Wzmacniacz o ujemnej impedancji wyjściowej

Chciałbym zaprezentować bardzo interesujące rozwiązanie wzmacniacza, którego impedancja wyjściowa może przyjmować ujemne wartości (rys. 1).

W układzie tym występuje prądowe szeregowe dodatnie sprzężenie zwrotne. Na wejściu bloku o wzmocnieniu napięciowym $k$ znajduje się sumator napięć. Impedancja wyjściowa $Z_\text{wy}$ tego wzmacniacza wynosi

$$\boxed{Z_\text{wy} = Z_\text{s}(1 - k)} \tag{1}$$

Zatem dla $\boldsymbol{k > 1}$ przyjmuje ona wartości ujemne. Uwidacznia się tutaj ważna funkcja impedancji szeregowej $Z_\text{s}$ – jest ona niejako impedancją prototypową dla osiągnięcia żądanej $Z_\text{wy}$. W praktyce jest ona reprezentowana przez szeregową gałąź RL lub pojedynczy element R lub L, podobnie jak kompensowane odpowiednie wartości $R$ i $L$ rozproszenia cewki głośnika. Ze względów energetycznych (zasilanie głośnika) wartość $\boldsymbol{Z_\textbf{s}}$ powinna być dostatecznie mała (rzędu kilku % wartości $Z_\text{o}$).

Ze względów praktycznych powinno być

$${\mathrm{Re}Z_\text{o} \over \mathrm{Re}Z_\text{s}} = {\mathrm{Im}Z_\text{o} \over \mathrm{Im}Z_\text{s}} \tag{2}$$

czyli stosunek obu rezystancji powinien być równy stosunkowi indukcyjności. Wyjątek stanowi sytuacja, gdzie $Z_\text{s} = R_\text{s}$ lub $Z_\text{s} = L_\text{s}$, czyli kiedy mamy zamiar kompensować jedynie $R$ lub $L$ rozproszenia cewki głośnika.

Wzmocnienie napięciowe $K$ całego wzmacniacza wynosi

$$K = {k \over 1 + {Z_\text{s} \over Z_\text{o}}(1 - k)} \tag{3}$$

i nieograniczenie zwiększa się przy $Z_\text{wy} = −Z_\text{o}$. Jeśli jest spełniona zależność (2), to dla poprawnej pracy układu wymagane jest spełnienie warunku $\boldsymbol{Z_\textbf{wy} + Z_\textbf{o} > 0}$ lub inaczej

$$k < {Z_\text{o} \over Z_\text{s}} + 1 \tag{4}$$

W przeciwnym razie dojdzie do wzbudzenia się wzmacniacza. Wynika z powyższego teoretyczna niemożność idealnej kompensacji $\boldsymbol{Z_\textbf{o}}$. Oczywiście bez załączania $Z_\text{o}$, może być $Z_\text{wy} = −Z_\text{o}$, ale nic z tego nie wynika ;-) Przypominam jednak, że nam chodzi jedynie o kompensację $R$ i/lub $L$ rozproszenia cewki głośnika, a nie całej jego $Z_\text{o}$.

Praktyczna realizacja tego układu (rys. 2) może polegać np. na dobudowaniu odpowiedniej "przystawki" do posiadanego wzmacniacza audio, który na rys. 1 przejąłby funkcję bloku wzmocnienia $k$ (bez odwracania fazy). Należy wtedy regulację siły głosu tego wzmacniacza ustawić na max, a właściwą regulację $k$ przeprowadzać na jego wejściu (najlepiej bierną). To maksymalne ustawienie siły głosu wzmacniacza audio jest konieczne dla uzyskania możliwości "dopalania" przy starcie lub hamowaniu membrany, bez występowania zjawiska przesterowywania jego stopni wejściowych.

Warto zauważyć, że realizacja ujemnej impedancji wyjściowej jest tożsama z koniecznością zapewnienia rezerwy energetycznej zastosowanego rzeczywistego wzmacniacza m.cz. Przy względnie małej mocy użytkowej dysponujemy dużym zapasem mocy realizując dokładnie ujemną impedancję wyjściową. W praktyce daje się odczuć na słuch istnienie ujemnej $Z_\text{wy}$ już przy 100% rezerwie mocy wzmacniacza w impulsie.

Rozsądnym wydaje się dobudowanie układu zabezpieczającego przed wzbudzaniem. Jednak testując układ np. na głośniku niskotonowym (aktywny subwoofer), zjawisko to dla samego głośnika nie jest szkodliwe.

A jak układ działa w praktyce? Na podstawie własnych doświadczeń zalecam przed uruchamianiem wzmocnienie $k$ sprowadzić do minimum. Następnie stopniowo zwiększać, aż do osiągnięcia charakterystycznej zmiany barwy dźwięku (większy impuls, ale też niestety większe zafalowania charakterystyki częstotliwościowej  całego toru wraz z głośnikiem). Dalsze zwiększanie $k$ spowoduje płynne wejście w stan oscylacji. Raz wyregulowany układ działa stabilnie.

Za pomocą tego układu można osiągnąć większe tłumienie membrany głośnika np. niskotonowego, niż przez zwykłe zwarcie jego zacisków (test "pukania" w membranę). Wynika to ze zmniejszenia $Q_\text{TS}$ głośnika poniżej jego wartości znamionowej (podawanej przez producenta). Jest to bardzo efektowny pokaz możliwości wzmacniacza z ujemną impedancją wyjściową.

Historia artykułu
2001: powstanie
2014: korekta po przejściu na Joomla (ostatni stat. HTML)
2023-12-07: korekta po przejściu z J3 na J5

© Copyright Krzysztof Kolisz 2001