מה זה SLEW RATE ???

מה זה Slew Rate? למה זה חשוב באודיו? האם יכולה להיות סתירה בין המספר SR לרוחב הסרט או היענות כללית ...
8:00
  /  
22.01.2005
  

המונח Slew Rate או גם Slewing Rate אין לי ידיעה על תרגומו לעברית. מונח זה מתאים גם לכלי רכב, מכוניות, מטוסים, חלליות ספינות אופניים וכו'. לגביהם ניתן לומר שזהו קצב הפניה. עד כמה יכולה מכונית הנוסעת במהירות מסוימת לקחת פנייה של 90 מעלות למשל.rn


במעגלים אלקטרוניים, מונח זה מתאר את קצב העלייה (וגם הירידה) המרבי של תפוקת המתח של מעגל מסוים.rn


ניקח למשל 2 דוגמאות. מגבר הספק של מאה ואט, שזהו ההספק שנקבל כיום כמעט מכל רסיבר סטנדרטי, ומוצא אנלוגי של מכשיר CD או DVD.rn


מגבר הספק של מאה ואט, מה שמכונה RMS, זהו מגבר שרגעית אמור לספק 200 ואט שיא. בכדי לספק זאת לעומס של 8 אוהם, אנו זקוקים למתח שיא של 40 וולט. rn


אם נרצה לקבל מתח זה בתדר שמע הגבוה ביותר, אנו מדברים על גל סינוס של 20KHZ המתואר בציור 1.rn



<img src = "/images/articles/Slew Rate/20KHZsine.gif"


מה רואים בציור? אני מציג את הגל במישור של מתח וזמן. תדר של 20KHz משמע עשרים אלף גלים בשנייה. לכן זמן של גל בודד יהיה אחד חלקי עשרים אלף = לזמן של 50 מיליונית השנייה – מסומן כ- 50µs מתבטא כ- חמישים מיקרוסקונדה.rn


מהציור רואים שהמגבר צריך וחייב לעלות ממתח של אפס למתח שיא, בזמן שהוא רבע מזמן המחזור כולו, תוך 12.5µs. אבל מה, אנו רואים שקצב העלייה אינו אחיד. לשם כך ציירתי את הקו האדום שהוא מתאר את השיפוע המרבי. הקו האדום מציין קו שמגיע מאפס ל- 40 וולט תוך 5µs. זה אקויולנטי לערך SR=8V/µs, לא משהו.rn


למעשה נוכל להבחין שלא נדרש אפילו SR=8V/µs, כי בקצב המהיר נדרש להגיע בערך ל- 16 וולט בלבד, שווה ערך ל- SR=3.25V/µs. אחר כך קצב העלייה קטן יותר.rn


לפני שנצלול מעט יותר לנושא, מה ניתן לגזור ממה שתואר עד כאן?rn


אם ה- SR יהיה שפוף, המגבר לא יכול להגיע לספק את המתח ואת ההספק הנדרש, אני מקווה שהמסקנה ברורה ביותר.

יש קשר ישיר בין תפוקת המתח הנדרשת לגודל של SR. ממגבר של 400 ואט נדרש פי 2 מתח מאשר מגבר של 100 ואט. ואז, למגבר של 400 דרוש SR כפול מזה של 100.

מכך נובע מייד, שתפוקה של CD או DVD, יכול להיות לה SR נמוך פי 14 (יחס מוצא ההספק לעומד מוצא CD) או דומה לעומת מגבר ההספק. לכן זה לא בעיה גדולה ולא מתייחסים לכך שם.

משמעות נוספת חבויה ב- SR, והיא שלוקח זמן למגבר להגיב לאות שנכנס אליו, וזמן זה גדול מאפס, לכן ככל שה SR גבוה, המגבר עוקב בצורה יותר מדויקת אחרי פיתולי אות השמע. rn


מה גורם להגבלת ה- SR במעגלים אלקטרוניים? ניתן לומר ששני גורמים עיקריים גורמים להגבלה, זמן התגובה העצמי של הרכיבים, בעיקר הטרנזיסטורים, וקיבול (Capacitance) המעגל. rn


זמן התגובה נובע מכך שבטרנזיסטור יש תגובה איטית יותר (למשל לעומת כבל או חוט נחושת) לפקודה שהוא מקבל.rn


את הקיבול צריך להטעין, דבר הגוזל זמן ומאט את פעולת המעגל.rn


קיבול המעגל יכול להיות קיבול פרזיטי – בלתי רצוי הנוצר מקרבה בין רכיבים, וקיבול הכרחי ליציבות המעגל. בקיבול ההכרחי זהו קבל מיוחד ששמים במעגלים עם משוב שלילי (Negative Feed Back), שמבטיח יציבות לאותו משוב.rn


הדרכים לשפר את המגבלה:rn


ב- layout של המעגל, ולא אוכל להימנע מלציין כאן שתכן המעגל מבחינת layout, אם בוצע כהלכה, יהיה עדיף בייצור המוני של מעגל מודפס ומכונות על עבודת יד, והרבה הרבה יותר הדיר.

בחירת רכיבים מהירים ומתאימים. כמובן שהיום זה יותר קל וזול לעומת 30 שנה קודם.

תכנון המעגל עם עכבות נמוכות וזרמים יותר גבוהים, מאפשר להטעין מהר את הקיבול.

rnאם זה כך, האם זוהי כל התמונה, ולמה נדרשים לערכי SR גבוהים בהרבה? ומדוע מגברים מתהדרים ב- SR גבוה מאוד, וברוחב סרט שאינו תואם ל- SR?rn


כאן התשובה אינה קלה להסבר, אבל הסיבה העיקרית שנדרש SR גבוה הוא המשוב, שמהווה חלק בלתי נפרד מכל מגבר הספק טרנזיסטורי, אם יצרן טוען שאין במגברו משוב שלילי, הוא פשוט מעוות את האמת.rn


הבה נדבר על משוב ונסביר נושא מאוד מורכב בצורה מאוד פשטנית (שגם היא די מסובכת).rn


ההסבר האיכותי לעקרונות המשוב מניח שמהירות המגבר היא אינסופית, ואז המשוב מתקן את האות בצורה מושלמת. כאשר יש פיגור ביציאה לעומת הכניסה, עצם התיקון מכיל שגיאה. rn


מקובל כאן לדבר על לולאה או חוג המשוב, וציור 2 אמור להבהיר זאת.rn


<img src = "/images/articles/Slew Rate/AMPLIFLOOP.gif"


ציור 2 מתאר מבנה קלאסי של מגבר טרנזיסטורי. בכל שרטוט שתביאו, ניתן יהיה לזהות את 4 החלקים הללו.rn


הסבר הדיאגראמה:rn


מגבר הכניסה משווה בין אות הכניסה לאות היציאה, כפי שרשת המשוב דוגמת אותו. התוצאה היא זרם שנכנס לדרגה הבאה, זרם שתוקן כך שמתח היציאה יהיה קרוב ביותר בצורתו למתח הכניסה.rn


מגבר המתח מגביר את הזרם שהוא מקבל, עד לרמת המתח הנדרשת ביציאה. rn


הקבל Cdom, מתאר רשת קיזוז שתפקידה לייצב את המגבר.

היא קובעת בנוסחאות (שנעשות לפי ההתמרה המתמטית על שם לפלס) קוטב דומיננטי. לא אוכל ולא אנסה לפרט יותר אך מכאן הקיצור dom, מדומיננטי. זהו הקיבול ההכרחי.rn


מגבר ההספק שבציור משמש כמתאם עכבות, תפקידו להציג למגבר המתח עכבה גבוהה מאוד בכדי שיוכל לבצע את ההגברה למלוא המתח הנדרש, מבלי להיות מועמס, ולעומת זאת מראה לרמקול עכבה נמוכה מאוד, המאפשרת לרמקול למשוך מהמגבר את הזרם הנחוץ לפעולתו.rn


רשת המשוב לוקחת מהאות לרמקול דגימה המוחזרת לצורך השוואה ותיקון למגבר הכניסה. רשת זו היא בעצם מחלק מתח פשוט, שיחס החלוקה שלו מהווה את הדגימה. ניתן להוכיח, שהגבר המגבר, כאשר המשוב מחובר, הוא בערכו הפוך לדגימה. rn


הקו הירוק זהו חוג המשוב. הוא מציין שכל מה שבדרכו או לידו נמצא בתוך החוג. הכניסה והרמקול הם מחוץ לחוג.rn


אם רשת המשוב מבצעת דגימה מאות היציאה (למשל) כאחד חלקי 20 מאות היציאה, יהיה הגבר המגבר קרוב מאוד ל- 20.rn


לכן בדיון תיאורטי ידובר על הגבר בחוג סגור (דוגמת המעגל שלעיל) והגבר בחוג פתוח (Open – loop Gain) שהוא יהיה הגבר המגבר כאשר תנתק את המשוב.rn


מגבר כזה לא יכול לעבוד באופן מעשי במשוב מנותק, הדיון בנושא הגבר חוג פתוח מתקיים בגלל החשיבות שיש לכמות המשוב.rn


אם יש למגבר בחוג פתוח הגבר של 10000, או של 100000, או של 1000000 ואפילו אינסוף, לאחר חיבור המשוב יהיה ההגבר אחד חלקי דגימת המשוב. בדוגמא שלמעלה = 20.rn


כמות המשוב מגדירה בכמה הוקטן הגבר החוג הפתוח. למשל בדוגמה הנ"ל עם הגבר חוג פתוח הוא עשרת אלפים, וחוג סגור 20, יש לנו כמות משוב של 54db.rn


המשוב משפר לא מעט דברים:rn


ההגבר נקבע על ידי שני נגדים, שמחירם זעום ביותר אפילו לרכיבים מאוד מדויקים.

גם אם הגבר חוג פתוח עולה ויורד כמו משוגע, (למשל בתחום התדרים) בחוג סגור ההגבר יציב, לאורך כל התחום.

כל עוד יש לנו מספיק הגבר בתדרים גבוהים, ניתן "למתוח" את היענות המגבר מחוץ לתחום השמע.

התפוקה באופן תיאורטי זהה בצורתה לכניסה, מקטין את העיוותים.

בתחום ה- DC, ניתן לארגן את הרשת כך שתחזיר לא דגימה אלא את כל מתח היציאה לכניסה. זה מאוד משפר את יכולת המגבר להוציא תמיד אפס מתח DC, ולחבר את הרמקול למגבר ללא קבל טורי, דבר שהתקבל כתקן בתעשייה כבר לפני שנים רבות. rn


אם כל כך טוב, למה יצא למשוב שם רע? רק בגלל כמה מהנדסים מחורבנים. ויש כאלה לא מעט.rn


אם נקצין נשאל למה לא נארגן הגבר חוג פתוח אינסופי, או לכל הפחות ענקי? הבה נבדוק מה קורה אם ההגבר בחוג פתוח הוא אינסופי? במקרה זה המגבר יפעל אך ורק אם זמן התגובה שלו יהיה אפס, שמשמעו שה- SR שלו יהיה אינסוף. כאשר תהיה ההשהיה הקטנה ביותר, המשמעות היא שהדגימה מגיע בפיגור, והאות בכניסה כבר השתנה. לא חשוב כמה ההבדל קטן הוא יוגבר באינסוף וקיבלנו שגיאה אינסופית – לאבסורד.rn


דוגמה קיצונית זו ממחישה שיש ערך מקסימאלי מעשי ומוגבל להגבר החוג הפתוח, ומכאן לגודל המשוב. כאשר עוברים אותו המגבר יתנדנד. לכן מוטב גם לא להתקרב לכך בצורה קרובה.rn


מצד שני המשמעות של מגבלה זו היא שככל ש- SR של מגבר בתוך החוג יהיה גבוה, כך נוכל לקבוע הגבר חוג פתוח גבוה יותר, אוטומטית הוגדל המשוב בהתאם. כאשר ה- SR נמוך והגבר החוג גבוה מידי, שינוי מהיר לא יהיה בר עקיבה, ובמקום תיקון נייצר שגיאה.rn


המסקנות שמתקבלות:rn


במעגל בעל תכן גבולי, עם יותר מידי משוב, המשוב יתקן תדרים נמוכים בצורה מצוינת ומעולה, כי האות משתנה לאט מאוד באופן יחסי.

לעומת זה תיקון תדרי קצה גרוע יותר, ויכול אפילו לקרות שתדר מחוץ לתחום השמע יתערבל ויצור רעשים נשמעים בתוך התחום.

מכאן באה החוכמה הידועה שמדידת עיוות בתדר של 1KHz, אכן אינה מעידה במיוחד על טיב של מגבר. rn


ואכן סביר שיצרן שהשקיע בתכן והשיג SR גבוה, בתוך החוג של דרגת ההספק, יקבל מגבר גם מדויק וגם נעים יותר לשמיעה.

לדעתי השם הגרוע והצליל שהוגדר "קשה" במגברי טרנזיסטורים בתחילת דרכם, ל- SR גרוע היה חלק לא מבוטל בכך. כנראה שניתן יהיה במחקר מקיף להראות שיש קשר בין שני הדברים, אבל לא קל לבצע זאת.rn


אם תשאלו מהו הערך הנחוץ ל- SR, לא אוכל להשיב כמותית.

כמו כל דבר באודיו, ישנו תמיד סף מעורפל, שהגדלה נוספת של תכונה אולי נראית טוב בדפים, אבל אינה נותנת ערך מוסף ממשי לקונה. לא בדקתי אם יש מאמרים או מחקרים המציגים על כך נתונים כמותיים, פרט למר Self, שטוען שבמגבר מאה ואט, ערכים של 60 עד 80 וולט למיקרושניה, מספיקים גם למגבר שרוצים להרחיבו עד 100KHz. זהו ערך שגדול בערך פי 10 מהסף הנדרש, וכנראה מתבסס על Good practice המקובל במקצוע, שסדר גודל אחד מספיק בשביל לבצע קירוב "כאילו הפתרון אידיאלי"rn

rnנשארה השאלה האחרונה, למה למגב ר סירוס המתפאר ב- 850 וולט למיקרושניה, יש רוחב סרט רק של 130Khz, ואיך סירוס יכול להציג שני נתונים סותרים?rn


ובכן כאן המפרט הזה מראה עד כמה יכולים נתונים מסוימים להטעות גם בעלי מקצוע, כאשר לא מבינים לעומק את כל הנתונים.rn


ישנן סיבות רבות להגביל את רוחב הסרט של מגבר ההספק, בצורה מלאכותית, גם כאשר הוא יכול להיות רחב יותר. סיבה אחת פשוטה היא הקטנת כמות הרעש הכללית שמסופקת מהקדם מגבר. סיבה נוספת, שגם אם המגבר יכול להגביר חצי מגהרץ, חבל לספק לו אות שהוא מחוץ לתחום הנחוץ, מוטב תמיד שתהיה עודף יכולת לא מנוצלת, יש לכך יתרון גם מבחינת טיב שמע נקי יותר ופחות מעייף. לא אמנה את שאר הסיבות וגם לא אתיימר להבין את כולן, אבל זה מקובל ביותר בתעשייה.rn


לכן כמעט בכל מגבר תמצאו בכניסתו, מחוץ למערכת המשוב נגד וקבל – למשל 1K ו- 820P, שיוצר מסננת מעבירה נמוכים בסיסית ביותר עם תדר 3db הנמצא בין מאה למאתיים קילוהרץ.rn


מדידת SR אינה דבר פשוט, ובודאי לא תקבל אותה אם תיקח מגבר סגור ותנסה למדוד מכניסה ויציאה, מה שתקבל יתאים רק למספרי רוחב הסרט הכללי בלבד.rn


לכן לפחות במקרה זה הנתונים של סירוס הם אמינים ומקובלים על פניהם, כל עוד לא נמדוד אחרת.rn


כתבה זו נכתבה ע"יrn
יוסי הריrn


8:00
  /  
22.1.2005
  

1