Hi-Fi svět

Web převážně vážně nejen o zesilovačích a počítačích.

L

Nejnovější

Harold Stephen Black

Harold Stephen Black

  • Úvod

    V článku Malé ohlédnutí nejen za rokem 2017... byl mimo jiné popsán doposud nepopsaný druh zkreslení, které se doposud neposuzovalo, ani nikterak neměřilo, zkreslení, které má významný vliv na konečný zvuk, zkreslení které na svou metodiku posuzování teprve čeká.

    Ve světových publikacích se mi nepodařilo najít nic, co by směřovalo k takovému náhledu a posuzování zvuku či hledání právě takového druhu zkreslení, které jsem v závěru článku Malé ohlédnutí nejen za rokem 2017... popsal, mam za to, že tento druh zkreslení i tento článek mohu nazvat "Zkreslení Federmannovo".

    Paradoxem je, že tímto zkreslením, zesilovače Topologie Federmann trpí snad nejméně. Nezbývá než připomenout text Malé ohlédnutí nejen za rokem 2017... , který zůstal bez výraznějšího povšimnutí a bližší vysvětlení Zkreslení, které jsem si dovolil pojmenovat Federmannovo Zkreslení či Zkreslení Federmann.


    Přínos Topologie Federmann a dění kolem

    Milníky topologii

    Abychom mnohé pochopili, bylo se třeba vrátit zpět ke kořenům, které pro zpětnovazební zesilovače svým US patentem č. 2 102 671 dne založil 8. srpna  1928 Harold Stephen Black, jak bylo napsáno v článku Hi-Fi zesilovače a milníky jejich topologii. Myšlenka však byla těžce pochopitelná a ani po 50 letech ji mnozí nejsou schopni dostatečně pochopit, proto jsem napsal články na téma 50let slepé cesty.

     

    Dynamická saturace

    V článcích o Dynamické saturaci jsem poodhalil příčinu či jednu z příčin vzniku zkreslení u zpětnovazebních zesilovačů, kterou se doposud nikdo hlouběji nezabýval a její dopad je na zvuk či jeho charakter rozhodující, vše se točí kolem rezervy zisku, zpětné vazby a Udif.

    Rezerva zisku

    Rezerva zisku, zpětná vazba a Udif jsou neoddělitelné na sobě závislé veličiny, které jsou navíc závislé na mnoha dalších faktorech, frekvenci nevyjímaje. Většina světových obvodových zapojení vychází z prací a zapojení Roberta R. Cordella, jehož pohled na rezervu zisku byl diametrálně jiný jako můj, spíše bych měl snad napsat, že Robert R. Cordell rezervu zisku vůbec neřešil, neboť se upřel spíše na linearizaci poklesu zesílení v závislosti na frekvenci, kdežto mé pojetí, pojetí Topologie Federmann upřednostnilo malost Udif a k jejímu dosažení je zapotřebí zisk zvětšovat, nikoliv zmenšovat. Mnohé bylo popsáno v textech na toto téma.

     

    Celková vs. lokální zpětná vazba

    O vlivu celkové vs. lokální zpětné vazby, jsem toho taky něco málo napsal, v podstatě nám lokální zpětná vazba převážně hloupým přidáváním kapacity ke kapacitě Millerově mnohé vylepšuje, ale vše se děje na úkor celkového zesílení a tím rezervy zisku s enormním nárůstem Udif, hloupým řešením malých problémů vznikají problémy mnohem hloupější a větší, což je podstatným rozdílem mezi pracemi Roberta R. Cordella a B. Federmanna, přesně jak je již bylo uvedeno.

    Filtr napájení

    V článcích věnovaných napájecím částem a její filtraci jsem poodhalil problematiku, které rovněž doposud nebyla věnována dostatečná pozornost, pozornost problematice průsaku rušivých složek do napájení zesilovače a tím i do akustického signálu s přímým dopadem do posunu pracovního bodu vstupních obvodů nejenom zpětnovazebních zesilovačů a vzniku zkreslení. 

     

     Federmannova koncepce a její přínos pro dynamický dynamický rozsah

    Ztráta zvukových detailů a věrnost zvuku je oblastí kterou se mnozí zabývají, ale výsledek práce je pro mnohé blízký nule, zde jsem problematiku nazval Federmannova koncepce a dynamický rozsah, který bude blíže popsán v PE-AR 01/2018.

    Ve skutečnosti jde o uzavřený kruh, jehož středem je Udif, což není nic jiného než rozdílové napětí vstupní diferenciální dvojice zpětnovazebních zesilovačů. Rozdílové napětí je zesilováno frekvenčně závislým zesílením otevřené smyčky na dané frekvenci a výstupní napětí tak odpovídá zesílenému napětí vstupnímu, přičemž se pohybuje v povolené napěťové toleranci vymezené rezervou zisku.

    Uvědoměním si této skutečnosti a jejím hlubším poznáním se dostáváme do dalšího kroku významného poznání zesilovačů s celkovou zpětnou vazbou, neboť zjistíme, že povolená odchylka výstupního napětí je na úrovni Udif, kde v této povolené odchylce, jakési pomyslné volnosti signálu, může zesilovač signál přidávat, ponechávat či ubírat a to dle víceméně náhodného předchozího stavu, který je vymezen přibližně konstantním časovým zpožděním daným zpožděním zesilovače a rezervou zisku na dané frekvenci.

    Ve skutečnosti nám zpětnovazební zesilovač zaručí věrně malé signály jen na úrovni rezervy zisku od aktuálního signálu maximálního, podíváme-li se na Cordellovu koncepci, při frekvenci 10kHz a doložené rezervě zisku vychází aktuální dynamický rozsah pouhopouhých 66-26=40dB! Podíváme-li se na Federmannovu koncepci, při téže frekvenci 10kHz a doložené rezervě zisku vychází aktuální dynamický rozsah velmi slušných  125-22=105dB! Srovnáním obou koncepcí zjistíme, že Federmannova koncepce je v detailech řádově o 60dB přesnější - věrnější než koncepce Cordellova.

    Zde uvedený rozdíl obou koncepcí chování se zpětnovazebních zesilovačů ve zpracování či přenesení nejjemnějších signálových detailů, není nic jiného než popis doposud nepopsaného druhu zkreslení, v jehož důsledku se vytrácí či poškozují nejjemnější detaily zvuku, jako ambientní zvuky, ruchy, tep či tlukot srdce, dýchání, polknutí či tikot hodinek, odrazy, šustot oděvu a mnohé další, jak je popsáno v poslechovém testu HQQF na Hi-Fi Voice.

    Tímto druhem doposud nepopsaného zkreslení, jakousi dynamickou změnou dynamického rozsahu trpí zřejmě všechny zpětnovazební zesilovače, ale je rozdíl zda se vytrácí či poškozují detaily na aktuální úrovni -40dB či na úrovni -105dB!


    Závěr

    Závěrem nutno upřesnit, že Federmannovo zkreslení je zkreslení způsobené z jakési volnosti a zhoršené kontroly signálu,

     

     

  •  

    Úvod

    Napsal jsem mnoho článků o zesilovačích a jejich konstrukčních chybách, například I MISTŘI se mýlí, aneb 50let slepé cesty. Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů, přestože články jako Vliv rezervy zisku na zkreslení ukazovaly zcela jasně v čem se konstruktéři dopouštěli a dopouští chyb.

    Podívejme se tedy blíže na jedny z nejvýznamnějších milníků ve vývoji topologií zesilovačů, které následovaly hned po samotném objevu elektronky a sestavení prvních zesilovačů.

     

    Harold Stephen Black

    Jeden z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Harold Stephen Black, když patentoval Celkovou zpětnou vazbu, která není mnohými dodnes pochopena.

    Harold Stephen Black podal svůj vynález na Americký Patentový úřad již 8. srpna  1928. Myšlenka však byla natolik novátorská a v rozporu s tehdejšími zvyklostmi a uznávanými standardy, že "Mistři" úředníci nebyli vůbec schopni pochopit samotnou podstatu a proto patent z počátku striktně odmítali.

    Teprve po pěti letech se  H.S. Blackovi podařilo, že byl 22. dubna 1932 patent US Patentovým úřadem přijat, zveřejněn byl o dalších pět let později 21. prosince 1937 pod číslem 2 102 671. Od zrodu myšlenky k jejímu patentování, tak uplynulo neuvěřitelných 9 let!

    Zde je k nalezení a nahlédnutí Blackův patent č. 2102671 z roku 1928 a zde je Blackův text z června 1934 vydaný v BELL laboratořích.

    Robert R. Cordell

    Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Robert R. Cordell, často vystupující pod jménem Bob Cordell. Zde si musíme uvědomit, že jeho práce vznikaly kolem roku 1980, kde nebyly běžně k dispozici simulační programy a součástková základna byla poplatná tehdejší době.

    Robert R. Cordell se ve svých pracích věnovaných TIM část I. část II zaměřil na stabilitu zesilovačů a hledání podstaty zkreslení. Aby byl zesilovač vůbec použitelný, byla jeho stabilita brána jako prvotní.

    Z doložených průběhů a textů TIM část I je velmi dobře patrné, že se konstruktéři na přelomu 80. a 90. let vyhýbali více zlomům na charakteristice tím, že zaváděli lokální ZV, které průběh zesílení linearizovaly za cenu snížení zesílení.

    V téže době sílí rovněž snahy o zvyšování rychlosti přeběhu, vývoj se tak trochu motá v bludném kruhu, neboť lokální ZV šířku pásma snižují a tím omezují i rychlost přeběhu. V konečném výsledku se konstruktéři blíží k řešení, kdy zesilovače jsou dostatečně rychlé, ale pracují na horním konci přenášeného pásma téměř bez rezervy zisku, čímž celková ZV pozbývá na významu. 

    Chybová korekce

    Počátkem roku 1984 přichází Robert R. Cordell s řešením popsaném v textu A MOSFET PowerAmplifier with Error Correction*, kde jde o chybovou korekci.

    Tato chybová korekce nemá za úkol nic jiného, než zpět navrátit význam celkové ZV. Účelem je nejenom vrátit rozdílové - chybové napětí z výstupu zesilovače zpět na vstup, ale navíc jej ještě zesílit aby byl vliv větší. Jinými slovy co lokální ZV v celkovém zesílení zabily, je třeba se pokusit obnovit.

    Topologie z přelomu 80. a 90. let a Chybová korekce se staly vzorem pro ČS konstruktéra Pavla Dudka viz text Pavel Dudek vzestup a pád?. Jak jsem uvedl v úvodu, že "Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů", pak to zde platí dvojnásob, neboť článek popisující kus historie, vyvolal u některých doslova  hysterickou reakci, viz článek Jaromír Merhaut naprostý zoufalec či křivák k pohledání ?.

    Lokální ZV

    Tak se od přelomu 80. a 90. let  stalo, že zesilovačům začaly dominovat Lokální ZV. Konstruktéři neuměje řešit stabilitu zesilovače jinak než za cenu nízké rezervy zesílení, doslova zatloukali většinu stupňů zpětnovazebními kapacitami a stupňů tak přibývalo. Zesilovače s takovými topologiemi měly výkon, měly velkou rychlost přeběhu často značenou jako SR a měly na měřících přístrojích i male měřitelné zkreslení, jen ten zvuk zněl a stále ještě zní jako Tranzistorový zvuk.

    CD a šířka pásma

    Na přelomu 80. a 90. let vstoupil na scénu ještě jeden fenomén a tím je záznam na CD. V roce 1974 se o něm začalo uvažovat, aby v roce 1978 společnost Philips představila svůj standard, který významně zasáhl i do topologii a vývoje zesilovačů. CD bylo frekvenčně omezeno jen do 20kHz a tím se i vývoj zesilovačů a jejich topologii začal více či méně omezovat rovněž jen na oblast do 20kHz.

    Bohumil Federmann

    Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesla má maličkost a nyní mne mohou mnozí napadnout, že psát sám o sobě není atd. atd., ale zpět k topologiím a jejich milníkům.  Hlavní milníky jsou zejména v postavení ZV, zda celková ZV či lokální ZV, nebo jakási dodatečná ZV opravující chyby způsobené lokálními ZV a doplňující celkovou ZV v podobě chybové korekce.

     

    B Federmann se nikdy od Blackova pojetí celkové ZV neodchýlil a považoval ji za stěžejní. V materiálu Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. popsal Dynamickou saturaci, jako konečný důsledek nedostatečné rezervy zisku. V textu SACD, blíže vinylu? se zabýval hodnotami akustického signálu, závislostí možné velikosti amplitudy na frekvenci a v článku Vliv rezervy zisku na zkreslení popsal velmi přesně přímý dopad nedostatku rezervy zisku v závislosti na frekvenci na zkreslení akustického signálu.

     

    Rezerva zisku v závislosti na frekvenci

    Rezerva zisku je pro B Federmanna dnes rozhodujícím parametrem Hi-Fi zesilovačů, určuje velikost zkreslení i poslechové vlastnosti zesilovače, které s rezervou zisku přímo korelují. Pokud se konstruktéři z přelomu 80. a 90. let snažili dostat charakteristiku zesílení zesilovače v otevřené smyčce stlačením směrem dolů a doleva co nejlineárnější, pak B Federmann se ji snažil vždy posunout co nejvíce nahoru a doprava, tedy snažil se dosáhnout pravý opak!

    Stabilitu dosahoval a dosahuje velmi silnou celkovou ZV a obvodovou i prostorovou minimalizací. Obvodová a prostorová minimalizace je dle B. Federmanna velmi důležitý parametr, kdy při jeho podcenění a nezvládnutí není vůbec možné takový typ zesilovače realizovat. Takový zesilovač disponuje mnohonásobně větším zesílením v mnohem větší šířce pásma, kde se každá návrhová chyba nesčetněkrát více dokáže zúročit.

    Z jednotlivých grafů můžeme odečíst rezervu zisku při 100kHz pro topologie z přelomu 80. a 90. let a jejich odvozeniny je to cca 20dB, kdežto topologie Federmann má podmínku více jak 40dB a dosahuje v tomto provedeníaž 70dB. Ve výsledku je to až 50dB rozdíl ve prospěch topologií Federmann, což s Blackovou celkovou ZV znamená 3.160x menší odchylku od původního signálu.

    Závěr

    Článek pojednává o významných osobnostech a milnících v historii a vývoji ZV ať již celkové či lokální o jejím správném či nesprávném použití a dopadech do věrnosti signálu.

    Diskuse

  • Úvod

    US prezident pronáší každoročně slova o stavu Unie, náš prezident jak mnozí další pronáší Novoroční projev, mnozí hodnotí a bilancují, mnozí si dávají novoroční předsevzetí, není od věci si udělat rovněž malou inventuru či bilanci současného stavu, nejenom za uplynulý rok, ale mnoho let zpět a předpokládaného výhledu do roku následujícího.

    Topologie Federmann

    Topologie Federmann se v minulosti stala pro mnohé noční můrou, moderátoři různých AntiWebů nejenom nositele této topologie BANovali, ale ve snaze vymýtit jakékoliv povědomí o požadavcích na tu to topologii příspěvky autora mazali či účelově upravovali, aby byl jejich význam v souladu s požadavky těchto moderátorů, jiní tvrdili, že jde jen o fikci, nefunkční a neexistující výmysl a nesmysl.

    Vážnou trhlinou v této důmyslné činnosti AntiWebů se stal Ostrý poslechový test HQQF na Hi-Fi Voice, na jehož zveřejnění podlí anonymní práskači a udavači nezapomněli reagovat, v té době ještě vymítači Topologie Federmann netušili, že jde  o pouhopouhou předzvěst daleko frontálnějšího rozšíření povědomí o této topologii, které se dlouhou dobu připravovalo do tisku v Praktické elektronice - Amatérském radiu, jak již bylo informováno, v prvních dnech roku 2018 vyjde již 12. číslo.

    Masívní podpora

    Každá mince má dvě strany, ani zde tomu není jinak, postupem času aktivita vymítačů Topologie Federmann vyčerpáním možného i nemožného přirozeně slábne, povědomí se pomalu ale jistě šíří a přibývá masívní podpory příznivců a fanoušků z řad spíše těch co problematice rozumí, či jen chtějí znát fakta a na vlastní uši zesilovače slyšet. Pozoruhodný je i zájem z opačné strany zeměkoule, ze vzdáleností daleko přes 10tis km.

    Právě těm, kteří mi poslední dobou svou přízeň a podporu dali neveřejně na vědomí, bych chtěl veřejně poděkovat a ubezpečit je, že první polovina Topologie Federmann o zesilovačích s celkovou zpětnou vazbou sice v PE-AR pomalu končí, ale druhá polovina bude ještě následovat, je tam dostatek zajímavého textu o zesilovačích bez celkové zpětné vazby, stejně tak zcela nových a originálních pohledů na tuto problematiku.


    Přínos Topologie Federmann a dění kolem

    Milníky topologii

    Abychom mnohé pochopili, bylo se třeba vrátit zpět ke kořenům, které pro zpětnovazební zesilovače svým US patentem č. 2 102 671 dne založil 8. srpna  1928 Harold Stephen Black, jak bylo napsáno v článku Hi-Fi zesilovače a milníky jejich topologii. Myšlenka však byla těžce pochopitelná a ani po 50 letech ji mnozí nejsou schopni dostatečně pochopit, proto jsem napsal články na téma 50let slepé cesty.

     

    Dynamická saturace

    V článcích o Dynamické saturaci jsem poodhalil příčinu či jednu z příčin vzniku zkreslení u zpětnovazebních zesilovačů, kterou se doposud nikdo hlouběji nezabýval a její dopad je na zvuk či jeho charakter rozhodující, vše se točí kolem rezervy zisku, zpětné vazby a Udif.

    Rezerva zisku

    Rezerva zisku, zpětná vazba a Udif jsou neoddělitelné na sobě závislé veličiny, které jsou navíc závislé na mnoha dalších faktorech, frekvenci nevyjímaje. Většina světových obvodových zapojení vychází z prací a zapojení Roberta R. Cordella, jehož pohled na rezervu zisku byl diametrálně jiný jako můj, spíše bych měl snad napsat, že Robert R. Cordell rezervu zisku vůbec neřešil, neboť se upřel spíše na linearizaci poklesu zesílení v závislosti na frekvenci, kdežto mé pojetí, pojetí Topologie Federmann upřednostnilo malost Udif a k jejímu dosažení je zapotřebí zisk zvětšovat, nikoliv zmenšovat. Mnohé bylo popsáno v textech na toto téma.

     

    Celková vs. lokální zpětná vazba

    O vlivu celkové vs. lokální zpětné vazby, jsem toho taky něco málo napsal, v podstatě nám lokální zpětná vazba převážně hloupým přidáváním kapacity ke kapacitě Millerově mnohé vylepšuje, ale vše se děje na úkor celkového zesílení a tím rezervy zisku s enormním nárůstem Udif, hloupým řešením malých problémů vznikají problémy mnohem hloupější a větší, což je podstatným rozdílem mezi pracemi Roberta R. Cordella a B. Federmanna, přesně jak je již bylo uvedeno.

    Filtr napájení

    V článcích věnovaných napájecím částem a její filtraci jsem poodhalil problematiku, které rovněž doposud nebyla věnována dostatečná pozornost, pozornost problematice průsaku rušivých složek do napájení zesilovače a tím i do akustického signálu s přímým dopadem do posunu pracovního bodu vstupních obvodů nejenom zpětnovazebních zesilovačů a vzniku zkreslení. 

     

     Federmannova koncepce a její přínos pro dynamický dynamický rozsah

    Ztráta zvukových detailů a věrnost zvuku je oblastí kterou se mnozí zabývají, ale výsledek práce je pro mnohé blízký nule, zde jsem problematiku nazval Federmannova koncepce a dynamický rozsah, který bude blíže popsán v PE-AR 01/2018.

    Ve skutečnosti jde o uzavřený kruh, jehož středem je Udif, což není nic jiného než rozdílové napětí vstupní diferenciální dvojice zpětnovazebních zesilovačů. Rozdílové napětí je zesilováno frekvenčně závislým zesílením otevřené smyčky na dané frekvenci a výstupní napětí tak odpovídá zesílenému napětí vstupnímu, přičemž se pohybuje v povolené napěťové toleranci vymezené rezervou zisku.

    Uvědoměním si této skutečnosti a jejím hlubším poznáním se dostáváme do dalšího kroku významného poznání zesilovačů s celkovou zpětnou vazbou, neboť zjistíme, že povolená odchylka výstupního napětí je na úrovni Udif, kde v této povolené odchylce, jakési pomyslné volnosti signálu, může zesilovač signál přidávat, ponechávat či ubírat a to dle víceméně náhodného předchozího stavu, který je vymezen přibližně konstantním časovým zpožděním daným zpožděním zesilovače a rezervou zisku na dané frekvenci.

    Ve skutečnosti nám zpětnovazební zesilovač zaručí věrně malé signály jen na úrovni rezervy zisku od aktuálního signálu maximálního, podíváme-li se na Cordellovu koncepci, při frekvenci 10kHz a doložené rezervě zisku vychází aktuální dynamický rozsah pouhopouhých 66-26=40dB! Podíváme-li se na Federmannovu koncepci, při téže frekvenci 10kHz a doložené rezervě zisku vychází aktuální dynamický rozsah velmi slušných  125-22=105dB! Srovnáním obou koncepcí zjistíme, že Federmannova koncepce je v detailech řádově o 60dB přesnější - věrnější než koncepce Cordellova.

    Zde uvedený rozdíl obou koncepcí chování se zpětnovazebních zesilovačů ve zpracování či přenesení nejjemnějších signálových detailů, není nic jiného než popis doposud nepopsaného druhu zkreslení, v jehož důsledku se vytrácí či poškozují nejjemnější detaily zvuku, jako ambientní zvuky, ruchy, tep či tlukot srdce, dýchání, polknutí či tikot hodinek, odrazy, šustot oděvu a mnohé další, jak je popsáno v poslechovém testu HQQF na Hi-Fi Voice.

    Tímto druhem doposud nepopsaného zkreslení, jakousi dynamickou změnou dynamického rozsahu trpí zřejmě všechny zpětnovazební zesilovače, ale je rozdíl zda se vytrácí či poškozují detaily na aktuální úrovni -40dB či na úrovni -105dB!


    PF 2018 a zesilovače bez celkové ZV

    Od únorového čísla PE-AR 02/2018 bude vycházet část textu věnována zesilovačům Topologie Federmann, zesilovačům III. tisíciletí, texty věnované převážně zesilovačům bez celkové zpětné vazby, kde již není středobodem pozornosti Udif, kde již není výstupní signál porovnáván se signálem vstupním.

    Mohu prozradit jen tolik, že i zde budou v Topologie Federmann využity k dosažení zvukové dokonalosti ne zrovna obvyklé metody a obvodové zvyklosti.

     

     

L

Nejnovější

Copyright © 2019 Hi-FI svět. Všechna práva vyhrazena.
Joomla! je svobodný software vydaný pod licencí GNU General Public License.

B

Hi-Fi svět - ISSN 1803-733X

Stránky vydává Bohumil Federmann, Kunovice 7, 75644 Loučka, Česká republika, federmann@seznam.cz