Искажения в усилителях

СОДЕРЖАНИЕ:

Линейные и фазовые искажения

Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усилении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.

К линейным искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте К к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:

В логарифмических единицах он равен G[дБ]=20lgM.

Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (обычно от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней fн и верхней fв граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения Gдоп относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от fн до fв -рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.

Коэффициенты частотных искажений на низших GН и высших GВ частотах

Gн = 20 lg [К (/fн)/К0], Gв = 20 lg [К (fв)IK0].

В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ.

Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь плоскую АЧХ.

На практике усилители ЗЧ, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя ЗЧ для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388—80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5. 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.

Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада, либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20. 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается форма.

Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазочастотной харакеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дц выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При Дц ?О выходное напряжение опережает входное, при Дц ?0 — отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:

где tз— групповое время запаздывания.

Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т. е.

При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время tз, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейная, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.

Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками (на рис. 5 отмечены цифрами 1, 2, 3).

По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дцн и высшей Дцв частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения Дц в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4. 5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, имеющих малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8 . 50 000 Гц.

ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ.

3.6.1. Нелинейные искажения в УВЧ.

Характеристики УП имеют заметную нелинейность, которая приводит к искажениям принимаемых сигналов. При воздействии гармонического сигнала на вход усилительного каскада выходной ток в цепи нагрузки приобретает негармонический характер ( в токе появляются гармоники). Нагрузкой каскада является резонансный контур, настроенный на первую гармонику принимаемого сигнала, поэтому нелинейные искажения несущей ВЧ сигнала устраняются.

Пусть лампа или полевой транзистор имеют нелинейную характеристику. При подаче на вход гармонического колебания из-за нелинейности проходной характеристики ток на выходе становится нелинейной функцией (по формуле Тейлора).

Если учитывать, что

и контур настроен на первую гармонику, то амплитуда выходного тока будет равна:

Искажения огибающей вызваны наличием члена ряда с .

Когда на вход подается амплитудно-модулированное колебание вида

, то в выходном токе

будут присутствовать составляющие тока с частотами .

Коэффициент нелинейных искажений определяется как отношение

где а= — крутизна в рабочей точке, с= – вторая производная крутизны в рабочей точке.

В общем виде формула приобретает вид:

Следовательно, нелинейность усилительного каскада вызывает искажение модуляции принимаемого сигнала, оцениваются эти искажения коэффициентом нелинейных искажений. Коэффициент нелинейных искажений прямопропорционален второй производной крутизны и квадрату амплитуды несущей.

Нелинейные искажения проявляются в появлении спектральных составляющих рис. 3.6.1.

f
Uвх
f
Uвых

Для полевых транзисторов характерно , т.к. они имеют проходную характеристику, близкую к квадратичной зависимости. Следовательно, УРЧ на полевых транзисторах обладают наименьшей нелинейностью. Для биполярных транзисторов и ламп (нелинейны входная и проходная характеристики) для уменьшения нелинейных искажений следует работать с малыми амплитудами сигнала и выбирать рабочую точку так, чтобы соотношение было минимальным.

ВТОРИЧНАЯ МОДУЛЯЦИЯ.

Параметры транзисторов зависят от напряжения питания. Если схема работает от сети переменного тока, то напряжение на выходе выпрямителя будет содержать переменную составляющую, называемую напряжением пульсации. Напряжение пульсации источника питания периодически изменяет крутизну УП с частотой пульсации.

Изменение крутизны подчиняется закону:

— коэффициент модуляции крутизны;

— круговая частота напряжения пульсации.

Коэффициент усиления меняется по закону изменения крутизны:

Пусть входным напряжением является АМ колебание

Напряжение на выходе равно:

Из формулы следует, что в спектре выходного напряжения помимо составляющей полезного сигнала Fc появляются частоты Fн ,Fc+Fн и Fс-Fн.

fo-F fo fo+F
f
Uвх
fo-(Fc+Fн) fo-(Fc-Fн) fo+(Fc-Fн) fo+(Fc+Fн)
Uвых
fo fo-F fo+F
f

При отсутствии полезного сигнала напряжение пульсации не усиливается после детектора, т.к. оно не попадает в полосу пропускания УНЧ. При наличии на выходе приемника громкоговорителя информация прослушивается в виде фона частоты пульсации.

Коэффициент вторичной модуляции определяется как отношение суммы напряжений частот Fc+Fн и Fc-Fн к напряжению полезного сигнала Fc .

Вывод: Искажения сигнала, вызванные вторичной модуляцией, не зависят от амплитуды напряжения сигнала, а зависят только от напряжения пульсации источника питания, под действием которого изменяется крутизна усилительного прибора.

Для уменьшения искажений сигнала от действия вторичной модуляции необходимо уменьшить напряжение пульсации и выбрать рабочую точку на участке характеристики с наименьшей нелинейностью.

Для уменьшения напряжения пульсации питающего напряжения в цепь питания каждого каскада включается сглаживающий фильтр RфСф. Можно применить схему параллельного питания.

Искажения в усилителях. Искажения сигналов в усилителях электрических сигналов

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение фо рмы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные составляющие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных элементов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный элемент содержит нелинейные параметры (входные сопротивления транзисторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сердечника трансформатора).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической характеристики, представляющей собой зависимость между мгновенными значениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамическая характеристика определяется для больших пределов изменения сигналов, приводящих к заходу в области нелинейных зависимостей между напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

  • 1. Выходная динамическая характеристика типа
  • 2. Входная динамическая характеристика типа
  • 3. Проходная динамическая характеристика типа
  • 4. Сквозная динамическая характеристика типа

Здесь i 2 и u 2 — мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i 1 и u 1 — мгновенные значения токов и напряжений на входе, e 1 — ЭДС источника сигналов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную характеристику используемую часто для расчета нелинейных искажений (рис. 1.14, а).

а) реальная, б) идеальная

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной возникают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вносят оконечные и предоконечные каскады, активные усилительные элементы в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

  • 1. непосредственно по форме динамической характеристики;
  • 2. по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, комбинационные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используемому в телевидении, величина искажений определяется отношением среднего изменения крутизны динамической характеристики, происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах от u 1 max до u 1 min , к исходному значению крутизны при u 1 0 , равному tg , что соответствует коэффициенту нелинейных искажений

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо предположить, что:

  • а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое колебание определенной частоты;
  • б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические колебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образующихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчета и измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с частотой сигнала на входе образуются колебания гармоник с частотами, и т.д. При этом величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гармоник К г, представляющим собой отношение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармоник к напряжению (или току) основной частоты.

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким образом:

Очевидно, что значение К г не изменяется, если вместо действующих значений напряжений или токов подставить в эти выражения их амплитудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки усилителя коэффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и (1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гармоник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При комплексном характере сопротивления нагрузки значения К г, найденные из указанных выражений, получаются различными, и следует использовать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматриваемом случае существенным — нелинейные искажения напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через отношение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты, т.е.

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения колеблется в пределах от 0,1% до (3. 5)%. Особенно жесткие требования в отношении нелинейных искажений предъявляются к усилителям измерительной аппаратуры (К г порядка сотых и тысячных долей процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приводящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной величины (Кг = 10. 15%), не оказывая существенного влияния на качество изображения. То же относится и к импульсным усилителям, использующим к тому же в ряде случаев ограничение сигналов по максимуму.

Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + . где: x — входная величина; y0 — постоянная составляющая; v1 — линейный коэффициент усиления; v2, v3 . — коэффициенты нелинейных искажений.

В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные составляющие, которых не было на входе — продукты нелинейности. При подаче на вход такой системы сигнала с единственной частотой f1 на выходе появятся составляющие с частотами f1, 2f1, 3f1 и т.д. Если же на вход подается сигнал, состоящий из нескольких частот f1, f2, f3, . то на выходе системы кроме гармонических составляющих дополнительно появятся и так называемые «комбинационные составляющие» с частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± . где n=1, 2, 3, . При подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра.

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, представляющим собой отношение эффективных значений гармоник к эффективному значению суммарного выходного сигнала и измеряется в процентах. Здесь An — амплитуды составляющих с частотами nf. Приведенная рядом упрощенная формула справедлива для случаев, когда искажения невелики (К 0.

в. Усилители низких частот – усилители звуковой частоты — f н »50 Гц,f в »20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них

2.По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3.По виду используемых активных элементов:

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

Б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

В. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

Г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Обеспечивает гальваническую развязку между каскадами и в то же время обеспечивает полную передачу сигнала от одного каскада к другому по переменной и постоянной составляющей.

Под нелинейными искажениями понимают изменение формы выходного сигнала относительно формы входного сигнала. Изменения формы сигнала обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора. Степень искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений g . Для его определения используют сквозную характеристику каскада , которая представляет собой зависимость выходного тока от входной Э.Д.С., включающую нелинейность входных и выходных характеристик:

Характерный вид сквозной характеристики (5.2) представлен на рис. 5.11. При синусоидальной Э.Д.С. Е Вх ток коллектора изменяется по несинусоидальному закону и характеризуется заостренной верхней и уплощенной нижней полуволнами (см. рис.5.11).

Рисунок 5.11 — Сквозная характеристика каскада

Несинусоидальный ток коллектора, являющийся выходным током I Вых , можно разложить в ряд Фурье:

В спектре выходного тока полезной является только первая гармоника, совпадающая с частотой Е Вх , остальные гармоники представляют нелинейные искажения, так как их нет во входном сигнале. Коэффициенты искажений по гармоникам определяются из выражений:

Для инженерных расчетов достаточной считают погрешность порядка 10%, что позволяет ограничить ряд Фурье при разложении четырьмя гармониками. Тогда общий коэффициент нелинейных искажений определяется в виде:

При проектировании усилительного каскада задаётся g Общ и требуется обеспечить, чтобы искажения в усилителе не превышали заданные.

Нелинейные искажения определяются следующими основными причинами и факторами:

– заданным значением входного напряжения (или Э.Д.С. Е Вх );

– нелинейностью входных ВАХ транзистора;

– отношением внутреннего сопротивления источника входного сигнала ко входному сопротивлению усилителя ;

– нелинейностью выходных характеристик транзистора;

– схемой включения транзистора.

Рассмотрим приведенные в зависимости коэффициента искажений g Общ от аргумента , для различных схем включения транзистора. Эти зависимости приведены на рис. 5.12.

Рисунок 5.12 — Зависимости g Общ от отношения

(а — для схемы с ОБ, б — для схемы с ОЭ)

Как видно из рис. 5.12, при увеличении отношения , уменьшается коэффициент искажений, что обусловлено линеаризацией входных характеристик транзистора R Вн . Для схемы с ОЭ отношение не должно превышать 1.5, так как дальнейшее его увеличение увеличивает искажения. Для схемы с ОБ такого ограничения нет, однако при >2 искажения уменьшаются незначительно, увеличение этого отношения приводит к уменьшению U Вх относительно Е Вх , поэтому его обычно принимают равным 1¸1.5.

Анализ основных причин искажений позволяет сделать следующие выводы:

– нелинейные искажения существенно растут с увеличением входной Е.Д.С.;

– схема усилителя с ОБ обеспечивает меньшие искажения в сравнении со схемой с ОЭ;

– нелинейность выходных ВАХ транзисторов не существенно влияет на исакажения;

– увеличение соотношения расширяет линейность входных ВАХ транзистора и уменьшает нелинейные искажения.

5.4 Входные динамические характеристики транзисторов.
Сквозная характеристика каскада

Нагрузкой транзистора по постоянному току является сопротивление R К , которое определяет наклон нагрузочной линии по постоянному току. При работе по переменному току транзистор оказывается нагружен на меньшее эквивалентное сопротивление R Экв =R К ½½R Н . Так как R Экв

Sound Consulting

Проектирование студий звукозаписи и звуковых систем

Интермодуляционные искажения – неуловимый враг

Очень часто при выборе усилителей, мониторов и пр. мы руководствуемся такими их характеристиками, как мощность, амплитудно-частотная характеристика и т.д. Более опытные пользователи интересуются коэффициентом гармонических искажений. В то же время мало кто интересуется характеристикой интермодуляционных искажений, хотя их пагубное воздействие на восприятие прибора может быть во много раз сильнее, чем гармонических искажений. Кроме того, интермодуляционные искажения очень трудно измерить и определить. Об этом и пойдёт речь ниже.

Во многих публикациях неоднократно упоминалось о том, что между точными цифровыми значениями гармонических искажений и субъективно воспринимаемым качеством звучания практически не существует никакого прямого соответствия – по крайней мере, ниже определённого порога, который находится на удивление высоко. В своей книге «Воспроизведение звука» Гилберт Бриггс (Gilbert Briggs) начинает главу, которая посвящается интермодуляционным искажениям, словами Милтона (Milton): «Ужасен был шум битвы…» Может быть, что в этом и заключается причина того, что объективные измерения гармонических искажений удручающе плохо соотносятся с их субъективным восприятием.

Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале.

Например, если взять волну синосуидальной формы, то вследствие привносимых нелинейных искажений её форма изменяется, становится другой, и синусоидальный сигнал какой-то определённой частоты в результате этих искажений начинает содержать также сигналы других частот. Другими словами, если форма колебания не синусоидальна, значит, в его составе обязательно есть ещё какие-то иные частоты.

Если с помощью спектроанализатора просмотреть получаемый в итоге выходной сигнал с клиппирующего усилителя, мы увидим гармоники, частота которых в 2 раза, 3 раза, 4 раза и так далее выше основной частоты волны синусоидальной формы. Точно таким же образом прогрессирующая нелинейность громкоговорителей создаёт другие (возможно более утончённые и менее заметные) искажения, которые постепенно нарастают по мере увеличения громкости. Однако музыкальные сигналы не являются синусоидальными. Они содержат одновременно большое количество разных частот, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени.

Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с не очень линейной характеристикой, это приведёт к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот (гармонические искажения), но также и от частот, являющихся их математической суммой и математической разницей (интермодуляционные искажения).

Например, если у нас есть сигнал, состоящий из двух частот – 1000Hz и 1100Hz, – то на выходе усилителя будут также генерироваться сигналы частотой 2100Hz (1000Hz плюс 1100Hz) и частотой 100Hz (1100Hz минус 1000Hz). Причём это лишь производные гармоники первого порядка. Если же мы берём две частоты, которые отстоят друг от друга на квинту – например, сигналы частотой 1000Hz и 1500Hz, – то первыми парами гармонических искажений будут сигналы на частотах 2000Hz и 3000Hz (гармоники второго порядка), а также сигналы на частотах в 3000Hz и 4500Hz (гармоники третьего порядка). Относительно сигнала частотой 1000Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно октавой, квинтой через октаву (дуодецимой – А.К.), и секундой через две октавы (ноной через октаву – А.К.). Относительно сигнала частотой 1500Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно квартой, октавой и квинтой через октаву (дуодецимой – А.К.). Таким образом, производные гармоники обеих частот в музыкальном смысле соотносятся с обоими основными тонами. Это не удивительно, потому что все музыкальные инструменты создают естественные гармоники (обертоны).

Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой на просто генерирование сигналов с увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 – f2, 2*f1 – f2, 2*f2 + f1, и т.д. Эти комбинации могут производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами.

Более того, когда создаётся или воспроизводится комплексный музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума.

Когда мы измеряем гармонические искажения, то мы пытаемся измерять степень нелинейности системы. В громкоговорителях подобные эффекты возникают вследствие таких явлений, как нелинейность упругости подвижной системы (подвеса) диффузора или нелинейность в поведении магнитных полей при различных условиях возбуждения. Мы рассматриваем результаты работы громкоговорителя, как системы с несимметричным поведением на разных уровнях громкости, что и приводит к нелинейным явлениям на акустическом выходе с него. Если бы громкоговоритель представлял собой систему с симметричным поведением на разных уровнях громкости, и если бы в этой системе отсутствовали возможные причины нелинейности, то на акустическом выходе отсутствовали бы и гармонические искажения (обертоны). Это значит, что если на выходе с любой системы присутствуют гармонические искажения, то эта система обладает некоторой нелинейностью, что потянет за собой также генерирование интермодуляционных искажений.

Основной вывод в понимании всего ранее сказанного заключается в том, что картины гармонических искажений не могут демонстрировать нам возникновение тех процессов, которые могут привести к «немузыкальности» системы. Более того, прямое сравнение разных устройств по картинам их гармонических искажений может очень сильно ввести в заблуждение относительно действительного качества их звучания. Одним из наиболее очевидных примеров являются ламповые усилители. Часто считается, что они звучат «лучше», чем транзисторные усилители, имеющие значительно меньше искажений.

Вне всякого сомнения, интермодуляционные искажения (IMD) являются врагом – врагом реальным и скрытым. И если перед нами стоит цель уменьшить гармонические искажения, с этим врагом приходится воевать. Русский электроакустик Александр Войшвилло был вдохновителем поиска средств измерения и сравнения частотных характеристик интермодуляционных искажений. С его работами рекомендуется ознакомиться всем тем, кто стремится к расширению своих познаний в этой области (1,2,3,4) .

Рисунок 1. График проявления гармонических искажений в зависимости от частоты. В этом случае выше порогового уровня проявляются гармоники второго и третьего порядка. На любой отдельно взятой частоте уровень определённой гармоники может быть найден путём вычитания уровня искажений от уровня отклика в осевой направленности. На частоте 200Hz уровень звукового давления в осевой направленности составляет 87dB, а гармоники третьего порядка — 30dB. Поэтому искажение относительно сигнала составляет 57dB, что является чуть больше, чем 0,1%

Почему же мы тогда измеряем гармонические искажения? Один из наиболее вероятных ответов таков: «Потому что умеем». Нет никаких сомнений, что таким образом мы в некоторой мере измеряем нелинейность системы, но многолетняя практика показывает, что результаты этих измерений очень плохо соотносятся с воспринимаемым на слух качеством звучания громкоговорителей. Конечно, гармонические и интермодуляционные искажения появляются в результате работы одних и тех же «механизмов». Но интермодуляционные искажения очень трудно поддаются измерениям, поскольку происходят процессы, когда одни частоты генерируют другие, и количество таких вариаций – огромно до бесконечности.

Между гармоническими и интермодуляционными искажениями нет никакой «магической» зависимости. Интермодуляционные искажения зависят от абсолютного уровня сигнала, его частотного диапазона, его сложности, соотношения между пиковым и усреднённым сигналом, от формы волны сигнала, а также от взаимодействия между вышеупомянутыми факторами, да и по другим причинам.

В некоторых довольно простых случаях можно утверждать, что уровни громкости интермодуляционных искажений являются в три или четыре раза более высокими, чем уровни громкости гармонических искажений, что само по себе довольно типично. Но в случаях с использованием сложных комплексных музыкальных сигналов все соотношения, которые вначале кажутся довольно устойчивыми, разваливаются как карточный домик. Очень сложно изобрести какой-то простой испытательный сигнал, применение которого могло бы обеспечить реалистические и достоверные результаты, а именно те результаты, по которым можно было бы сравнить интермодуляционные показатели и качество работы двух систем. Вот что по этому поводу говорит Александр Войшвилло: «Ввиду того, что динамическую реакцию сложной нелинейной системы, такой как громкоговоритель, нельзя экстраполировать из его реакции на простые тестовые сигналы (например, sweep-тест), то пороговые величины, выраженные как реакция громкоговорителей на такие сигналы (общая картина гармонических искажений, отдельные гармоники (обертоны) и интермодуляционные искажения между двумя звуками) могут не быть вескими и не соответствовать действительности»

Похоже на то, что интермодуляционные искажения являются наипервейшим врагом разработчиков громкоговорителей. И не имеет никакого значения, осознают ли это сами разработчики или нет. Тем не менее, любое количественное выражение интермодуляционных искажений – будь оно числовым или графическим – должно иметь какое-то соотношение с психоакустическим восприятием проблемы. До сих пор из-за недостоверности получаемых результатов ни одна подобная система так широко и не распространилась. Так как все попытки создать такую систему заканчивались неудачами, интермодуляционные проблемы начали игнорироваться и на них просто закрыли глаза.

Не следует забывать, что интермодуляционные искажения в сложных комплексных сигналах склонны к тому, чтобы превращаться в модулированный шум. Это несколько напоминает ситуацию, когда Вы пытаетесь дома послушать хорошую hi-fi систему, а в это время кто-то за окном орудует бензопилой. Уровень генерации шума зависит от уровня громкости и спектральной плотности музыки, хотя и здесь прямой зависимости нет. При существовании интермодуляционных искажений теряется чистота и проницательность звучания, пропадает деталировка на низких уровнях сигнала, теряется характерная «лёгкость» звучания. Очень серьёзно страдают от интермодуляционных искажений духовые оркестры и хоры. Если Вы привыкли слушать их вживую, то прослушивание тех же композиций через громкоговорители может очень сильно Вас разочаровать. Когда все источники звука находятся в разных точках пространства (как музыканты оркестра или хора), то интермодуляционных искажений возникает немного. Но когда они все вместе смикшированы и воспроизводятся через пару акустических систем, проявление интермодуляции становится очевидным. И не стоит винить во всех бедах исключительно громкоговорители и акустические системы. Микрофоны, электронные приборы и цифровые конвертеры также причастны к этому и в ответе за такое положение.

Рисунок 2. Тестирование интермодуляционных искажений мультичастотным методом. Искажения в сферической волне при перемещении в среде. Уровень звукового давления на расстоянии 1 метр – 110 dB. Радиус источника — 0,5 метра. На первом графике – уровень звукового давления в dB, на втором – процентное соотношение интермодуляционных искажений по отношению к основным частотам. Линии с полной высотой — это испытательные мультичастотные сигналы, а оставшиеся линии – это интермодуляционные составляющие. Тёмные области – это частотные диапазоны, в которых интермодуляционные составляющие сливаются, образуя шумоподобный спектр. (предоставлено Александром Войшвилло)

Графики на рисунках 2 и 3 были основаны на результатах использования мультичастотного исследования, когда через систему одновременно пропускается несколько сигналов разных тонов. Частоты выбирались из такого расчёта, чтобы максимально разделить генерируемые частоты интермодуляционных составляющих, что помогло бы более точно увидеть возможную проблемную область. Сигналы с неправильно подобранными частотами могли бы привести к частотному совпадению интермодуляционных результирующих, что в свою очередь могло бы привести к некоторой маскировке проблемы. Так вот, мультичастотные исследования демонстрируют, что во многих случаях общее количество интермодуляционных искажений может быть почти в четыре раза большим, чем измеренное суммарное значение коэффициента нелинейных искажений! Отсюда можно сделать вывод: то, что люди часто считают гармоническими искажениями, на самом деле большей частью состоит из интермодуляционных искажений. Это помогает объяснять, почему замеренное суммарное значение коэффициента нелинейных искажений так плохо соотносится с тем реальным звучанием, которое мы воспринимаем на слух. Дело в том, что воспринимаемые слухом искажения, скорее всего, являются именно интермодуляционными искажениями, которые невозможно ни измерять, ни определить их количество.

Каждый электрик должен знать:  Безопасно ли оставлять электроприборы, включенные в розетки

Различные исследования показали, что гармонические искажения и интермодуляционные искажения начинают быть заметными на слух на разных уровнях. При этом уровень «прослушиваемости» интермодуляционных искажений составляет всего лишь десятую часть от уровня «прослушиваемости» гармонических искажений. Конечно же, такая ситуация обусловлена негармонической антимузыкальной природой интермодуляционных искажений, из-за чего они «бросаются в глаза» (в уши? ) при намного более низких уровнях. Таким образом, если увеличить в четыре раза количество того, что обладает десятикратно более сильным раздражающим действием, получится, что проблема интермодуляционных искажений в 40 (!) раз острее проблемы гармонических искажений. С помощью статической полиноминальной модели пятого порядка было даже продемонстрировано, что у одной и той же системы нелинейность взаимодействия типа 2*fi + fj может быть на 34dB больше, чем гармонического искажения пятого порядка в той же самой системе.

Исключительную чистоту звучания системы мониторов, показанной на фотографии в начале статьи, Войшвилло объясняет не только тем, что независимые записи инструментов отправлены в независимые мониторы (на 16 мониторов подаются сигналы с разных дорожек многоканального магнитофона), но ещё и тем, что звук распространяется через разные «воздушные каналы» между мониторами и ушами слушателей. На низких уровнях звукового давления эта идея не согласуется с концепцией линейной суперпозиции акустических волн, но концепция нелинейной интерференции для высоких уровней звукового давления уже была экспериментально доказана. 7

Рисунок 3. Интермодуляционные искажения. Искажение сферической волны при перемещении в среде. Уровень звукового давления на расстоянии в 5 метров – 110 dB. Радиус источника — 0,5 метра. На первом графике – уровень звукового давления в dB, на втором графике – процентное соотношение интермодуляционных искажений по отношению к основным частотам. (предоставлено Александром Войшвилло)

Энтони Нью приводит некоторые интересные данные в своих двух статьях, озаглавленных «В коэффициентах гармонических искажений нет никакого смысла». И хотя в этих статьях он пользуется данными по усилителям радиочастот, он приводит графики интермодуляционного взаимодействия двух, трёх и четырёх частот, которые одновременно подаются на вход с уровнем около 65 dB выше фонового шума. На графике, характеризующем взаимодействие двух частот, над уровнем фонового шума чётко просматриваются четыре интермодуляционные составляющие. На графике, характеризующем взаимодействие трёх частот, над уровнем фонового шума просматриваются уже девять интермодуляционных производных; а на графике, характеризующем взаимодействие четырёх частот, таких составляющих уже больше тридцати! С увеличением количества возбуждающих частот резко возрастает число интермодуляционных производных, потому что ещё и сами производные начинают интермодулировать между собой. Не нужно обладать большим воображением, чтобы представить себе результаты такого процесса для сложного музыкального сигнала. Получится хаотический модуляционный шум, который по уровню, может быть, всего на 40 dB тише, чем собственно музыка. Аргументация Энтони Нью является достаточно убедительной.

Может быть, Энтони Нью несколько переборщил, когда сказал, что «измерять коэффициент гармонических искажений – бессмысленно». Но в каком-то смысле такое высказывание является справедливым. Общеизвестно, что многие ламповые усилители производят значительно более высокие уровни гармонических искажений второго порядка, чем транзисторные усилители хорошего качества, но эти искажения не воспринимаются на слух, как искажения. Это можно объяснить исходя из свойств генерации искажений второго порядка. На самом деле, нелинейность второго порядка не даёт нечётных, неприятно и диссонансно звучащих интермодуляционных сочетаний типа f1 + 2*f2. От нелинейностей второго порядка образуется меньше производных, да и уровни их меньше, чем у производных более высоких порядков. Как недавно упоминалось, плотность и совокупный уровень производных высоких порядков может очень быстро нарастать. Частоты в них распределяются по типу хаотичного шума, и музыка замаскировать его не может.

Когда ламповые усилители генерируют гармонические искажения второго порядка, это может даже приятно восприниматься на слух. Но что по-настоящему приятно в таких усилителях, так это минимум нечётных интермодуляционных производных более высоких порядков. Можно также утверждать, что всё это в целом справедливо и по отношению к усилителям класса А, у которых на всех уровнях отсутствуют артефакты от искажений в кроссовере. На самом деле, становится ясно, что гармонические искажения – это не некий отдельный вид искажений, а особый вид интермодуляционных искажений. Если для проверки интермодуляции используется несколько частот, и при этом существует возможность их индивидуально регулировать, то при соответствующей настройке – когда между частотами образуются консонирующие интервалы, а все частоты в целом сольются в одном благозвучном аккорде – генерироваться будут только гармонические искажения. Может быть, так легче себе представить, что оба вида искажений получаются за счёт одного и того же нелинейного механизма.

В электромеханических системах, таких, как громкоговорители, наличие нелинейных возвратных сил в механике подвижной системы – это ещё один источник интермодуляционных и гармонических искажений. Под воздействием сложного композитного музыкального сигнала может возникать сложная упругая деформация подвижной системы, и в этом случае нет ничего похожего на электрические причины возникновения нелинейностей, как это происходит, например, в усилителях. Магнитная нелинейность B1 (силовой фактор) и модуляция магнитного потока могут быть основными причинами интермодуляционных искажений. Это может объяснять, почему один процент гармонических искажений второго порядка может отлично звучать на одном устройстве, и в то же время, совершенно невыносимо – на другом. В этом случае мы сравниваем не уровень гармонических искажений второго порядка, а существование иных нелинейных артефактов, возникающих за счёт иных нелинейных механизмов или систем. Такие механизмы могут также вызывать возникновение фазовых искажений динамического характера, которые могут влиять на качество восприятия стереофонии.

Требуется проделать большую работу как по сокращению, так и по эффективному измерению интермодуляционных искажений. Одна из причин, вследствие которой производители оборудования не торопятся этим заниматься, состоит в том, что они не желают заниматься теми усовершенствованиями, которые из-за отсутствия общепринятых спецификаций нельзя доказать в рекламной и коммерческой литературе. Достоверный способ соотношения результатов объективных исследований с результатами субъективных тестов мог бы стать мощным стимулом для решительного наступления на интермодуляционные искажения. Тем не менее, утверждение, что воспринимаемая на слух чистота звучания любой аудиосистемы является прямым результатом отсутствия в ней интермодуляционных искажений, может считаться справедливым.

Искажения в усилителях

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок.

В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:

а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.

б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:

Так как , то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

где m и n — действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:

Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол .

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К — комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления К в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей и высшей граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения на средней частоте .

Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте ,

где — коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.

где — соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.

Обычно принимают , т. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30—20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300—3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром

Для широкополосных усилителей , поэтому

Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоит в усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).

Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения.

Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал . Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

где — коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.

Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.

Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Задавая закон изменения можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью , где — коэффициент пропорциональности.

Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала выходной сигнал усилителя

где — амплитуда и частота входного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал усилителя при синусоидальном входном сигнале будет иметь постоянную составляющую и косинусоиду двойной частоты.

Подключив на выход усилителя разделительный конденсатор большой емкости, можно исключить постоянную составляющую и использовать такой усилитель, как удвоитель частоты.

В общем случае при сложной зависимости выходной сигнал усилителя состоит из постоянной и гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного сигнала, т. е.

где — сдвиг по фазе между входным сигналом и соответствующей гармонической составляющей выходного сигнала.

Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.

Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник

где — амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.

Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки ОА, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (ОА) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.

Коммутационные искажения в усилителях мощности ЗЧ

Исследования последних лет показали, что на характер звучания транзисторных усилителей мощности 3Ч (УМЗЧ) значительное влияние оказывают так называемые коммутационные искажения (КИ). Возникают они в выходных каскадах на биполярных транзисторах, работающих в режиме АВ с отсечкой тока. В этом режиме транзистор, как известно, переходит из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Когда он открыт, на его базе, вследствие инжекции в нее неосновных носителей из эмиттера, накапливается заряд, величина которого определяется ее диффузионной емкостью и зависит от температуры, коллекторного тока и граничной частоты усиления транзистора. Чтобы транзистор закрылся, диффузионная емкость должна разрядиться через подключенные к базе внешние цени, а это возможно только в том случае, если время запирания эмиттерного перехода больше времени разряда. Если же оно его не превышает, то создаются условия для возникновения неуправляемого базового тока и, как следствие этого, появления на выходе каскада импульсов, увеличивающих содержание гармоник высшего порядка в спектре усиливаемого сигнала. В двухтактном каскаде в течение одного периода такие условия создаются дважды. Причем с ростом частоты скважность импульсов уменьшается, а следовательно, вклад, вносимый ими в искажения, увеличивается.

Существуют различные способы предупреждения КИ, в частности, использование особого режима работы двухтактного оконечного каскада УМЗЧ с постоянным сквозным током. Устоявшегося технического названия для такого режима пока нет. Одни относят его к режиму А, другие – к модификации режима В. Первые при этом исходят из уровня и характера искажений, а вторые же — из энергетических показателей.

Пример схемотехнической реализации усилителя 3Ч, работающего в режиме с постоянным сквозным током показан на рис.1. Это упрощенный вариант усилителя DA-A30 фирмы Mitsubishi. При положительной полуволне входного сигнала напряжение база — эмиттер транзистора VT8 уменьшается, транзисторы VT6, VT4 открываются и на базу VT8 поступает предотвращающее отсечку эмиттерного тока дополнительное напряжение. При отрицательной полуволне полезного сигнала уменьшается напряжение база—эмиттер транзистора VT7 и через открывающиеся транзисторы VT5, VT3 дополнительное напряжение поступает уже на его базу.

Таким образом, отсечка эмиттерного тока транзисторов выходного каскада исключается, а имеющим место небольшой сквозной ток практически не ухудшает экономичности усилителя. Важно только обеспечить очень высокую степень симметрии переходных характеристик отдельных плеч усилителя, поскольку ее нарушение ведет к нелинейности суммарной сквозной характеристики и росту коэффициента гармоник.

С целью снижения КИ вводят и специальные цепи, обеспечивающие плавную отсечку эмиттерного тока транзисторов выходного каскада Время разряда диффузионной емкости в этом случае увеличивается, и условий для возникновения короткого и значительного по амплитуде импульса не создается. Суммарный уровень гармоник при этом не меняется, однако спектр их смещается в низкочастотную область, где их легко устранить с помощью ООС. Данный режим широко используется в усилителях ЗЧ многих японских фирм. Но он также требует строгой комплементарности плеч усилителя и наличия балансирующих элементов.

Можно ли снизить КИ более простым путем? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, какие элементы усилителя (рис.2) влияют на скорость разряда диффузионной емкости и время закрывания транзисторов выходного каскада. Прежде всего это резистор R1. Напряжение, возникающее на нем при протекании тока I1, равно: I1R1= (UG 1 +UG 2 ) – (UБЭVT1+UБЭVT2) (где UБЭ — абсолютное значение напряжения на эмиттерном переходе соответствующего транзистора). Оно является напряжением смешения для транзисторов выходного каскада.

Теперь допустим, что на вход усилителя поступил увеличивающийся сигнал положительной (отрицательной) полярности. Через резисторы RH и RЭ1 (RH и RЭ2) потечет возрастающий во времени ток нагрузки IН, а напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT4 (VT3) UБЭVT4=I1R1 – (UБЭVT3+IHRЭ1) [UБЭVT3=I1R1 – (UБЭVT4+IНRЭ2) ] начнет падать, и он закроется. Скорость его уменьшения определяется двумя слагаемыми UБЭVT3 и IHRЭ1ЭVT4 и IHRЭ2), имеющими соответственно логарифмическую и линейную зависимость от тока нагрузки. Очевидно, что минимум ее будет наблюдаться при RЭ1= =RЭ2= RЭ=0. Этому случаю соответствует и минимум КИ.

Сказанное иллюстрируется осциллограммами гармонических составляющих полезного выходного сигнала (три первые гармоники для наглядности дополнительно подавлены) при RЭ=0,47 Ом (рис.3,в) и RЭ=0 (рис.3,б) в случае подачи на вход усилителя синусоидального входного сигнала частотой 35 кГц (рис.3,а). Таким способом спектр КИ предлагаемого вниманию радиолюбителей усилителя удалось ограничить 7, 8 гармониками.

Основные технические характеристики:

Искажения в усилителях. В- Частотные искажения и частотная характеристика

При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят.

Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками.

Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на графике рис.1. Предположим, что на вход усилителя подан испытательный сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом.

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальное напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе.

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник )

где
— сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления; — электрическая мощность первой гармоники.

В тех случаях, когда сопротивление нагрузки имеет одну и ту же величину для всех гармонических составляющих усиленного сигнала, коэффициент гармоник определяется по формуле

где —
и т.д. – действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник тока на выходе;
и т.д. действующие или амплитудные значения гармоник выходного напряжения.

Коэффициент гармоник обычно выражают в процентах, поэтому найденное по формулам значение
следует умножить на 100. Общая величина нелинейных искажений, возникающих на выходе усилителя и созданных отдельными каскадами этого усилителя, определяется по приближенной формуле:

где —
нелинейные искажения вносимые каждым каскадом усилителя.

Допустимая величина коэффициента гармоник всецело зависит от назначения усилителя. В усилителях контрольно-измерительной аппаратуры допустимое значение коэффициента гармоник
составляет десятые доли процента.

Частотные называются искажения , обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.д.

Для примера на рис. 2 показана амплитудно-частотная характеристика УНЧ.

Рис. 2. Амплитудно-частотная Рис. 3. Фазочастотная характеристика

характеристика УНЧ. усилителя.

При построении амплитудно-частотных характеристик частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе. Для каждой частоты фактически по оси откладывается величина lg f , а подписывается значение частоты.

Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на данной частоте

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот f н и f в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны

где К н и К в – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона.

Для усилителей низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая линия (линия АВ на рис. 2).

где К н и К в — соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Из определения коэффициента ча­стотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характе­ристика в области данной частоты имеет завал, а если М Операционный усилитель как белый треугольник

Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.

Назначение выводов операционного усилителя

Плюс источника питания:

Минус источника питания:

Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.

Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:

Где — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Поскольку наша цель не усиление постоянных напряжений, а звуковых колебаний давайте для примера рассмотрим зависимость недорогого ОУ LM324 от частоты входных синусоидальных колебаний.

На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом — ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой — 10 000 раз на постоянном токе!

Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход — ввести обратную связь.

Обратная связь — просто и сердито! Панацея от всех бед?

Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.

Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением — индуктивную и ёмкостную.

Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?

К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.

Что русскому хорошо, то немцу — смерть или немного радиотехники

Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:

и частотами гармоник третьего порядка :
В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора — гетеродина.

На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:

Но благодаря узкополосному фильтру ФПЧ выделяем нужный нам сигнал с промежуточной частотой f пр =f г -f с и усиливаем его в усилителе ПЧ. Затем происходит детектирование с помощью следующего нелинейного элемента, обычно диода и на выходе после фильтра низких частот на рисунке не изображён мы получаем сигнал звуковой частоты.

ИМИ (IMD) — интермодуляционные искажения

Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.

Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи

Тёмная сторона обратной связи

А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.

Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель — весьма сложное устройство.

Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты

Нелинейность, присущая транзисторным каскадам, вынуждает разработчиков использовать сильную отрицательную обратную связь как простейшее решение для подгонки параметров усилителя под соответствия требованиям по низкому уровню гармонических и интермодуляционных искажений разумеется измеренных по стандартным методикам. В результате промышленные усилители мощности, имеющие глубину ООС в 60 и даже 100 дБ, на сегодняшний день не являются редкостью.
Изобразим реальную схему несложного транзисторного усилителя мощности. Можно сказать что он является трёхкаскадным. Первый усилительный каскад на ОУ А1, второй на транзисторах T1-T2 и третий также транзисторный Т3 -Т4. При этом усилитель охвачен цепью общей обратной связи она выделена красным контуром, которая подаётся через резистор R6 на неинвертирующий вход ОУ. Ключевое слово здесь общей — обратная связь тут подаётся не с выхода ОУ на его вход, а с выхода всего усилителя.

В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:

  • транзисторы в подобном включении могут работают в весьма нелинейном режиме при переходе сигнала через ноль и для слабых сигналов;
  • на выходе усилитель нагружен на комплексную нагрузку — акустическую систему. На схеме показан её эквивалент — сопротивление R15 и индуктивность L1;
  • Транзисторы работают в тяжёлом тепловом режиме и температура их корпуса существенно зависит от выходной мощности, а от температуры сильно зависят их параметры;
  • Ёмкости монтажа и различного рода наводки могут иметь приличное значение и ошибки трассировки легко могут привести к возникновению положительной обратной связи и самовозбуждению усилителя;
  • Значительно возрастает роль помех, наводимых по питанию;

И ОУ помогает, но как дурак молящейся богу из известного афоризма порой уж слишком усердно. Появляются проблемы с перегрузочной способностью отдельных каскадов, транзисторы которых попадают в режим ограничения сигнала. Они выходят из линейного разумеется сравнительно линейного режима в режимы отсечки или насыщения. Выходят очень быстро, а возвращаются в него гораздо медленней, что обусловлено неторопливым процессом рассасывания неосновных источников заряда в полупроводниковых переходах. Рассмотрим подробнее данный процесс и его последствия.

Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя

У транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.

Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V 1 может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V 2 для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.

Напряжение на входе усилителя мощности V 2 имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V 3 , действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой V max

Выброс в сигнале V 3 может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.

Выше показан график крайне неприятного эффекта, который называют “клиппированием” усилителя и он является порождением обратной связи. На выходе А1 мы получаем в результате эффект ограничения по амплитуде, а на выходе усилителя искажённый сигнал.

Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними

Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f 1 на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f 2 . В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f 2 образуются разностные и сум­марные комбинационные колебания f 2 ± f 1 , и f 2 ± 2f 1 более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго поряд­ка с частотами f 2 ± f 1 характеризуют квадратичные, а третьего по­рядка с частотами f 2 ± 2f 1 — кубические искажения объекта изме­рения.

Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.

Каждый электрик должен знать:  Arduino-совместимый промышленный контроллер Industruino

Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.

Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:

  1. Проигрыватель виниловых пластинок;
  2. Измерительная пластинка;
  3. Звукосниматель;
  4. Корректирующий усилитель;
  5. Полосовой фильтр;
  6. Линейный детектор;
  7. Фильтр низких частот.
  8. Ну и конечно V — вольтметр, умеющий измерять действующее значение синусоидальных колебаний!

Сегодня гораздо лучшее качество измерений может обеспечить даже простенькая 16 битная компьютерная музыкальная карта с ценой до 30 долларов в комплекте со специальной измерительной программой и несложными цепями согласования.

Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма — когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному — без прослушивания перед покупкой не обойтись.

Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.
ООС

эффект клиппирования УНЧ Добавить метки

Благодаря торговым сетям и интернет магазинам разнообразие предлагаемой к продаже аудиоаппаратуры зашкаливает за все разумные пределы. Каким образом выбрать аппарат, удовлетворяющий вашим потребностям к качеству, существенно не переплатив?
Если вы не аудиофил и подбор аппаратуры не является для вас смыслом жизни, то самый простой путь — уверенно ориентироваться в технических характеристиках звукоусилительной аппаратуры и научиться извлекать полезную информацию между строк паспортов и инструкций, критически относясь к щедрым обещаниям. Если вы не ощущаете разницы между dB и dBm, номинальную мощность не отличаете от PMPO и желаете наконец узнать, что такое THD, также сможете найти интересное под катом.

Краткое содержание статьи

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
Разделяй и властвуй — раскладываем сигнал в спектр.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики.
Практика — лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром.
Чайник дёгтя в банке мёда.

Я надеюсь что материалы данной статьи будут полезны для понимания следующей, которая имеет намного более сложную тему — «Перекрёстные искажения и обратная связь, как один из их источников».

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления — отношение выходного параметра усилителя к входному. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току или мощности:

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Коэффициент усиления УНЧ может быть очень большим, ещё большими значениями выражаются усиление операционных усилителей и радиотрактов различной аппаратуры. Цифрами с большим количеством нулей не слишком удобно оперировать, ещё сложнее отображать на графике различного рода зависимости имеющие величины, отличающиеся между собой в тысячу и более раз. Удобный выход из положения — представление величин в логарифмическом масштабе. В акустике это вдвойне удобно, поскольку ухо имеет чувствительность близкую к логарифмической.
Поэтому коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах (русское обозначение: дБ; международное: dB)

Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, поэтому величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей, а коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:

Немного другим образом обстоит дело с «неэнергетическими» величинами. Для примера возьмём ток и выразим через него мощность, воспользовавшись законом Ома:

тогда величина выраженная в децибелах через ток будет равна следующему выражению:

Аналогично и для напряжения. В результате получаем следующие формулы для вычисления коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по току в дБ:

Коэффициент усиления по напряжению в дБ:

Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?

В акустике «уровень интенсивности» или просто громкость звука L тоже измеряют в децибелах, при этом данный параметр является не абсолютным, а относительным! Всё потому, что сравнение ведётся с минимальным порогом слышимости человеческим ухом звука гармонического колебания — амплитудой звукового давления 20 мкПа. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления можно написать:

где не ток, а интенсивность звукового давления звука с частотой 1 кГц, который приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком.

Таким образом, когда говорят, что громкость звука равна 20 дБ, это означает, что интенсивность звуковой волны в 100 раз превышает порог слышимости звука человеком.
Кроме этого, в радиотехнике чрезвычайно распространена абсолютная величина измерения мощности dBm (русское дБм), которая измеряется относительно мощности в 1 мВт. Мощность определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники — обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники — 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет примерно 20 мВт).

Разделяй и властвуй — раскладываем сигнал в спектр.

Пора переходить к более сложной теме — оценке искажений сигнала. Для начала придётся сделать небольшое вступление и поговорить о спектрах. Дело в том, что в звукотехнике и не только принято оперировать сигналами синусоидальной формы. Они часто встречаются в окружающем мире, поскольку огромное количество звуков создают колебания тех или иных предметов. Кроме того, строение слуховой системы человека отлично приспособлено для восприятия синусоидальных колебаний.
Любое синусоидальное колебание можно описать формулой:

где длина вектора, амплитуда колебаний, — начальный угол (фаза) вектора в нулевой момент времени, — угловая скорость, которая равна:

Важно, что с помощью суммы синусоидальных сигналов с разной амплитудой, частотой и фазой, можно описать периодически повторяющиеся сигналы любой формы. Сигналы, частоты которых отличаются от основной в целое число раз, называются гармониками исходной частоты. Для сигнала с базовой частотой f, сигналы с частотами

будут являться чётными гармониками, а сигналы

Давайте для наглядности изобразим график пилообразного сигнала.

Для точного представления его через гармоники потребуется бесконечное число членов.
На практике для анализа сигналов используют ограниченное число гармоник с наибольшей амплитудой. Наглядно посмотреть процесс построения пилообразного сигнала из гармоник можно на рисунке ниже.

А вот как формируется меандр, с точностью до пятидесятой гармоники…

Подробнее о гармониках можно почитать в замечательной статье habrahabr.ru/post/219337 пользователя dlinyj, а нам пора переходить наконец к искажениям.
Наиболее простым методом оценки искажений сигналов является подача на вход усилителя одного или суммы нескольких гармонических сигналов и анализ наблюдающихся гармонических сигналов на выходе.
Если на выходе усилителя присутствуют сигналы тех же гармоник, что и на входе, искажения считаются линейными, потому-что они сводятся к изменению амплитуды и фазы входного сигнала.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал новые гармоники, что приводит к искажению формы входных сигналов.

Линейные искажения и полоса пропускания.

Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой — АЧХ и часто изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на графике АЧХ типичного усилителя.

Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.
Диапазон частот ΔF , в пределах которого мощность усилителя уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя .

Однако, на графике обычно откладывают коэффициент усиления по напряжению, а не по мощности. Если обозначить максимальный коэффициент усиления по напряжению, как , то в пределах полосы пропускания коэффициент не должен опускаться ниже чем:

Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.

Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?
Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот, но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика усилителя.

При усилении колебаний только одной частоты, это вроде бы не страшно, но вот для более сложных сигналов приводит к существенным искажениям формы, хотя и не порождает новых гармоник. На картинке снизу показано как искажается двухчастотный сигнал.

Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.

Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.

На левом графике показаны искажения, вызванные наличием дополнительной чётной гармоники сигнала — ограничение амплитуды одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей гармоники — сигнал «обрезан» c двух сторон.

Во времена СССР нелинейные искажения усилителя было принято выражать с помощью коэффициента гармонических искажений КГИ. Определялся он следующим образом — на вход усилителя подавался сигнал определённой частоты, обычно 1000 Гц. Затем производилось вычисление уровня всех гармоник сигнала на выходе. За КГИ брали отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники — той самой, частота которой равна частоте входного синусоидального сигнала.

Аналогичный зарубежный параметр именуется как — total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коэффициент гармонических искажений (КГИ или )

Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной практике гораздо большее распространение получил другой параметр оценки степени нелинейных искажений — КНИ.

Зарубежный аналог — total harmonic distortion for root mean square.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или )

КНИ — величина равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.
Как КНИ, так и КГИ относительные величины, которые измеряются в процентах.
Величины этих параметров связаны соотношением:

Для сигналов простой формы величина искажений может быть вычислена аналитически. Ниже приведены значения КНИ для наиболее распространённых в аудиотехнике сигналов (значение КГИ указано в скобках).

0 % (0%) — форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3 % (3 %) — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.
5 % (5 %) — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.
10 % (10 %) — стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.
12 % (12 %) — идеально симметричный треугольный сигнал.
21 % (22 %) — «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы. 43 % (48 %) — идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).
63 % (80 %) — идеальный пилообразный сигнал.

Ещё лет двадцать назад для измерения гармонических искажений низкочастотного тракта использовались сложные дорогостоящие приборы. Один из них СК6-13 изображён на рисунке ниже.

Сегодня с этой задачей гораздо лучше справляется внешняя компьютерная аудиокарта с комплектом специализированного ПО, общей стоимостью не превышающие 500USD.

Спектр сигнала на входе звуковой карты при тестировании усилителя низкой частоты.

Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.

Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется амплитудной характеристикой.
Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых входных напряжениях.
На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля, так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.

В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.
В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб, который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.
Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники).

Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.

Белый шум.

Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком диапазоне частот.

Розовый шум.

Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих пор спорят учёные.

Фон от внешних источников.

Одна из основных причин шума — фон наводимый от посторонних источников, например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и кратные ей.

Самовозбуждение.

Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы, как правило определённой частоты.

Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики

Номинальная мощность

Западный аналог RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение) В СССР определялась ГОСТом 23262-88 как усредненное значение подводимой электрической мощности синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц, которое вызывает нелинейные искажения сигнала, не превышающие заданное значение КНИ (THD). Указывается как у АС, так и у усилителей. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения, при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Для разных классов устройств КНИ может варьироваться очень существенно, от 1 до 10 процентов. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Акустические системы способны воспроизводить сигнал на RMS-мощности длительное время.

Паспортная шумовая мощность

Иногда ещё называют синусоидальной. Ближайший западный аналог DIN — электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов. Обычно DIN в 2-3 раза выше RMS.

Максимальная кратковременная мощность

Западный аналог PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). — электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжания) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Обычно в 10-20 раз выше DIN. Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система возможно перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят приводить именно этот параметр на упаковках и наклейках своей продукции… Огромные цифры данного параметра зачастую основаны исключительно на бурной фантазии маркетингового отдела производителей, и тут китайцы несомненно впереди планеты всей.

Максимальная долговременная мощность

Это электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Практика — лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром

Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.
Ага — вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции.:
Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.

“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”

Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см
Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность — лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf. Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.
Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия, так и к их интерпретации.
Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.

Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже — заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.

Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике

Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 — это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность , но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос — как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?
Покупать такой аппарат или нет — решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче — да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.

Чайник дёгтя в банке мёда.

Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин:

  • Многие параметры больше подходят не столько для объективного отражения качества сигнала, сколько для удобства измерения. Большинство проводятся на частоте 1000 Гц, которая очень удобна для получения наилучших численных результатов. Она располагается далеко от частоты фона электрической сети в 50 Гц и в самом линейном участке частотного диапазона усилителя.
  • Производители зачастую грешат откровенной подгонкой характеристик усилителя под тесты. Например, даже во времена Советского Союза, УНЧ часто разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить наилучший показатель КГИ, при максимальной выходной паспортной мощности. В то же время, на половинном уровне мощности в двухтактных усилителях часто проявлялось искажение типа ступенька, из-за чего коэффициент гармонических искажений при среднем положении ручки громкости мог зашкаливать за 10%!
  • В паспортах и инструкциях по эксплуатации часто приводятся нестандартные фейковые, абсолютно бесполезные характеристики типа PMPO. В то же время, не всегда можно найти даже такие базовые параметры как частотный диапазон или номинальную мощность. Про АЧХ и ФЧХ и говорить нечего!
  • Измерение параметров нередко производится по, сознательно искажённым, методикам.

Не удивительно, что многие покупатели впадают в таких условиях в субъективизм и ориентируются при покупке, в лучшем случае, исключительно на результаты короткого прослушивания, в худшем на цену.

Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!

Разговор об оценке качества и причинах искажений усилителей низкой частоты мы продолжим в следующей статье. Вооружившись минимальным багажом знаний можно переходить к таким интересным темам как интермодуляционные искажения и их связь с глубиной обратной связи!

В заключение хочется выразить искреннюю благодарность Роману Парпалак parpalak за его проект онлайн-редактора с поддержкой латеха и маркдауна. Без этого инструмента и так непростой труд по внедрению математических формул в текст стал бы во истину адским.

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U 2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U 2m2 … амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω 0 и 2ω 0 . Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω 0 . будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω 0 . А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Чем обусловлены нелинейные искажения в усилителе. Линейные искажения в усилителях. Фон от внешних источников

Реальный сигнал звуковой частоты является сложным и содержит гармонические составляющие, т.е. синусоидальные колебания различной частоты, амплитуды, фазы. Если форма кривой на выходе усилителя отличается от формы кривой на его входе, то это отразится на качестве звука.

Причины появления искажений различны, и также различно их влияние на качество звука. Различают искажения:

Частотные – это изменение формы кривой сигнала в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Причиной появления этих искажений являются реактивные элементы – индуктивности катушек и емкости конденсаторов, сопротивления которых зависят от частоты (вспомнить формулы Х с и Х L).

В результате частотных искажений нарушается соотношение между амплитудами составляющих сигналов разной частоты. Это воспринимается на слух как изменение тембра: если недостаточное усиление верхних частот, то звук становится глухим, а нижних — металлическим.

Численно частотные искажение определяются по частотной характеристике, т.е. зависимости коэффициента усиления от частоты сигнала, т.е. K дБ = f(f).

На этой характеристике частоту следует откладывать в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления — как в логарифмическом масштабе, так и в относительных величинах или в дБ.

Частотный диапазон делится на отдельные области:

а) область средних частот — 300- 3000гЦ, в этой области мало сказывается влияние реактивных элементов;

б) область верхних частот — свыше 3000гЦ;

в) область нижних частот — ниже 300гЦ.

Частота 400гЦ (иногда 1000гЦ) называется средней (f о),

f н — нижняя граничная частота, f в — верхняя граничная частота.

При отсутствии частотных искажений характеристика имеет вид горизонтальной прямой. Если коэффициент усиления на граничных частотах уменьшается или увеличивается, то в характеристике будет некоторый спад или подъем вершин (рис. 5б). Оцениваются частотные искажения коэффициентом частотных искажений (М), который определяется: М = К 0 /К,

где K o — коэффициент усиления на средней частоте,

K- коэффициент усиления на данной частоте.

Обычно его определяют на граничных частотах, где он имеет максимальную величину

М н = К 0 /К н М в = К 0 /К в

Или его выражают в дБ по формулам:

М ндБ = 20 lg М н = K o дБ — K ндБ

М в дБ = 20 lg М в = K o дБ — K вдБ

Указанные формулы имеют одно неудобство: подъему характеристики соответствует знак минус, а спаду — плюс, что нарушает привычное представление о том, что положительные величины откладываются выше нулевого уровня, а отрицательные — ниже.

Поэтому при построении частотной характеристики используют стандартный бланк, на котором по оси ординат откладывается относительное усиление (Y) в дБ, и это есть величина, обратная коэффициенту частотных искажений, т.е.

Y = К/К 0 = 1/М или Y дБ = — М дБ

Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений (М) и относительное усиление (Y) определяются как произведение коэффициентов в относительных величинах или как их сумма в дБ.

Поэтому, если на одной частоте в одном каскаде спад, а в другом – такой же подъем, то общая частотная характеристика будет без искажений, что используется для коррекции ЧХ.

Малозаметные на слух частотные искажения составляют -+ 2 дБ, и эта их величина считается допустимой для УАС.

Фазовые — это искажения формы кривой сигнала, вызванные тем, что сдвиг фаз между выходным и входным сигналом не пропорционален частоте. Причина — наличие реактивных элементов. Как и частотные, фазовые искажения сказываются при усилении сложного сигнала, в котором нарушается соотношение между фазами отдельных составляющих. Оценить эти искажения можно по фазовой характеристике, т. е. зависимости угла сдвига фаз от частоты: φ = f(f).

Рис.6 Разложение сложного сигнала и фазовая характеристика

На слух фазовые искажения не воспринимаются, но если в усилителе есть цепь обратной связи, то они могут привести к генерации на высоких частотах.

Нелинейные – это изменение формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов.

Рис.7 Входная характеристика транзистора

По графику видно, что при отсутствии сигнала на базе действует напряжение базы покоя U бс и протекает ток базы покоя I бо — им соответствует точка покоя P. Искажения возникают, так как используется криволинейный участок характеристики P-А.

Причинами появления нелинейных искажений могут быть и нелинейность выходных характеристик, и неравномерность их сдвига при равных изменениях тока базы.

Любая несинусоидальная кривая раскладывается на составляющие: основную — с частотой сигнала и гармоник высшего порядка — с частотами, кратными частоте основного сигнала. И тогда, при подаче сигнала с частотой 400 Гц на выходе можно получить сигналы с частотами 400, 800, 1200, 1600 и т.д. Гц.

Кроме того, могут появиться комбинационные тона — это колебания с частотами, представляющими сумму или разность любой пары составляющих сложного сигнала. Они делают звук хриплым, дребезжащим, а речь — неразборчивой.

Для учета нелинейных искажений вводится понятие коэффициента гармоник К г

К г = √ P 2 + P 3 +…../ Р 1 100% или К г = √ I 2 + I 3 +…../ I 1 100% или

К г = √ U 2 + U 3 +…../ U 1 100%

Коэффициент гармоник выражает долю действующих значений высших гармоник в процентном отношении к основному сигналу.

Если преобладает, какая — либо из гармоник, то формула может быть упрощена:

К г = I 2 / I 1 100% — по второй гармонике;

К г = I 3 / I 1 100% по третьей гармонике.

Следует знать, что в симметричном сигнале преобладает третья гармоника, а в несимметричном — вторая гармоника. Численно коэффициент гармоник не должен превышать 1% на средних частотах.

Основные параметры и характеристики усилителя:

1. R вх =U 1 /I 1. – входное сопротивление.

На низких частотах – активное. Зависит от частоты.

На высоких частотах – комплексное.

2. R вых =U 2 xx/I 2 кз. (хх-холостой ход, кз-короткое замыкание).

3. К – коэффициент усиления, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

а) К u =U 2 m /U 1 m – по напряжению.

б) K I =I 2 m /I 1 m – по току.

в) K p =P 2 /P 1 – по мощности.

Коэффициент усиления – величина безразмерная, иногда его выражают в относительных логарифмических единицах, которые называют децибелами.

При воздействии на усилитель гармонического сигнала, его коэффициент усиления оказывается частотно-зависимым и аналитически выражается комплексной функцией коэффициента передачи, которая называется частотной характеристикой.

Комплексный коэффициент передачи.

4. Зависимость коэффициента передачи от частоты – частотная характеристика.

в. Усилители низких частот – усилители звуковой частоты — f н »50 Гц,f в »20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них

2.По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3.По виду используемых активных элементов:

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

Б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

Каждый электрик должен знать:  Преимущества и недостатки инфракрасных обогревателей мнение

В. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

Г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Обеспечивает гальваническую развязку между каскадами и в то же время обеспечивает полную передачу сигнала от одного каскада к другому по переменной и постоянной составляющей.

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U 2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U 2m2 … амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω 0 и 2ω 0 . Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω 0 . будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω 0 . А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала. Про­цесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным, полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изменении сопротив­ления активного элемента под действием входного сигнала.

Усилители сигналов являются базовыми устройствами для построения сложных аналоговых электронных устройств. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, разли-чают три схемы включения для биполярных (БТ) и полевых транзисторов (ПТ) соответственно: с общей базой или общим затвором (ОБ или ОЗ); с общим эмиттером или общим истоком (ОЭ или ОИ); общим коллектором или общим стоком (ОК или ОС).

коэффициент усиления по напряжению К u = U вых /U вх;

коэффициент усиления по току К i = I вых /I вх;

коэффициент усиления по мощности К р = Р вых /Р вх.

Для многокаскадных усилителей коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, выраженных в абсолютных единицах:

(раз) или суммой коэффициентов усиления, выраженных в децибелах:

Входное сопротивление усилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя и определяется отношением входного напряжения ко входному току Z вх = U вх /I вх. Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки Z вых = U вых /I вых.

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя К д = R н /R вых. Значение этого параметра лежит в пределах от 10 до 100.

КПД – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания .Чувствительность – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значе-ния входного напряжения к его наименьшему допустимому значению

D = U вх макс /U вх мин.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность между верхней и нижней граничными частотами Δf = f в – f н, в которой коэффициент уси-ления изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Линейные искажения бывают трех видов: частотные, фазовые и переходные.

57. Линейные и нелинейные искажения усилителей .

Кроме получения необходимого коэффициента усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы. Отклонение формы выходного сигнала от формы входного принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителя. При подаче па вход усилителя напряжения синусоидальной формы из-за нелинейности входной и выходной характеристики транзистора форма входного и выходного токов может отличаться от синусоидальной из-за появления составляющих высших гармоник. Это относится как к синусоидальному входному напряжению, так и ко входному сигналу любой другой формы. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (клир-фактор) усилителя, выраженным в процентах

K r =((P 2 +P 4 +…+P n)^1/2)/((P 1)^1/2)*100%=((U 2 2 +U 3 2 +…U n 2)^1/2)/(U 1 ^1/2)*100%

где P2, P3, Pn – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й, n-й гармонических составляющих напряжения (U2, U3, Un); P1 – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения U1.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не свя- заны с его частотой. Для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен иметь малую амплитуду. В связи с этим в многокас- кадных усилителях нелинейные искажения в основном возникают в предоко- нечных и выходных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзи-сторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Линейные искажения бывают трех видов: частотные, фазовые и переходные .

Частотные искажения связаны с несовпадением реальных и идеальных характеристик в рабочем диапазоне частот. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала.

Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала К=F(f) принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ) рис. 10.5,а.

Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально, гармонические составляющие входного сигнала усиливаются усилителем неодинаково, поскольку реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты. Типичным для АЧХ является наличие так называемой области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначается К 0 В диапазоне низких и высоких частот амплитудно-частотная характеристика спадает, имея неравномерность усиления. Частоты усиления, на которых коэффициент усиления уменьшается в 2^1/2 раз или на 3 дБ по сравнению со средней частотой, называют граничными частотами: нижняя f Н и верхняя f В разность частот f В — f Н =∆f называют полосой пропускания.

Частотные искаженияв усилителе всегда сопровождаются наличием сдвига фаз между входным и выходным сигналами, что вызывает появление фазовых искажений . Под фазовыми искажениями подразумевают сдвиги 250 фаз, вызванные реактивными элементами усилителя, а поворот фазы усилительным каскадом не учитывается. Фазовые искажения усилителя оцениваются его фазочастотной характеристикой ϕ=F(f). График фазочастотной характеристики представляет собой зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты (рис. 10.5,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая линия, начинающаяся в начале координат (рис. 10.5,б пунктирная линия). На практике амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики удобнее строить в логарифмическом масштабе по оси частот. Это удобно тем, что растягивается область нижних и сжимается область верхних частот.

Переходная характеристика выражает зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 10.7).

Эта характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, C, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости. Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса.

Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания tнар. Превышение мгновенного значения напряжения над установившимся называют выбросом δ и выражают в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором δ не зависит от числа каскадов усилителя. Неравномерность вершины нормированной переходной характеристики обозначается через Δ, измеряется как и выброс в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10 % для усилителей высоко- качественного воспроизведения.

Шумы в электронных схемах

Собственные шумы компонентов электронных схем

Собственные шумы компонентов электронных схем являются их неотъемлемой и основной физической характеристикой: они устанавливают нижнюю границу напряжения шумов электронного прибора. К собственным шумам относятся: тепловые, дробовые и контактные шумы, которые являются непрерывными сигналами с характерными свойствами.

Тепловые шумы возникают в результате теплового движения электронов в веществе. Они возникают во всех элементах, обладающих сопротивлением. Поэтому тепловые шумы в технической литературе называются также шумами сопротивления или джонсоновскими шумами.

Источником теплового шума могут быть компоненты электрической схемы, которые способны рассеивать энергию. Поэтому реактивное сопротивление не является источником теплового шума.

Для исследования тепловой шум может быть представлен в виде стандартного «белого» шума: амплитуда напряжения теплового шума нормальное распределение с параметрами m = 0 и σ= UT, а СПМ теплового шума постоянна во всем диапазоне частот.

Дробовой шум возникает вследствие того, что электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока относительно среднего значения, вызываемых случайным характером эмиссии электронов (или дырок), т.е. дробовому шуму. Этот вид шума присутствует как в электронных лампах, так и в транзисторах. В последних дробовой шум обусловлен хаотической диффузией носителей через базу и случайным характером генерации и рекомбинации пар электрон-дырка. В общем случае дробовой шум связан с прохождением тока через потенциальный барьер.

Для дробового шума также применимо представление в виде нормально распределенного «белого» шума, описанного выше. Математическое ожидание дробового шума равно нулю, а среднеквадратическое отклонение определяется эффективным значением тока

Контактные шумы вызываются флуктуацией проводимости (переходного сопротивления) вследствие несовершенства контакта между двумя материалами. Они проявляются всякий раз, когда два проводника соединяются друг с другом, например, в переключателях и контактном реле.

Контактные шумы встречаются в сопротивлениях, транзисторах и диодах из-за несовершенства контактов, микросхемах содержащих множество сплавных между собой мелких частиц.

Этот шум зависит от многих факторов конструкции конкретного сопротивления резистивный материал и в особенности концевые соединения.

В технической литературе контактные шумы часто имеют другие названия. В частности, шумы, возникающие в сопротивлениях, называются «избыточными» шумами, контактные шумы в электронных лампах и транзисторах обычно — «фликкер-шумами».

Спектральная плотность мощность изменяется как величина обратная частоте, вследствие чего эти шумы называют низкочастотными или 1/f шумами, а иногда этот шум называют «розовым».

Контактные шумы являются наиболее существенными источниками шумов в низкочастотных схемах и электрических цепях.

К собственным шумам относятся так же характерные для полупроводниковых элементов — диодов, транзисторов и интегральных схем импульсные шумы.

В отличие от других типов шумов импульсные являются практически неустранимыми, так как обусловлены производственными дефектами и их можно устранить только улучшив процессы производства. Эти шумы вызываются металлическими примесями в переходе полупроводникового прибора. Импульсные шумы являются дискретными непериодическими сигналами и проявляются как резкие всплески уровни выходного напряжения.

Средняя скорость повторения импульсов может изменяться от нескольких сот импульсов в секунду до одного импульса в минуту, однако у любого конкретного устройства амплитуда импульсных шумов фиксирована, так как она является функцией параметров дефекта перехода. Длительность шумовых импульсов колеблется от микросекунд до секунд. Обычно эта амплитуда в 2 — 100 раз превышает амплитуду тепловых шумов.

Спектральная плотность мощности импульсных шумов имеет зависимость вида 1/f2. Поскольку этот шум представляет собой явление, связанное с наличием тока, напряжение импульсных шумов будет наибольшим в высокоомной цепи, такой, как входная цепь операционного усилителя.

Не ограничиваясь рассмотрением только этих основных типов шумов, в общем случай, суммарное напряжение шума для электронныой схемы можно записать в виде

U шƩ =(U ш1 2 +U ш2 2 +…U шn 2)^1/2

На аудиофильских сайтах принято пугать посетителей интермодуляционными искажениями, однако поскольку большинство публикаций на эту тему широко использую технологию копипаста, понять почему эти искажения возникают и чем так страшны очень сложно. Сегодня я постараюсь в меру своих способностей и объёма статьи отразить именно природу этих стрРрашных ИМИ.

Тема искажений сигнала в УМЗЧ была поднята в моей , но в прошлый раз мы лишь слегка коснулись линейных и нелинейных искажений. Сегодня попробуем разобраться в наиболее неприятных на слух, трудноуловимых для анализа и сложноустранимых для проектировщиков УНЧ интермодуляционных искажениях. Причинах их возникновения и взаимосвязи с обратной связью сорри за каламбур.

Операционный усилитель как белый треугольник

Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.

Назначение выводов операционного усилителя

Плюс источника питания:

Минус источника питания:

Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.

Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:

Где — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Поскольку наша цель не усиление постоянных напряжений, а звуковых колебаний давайте для примера рассмотрим зависимость недорогого ОУ LM324 от частоты входных синусоидальных колебаний.

На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом — ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой — 10 000 раз на постоянном токе!

Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход — ввести обратную связь.

Обратная связь — просто и сердито! Панацея от всех бед?

Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.

Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением — индуктивную и ёмкостную.

Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?

К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.

Что русскому хорошо, то немцу — смерть или немного радиотехники

Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:

и частотами гармоник третьего порядка :
В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора — гетеродина.

На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:

Но благодаря узкополосному фильтру ФПЧ выделяем нужный нам сигнал с промежуточной частотой f пр =f г -f с и усиливаем его в усилителе ПЧ. Затем происходит детектирование с помощью следующего нелинейного элемента, обычно диода и на выходе после фильтра низких частот на рисунке не изображён мы получаем сигнал звуковой частоты.

ИМИ (IMD) — интермодуляционные искажения

Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.

Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи

Тёмная сторона обратной связи

А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.

Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель — весьма сложное устройство.

Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты

Нелинейность, присущая транзисторным каскадам, вынуждает разработчиков использовать сильную отрицательную обратную связь как простейшее решение для подгонки параметров усилителя под соответствия требованиям по низкому уровню гармонических и интермодуляционных искажений разумеется измеренных по стандартным методикам. В результате промышленные усилители мощности, имеющие глубину ООС в 60 и даже 100 дБ, на сегодняшний день не являются редкостью.
Изобразим реальную схему несложного транзисторного усилителя мощности. Можно сказать что он является трёхкаскадным. Первый усилительный каскад на ОУ А1, второй на транзисторах T1-T2 и третий также транзисторный Т3 -Т4. При этом усилитель охвачен цепью общей обратной связи она выделена красным контуром, которая подаётся через резистор R6 на неинвертирующий вход ОУ. Ключевое слово здесь общей — обратная связь тут подаётся не с выхода ОУ на его вход, а с выхода всего усилителя.

В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:

  • транзисторы в подобном включении могут работают в весьма нелинейном режиме при переходе сигнала через ноль и для слабых сигналов;
  • на выходе усилитель нагружен на комплексную нагрузку — акустическую систему. На схеме показан её эквивалент — сопротивление R15 и индуктивность L1;
  • Транзисторы работают в тяжёлом тепловом режиме и температура их корпуса существенно зависит от выходной мощности, а от температуры сильно зависят их параметры;
  • Ёмкости монтажа и различного рода наводки могут иметь приличное значение и ошибки трассировки легко могут привести к возникновению положительной обратной связи и самовозбуждению усилителя;
  • Значительно возрастает роль помех, наводимых по питанию;

И ОУ помогает, но как дурак молящейся богу из известного афоризма порой уж слишком усердно. Появляются проблемы с перегрузочной способностью отдельных каскадов, транзисторы которых попадают в режим ограничения сигнала. Они выходят из линейного разумеется сравнительно линейного режима в режимы отсечки или насыщения. Выходят очень быстро, а возвращаются в него гораздо медленней, что обусловлено неторопливым процессом рассасывания неосновных источников заряда в полупроводниковых переходах. Рассмотрим подробнее данный процесс и его последствия.

Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя

У транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.

Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V 1 может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V 2 для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.

Напряжение на входе усилителя мощности V 2 имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V 3 , действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой V max

Выброс в сигнале V 3 может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.

Выше показан график крайне неприятного эффекта, который называют “клиппированием” усилителя и он является порождением обратной связи. На выходе А1 мы получаем в результате эффект ограничения по амплитуде, а на выходе усилителя искажённый сигнал.

Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними

Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f 1 на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f 2 . В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f 2 образуются разностные и сум­марные комбинационные колебания f 2 ± f 1 , и f 2 ± 2f 1 более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго поряд­ка с частотами f 2 ± f 1 характеризуют квадратичные, а третьего по­рядка с частотами f 2 ± 2f 1 — кубические искажения объекта изме­рения.

Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.

Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.

Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:

  1. Проигрыватель виниловых пластинок;
  2. Измерительная пластинка;
  3. Звукосниматель;
  4. Корректирующий усилитель;
  5. Полосовой фильтр;
  6. Линейный детектор;
  7. Фильтр низких частот.
  8. Ну и конечно V — вольтметр, умеющий измерять действующее значение синусоидальных колебаний!

Сегодня гораздо лучшее качество измерений может обеспечить даже простенькая 16 битная компьютерная музыкальная карта с ценой до 30 долларов в комплекте со специальной измерительной программой и несложными цепями согласования.

Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма — когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному — без прослушивания перед покупкой не обойтись.

Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.
ООС

эффект клиппирования УНЧ Добавить метки

Искажения в усилителях

6.3. Искажения в усилителях

Выходной сигнал любого реального усилителя всегда несколько отличается от усиливаемого оригинала. Связано это с неидеальностью усилителя, и конкретно — с наличием в нем искажений. Все существующие в усилителях искажения усиливаемого сигнала можно разделить на две большие группы — линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений, могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих.

В отличие от линейных, нелинейные искажения вызывают нарушение линейности амплитудной характеристики усилителя. Искажения амплитудной характеристики усилителя приводят к существенным искажениям амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале и могут вызывать значительные изменения его формы. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения всегда приводят к появлению в выходном сигнале дополнительных спектральных (частотных) составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Если линейные искажения изменяют основном окраску звука, то проявление нелинейных искажений еще более пагубно, поскольку они приводят к существенным изменениям усиливаемого сигнала.

Поскольку, нелинейные искажения проявляются в появлении в выходном сигнале новых спектральных составляющих, многие методики оценки этих искажений заключаются в оценки уровней этих составляющих. Также существуют методики измерений, основанные на оценке кривизны амплитудной характеристики усилителя.

Искажения в усилителях

Все искажения звука в аудио аппаратуре тесно взаимосвязаны между собой и их не всегда можно отделить друг от друга. Искажения звука подразделяются на линейные и нелинейные.

возникают в результате ограничения диапазона частот усилителя при неравномерности АЧХ более +- 1.5Дб. Дело в том, что наш слух обладает высокой чувствительностью к импульсным сигналам с фронтом длительностью несколько микросекунд. Для воспроизведения таких крутых фронтов сигнала в звуковом диапазоне (20-20000Гц) необходим усилитель с частотой воспроизведения не менее 100кГц, так как от этой максимальной частоты зависит скорость прохождения фронта импульсного сигнала.

Психоакустикой определено, что гармоники человеческого голоса простираются до 60кГц, а музыкальных инструментов на много выше. Поэтому, эти неслышимые гармоники определяют основную тембровую окраску звука. Также психоакустикой доказано, что человек с трудом воспринимающий монотонный сигнал с частотой 10кГц легко распознаёт недостаток более высоких частот в музыкальном материале и голосе. Именно по этим причинам вся звукоусилительная аппаратура и акустические системы имеют определённые трудности в обеспечении натуральности и естественности звучания.

возникают в результате неравномерности (более 5 градусов) формы импульсов сигналов в рабочем диапазоне частот усилителя. Восприятие звуковых сигналов одного и того же спектрального состава, но с разными начальными фазами гармоник не равноценно, так как изменение начальных фаз сопровождается изменением амплитуды суммарного сигнала. Для незаметности фазовых искажений полоса частот усилителя должна быть не уже 10 — 50000Гц, тогда фазовые искажения не будут превышать 2 градуса.

возникают в результате неидеальности параметров активных элементов схемы и режимов их работы, а также от глубины обратной связи (ООС), от паразитных связей между каскадами, от самовозбуждения транзисторов и от недостатков любых других схемотехнических решений. Как известно, в транзисторном усилителе присутствуют нечётные гармоники и с подачей мгновенного сигнала крутизна выходных транзисторов уменьшается (транзисторы переходят в режим насыщения). Также при выходе усилителя за область безопасной работы и при ограничении сигнала возникают высшие гармонические составляющие.

Для повышения линейности двухтактного усилителя необходима симметрия всех каскадов и введение местных ООС. Но, реальной — изначальной симметрии в двухтактных усилителях не существует. Потому, разброс параметров пар комплементарных транзисторов будет всегда сопровождаться гармоническими искажениями. При увеличение глубины ООС в несколько раз качество звука не улучшается, несмотря на значительное уменьшение нелинейных искажений. Однако, при очень глубокой ООС снижается устойчивость всего усилителя, и в области НЧ возникают задержки сигнала, а также увеличивается спад АЧХ на краях диапазона. Очевидно, что качество звучания определяется не глубиной ООС, а изначальной линейностью всего усилителя без ООС. Следовательно, ориентируясь на ламповые усилители мощности можно сделать вывод, что допустимый коэффициент гармонических искажений (без ООС) должен быть не более 4%. К тому же динамическая нелинейность транзисторов частично устраняется в схеме с общей базой и в каскоде. Поэтому желательно совместно таким включением транзисторов использовать генераторы стабильного тока, так как ток в цепи базы определяется внутренним сопротивлением источника тока и мало зависит от входного сопротивления проходных — сигнальных транзисторов.

первого рода (центральная отсечка — «ступенька») возникают в эмиттерных повторителях и имеют сильно выраженную S-образную форму. Для борьбы с ней в качестве источника сигнала выходных транзисторов рекомендуется применять генератор тока, а ток покоя выходных транзисторов выставлять более 50ма.

второго рода обусловлены индивидуальными различиями временных и частотных свойств мощных биполярных комплементарных транзисторов. Так как в момент перехода через ноль на крутых фронтах сигнала возникают временные задержки, вызванные процессом коммутации, которые приводят к переходным искажениям. При мгновенном усилении транзистора изменяется ток коллектора, который изменяется несколько раз в течении одного периода. Это явление сказывается на нелинейности амплитудной характеристики усилителя и порождает новые, специфические . В силу особенностей р-n переходов подвижность носителей транзисторов p-n-p типа много хуже, чем транзисторов n-p-n типа. Ёмкости р-n переходов из-за конструктивных особенностей больше и требуют более мощных управляющих сигналов. Поэтому, для уменьшения нелинейности необходимо подключать выравнивающие резисторы и увеличивать входное сопротивление выходного каскада.

обусловлены разным наклоном характеристики передачи транзисторов разной проводимости. Все переходные искажения звука можно минимизировать переводом усилителя в однотактный режим класса «А». Применение ООС не даёт существенного уменьшения переходных искажений, так как общее усиление на ВЧ частотах снижается, а усиления в окрестности нулевой точки не хватает.

возникают в результате нелинейности амплитудно частотной характеристики (АЧХ) аудио аппаратуры. При усилении звукового сигнала модулируются новые комбинации частот, которых в исходном сигнале нет, так как в конструкции усилителя применяются нелинейные элементы, на которых перемножается звуковой сигнал и образуются интермодуляционные искажения. Широкополосность исходного (без ООС) усилителя мощности — полная гарантия низких интермодуляционных искажений.

возникают в в результате запаздывания звукового сигнала по петле обратной связи и зависят от полосы пропускания исходного усилителя без ООС. Недостаточно высокая частота пропускания исходного (без ООС, меньше 30кГц) усилителя приводит к увеличению высших гармоник из-за снижения глубины общей ООС. Глубокая ООС срезает только «гладкие» искажения и является причиной динамических искажений и неустойчивой работы усилителя.

возникают в результате подключения реальной нагрузки (АС) и соединительных кабелей. При подаче на АС мощных импульсных сигналов ток этих сигналов много раз превышает ток такой же амплитуды синусоидального сигнала, что уменьшает комплексное сопротивление АС и перегружает усилитель на импульсе. Короткие и толстые провода частично компенсируют эти искажения звука. Но обратный отклик от АС передаётся по обратной связи усилителя мощности и способствует образованию нелинейных искажений. Как выход из положения отказ от ООС.

Если суммировать все искажения звука, то усилитель с минимальными искажениями должен работать без ООС в однотактном режиме класса «А», с граничной частотой 100кГц, при неравномерности АЧХ +-1.5Дб. Серийный усилитель «Grimmi» обладает всеми этими требованиями и имеет граничную частоту 200кГц, при неравномерности АЧХ -3Дб.

Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

Мы не создаём иллюзий,
Мы делаем звук живым!

Добавить комментарий