Tankar kring klippningsindikator för audioförstärkare

[mr.olle.norell]

Menar du att man skulle analysera spektrumet på förstärkarens insignal och jämföra mot utsignalen för att se hur mycket övertoner som tillkommit under färden?
Verkar ju smart, men den eventuella fördröjnings-problematiken borde väl även göra sig påmind här?

Jag har funderat över hur ström-klippning egentligen ser ut på en signal.

Lyckas man bygga en krets som detekterar strömklippning, och integrerar den med en krets som detekterar spänningsklippning så har man ju en krets som indikerar både spänning och strömklippning.
Det borde duga till mig
Fast det kanske inte låter sig genomföras så lätt...

[Icecap]

Resultatet är det samma om det är strömmen eller spänningen som begränsas. Och fördröjning? Tror du att det rör sig om timmar? Vi pratar ms eller så.

Det är just övertonerna som är grejen, när det klipps ska toppen ju i teorin bli "platt" vilket bara kan ske med en hel del ojämna harmoniska, de bör alltså sträcka sig en bit över det hörbara området. Detta är ju även grunden till att diskanterna tar stryk av klippning.

[ghu]

Ett enkelt sätt att indikera att en motkopplad förstärkare är överstyrd (Spänningsklippning, strömklippning, slew-rate begränsning) är att mäta om ett inre steg är överstyrt. Då förstärkarens utgång är överstyrd arbetar förstärkaren i princip utan återkoppling och ingångssteget kommer då också att bli överstyrt vilket är lätt att detektera eftersom utspänningen från differentialsteget kommer att öka kraftigt då förstärkaren blir överstyrd.

I figur 3 i http://sound.westhost.com/project57.htm är det bara att monitorera spänningen över differentialstegets kollektormotstånd på 560 ohm. Vid normal drift är denna spänning ca 0.6-0.7 V. Då förstärkaren klipper på positiv halvperiod blir denna spänning mellan 0-0.5 V vilket lätt kan detekteras med en komparator.

Fördelen med att mäta denna spänning och inte spänningen mellan differentialstegets basar som i länken: http://sound.westhost.com/project57.htm är att spänningsvariationerna är mycket större på denna punkten i kopplingen. Närmare bestämt så är spänningsvariationerna lika mycket större som differentialstegets spänningsförstärkning

[mr.olle.norell]

Intressant!

Hittade även ett inlägg skrivet av förstärkarkonstruktören Bob Cordell på diyaudio.com:

Actually, the best clipping indicator is probably the I-O compare. The output is scaled down to the input level, and the input signal is passed through a delay that approximates the HF rolloff of the amplifier. The two are subtracted, producing what is nominally a null. If the amplitude of this signal increases beyond a certain point, clipping is assumed. This circuit covers the possibility that the amplifier will clip in the current domain, or protect. This circuit may also detect a brief burst of parasitic oscillation if it is done carefully. Of course, the output indication should include a monostable to prolong the indication of clipping (or, more generally, "misbehavior").

In some cases it is possible, albeit more intrusive, to effectively utilize the amplifier's input differential pair to do the above-mentioned subtraction and comparison.

For example, in my MOSFET power amplifier, I have a paralleled doide pair across the outputs of the cascoded input differential pair to prevent saturation and over-swing in a clipping situation. If these catch diodes are replaced with transistors whose collector current is monitored for conduction, a clipping indication can be derived. There are often numerous places in the forward signal path where indications of clipping can be derived.

Bob

[MiaM]

Resultatet är det samma om det är strömmen eller spänningen som begränsas.

Nja, högtalarna är ju inte direkt en ren resistiv last så vågfårmen blir nog felaktig på olika sätt beroende på om det är spänningsklippning eller strömklippning.

Spänningsklippning kan nog dessutom ske på två olika sätt, dels i slutsteget och dels i drivsteget. Om det sista slutsteget spänningsklipper så kommer förstärkaren att "släppa taget" om högtalaren vid klippning, medan om ett drivsteg klipper så försöker förstärkaren "hålla tag" i högtalaren då det klipper. Utan att faktiskt veta så gissar jag att det sistnämnda låter sämre.

Och fördröjning? Tror du att det rör sig om timmar? Vi pratar ms eller så.

Om man mäter övertonsinnehållet genom nån slags likriktning av högfrekvensområdet på insignal+utsignal och jämför dem med en op-förstärkare med lagom lågpass på utgången så spelar fördröjningen nog ingen roll, men som det mr.olle.norell citerar i sitt senaste inlägg så behövs fördröjning däremot om man direkt jämför in+utsignal rakt av.

Det är just övertonerna som är grejen, när det klipps ska toppen ju i teorin bli "platt" vilket bara kan ske med en hel del ojämna harmoniska, de bör alltså sträcka sig en bit över det hörbara området. Detta är ju även grunden till att diskanterna tar stryk av klippning.

Det är nog en bra idé att bara titta på styrkan på signal ovanför ca 20kHz, kanske relativt styrkan på total signal. Man vill inte ha nån nämnvärd styrka där, men om man mäter på det sättet så lär mätaren falsktrigga på t.ex. skivknaster, små ESD-urladdningar från vinylskiva till pickup (avhjälps med kolfiberborste + att man håller i signaljord medan man borstar skivorna), och för den delen så lär det nog falsktrigga ifall man spelar en 70-tals-surroundvinylskiva av den där modellen med bärvågsystem för fram-bak-skillnadsinfo. Likaså har jag stött på vinylskivor där det legat en självsvängningston ingraverad, men det lär vara rätt ovanligt.

Om man lyssnar på digitala ljudkällor (eller FM-radio, eller t.ex. kassettband) så lär signalkällan aldrig orsaka falsktriggning.

[mr.olle.norell]

Bob Cordell skriver ju såhär: The output is scaled down to the input level, and the input signal is passed through a delay that approximates the HF rolloff of the amplifier.
Även MiaM menar att det behövs en fördröjningskrets om man vill göra en I/O-compare.

Rod Elliot som skrivit artikeln tycks inte uppmärksammat problemet, så jag börjar bli alltmer kritisk till den kretslösningen.

Kvar återstår då Bob Cordells, Icecaps och ghu:s idéer!


-Spänningsklippning kan nog dessutom ske på två olika sätt, dels i slutsteget och dels i drivsteget.

Hmm, om utgångsstegets drivsteg skulle klippa innan drivsteget så kan ju detta inte indikeras med Clipping Indicator-kretsen.
Den jämför ju bara förstärkarens utspänning mot matningsspänningen.

[ghu]

Det är förmodligen svårt att detektera klippning genom att analysera övertonerna över 20 kHz.
Antag att insignalen är en sinus på 40 Hz. (Motsvarar ungefär lägsta frekvensen från en elbas)
Då motsvarar frekvensen 20 kHz överton nr 500!!! Om förstärkaren är så extremt överstyrd så att utsignalen är en perfekt fyrkantsvåg så är amplituden på överton nr 500, 1/500 av amplituden för grundtonen. Om man ska detektera klippning som ger upphov till THD på ca 1% så är amplituden på övertoner över 20 kHz i storleksordningen 1/1000000 av amplituden för grundtonen. Verkar svårt att realisera detektering av detta.

[mr.olle.norell]

Intressant räkneexempel! Vid effektkanalen på ett surroundljudssytem för hemmabio kan även lägre frekvenser än så förekomma.

Smartast verkar nog att mäta efter klippning någonstans i återkopplingkedjan som du föreslagit.
Det kan ju bli aktuellt vid ett eventuellt framtida bygge av diskret förstärkare.
Av förklarliga skäl är det dock mindre tillämpbart på chipamps där man inte kommer åt de mätpunkter man vill då kretsen är integrerad i en IC.
Men jag får väl växa upp och ta mig ur chipamp-träsket


Beträffande det eventuella fall där förstärkarens drivsteg spänningsklipper innan effektsteget. Händer det liksom?
Känns som slöseri med effektsteg om dess drivsteg ändå spänningsklipper först.

[MiaM]

Fast om vi för enkelhetens skull jämför 40Hz med detektering av 40kHz så är det en faktor tusen i frekvensskillnad. Spänningsspikarna ut från filtret som detekterar klippning kommer ge ungefär lika stora spänningsspikar som klippningens felspänning (d.v.s. den spänning som fattas i topparna på grund av klippningen).

Spikarna kommer komma rätt sällan, man kan väl säga att de kanske har en "duty-cycle" på 1:1000 om man högpassfiltrerar vid 20kHz och klipper en signal på 20Hz. Därför bör man toppvärdesdetektera pulserna (både negativa och positiva). ("duty-cycle"-grejen är ju inte riktigt sann, jag vet inte hur man egentligen uttrycker det då varannan spik är uppåt och varannan nedåt).


Visst kan man ha olika syfte med att detektera klippning men största poängen att detektera klippning innan man själv hör den är att inte bränna diskanthögtalarna - och då är det ju just energiinnehållet vid höga frekvenser som är intressant. Om det bara "fattas" en halv volt på toppen av en sinuston i basområdet så blir det ju bara en halv volt in på diskanterna - lika ofarligt som att köra en vanlig diskantton på en halv volt. Om det däremot klipper mycket rejälare så är det klart farligare.

[ghu]

Spänningsspikarna ut från filtret som detekterar klippning kommer ge ungefär lika stora spänningsspikar som klippningens felspänning (d.v.s. den spänning som fattas i topparna på grund av klippningen).

Om man filtrerar bort allt under 20 kHz så verkar inte detta vara korrekt.
Om man tar den klippta 40 Hz sinusvågen så finns nästan all effekt i grundtonen och övertoner nr 2-500 d v s under 20 kHz.
Som jag skrev tidigare så kommer amplituden för övertoner över 20 kHz att vara ca 1/1000000 av grundtonens amplitud vid 1% THD. Om man då filtrerar bort allt under 20 kHz så blir det inte mycket utsignal kvar efter högpassfiltret.

[Icecap]

Det är nog bara att inse att en riktig klippningsdetektor kräver en DSP med en kunnig programmör bakom spakarna.

[MiaM]

Spänningsspikarna ut från filtret som detekterar klippning kommer ge ungefär lika stora spänningsspikar som klippningens felspänning (d.v.s. den spänning som fattas i topparna på grund av klippningen).

Om man filtrerar bort allt under 20 kHz så verkar inte detta vara korrekt.
Om man tar den klippta 40 Hz sinusvågen så finns nästan all effekt i grundtonen och övertoner nr 2-500 d v s under 20 kHz.
Som jag skrev tidigare så kommer amplituden för övertoner över 20 kHz att vara ca 1/1000000 av grundtonens amplitud vid 1% THD. Om man då filtrerar bort allt under 20 kHz så blir det inte mycket utsignal kvar efter högpassfiltret.

Men det gäller bara för ett medelvärde över en tid som motsvarar en hel period av 40Hz-signalen. Mätt över en tid som motsvarar några enstaka perioder av 20kHz, under just det "fönster" där klippningen startar/slutar, så kommer det finnas destå mer energi. Denna toppvärdeslikriktar man alltså, istället för att medelvärdesbilda, för att indikera klippning. (Denna indikator kan även i princip driva en limiter på ingången - det kommer visserligen leda till viss svag klippning så länge den begränsar men det torde i alla fall skydda diskanthögtalare).

Sidospår:

För övrigt så är ju den tekniskt elekgantaste lösningen för att inte bränna diskanter och mellanregister att köra aktiva filter och se till att varje slutsteg inte ger mer effekt än vad den anslutna högtalaren tål. Praktiska studier visar att PA-anläggningar med trevägs aktivt filter tål i stort sett vilka signaler som helst utan att man bränner högtalare. Även i hemmasammanhang går ju detta fint men då bör man väl bygga rätt mycket av anläggningen själv, och det är väl få hembyggda högtalare som verkligen når audiofilnivå. (Däremot kan man hembygga en "skrotanläggning" som har mer eller mindre aktivt filter - i mekrummet har jag t.ex. en gammal förstärkare med ett dött slutsteg, vars lineingång är kopplat till hörlursuttaget på "ordinarie" stereo och tonkontrollerna är ställda på max bas, min diskant, och till den har jag en extra högtalarlåda inkopplad som fixar lågbasen som de "ordinarie" högtalarna inte fixar).


(Sidospår: praktiska studier visar för övrigt att man knappt märker om man spelar sönder en mellanregisterhögtalare som är hornmonterad. Jag har varit med om att det börjat komma ett litet svagt rassel från en RCF L15P02 som kördes i 4560-horn (och användes från 100-150Hz upp till ett par kHz där diskanter tog över). Elementen var specade till 75W kontinuerligt och de drevs med ett slutsteg som orkade minst det dubbla i toppeffekt. När vi skruvade loss elementet och provkörde det löst så lät det skitdåligt där talspolen uppenbart hade smält såpass att den deformerats och kärvade mot magnetgapet. I hornet så blev det så litet konutslag att det knappt märktes... Att den över huvud taget pajade berodde ju på att slutsteget var minst dubbelt så starkt mot vad det borde ha varit, speciellt i mellranregistret så är skillnaden mellan kontinuerlig och toppeffekt inte lika stor som i basen på de flesta typer av musik).

[mr.olle.norell]

Precis, min tankte är faktiskt att fixa med aktiv delning i framtiden! Men då tänkte jag ett toppsystem, delat mot ett bassystem.
Det har sina fördelar helt klart, även om det kräver lite mer utrustning.


Den klippningsindikator som med rimliga medel tycks vara möjlig att realisera verkar vara den som enbart indikerar spänningsklippning, (i utgångssteget).

Men om det skulle kunna tänkas uppkomma situationer där drivsteget spänningsklipper innan utgångssteget så kan man ju inte vara säker på att kretsen detekterar alla fall av spänningsklippning.

Undrar om det är ett verkligt problem, eller ett ickeproblem? Det känns som slöseri på utgångssteg om drivsteget klipper först?

[mr.olle.norell]

Nu har jag lyckats trycka in min klippningsindikator på ett 50x50mm stort pcb!
Detta just eftersom tillverkaren Seeedstudio ger bra pris på just 50x50mm

En fundering bara. Jordplanet är ju ganska täckande. Har läst någonstans att man någonstans på kortet bör bryta upp sådana plan.
Annars finns det risk för att det bildas någon sorts megnetflöde, som i sin tur genererar en ström, som kan leda till fördärvet ungefär...

Hur skulle ni gjort?

[mr.olle.norell]

Kan förklara lite närmare:

Ett heltäckande jordplan kan i vissa fall ses som ett O, alltså en loop. Finns ett elektromagnetiskt fält kommer det att inducera en ström i loopen, som i sin tur renderar en spänning.
I och med detta ger inte ett sådant jordplan någon trygg jordreferens eftersom det finns spänningsskillnader i planet.

Detta kanske är ett ickeproblem här? Eller ska man försäka bryta upp planet så det bildar ett U istället?

Eftersom jag känner mig sugen på att beställla kort nu nu nu kan man väl anse detta vara en projekttråd nu och flytta tråden dit...