In het kort:
Tegenkoppeling (Eng: negative feedback) is een mechanisme dat overal in de techniek gebruikt wordt om onnauwkeurigheden en niet-lineariteiten in allerlei systemen te onderdrukken. Ook in de biologie (fysiologie) van planten, dieren en andere levensvormen zijn talloze tegenkoppelmechanismes werkzaam.
Tegenkoppeling wordt in audioversterkers gebruikt om vervorming tegen te gaan en om de soms sterke spreiding van eigenschappen van actieve elementen (transistors en buizen) te ondervangen.
Het gebruik van tegenkoppeling vereist van de ontwerper van een versterker inzicht in de randvoorwaarden, en daar is het bij -vooral amteur ontwerpen - wel eens misgegaan. Mogelijk is er daardoor in sommige kringen in Hifi-land de indruk ontstaan dat tegenkoppeling in versterkers "het geluid plat slaat" of iets dergelijks. Dit is volstrekt onterecht.
Verwante onderwerpen:
vervorming, luidsprekerdemping
Tegenkoppeling (eng: feed back) is een in de elektronica en vele andere technieken alom gebruikte methode om systemen een voorspelbaar en stabiel gedrag te geven. In het bijzonder worden de niet-lineariteiten en de spreiding van eigenschappen van actieve elementen zoals transistoren en buizen onderdrukt.
In de High-end hifi wereld bestaan er veel misverstanden over tegenkoppeling. Volgens sommigen is tegenkoppeling zelfs een taboe en een "sound killer". Men vergeet even dat op talloze plaatsen in de audio keten uitgebreid gebruik gemaakt wordt van tegenkoppeling. Je ziet het alleen niet altijd onmiddelijk.
Het is wel zo dat een verkeerd gebruik van tegengekoppelde schakelingen tot zeer ongewenste effecten kan leiden. De boosdoener is dan echter niet het principe van tegenkoppeling, maar een verkeerd gekozen schakeling die men met tegenkoppeling probeert in het gareel te krijgen, of domweg onvoldoende kennis en inzicht in de manier waarop je met tegengekoppelde circuits moet omgaan.
Voorlopig behandel ik in dit hoofdstuk alleen de meest belangrijke uitgangspunten en enkele veel voorkomende complicaties.
Voor het basisbegrip van tegenkoppeling moeten we eerst kijken naar een algemene voorstelling van een (spannings) versterker.
Fig. 1
Het is een goede gewoonte om elektronische schema's zo te tekenen dat de belangrijkste signaal-loop van links naar rechts gaat.
Het driehoekje stelt de feitelijke versterker voor. De aansluitingen van voedingsspanning en zo zijn voor het gemak weggelaten. De versterker versterkt alleen het spanningsverschil tussen de + en de - ingang. De rechter punt van de driehoek stelt de uitgang van de versterker voor. Op die uitgang ontstaat een spanning die gelijk is aan G maal het verschil tussen de + en de - ingang. Die G is vaak erg groot. Als de + en - ingang gelijk-op gaan levert dat geen uitgangssignaal op.
Ik heb de versterker hier al in een
tegengekoppelde situatie getekend. De weerstanden R1 en R2 vormen een
spanningsdeler die 1/11 van het uitgangssignaal terugvoert naar de - ingang.
Omdat G erg groot is zal de versterker z'n uitgang zo instellen dat het verschil
tussen de - en de + ingang erg klein is. Derhalve wordt de totale versterking
van deze schakeling zeer precies 11 keer, zelfs ongeacht hoe groot die G precies
is.
De afwijkingen van G zijn die van exemplaar-tot-exemplaar, frequentie
afhankelijkheid, en afhankelijkheid van de uitsturing (niet lineaire
vervorming).
We noemen het verschil tussen de +
ingang en de - ingang ook nog wel eens het "fout-signaal". Dit
verschil geeft immers aan wat er niet klopt tussen in- en
uitgang.
afgezien van de spanningsdeling door R1 en R2. Bega niet de fout
om te veronderstellen dat dit "foutsignaal" de vervorming is.
(Als je dit niet onmiddelijk inziet moet je er nog maar eens een nachtje of wat over slapen, want dit is echt de crux van tegengekoppelde systemen: het uitgangs signaal is het vele malen versterkte fout-signaal. Het Duits heeft een paar kernachtige termen hiervoor: de Istwert en de Sollwert. In het Nederlands de actuele waarde en de gewenste waarde. Het verschil tussen die twee is het "fout signaal" of eng: "error signal")
Ook
als je veel van deze schakelingen
bouwt en de G van al die versterkers loopt nogal uiteen (we noemen dat
de
spreiding) zullen al die versterkers tamelijk precies 11 keer
versterken. Het gedrag van de schakeling wordt niet meer bepaald door de
G, maar alleen nog maar door de weerstanden R1 en R2.
De praktijk is dat de versterking van actieve elementen zoals buizen, transistoren en geïntegreerde OpAmps nogal uiteenloopt van exemplaar tot exemplaar. Door het toepassen van tegenkoppeling wordt de versterking vooral bepaald door de weerstanden die met een veel grotere precisie gemaakt worden.
Fig. 2
Op de horizontale as staat de
frequentie, op de vertikale de versterking. Voor de laatste is de schaal zowel
in aantal keren versterking als in deciBel (dB) gegeven.
Bij bijna alle praktische versterkers
neemt de versterking af met toenemende frequentie. Je ziet dat in de blauwe lijn
in de grafiek. Die geeft de versterking voor een typische OpAmp,
zonder tegenkoppeling.
Als we hier tegenkoppeling gaan toepassen zoals in fig 1. krijgen we de rode lijn die een versterking van 11x aangeeft (21 dB).
Het verschil tussen de rode en de blauwe lijn geeft ruwweg aan hoeveel de vervorming (afwijkingen van G) teruggdrongen wordt.
Het op de juiste wijze toepassen van tegenkoppeling in versterkers leidt tot:
- minder vervorming.
- vlakker frequentie bereik.
- betere tijdresponsie (impuls responsie)
- lagere uitgangs impedantie (betere luidspreker demping)
- minder afhankelijkheid van spreiding in of veroudering van de eigenschappen
van actieve componenten (transistoren, buizen) in de versterker,
- minder last van variaties in voedingsspanning e.d.
We spreken van een sterke tegenkoppeling als de eigenlijke versterker zeer veel
meer versterkt dan wat er netto met tegenkoppeling overblijft.
Het op de juiste wijze toepassen van sterke tegenkoppeling vergt goed inzicht in
het gedrag van de eigenlijke versterker, ook bij zeer hoge frequenties. (bij
buizen versterkers ook bij zeer lage frequenties, in verband met de
transformator)
Omdat sommigen door onkunde over de randvoorwaarden bij hoge of lage frequenties
problemen ondervonden bij het toepassen van tegenkoppeling is er een school
ontstaan van lieden die tegenkopeling in het algemeen afwijzen. Hier is
duidelijk het paard achter de wagen gespannen.
Faseverschuiving.
Zo ongeveer het belangrijkst waar rekening mee gehouden moet worden bij het toepassen van tegenkoppeling is de faseverschuiving die in de versterker G optreedt.
Als G de fase van het foutsignaal 180 graden verdraait is de tegenkoppeling veranderd in meekoppeling en is er een oscillator ontstaan. Dat mag natuurlijk niet gebeuren.
In operationele versterkers wordt de fasedraaing meestal beperkt tot 90 graden en dan is er niets aan de hand. Je ziet dat in fig. 2 aan de blauwe lijn, die met 20 dB per decade, of 6 dB/oktaaf afneemt. Dat is typisch voor een 1e orde laagdoorlaat filter. De meeste Opamps houden dit gedrag vol totdat de G kleiner dan 1 is geworden.
In het bijzonder bij buizenversterkers zien we aan de laagfrequente kant ook zo'n afval. Dat komt door de uitgangstransformator en de koppelcondensatoren tussen de diverse buizen. (Buizenversterkers worden vrijwel nooit DC doorgekppeld, halfgeleider (eind)versterkers meestal wel)
De uitgangstrafo gedraagt zich als een hoogdoorlaat filter met een paar Hz kantelfrequentie. Als de koppel condensatoren daar ook al faseverschuiving geven heb je al gauw een oscillator op zeer lage frequentie gebouwd. (motorboten).