Stabilità di un amplificatore retroazionato

[Piercarlo]

In effetti guardando il grafico la fase non scende mai nella zona negativa e a nessuna frequenza vedo una brusca inversione di fase. Io mi aspetterei invece entrambe le cose.

Perché?

[MauroLombardi]

Piercarlo perché li ho sempre visti così, che passano per lo zero e che hanno ad un certo punto una inversione di fase netta, ma come dicevo all'inizio nel mio primo post non sono molto ferrato in materia.
Quindi mi dici che può anche essere normale così? Ma se lo fosse, perché poi il circuito autooscilla? Se ha sempre fase positiva non potrebbe autooscillare, almeno così mi sembra.
Come vedi non sono affatto sicuro delle poche cose che credo di sapere, per questo sto chiedendo aiuto.

[gill90]

perché poi il circuito autooscilla? Se ha sempre fase positiva non potrebbe autooscillare, almeno così mi sembra.

Invece non è così, perché un guadagno che scende e una fase che sale è sintomo di polo destro nella funzione di trasferimento, e quindi di instabilità (i poli di una fdt ad anello chiuso devono essere tutti nel semipiano sinistro, quindi tutte le volte che c'è una riduzione di guadagno ci deve anche essere una riduzione di fase).
Il motivo, come già detto nei precedenti post, è sostanzialmente che quella configurazione con i due differenziali di carico dopo i differenziali di ingresso (per intenderci, Q503 e Q504) sono asimmetrici, e generano ad un certo punto una biforcazione nei percorsi di segnale che fanno sommare i due contributi che andranno poi all'uscita in maniera tale da "ribaltare" l'andamento che hanno a bassa frequenza.

In particolare, la capacità tra base e collettore di Q503 e Q504 inizia ad agire in maniera diversa nei due casi, e questa capacità solitamente può creare molti problemi se non opportunamente compensata: immaginatelo come un percorso alternativo di richiusura della corrente che, invece di passare dalla base ed essere amplificata con guadagno invertente, ora "bypassa" il transistor dirigendosi verso l'uscita con fase non invertente.
Se ci metti due percorsi con questa caratteristica (e capacità che iniziano ad agire a frequenza diversa, quindi asimmetrici) e un nodo in comune in cui sommare indistintamente questi contributi, capirai che possono verificarsi un sacco di effetti possibili, tra cui anche una auto oscillazione nel caso in cui le due fasi, che ad esempio inizialmente (cioè a bassa frequenza quando le due capacità non intervengono) si sottraggono, da una certa frequenza in poi iniziano a sommarsi, generando una instabilità.

[Piercarlo]

"Averle sempre viste così" non vuol dire molto; se un circuito è instabile e auto-oscilla lo fa per una ragione precisa. Il funzionamento della controreazione si basa essenzialmente sul fatto che il guadagno grezzo, ad anello aperto di un circuito viene utilizzato in un anello che ha come prima finalità quella di SOPPRIMERE qualsiasi variazione i segnale al suo interno.
Questa azione soppressiva (una vera e propria "anti-amplificazione" che viene opportunamente ATTENUATA dalla rete di retroazione allo scopo di ottenere dal circuito un guadagno preciso e predefinito) viene stabilita per costruzione nel circuito ai cui sfasamenti sono posti dei vincoli nella risposta agli stimoli (le compensazioni) che hanno lo scopo di assicurare la tenuta di questa azione soppressiva, il cui venire meno in presenza di un guadagno ancora attivo è, quando si verifica, la base dello scatenarsi delle instabilità.
Tutto il quadro di stabilità e instabilità di un circuito si colloca per intero in questa cornice, il resto - fase, guadagno ecc. - sono solo i dettagli del suo funzionamento e anche se sono utili per comprendere la situazione, di per sé non sono "leggi" di comportamento di un circuito ma soltanto degli indicatori.

[Piercarlo]

(prosegue dal post 27)

Gli "errori" di base che si fanno nell'impostare le alimentazioni dei circuiti a transistori, soprattutto se basati su amplificatori operazionali (inclusi quindi quasi tutti gli amplificatori audio moderni), sono sostanzialmente due e sono errori più di trascuratezza e mancato approfondimento dei dettagli che non veri e propri errori tecnici.
Il primo, molto comune e diffuso, è quello di ritenere sempre automaticamente risolti dalla controreazione i problemi di reiezione ai disturbi di alimentazione dei circuiti o anche di ritenere la controreazione esistente sempre più che sufficiente a mandare questi disturbi "sotto il tappeto"; vedremo poi più nei dettagli come questo sia spesso lontanissimo dal vero, alle volte in modi anche piuttosto inaspettati - e questo anche al netto delle corbellerie in cui si incorre quando si vogliono perseguire obiettivi velleitari e "ideologici" legati alla ricerca della qualità "senza controreazione", quasi come fosse possibile l'esistenza di una sorta di elettronica "naturale" o "bio".

Il secondo errore comune, in qualche modo anch'esso legato all'uso abitudinario di circuiti a operazionali ma anche no, è il non tenere presente il reale comportamento delle linee di alimentazione, soprattutto quando si usano alimentatori duali ma che non riguarda solo loro.
Anzitutto vi è la generale tendenza a non tener conto dell'effettiva impedenza di uscita degli alimentatori, una "svista" che può portare anche a un degrado sorprendentemente consistente di circuiti lineari altrimenti di prestazioni più che accettabili; questo è uno dei campi più infestati dall'aggettivo "trascurabile" che spesso e volentieri tende a far prendere sottogamba problemi in effetti tutt'altro che trascurabili nei loro effetti. È un vero e proprio pressappochismo che porta molte spesso a ottenere risultati mediocri quando si potrebbe ottenere il meglio con poco o pochissimo sforzo in più.

Infine un errore più subdolo ma gravido di conseguenze è ritenere, per i segnali, le linee di alimentazione e di massa equivalenti tra di loro - fatto che, in virtù dell'impedenza finita di tutte queste linee, è ben lontano dalla realtà. Ci tornerò più avanti.

(continua)

[Piercarlo]

Sulle alimentazioni ho già detto prima che esse sono un'importante chiave di volta per spiegare le differenze di "suono" tra i vecchi (ma anche "nuovi") amplificatori a tubi e i primi amplificatori a transistori da cui è partita poi tutta la diatriba su chi suonerebbe meglio di chi. E lo è, oltre che per la necessità, coi tubi, di curare meglio le alimentazioni per far fronte alla generale indisponibilità di elevati tassi di retroazione e dei relativi benefici, anche per una questione di rapporto tra le impedenze dei circuiti in gioco e quelle degli alimentatori che li servono - a parità di qualità costruttiva ovviamente.
Supponendo per i due casi la stessa potenza erogata, non è affatto la stessa cosa doverla erogare direttamente alle correnti richieste dal carico o attraverso un trasformatore che nel suo ruolo di adattatore di impedenze consente all'amplificatore di lavorare, sul piano delle correnti, in una situazione molto più confortevole da trattare e, in tendenza, molto più lineare - linearità potenziale che pur venendo molto spesso vanificata da altri problemi (soprattutto quando sono richieste potenze di uscita importanti) offre delle reali possibilità di un ascolto, se non "migliore", almeno più tranquillo, soprattutto alle potenze medio basse in gioco in un ambiente domestico - questo ai tempi (cioè fino a una quarantina di anni fa) perché da allora fino ai giorni nostri le cose sono cambiate a tal punto che non ha più un gran senso confrontare i due tipi di amplificazione. Ci torno dopo.

(continua)

[Piercarlo]

Facciamo ora un primo grosso punto della situazione.
1) Ha senso oggi, nel campo dell'elettronica audio, investigare in topologie circuitali "esotiche" in in uno qualsiasi dei suoi stadi? Dal mio punto di vista no: non solo le eventuali migliorie ottenibili sono da tempo largamente al di fuori delle possibilità percettive umane ma all'aumentare della complessità circuitale aumentano di pari passo le possibilità di malfunzionamento o sorprese spiacevoli - Meglio lasciare le complicazioni dove servono e a chi servono.
2) Cosa è sopravvissuto oggi dell'intera mitologia/ideologia audiofila che imperversava sui forum fino a una decina di anni fa? Da quel che si può capire in giro ben poco, il mercato si è fortemente ridimensionato e ridotto a una cerchia abbastanza ridotta di appassionati, una cerchia che in fondo è ritornata alle sue origini, ben lontana dai clamori che ha avuto nel suo periodo di boom. Sono soprattutto spariti, senza rimpianti, "guru", "teorici" ed "esperti" variopinti che per anni hanno infestato l'ambiente.

In poche parole, è tutto tornato con i piedi per terra e si può finalmente discutere le cose con più calma e lucidità; quello che è ancora rimasto in sospeso può essere affrontato oggi con maggiore obiettività, partendo da un dato ormai incontestabile: i problemi classici dell'elettronica audio ormai non esistono più. Parlare di non linearità, distorsioni ecc è quasi parlare di "archeologia elettronica": non si cercano più "misteri" da scoprire e capire ma molto più semplicemente errori da capire e superare. Si è voltato pagina e si è ripreso a camminare; il discorso può ripartire da nuove basi, sperabilmente più solide delle precedenti.

(continua)

[Piercarlo]

Riprendiamo ora a vedere in dettaglio la questione della controreazione che, come detto nel post 35, viene a priori ritenuta sempre "sufficiente" senza però approfondire che lo sia effettivamente. Il motivo di questo atteggiamento è presto detto: ogni circuito analogico (senza escludere a priori quelli digitali) controreazionato incorpora per costruzione la possibilità di divenire instabile, possibilità su cui vengono prese di necessità delle precauzioni per ridurlo al minimo ottenibile rispetto all'uso che si intende fare di quel circuito.
Per ridurre questo rischio non esistono molte strade: mentre da un lato si cerca di massimizzare il guadagno di anello per massimizzare i benefici della controreazione cercando di non andare oltre la soglia in cui il sistema è ancora controllabile, dall'altro si compensa/contrasta il più possibile ogni polo del circuito suscettibile di mandare all'aria la sua stabilità.
In buona sostanza questo si riduce a tre cose: 1) mantenere gli stadi del circuito al minimo possibile evitando ogni complicazione non realmente necessaria (si diminuisce così il numero di poli da compensare); 2) studiare con cura l'operare e l'interagire tra loro dei poli che rimangono; 3) assicurarsi che il circuito, lungo lo sviluppo della funzione di trasferimento, non esibisca mai un guadagno in potenza tale da sostenere l'instaurarsi di instabilità, fatto che comporta inevitabilmente il controllo stretto della banda passante che va sempre limitata a quanto realmente necessario.
L'ultimo punto contiene implicitamente un vincolo al massimo guadagno d'anello che, per una data banda passante è auspicabile osservare per non ritrovarsi nei guai, limite che ci si consola ritenendolo "sufficiente" per la buona ragione che non è raccomandabile superarlo.

Poiché occorre fare di necessità virtù accettando che il "capitale" disponibile per la controreazione (il guadagno di anello) ha per forza di cose dei limiti di sicurezza da rispettare, ci si adatta alla situazione e ci si fa andare bene quello che c'è. I problemi però non vengono da qui ma da quello che è un vero e proprio risvolto economico dell'uso della controreazione: consentendo di ottenere buone prestazioni (sicuramente ben più che solo "sufficienti") da circuiti più semplici ed economici di quanto sarebbe altrimenti necessari, abbassa i costi di costruzione e produzione di quanto viene prodotto, rispetto al quale peraltro l'eventuale innalzamento qualitativo introdotto dall'impiego di circuiti migliori tenderebbe ad essere abbastanza marginale rispetto all'aumento dei costi che ne conseguirebbe - quindi niente da fare, tutto rimane ancorato al "sufficiente".

Ci si può accontentare? Dipende, l'importante è capire bene anzitutto di che cosa ci si accontenta e poi decidere in merito sul da farsi e se c'è un da farsi.

(continua)

[Piercarlo]

"Accontentarsi" nel caso di un amplificatore audio moderno, acquistabile a prezzi "potabili" e non da cristalleria Swarowski, significa portarsi a casa un oggetto in grado di erogare più o meno continuativamente una potenza nominale compresa tra i 40 e i 100 watt "medi" (non si dice più R.M.S. altrimenti viene giù il cielo), con due canali che, se costruito con componenti discreti, sono basati su uno schema che, dall'ingresso all'uscita, è costituito da tre stadi (ingresso, amplificatore di tensione e booster in corrente all'uscita) impieganti in media una dozzina di transistori per ciascuno, inclusi quelli per i servizi e le protezioni. Il resto è componentistica a contorno (resistori, condensatori assortiti ecc.) e meccanica.
Lo schema tipico, salvo l'uso dei Darlington monolitici nello stadio di uscita (che negli stadi di uscita, per ragioni a me ignote, non hanno mai preso veramente piede nonostante fossero un realtà ottimi per lo scopo) sostituiti da due doppi (più raramente tripli) inseguitori di emettitore in cascata e salvo pure l'ormai generale disuso dei limitatori di corrente "a strozzo" sui finali (da tempo sostituiti da altri tipi di protezione, concettualmente migliori) è simile al secondo di quelli illustrati al post 26. A meno di errori grossolani, le prestazioni elettroniche vanno dal buono all'eccellente senza grossi problemi a ottenerle: la loro progettazione e costruzione è al giorno d'oggi più un fatto di mestiere che non di ingegneria.
Per quella che sono le esigenze odierne della normale fruizione audio e video domestica (una radio, un lettore CD, un televisore e molto spesso una connessione Internet) basta e avanza e le eccezioni sono ormai abbastanza rare.

Ma non sono estinte e soprattutto non è estinta la curiosità e l'aspirazione a capire meglio le cose e a tentare di migliorarle quando è possibile; e se "si ha fame" è possibile darci ancora dentro, pure parecchio volendo, sebbene alla fine le migliorie realmente ottenibili siano più "sportive" che fattuali. Questo perché se il diavolo sta nei dettagli, questo le ha comunque prese di santa ragione e ne è uscito con le corna rotte da un bel po' anche a seguito di diversi piccoli ma importanti progressi che sono stati fatti nel corso degli ultimi trent'anni nella comprensione dei dettagli di funzionamento dei circuiti.

Tra questi il più cruciale è la comprensione che alla base delle distorsioni più perniciose generate in un amplificatore a transistor bipolari (ma non limitate solo a loro) vi è sostanzialmente un unico fenomeno, legato a momenti specifici di funzionamento: l'apertura momentanea dell'anello di retroazione con il conseguente momentaneo crollo della controreazione e le sue conseguenze. Tali aperture sono sostanzialmente di due generi, il più semplice di tipo duro causato in buona sostanza dalla temporanea interruzione del funzionamento dello stadio finale (distorsione di incrocio e di commutazione) e un tipo un po' più morbido dovuto a crolli momentanei del guadagno di anello prodotti dalla saturazione o dalla momentanea instabilità di uno o più stadi (soprattutto negli schemi più complessi).
I provvedimenti presi sono stati diversi che però si riducono fondamentalmente a due: 1) sono stati rivisti i rapporti tra VAS e stadio di uscita, aggiungendo percorsi (anche soltanto un resistore) di aggiramento di quest'ultimo per i momenti di "piantata" che, pur ridotta, consentissero di mantenere la catena di retroazione anche soltanto con il VAS attivo, eventualmente irrobustito all'occorrenza; 2) si sono studiate polarizzazioni non commutanti dello stadio di uscita ("non switching" di cui l'esempio più noto è la cosiddetta "new class A" della Technics - nome piuttosto fuorviante perché in realtà della classe A non vi è nulla) che impedissero l'interdizione dei transistor finali al passaggio per lo zero, spostandone gli artefatti di commutazione al di fuori della banda audio.
A completare il quadro si è avuta la successiva abolizione dei classici limitatori di corrente posti tra le basi e gli emettitori dei finali.

Infine di tutt'altro genere ma non meno significativa è stata una migliore comprensione del funzionamento della compensazione a due poli che, oltre all'estensione già nota e attesa della banda di potenza, ha consentito di portare allo stesso livello la reiezione ai disturbi su entrambe le le linee di un'alimentazione duale.

(continua)

[gvee]

Magari voleva aiutarmi ma gli è sfuggita la successiva pubblicazione degli schemi da parte mia.

No, non mi è sfuggita, ma qui ci sono utenti senza ombra di dubbio più preparati del sottoscritto per questo tipo di schemi. Alcuni dei quali hanno risposto.

Indipendentemente da questo, è sempre meglio esporre uno schema (circuitale o a blocchi etc.) in modo da esporre chiaramente il problema. A parole è sempre molto più difficile.