משוב שלילי – מה זה ולמה זה כל כך חשוב במגברים?

שקט, לומדים! אבל גם מאזינים למוסיקה. הסבר מדוקדק על המשוב השלילי הכל כך חשוב בפעולה של מגברים, סוגי מגברים ועל המתמטיקה ...

7:00
  /  
13.08.2009
  
מאת: יוסי הרי

הקדמה

מטרת המאמר היא להבהיר את מנגנון הפעולה של משוב שלילי. המאמר אמור לתאר את ההשקפה המקובלת על הטכניקה הזו באלקטרוניקה מקצועית, וכיצד מיישמים אותה באופן מקצועי בתחום האודיו.
לשם כך אנסה ככל האפשר לתת אנלוגיות להבהרת הנושא ודוגמאות מספריות, כי יש אנשים שאפילו הנוסחא הפשוטה של חוק אום עושה להם רע. לא להיבהל – אין צורך בפתרון משוואות.

מה זה בעצם משוב?
משוב במערכת הגברה, נוצר כאשר חלק מתפוקת ההגברה מוחזר לכניסת ההגברה – ומוגבר פעם נוספת.
למשוב יש שני סוגים: חיובי ושלילי (זוהי התייחסות מתמטית ולא התייחסות ערכית!).
למשוב יש שני אופני יישום:
1. מקומי -משוב על דרגה פנימית בודדת בתוך המגבר.
2. גלובלי – מיציאת המגבר לכניסתו.

נדון תחילה במשוב גלובלי.
במשוב חיובי, ההחזרה מתגברת את האות נכנס. אות המקור מקבל תוספת שמגבירה את מה שנכנס למגבר.
במשוב שלילי – הפעולה הפוכה – ההחזרה מחלישה את האות הנכנס.

מבחינה טכנית, משוב חיובי מגיע בפאזה של 0 מעלות ומתחבר לאות הכניסה, ומשוב שלילי מגיע בפאזה הפוכה של 180 כך שהוא מתחסר מאות הכניסה.
למה מעלות? כי שמע הוא במקור גלי קול ותופעה מחזורית. ובלי האלגברה, אפשר לומר שמחזור זהו סיבוב שלם של הגלגל = הגל עולה ויורד ולאחר סיבוב שלם חוזר למצב הפתיחה. כך מתקבל שגל שבדיוק עוקב אחרי גל אחר הוא בפאזה של 0 מעלות.
גל שבדיוק עולה כאשר גל השני יורד הוא ב- 180 מעלות.
הציור הבא מראה תמונה גראפית (גל סינוס), ולמרות שמוסיקה אינה גל סינוס, הסתבר שהוכח שהמוסיקה היא גל מורכב שניתן לפרקו ליסודות שהם גלי סינוס, והאוזן מפרקת אותם חזרה לגלי סינוס בדידים.

בחלק העליון הערכים מתחברים ומגדילים את הגל, בחלק התחתון האדום והכחול הפוכים בסימן כאשר האדום חיובי והכחול שלילי = הערכים מתחסרים = משוב שלילי.

פרק א – משוב חיובי

להלן דוגמא שכולם מכירים – באולם הופעות עם הגברה, רמקולים ומיקרופון, אם מגבירים מעט יותר מדי מופיעים צפצופים. איך זה קורה?
מהרמקול מגיע למיקרופון צליל שמרחקו כזה שהוא מוסיף עוצמה לצליל המקורי והתוצאה מתגברת והולכת ומגיעה למצב של נדנודים קבועים.
גם מערכת מסחר במניות מזכירה מערכת עם משוב חיובי. כאשר אופטימיים כולם רצים וקונים, והערך עולה ועולה. כאשר משתררת פאניקה, בין לילה משתנה המגמה לירידות.
עוד אנלוגיה מסוימת בין שוק המניות למשוב (ולמתנד) אלקטרוני: יש במניות כל הזמן תנודות, עליות וירידות. הפיזיקה עצמה שמה מחסום לעלית העוצמה במערכת אלקטרונית – יש לה רוויה או CLIPPING. עלית התנודה נעצרת כאשר היא מגיע לשם, ואז בגלל הרוויה פוחת המשוב, ואז התנודה משנה כיוון וצונחת. לכן, התנודות מקבלות במערכות אלקטרוניות צורה של גל.

בשוק המניות תמיד לאחר גל של גאות מגיע ירידה, באנלוגיה לאלקטרוניקה, גם במניות לא תיתכן עלייה ללא סוף כי ככל שהמחיר גדל כך גדל הפיתוי למכור, כאשר זה מתאזן, זה דומה לרוויה. אלקטרוניקה יש שימוש נרחב למשוב חיובי ליצירת מתנדים (Oscillators).
בעבר היה שימוש לכך במקלטי רדיו פרימיטיביים, שבהם הוסיפו משוב חיובי על סף התנודות. יש אפילו שימוש מסוים באודיו ואנלוגי בכדי לתאם עכבות – זה אפשרי בדרגה ללא הגברה, אבל לשאר המקרים, זה מזיק.

פרק ב – משוב שלילי באופן כללי

המשוב השלילי באלקטרוניקה מקטין את ההגברה הכללית, לכן נדרש מגבר עם הגברה יותר גדולה. אנו נראה שהרווח כאן הוא שכל שינוי וסטייה שיקרו במגבר בעל הגברה זהה ללא משוב, יקבלו תיקון, ויהיו יותר קטנים במגבר עם המשוב. זוהי מין פעולה אוטומטית, כמו טייס אוטומטי (גם זה סוג של משוב שלילי).
באנלוגיה נהוג היום לחלק בכל מיני מקומות טפסי משוב. זה מייצג רעיון דומה למשוב באלקטרוניקה. אם היה פגם בארגון, בקורס וכדומה, נבדוק את הדברים ונתקן אותם. אבל להבדיל יידרש לבצע שינוי בארגון – לכן זה יותר אנלוגי לתיקון התכן.
נהג ברכב הוא דוגמא לחוג משוב סגור. כאשר הרכב נדחף הצידה בגלל רוח חזקה, הנהג מבצע תיקון קל בהגה, אפילו בלי לחשוב – טייס אוטומטי.

יציבות משוב
אם הנהג חלם, או שמישהו יצא מולו באופן פתאומי, קרוב מאוד, כך הנהג מייצר תגובה מאוד חזקה – למשל סיבוב הגה, והמכונית סוטה מעבר לנדרש, ואז בא סיבוב נגדי וכו´. הסטיות הללו דומות לתנודה במערכת האלקטרונית. במצב זה אנו צריכים לא נהג ממוצע אלא נהג מקצועי בעל מיומנות וזמן תגובה מהיר, מעל הממוצע.

אי יציבות של מערכת עם משוב שלילי תופיע כאשר זמן התגובה של המערכת איטי, וזמן האירוע פתאומי שני צירופים לא טובים מונעים מהתיקון להגיע בזמן הנכון.

באלקטרוניקה אין שום מגבר שמעביר את האות מיידית. בתמונה למעלה ראינו גל. העלייה והירידה מסמנות את עוצמת הגל לאורך הזמן – והוא מצד ימין לצד שמאל – שזה בעצם זמן של מחזור אחד. ככל שהתדר המועבר יותר גדול, כך זמן המחזור יותר קטן. אך בציור שלמטה בחציו העליון – מודגם מה קורה כאשר מחזירים משוב במערכת מציאותית: הגל המוחזר הכחול המפגר במקצת, לעומת האדום שבמקרה זה מהווה את אות הכניסה. לצורך ההבהרה זמן הפיגור הוגדל בצורה מוגזמת.

במציאות תהיה תמיד הזזה (פיגור) קבועה. מכיוון שההזזה קבועה, בתדרים נמוכים היא קטנה ולא משפיעה.
בחצי התחתון עם אותו הפיגור, התדר הוגדל עד למצב שהפיגור גורם להפרש של °360 שהוא שווה ערך לאפס או משוב חיובי. כבר לפני שמתקרבים למצב כזה מגבר הופך לבלתי יציב באופן מסוכן. הרמקול שיש לו כשלעצמו התנהגות מורכבת לעומת נגד עלול להחמיר את המצב.

אנחנו נזכור את בעיית היציבות ונדון בה יותר מאוחר, כרגע נעבור לפרק המסביר את המשוב השלילי לעומק.

פרק ג – משוב שלילי גלובלי במגברי שמע

 

בתמונה שלמעלה אנו רואים יישום מאוד אופייני של משוב במגבר שמע.
יש לפנינו מגבר (המאמר מטפל במגברי הספק אבל חלק מהדברים ישימים גם לסוגים אחרים). אות הכניסה נכנס למגבר בכניסה המסומנת "+". המשמעות היא שביציאה לרמקול – אותה בננה אדומה האות המוגבר יהיה בפאזה זהה לכניסה (°0) . יש לפנינו מחלק מתח פשוט שמעביר דגימה של אחד חלקי ארבעים מהמתח שמגיע לרמקול. הדגימה נכנסת לכניסה "-" (מינוס).
במגברי שפופרות מחברים את מחלק המתח (המשוב) לקתודה של שפופרת הגברה הראשונה במגבר.
במגברי טרנזיסטורים, הדרגה הראשונה היא דרגה דיפרנציאלית מורכבת מלפחות זוג טרנזיסטורים, וכך יש לה שתי כניסות הפוכות אחת לשנייה.
המשמעות היא (בשני המקרים של שפופרות וטרנזיסטורים) שאני מחזיר את האות באותה הפאזה = °0 לכניסה שמבצעת חיסור. המגבר רואה את ההפרש בין האות שנכנס ל: + לבין האות שנכנס ל: – . בכדי שנקבל תועלת ממשית מהמשוב, דרוש שלמגבר הבסיסי תהיה הגברה מספקת. המשמעות המעשית היא הגברה גבוהה עד כדי אלפים ויותר.
במצב זה אפשר להבין, שלא יתכן שיהיה הפרש מתח גדול בין כניסת הפלוס לכניסת המינוס, כל הפרש שסוטה מהאיזון מוגבר אלפי מונים ומחזר לכניסה בצורה שמקטינה את ההבדל. כן, ניתן להניח שהמתח בכניסה השלילית תמיד יגדל לערך קרוב מאוד למתח שהכנסנו בכניסה החיובית (הוא כל הזמן מנסה לבטל אותו). למתח שנכנס בפועל למגבר קוראים מתח השגיאה והוא יהיה פחות מפרומיל מהערך של מתח הכניסה.

הרווחנו מכך שני יתרונות משמעותיים ביותר:

  • דגימת מתח היציאה שואפת להדמות ככל האפשר למתח הכניסה.
  • מתח היציאה יהיה כמעט בדיוק פי 40 (בדוגמא ספציפית זו) ממתח הכניסה.

קשה להפריז בחשיבות התוצאה שהתקבלה. זו הסיבה שטכניקה (או טופולוגיה) זו נפוצה בצורה מוחלטת בכל תחומי האלקטרוניקה וזה כולל גם שמע. כל DAC מכיל לולאת משוב שלילי רצינית בתור דוגמא אחת.

מה הרווחנו?
זוג של שני נגדים קובע את ספרת ההגברה = 20, 40 וכדומה, כאשר השפעות טמפרטורה, לחות התייצבות לאחר הפעלה למעשה מבוטלות אם זוג הנגדים בעלי מאפיינים זהים ויציבים.
כל מיני אי דיוקים קטנים שהיו במגבר כמו עיוותים (THD), שינויי הגברה, סטיות פאזה, קטנים באותה המידה שבה קטנה ההגברה (פי אלף או יותר).
הטכניקה הזו מבטיחה שבתחום העבודה הנכון של המגבר אין שום סטית פאזה בין הכניסה ליציאה.

התייחסות שגויה למשוב שלילי
בכל מיני פרסומים והתייחסויות לנושא המשוב, שנכתבו על ידי אנשים שונים במגזינים ובאינטרנט, יוחס לטכניקה הזו משהו כמו מקסם שווא, טכניקה שמשפרת את הנתונים הכתובים ולא משפיעה (או אפילו משפיעה בצורה רעה) על הביצועים המוסיקליים הנשמעים של מגבר.

נאמר למשל:

  1. שבעזרת משוב שלילי מרחיבים כאילו באופן מלאכותי את רוחב הסרט של המגבר.
  2. לוקחים מגבר מחורבן ובעזרת משוב שלילי הוא נמדד מצוין.
  3. שמשוב שלילי מקלקל את ה-SR = Slew Rate של המגבר.

ועוד קלישאות.
הדברים הללו פשוט לא נכונים. לגבי הקלישאה הראשונה – אם בדוגמה שלנו, אנו נרצה מגבר שיגביר עד 20KHz ישר לגמרי, וללא הזזת פאזה, ההגברה הבסיסית עדיין צריכה להיות אלפים בתדר של 20, אחרת נקבל שגיאה. 
קלישאה שנייה  – אם תכן המגבר הבסיסי לא טוב, הדבר יתבטא בבעיות, ויתגלה גם במדידה נכונה. הקלישאה הזו נבעה מכך שפעם נהגו לתת רק מדידה בודדת למשל בתדר של 1KHz.
קלישאה שלישית – אין קשר בין משוב שלילי ל-SR. משוב שלילי מחייב תכן של מגבר מהיר מספיק כי SR נמוך עם משוב שלילי חזק זה מתכון בדוק למגבר שנחנק באותות חזקים ומהירים (מכת תוף).
הגברה גדולה ומשוב שלילי חזק ניתנים לשימוש רק על ידי תכן זהיר ואופטימאלי. הגדלת ההגברה והמשוב סתם לצורך "שיפור מדידה" תגרום שיבוש בתכנון האופטימאלי.

לסיכום העניין אפשר לומר שיש מספיק ידע ואמצעים להנדסת מגברים נכונה, שתפיק מגבר מדויק, רחב סרט ומהיר, אשר המשוב ישפר את ביצועיו הטובים מלכתחילה.

צורות משוב
ישנן 2 צורות משוב: משוב מקומי (Local NFB) ומשוב כללי (Global NFB):

  • משוב מקומי: מתבצע רק על חלק במגבר ולרוב על דרגה אחת. בצורה כזו, לרוב, בלתי אפשרי להגיע אתו למצב של אי יציבות.
    החיסרון הוא שמצריך הגדלה במספר הדרגות ומקטין את היכולת לחבר משוב כללי בעל משמעות. למעשה השיטה מסבכת את המגבר ומגדילה את השפעת מאפייני הרכיבים. (ומייקרת את המוצר)
  • משוב כללי: מכליל בתוכו את כל המגבר והוא מהיציאה לכניסה, כל התיאור למעלה הוא למשוב כללי.
    החיסרון שלו הוא הסכנה של אי יציבות. היתרון שלו הוא יכול לשפר חלקי מעגל שאין שום דרך לשפר אותם אחרת כמו עיוותי שנאי או CLASS B.

ישנו גם שימוש בשניהם: במגברי טרנזיסטורים תמצאו לרוב סינתזה של שתי השיטות.

שימוש במשוב בעולם השמע
משוב מקומי מאוד חביב על HE. זוהי פילוסופיה שמשוב בכללו הוא רע, לכן אם משתמשים אז מעט. אז נחלק את המגבר ליותר דרגות בכל דרגה נחבר משוב מקומי. יש המוסיפים גם מעט משוב כללי.

האסכולה ההנדסית דוגלת בשילוב חכם של שני הסוגים. בונים מגבר עם 3 דרגות (תצורה קלאסית כבר כ- 40 שנה):

  1. דרגת כניסה דיפרנציאלית – מגבירה זרם.
  2. דרגת הגברת מתח (הופכת זרם למתח מוגבר).
  3. דרגת הגברת זרם סופית לרמקול.

זהו מספר אופטימאלי מבחינת זמן הפיגור וישנם מודלים מדויקים לתיאורו. יש שימוש במשוב מקומי בכל אחת מהדרגות ומשוב כללי על כל המגבר.
ישנה גם אסכולה מעט אחרת שמשתמשת ביותר דרגות, ויותר משוב מקומי, וגם משוב כללי + עוד כמה שיטות שונות (דרגה דיפרנציאלית ואמצעית נוספת משלימה והפוכה) שמאוד מסבכות את המוצר.

מניעת הפיכת משוב שלילי למשוב חיובי באלקטרוניקה
ההבדל בין דוגמת הנהג לאלקטרוניקה, היא שהנהג הממוצע לוקח סיכון כאשר הוא עולה לכביש. מצד אחד, כל עוד הכול כשורה המערכת יציבה. הכנסת הפרעה גדולה מערערת את היציבות.
באלקטרוניקה, רק הנדסה גרועה תאפשר לבנות מערכות לא יציבות, כי מערכות כאלה נוטות להפעיל תנודות ספונטאניות מעצמן, ובמערכות שמע הן "מבטיחות" צליל רע.

איך מבטיחים יציבות במגברים? שלושה כללים הנדסיים מבטיחים זאת:

  • משתמשים ברכיבים ומבנה שמבטיחים זמן תגובה מהיר למגבר.
  • מתכננים מבנה שמבטיח הזזת פאזה קטנה ככל האפשר.
  • מתכננים את עקומת ההגברה שהיא תרד ל- 0db שזה (Gain=1) בתדר קטן מספיק מאותו תדר שבו הפאזה של המשוב משתנה מ- °180 ל- °0 וגדול מספיק מ- 20KHz.

עקומת ההגברה מושגת על ידי הקטנת ההגברה ככל שהתדר עולה. אם תדר זה הוא הרבה מעל לתדר השמע נקבל מגבר עם משוב שלילי יציב, שיתקן את פגמי המגבר. זהו תכנון אופטימאלי.

מאחורי כל ההסבר המילולי שלמעלה קיימת גם תיאוריה חשמלית ומתמטית שמאפשרת לחשב התנהגות של מגברים, לחזות את התנהגותם, למצוא שגיאות בתכן, לתקן אותן, וב-20 השנים האחרונות גם לבנות מגברים במרחב וירטואלי ולחקור את התנהגותם. כל יצרני הרכיבים מספקים מודלים חשמליים שמתארים את תכונותיהם. המהנדס בונה את הסכימה בתוכנת שרטוט ומעביר את הקובץ לסימולאטור התוכנה, שפרט לבנייה פיזית בודק את המעגל מכל כיוון אפשרי.

מי שרוצה מעט לדעת על הנושאים הללו יכול לחפש לפי המילים הבאות:
SPICE = תוכנת סימולציה למעגלים ליניאריים.
התמרת לפלס = המתמטיקה שמאפשרת חישוב הפעולה והיציבות ומשמשת בסיס לחישובי SPICE.

פרק ד – שימוש מעשי במשוב במגברי שמע

מגברי טרנזיסטורים
מגברי טרנזיסטורים מאוד נוחים לשימוש במשוב ונוחים לחישוב היציבות של המשוב. באיזה טכניקה שלא נבחר,  תמצאו נגד, קבל (רשת אחת או כמה תלוי בטופולוגיה הספציפית) שקובעים כיצד תשתנה ההגברה כך שהמגבר יהיה תמיד יציב.

אחד היישומים המופלאים של המשוב שלא הזכרתי, הינו שאם שמים בטור לנגד שבציור שלמעלה הוגדר כ-100, קבל אלקטרוליטי גדול, המשוב מתחיל להתגבר בתדרים מאוד נמוכים, ומגיע ל-100% משוב בזרם ישר. בצורה זו מגברים רבים מצליחים לשמור על מתח קרוב מאוד ל-0V בזרם ישר, תכונה מאוד חיונית במגברי טרנזיסטור, ובמגברי הספק.

מגברי שפופרות
במעגלי שפופרות, במיוחד במעגלי שפופרות טהורים, יש קושי ליצר הגברה גבוהה ולהוסיף משוב גבוה.
בכדי לדחוף רמקול, יש שימוש בשנאי תפוקה, ושנאי זה לצורך דחיפת זרם מתאים לרמקול מקטין את ההגברה במידה ניכרת על מנת לקבל זרם ניכר, לשנאי יש הזזות פאזה בתדרים נמוכים ובתדרים גבוהים.

קבלי הצימוד הקיימים לחיבור בין שתי דרגות שפופרתיות גורמים גם הם להזזת פאזה בתדר נמוך. לכן, ישנה מראש הגבלה על כמות ה-NFB שאפשר להכיל על מגבר כזה. אולם בעזרת שנאי שתוכנן היטב, לרוחב סרט גדול מאוד, ומציאת טופולוגיה שתמנע את הצורך בקבלי צימוד (למשל מגבר Hybrid), אפשר להתגבר חלקית על המגבלות הללו.

אני חושב שהאופנה בתקופתנו היא נגד שימוש בהרבה משוב במגברי שפופרות. שימוש כזה יעלים במידה רבה את העיוותים המיוחדים לשפופרות בעיקר רק הרמוניה שנייה או הרמוניה שלישית או צירופן, יחד עם רכות הקטימה של הספקים גבוהים, שמאפשר לשמוע יחסית חזק גם במגבר הספק נמוך. הרמוניות אלה מוסיפות נפח ותהודה בעיקר לכלי פריטה ומיתר (למשל, שימוש במגברי גיטרה). התנהגות מגברי שפופרות עם תהודה של רמקולים גורמת להגדלת התחושה של באס גדול.

הכללת הרבה משוב במגברי שפופרות מקטינה את המאפיינים הללו והופכים את מגבר השפופרת דומה באופיו למגבר טרנזיסטור (ניסויים שבוצעו לפני 40 שנה). לדעתי פשוט לא הגיוני שחובבי הצליל של השפופרת יקבלו ברצון מגבר שפופרות עם צליל טרנזיסטור,  פרט אולי לכאלה שרק הצורה משפיע על דעתם.

סיכום השימוש במשוב במגברי הספק

התוצאה המעשית של מה שתואר בשני הסעיפים הקודמים היא שכיום, משוב שלילי חזק עושה שימוש במגברי טרנזיסטורים, ותמצאו שמגברי שפופרות יש מעט משוב כללי או אפילו ללא משוב. לדעתי הסיבה היא מה שתיארתי קודם ולא בגלל חסרון ממשי שקיים בטכניקה.

מכיוון שלטרנזיסטור כרכיב אין איזושהי תכונה אודיופילית יוצאת דופן, הטכניקה במעגלים שלהם היא ברוב המקרים לתכנן מערכת מדויקת ושקופה, שלא תשפיע על האות המוסיקלי אלא רק תגביר אותו.
כמובן שלשם כך נדרשים גם טרנזיסטורים שמתאימים לייעודם, כמו רעש נמוך לדרגות כניסה, ויכולות לדחוף זרם בצורה ליניארית לדרגות היציאה והמבנה, המיקום ושימוש ובחירת שאר הרכיבים גם להם יש את השפעותיהם ולזה יש כבר מקום לעוד סדרה של מאמרים.

לשרשור הדיון ותגובות על המאמר לחצו כאן.


7:00
  /  
13.8.2009
  
מאת: יוסי הרי

1