.
Un aspetto molto importante dei sistemi controreazionati è la stabilità rispetto alle variazioni termiche (per esempio l'offset in uscita).