Buizenversterkers
Bandbreedte en invloed van de tegenkoppeling
 

De bandbreedte is het frekwentiegebied dat door de versterker doorgelaten en versterkt wordt. De versterking van de doorlaatband moet binnen een bepaald niveau liggen.
-

-

Als er een toonregeling toegepast wordt, dan moet die geplaatst worden buiten de lus van de terugkoppeling. De terugkoppeling probeert immers de vervormingen te onderdrukken, en een versterking of verzwakking van bepaalde tonen wordt als een vervorming aangezien.
Input

Lowest frequency

Highest frequency

Medium frequency

Er zijn verschillende methodes om de bandbreedte te meten. Men heeft eerst een frekwentiegenerator nodig. Indien je niet over een skoop beschikt, dan kan de meting ook gebeuren met een multimeter als die die de volledige frekwentieband kan meten.

Meting met multimeter

Laat de generator een signaal van 1V leveren en controleer dat de multimeter deze spanning correct meet over de volledige frekwentieband (desnoods een correctiefactor berekenen en toepassen op de metingen). De meting kan verlopen, dit kan zowel veroorzaakt worden door een generator die geen constante spanning levert als door een multimeter die niet lineair werkt over het volledige frekwentiegebied. Dan moet iedere keer de amplitude van het signaal aan de ingang aangepast worden om 1V te bekomen.

Zet de generator op een gemiddelde frekwentie, bijvoorbeeld 800Hz, regel de generator om 1V aan de ingang van de versterker te hebben. Schakel de versterker aan, sluit een dummy load aan en regel de volume van de versterker zodat die een vermogen van 10% levert ten opzichte van zijn maximaal vermogen (het is niet de bedoeling een vermogensmeting te doen). Kom niet meer aan de volumeknop.

Begin de metingen vanaf de laagst mogelijke frekwentie (bijvoorbeeld 20Hz). Pas indien nodig de amplitude van het generatorsignaal om 1V te meten op de multimeter. Meet de uitgangsspanning (bijvoorbeeld 1.5V).

Herhaal de meting voor de opeenvolgende frekwenties (stapgrootte 1.5): 20Hz, 30Hz, 45Hz, 67Hz, 100Hz, 150Hz,... Controleer eerst de amplitude van het ingangssignaal en schijf de uitgangsspanning op.

Bepaal de maximale amplitude van het signaal, bijvoorbeeld 2.5V op 500Hz. Als men het over de bandbreedte heeft, dan bedoelt men het gebied dat de versterker kan weergeven met een vermogen die niet onder de 50% van de maximale amplitude komt. Omgezet in een spanning betekent dit dat de minimale spanning hoger moet liggen dan 0.7× de maximale spanning.

We hebben een maximale amplitude van 2.5V, de minimale amplitude mag dus niet onder de 1.77V komen.

Vergeet niet een mooie grafiek te tekenen en die op instagram te posten.

Meting met een skoop

De meting mpet een skoop is niet noodzakelijk nauwkeuriger, maar je kan gemakkelijker versterkerproblemen detecteren (parasitaire oscillaties). De generator wordt ingesteld op een bloksignaal.

De skoopbeelden die hier getoond worden zijn gegeven met uitgeschakelde tegenkoppeling. In de praktijk worden de metingen uitgevoerd zowel met ingeschakelde als uitgeschakelde tegenkoppeling om de fouten op te sporen. Een tegenkoppeling zou eigenlijk enkel gebruikt mogen worden om een goede versterker nog te verbeteren, niet om ontwerpfouten te verdoezelen.

Fouten die kunnen optreden zijn bijvoorbeeld uitslingeringen, die enkel zichtbaar zijn met blokgolfsignalen.


Ringing (uitslingering)
Uitslingering is een vaak voorkomend probleem bij versterkers die sterk uitgestuurd worden. De uitslingering is ook zichtbaar met een sinusgolf als de versterker sterk uitgestuurd wordt. Als de versterker in classe AB werkt wordt dit veroorzaakt door een tak van de outputtransformatie die niet meer gedempt wordt (pentode uit geleiding). Het effekt kan verminderd worden door bijvoorbeeld een boucherot filter.

Het uitgangssignaal zal nooit perfekt vierkant zijn, en dit is normaal: een blokgolfsignaal bevat harmonischen die in theorie tot in het oneindige doorlopen. Geen enkel audiosignaal heeft een blokgolf. Een blokgolfsignaal kan echter gemakkelijk gebruikt worden om snel de bandbreedte van een versterker te meten. De skoop moet een meetraster hebben (graticule), maar moet geen metingen op het signaal zelf doen.

Het eerste beeld is die van het ingangssignaal aan de versterker. Het tweede signaal wordt gemeten op de uitgang van de versterker als de frekwentie overeenkomt met het begin van de bandbreedte. De versterker kan een hoog of laag niveau niet vasthouden. Het derde signaal is gemeten op het einde van de bandbreedte, als de versterker moeite heeft om het signaal van de generator te volgen.

Het vierde signaal wordt gemeten halverwege de frekwentieband. Het signaal op de uitgang lijkt nog altijd niet op het signaal op de ingang, maar dit is niet zo erg, geen enkel natuurlijk audiosignaal lijkt op een blokgolf. Vergeet niet dat een buizenversterker uitgerust is met koppelcondensatoren (waardoor er een minimale frekwentie is) en een uitgangstransformator die ook niet echt lineair werkt. Transistorversterkers zijn beter in dit opzicht, ze hebben een bandbreedte die van 20Hz tot 20kHz loopt binnen 3dB. Onderaan de pagina kan je een skoopbeeld zien van een versterker die zeker niet goed presteert.

Een goede buizenversterker heeft een bandbreedte die loopt van 30 tot 18kHz, en het loont de moeite niet om de bandbreedte te verhogen: er wordt energie gepomt in frekwentiebanden die niet goed weergegeven kunnen worden, waardoor de intermodulatie sterk stijgt en het geluid "muddy" wordt.

Amplifier bandwith without feedback and with feedback

Invloed van de tegenkoppeling op de bandbreedte

Met de tegenkoppeling wordt de amplitude van het signaal over de volledige bandbreedte meer lineair gemaakt. De weergavecurve wordt vlakker en de bandbreedte wordt groter. Omdat de tegenkoppelijn het signaal aan de uitgang in tegenfase aan de ingang van de versterker terugvoert daalt de algemene versterking.

De rode curve is de weergavecurve zonder globale tegenkoppeling, met enkel lokale tegenkoppeling (kleine condensatoren tussen anode en rooster van bepaalde buizen om oscillaties tegen te gaan). De versterking is hoog maar de curve is zeer bol, met de -3dB punten die redelijk dicht bij elkaar liggen. Het is vooral de outputtransformator die voor de bolle curve zorgt.

De groene curve is opgetekend met ingeschakelde tegenkoppeling. De totale versterking is lager, maar de curve is meer vlak, met de -3dB punten die verder uit elkaar liggen. De bandbreedte (lichtgroen) is dus breder geworden.

Het is mogelijk om de terugkoppeling zodanig aan te passen (met een condensator- en weerstandnetwerk) dat de curve nog vlakker wordt, door de verhoogde versterking bij hoge frekwenties te verminderen.

Praktisch voorbeeld van tegenkoppeling met skoopbeeld (ga over de cyan vlakken met de muis):

Zonder tegenkoppeling
Met tegenkoppeling

Ingangssignaal: 1.4V top-top
Uitgangssignaal zonder tegenkoppeling: 18V top-top (10W)
Uitgangssignaalmet tegenkoppeling: 7V top-top (1.5W)

Het signaal zonder tegenkoppeling heeft een beperkte bandbreedte met een verzwakking van de hoge tonen (de flanken zijn niet recht) en van de lage tonen (de plateau's zijn niet horizontaal).

Het signaal met tegenkoppeling is minder sterk (verzwakking van 8.2dB), maar de flanken zijn steil en de plateau's zijn mooi horizontaal. Hier is te zien dat een beperkte tegenkoppeling een grote invloed heeft op de kwaliteit van het signaal.

De signaalverzwakking veroorzaakt echter een sterke daling van het vermogen, en bij het opvoeren van het vermogen kunnen andere fouten optreden, zoals uitslingeringen (overshoot) die niet aanwezig waren zonder tegenkoppeling. Deze fouten worden veroorzaakt door fasefouten in het versterkergedeelte. Deze fasefouten kunnen doorgaans moeilijk vermeden worden en de oplossing is hier de bandbreddte van de versterker te beperken door op gepaste plaatsen kleine condensatoren te plaatsen in de signaalweg naar massa.

Meting van de bandbreedte door frekwentiesweep

De eenvoudigste manier om de bandbreedte van een versterker te meten is met een oscilloscoop en een frekwentiegenerator met sweep funktie. De generator loopt van 10Hz tot 25kHz in 9 seconden (deze waarden zijn instelbaar), en terzelfdertijd teken de skoop de omhullende curve (geel). De sweep is logaritmisch, dit komt beter overeen met ons gehoor.

We hebben eerst de curve van een goede versterker. Er is een instabiliteit rond 15Hz, maar dit heeft weinig invloed in de praktijk, de laagste frekwentie die een versterker correct moet versterken is 20Hz. Er is een signaalverzwakking vanaf 15kHz, maar het vermogen dat bij deze frekwenties nodig is is zeer laag.

Door de tegenkoppeling heeft men een zeer constante versterking over de volledige bandbreedte. Van zodra dat de gain boven een bepaalde waarde komt begint de tegenkoppeling te werken om de gain te beperken. De tegenkoppeling kan de versterking niet opvoeren, enkel beperken.

De tweede curve komt van een oude AM radio. De bandbreedte is sterk beperkt in de hoge tonen, maar dit is normaal want de bandbreedte van AM zenders is beperkt tot 4.5kHz en de radio is niet voorzien om de FM band te ontvangen. De bandbreedte is zeer goed in de lage tonen, de bandbreedte loopt van 25Hz tot 4.5kHz. De hoge tonen worden minder versterkt om de storingen te verminderen.

Deze radio heeft een sterke tegenkoppeling, dit merkt men aan het vlakke verloop van de curve. In deze radio wordt de mate van tegenkoppeling bepaald door de stand van de volumepotmeter.

De vorm van de bandbreedte kan veranderen als men de parameters van de eindtrappen wijzigd (anodestroom). Bij een lagere stroom nemen de eigenschappen van de outputtransformator de overhand want de buizen verliezen een deel van de controle over de transfo.

We hebben dan een oscilloscoopbeeld van de weergave van het signaal van een zeer middelmatige versterker. Het blokgolfsignaal wordt sterk verminkt: de lage tonen zijn zwak (er is geen plateau) en het is niet beter gesteld met de hoge tonen (de verticale flanken zijn verdwenen).

De meting is hier uitgevoerd met een frekwentie van 440Hz. Ik gebruik deze frekwentie omdat die mooi in het midden van het frekwentiespectrum van een audiobron zit.

Een skoopbeeld kan een idee geven hoe goed de versterker presteert (je kan nazien of er geen parasitaire oscillaties ontstaan (ringing)), maar om de bandbreedte te bepalen is een sweep toch beter. De curve is verschrikkelijk, er is nergens een plateau, maar de praktijk is nog veel slechter, want het vermogen hangt af van de spanning in het kwadraat. Een signaalverzwakking van 50% (halvering) komt overeen met een vermogen vermindering van 75% (kwart vermogen).

De praktische bandbreedte van een versterker wordt daarom aangegeven bij een vermogenvermindering van 50% (halvering), wat overeenkomt met een amplitudevermindering tot 71% (spanning van 1V naar 0.71V). De vermogensbandbreedte van de versterker gaat van 55Hz tot 1kHz.

Dit is de curve van dezelfde radio waarvan de curve hierboven getekend werd, maar met uitgeschakelde tegenkoppeling. Omdat de tegenkoppeling ook gebruikt wordt om de bandbreedte boven 4.5kHz te onderdrukken hebben we hier wel een zwak signaal boven de 4.5kHz.

Een tegenkoppeling is dus altijd nuttig: het kan de bandbreedte verhogen (of juist verminderen als dat nodig is).

PublicitÚs - Reklame

-