Site Loader

Содержание

Мифы о звуке, часть вторая

Субъективисты апеллируют к известным свойствам человеческого слуха. Существует большое
количество публикаций по психофизиологии слухового восприятия – психоакустике. Вкратце
основные накопленные к настоящему времени факты из этой области формулируются следующим
образом:
Минимальное изменение амплитуды чистого тона, которое еще может воспринимать ухо
человека, составляет около 0,3 дБ; номинальное значение этого параметра – от 0,5 до 1,0 дБ.
Другими словами, человек ощущает, что звук становится чуть громче или чуть тише, когда
изменение уровня звука достигает примерно 10%.
Минимальное изменение высоты чистого тона (то есть частоты звукового колебания),
воспринимаемое человеком, составляет 0,2% в диапазоне 500 Гц – 2 кГц. Имен но к этому
параметру – высоте звука – человеческое ухо является наиболее чувствительным.
Минимальный слышимый уровень искажений – это самый трудный для точного измерения
параметр, так как его значение зависит от многих факторов. Принято считать, что на слух
воспринимаются нелинейные искажения, достигающие 1%, а для перекрестных искажений
слышимый порог составляет 0,3% или даже ниже. Поэтому никто не может утверждать, что
способен воспринимать улучшение качества звучания при снижении коэффициента нелинейных
искажений усилителя с 0,005% до 0,001%
Предмет веры: доктрины субъективизма
Все перечисляемые ниже утверждения считаются общепризнанными в среде субъективистов и
неоднократно упоминаются в литературе как непреложные факты. Однако ни одно из этих
положений за последние пятнадцать лет так и не нашло своего объективного подтверждения.
Такой грустный рекорд, возможно, способны побить разве что студенты, обучающиеся на курсах
парапсихологии.
Обычно используемые при испытании аудиоаппаратуры синусоидальные колебания
являются слишком стабильными сигналами и поэтому не соответствуют сложному
характеру реальных сигналов, для усиления которых эта аппаратура предназначена.
Поскольку производные любого порядка для синусоидального колебания не равны нулю, то
понятие стабильности к ним вряд ли применимо. Во всяком случае, нет оснований считать, что,
например, синусоидальная волна со случайно изменяющейся амплитудой будет для усилителей
более адекватным испытанием.
Возможно, подобного рода утверждения являются следствием некоторого «очеловечивания»
аудиоаппаратуры: некоторые думают, будто усилитель «понимает», что именно он усиливает.
Конечно, комбинация двадцати синусоидальных колебаний с различными частотами
представляется человеку более сложным сигналом, чем одно такое колебание, но для усилителя
оба этих сигнала сводятся всего лишь к последовательности мгновенных значений напряжения,
которые необходимо увеличить по амплитуде в определенное число раз и подать на низкоомную
нагрузку.
Конденсаторы искажают проходящий через них сигнал, и этот эффект не может быть
обнаружен с помощью приборов, используемых для измерения коэффициента
нелинейных искажений.
Некоторые исследователи, опираясь на эксперименты по вычитанию импульсных сигналов при
прохождении их через конденсаторы двух разных типов, заявили, что наличие ненулевого
разностного сигнала якобы доказывает, что конденсаторы вызывают искажения звука. Однако, эти
эксперименты всего лишь демонстрируют хорошо известные недостатки реальных конденсаторов,
такие как потери в диэлектрике и наличие внутреннего сопротивления, а также, воз можно,
уязвимости пленки диэлектрика, используемого в конденсаторах, к изменению полярности
приложенного сигнала. Ни один из этих эффектов, тем не менее, не способен повлиять на качество
звучания правильно спроектированного усилителя.
Кабель, используемый в усилителях, якобы обладает односторонней проводимостью, то
есть передает сигнал в одном из направлений лучше, чем в другом.
Носителем звукового сигнала является переменный ток. Он распространяется по кабелю
одинаково, независимо от своего направления. Любой, кто способен поверить, что это не так, вряд
ли может спроектировать хоть какой’то УМЗЧ, так что дальнейшие аргументы по этому вопросы
излишни.
Ламповые усилители обеспечивают более качественное звучание, нежели
транзисторные.
Справедливости ради следует признать, что эффект «лампового звука» действительно существует.
Многие эксперты в самом деле предпочитают некоторую долю примеси второй гармоники сигнала,
которая характерна для ламповых усилителей из-за того, что последние обычно имеют небольшую
глубину отрицательной обратной связи и, следовательно, недостаточную линейность.
Но HiFi аппаратура по определению должна обеспечивать высокую верность
звуковоспроизведения, поэтому если требуется добавить к сигналу вторую гармонику, то это
должно управляться с помощью отдельной кнопки на передней панели усилителя.
Использование ламповых усилителей связано с целым комплексом дополнительных проблем: это
плохая линейность, низкая надежность, необходимость применения огромных трансформаторов с
железными сердечниками (что еще более ухудшает линейность усилителя в целом).
Недавнее достижение субъективизма – одноцокольные триоды с прямым накалом – весьма дороги.
Построенные на них усилители из-за асимметрии активного элемента имеют большой уровень
второй гармоники сигнала и, следовательно, высокое значение коэффициента нелинейных
искажений и требуют использования очень больших выходных трансформаторов, которые могли
бы выдержать высокое значение постоянной составляющей анодного тока и сердечник которых
при этом еще не входил бы в насыщение. В результате их выходная мощность ограничена
величиной 10 Вт, если не меньше.
В недавних (2004 г.) обзорах говорится, что общий коэффициент нелинейных искажений усилителя
Cary CAD’3000SEI достигает значения 3% при выходной мощности 9 Вт , и это при стоимости 3400
фунтов (в Англии)! К тому же еще требуется покупать отдельный предусилитель.
Качество источника питания оказывает влияние на работу усилителя, более тонкое, чем
обычное «плавание» звука.
В действительности все достаточно хорошие усилители слабо чувствительны к небольшим
колебаниям напряжения питания, особенно к этому устойчивы операционные усилители. Поэтому
рекомендации субъективистов, которые утверждают, что следует использовать позолоченные
провода большого сечения, рассчитанные на ток до 13 А, кажутся лишенными здравого смысла. К
тому же непонятно, где следует остановиться? Возможно, следует позолотить все провода, даже
используемые на подстанции?
Микрофонный эффект оказывает заметное влияние на качество звука, поэтому
требуется надежная виброизоляция аудиоаппаратуры.
Микрофонный эффект проявляется в ламповых предварительных усилителях; что касается
полупроводниковых УМЗЧ, то здесь его влияние вряд ли может быть заметно на слух, так как
уровень паразитных колебаний в этом случае много меньше уровня шума самого усилителя.
В литературе практически не упоминаются методы измерения микрофонного эффекта, поэтому
предлагаю повторить единственный известный мне эксперимент: возьмите микрофонный
предусилитель с коэффициентом усиления около +70 дБ и резко ударьте отверткой по входному
электролитическому конденсатору – вы услышите в динамике слабый шум, в котором преобладают
низкие частоты.
Из всех радиоэлементов только электролитические конденсаторы демонстрируют подобный эффект.
Но любые возможные вибрации аудиоаппаратуры производят намного меньшие искажения, чем
сильный удар отверткой по конденсатору.
Давайте на минуту представим, что какое-либо из вышеперечисленных утвер ждений
субъективистов является верным, и попробуем проанализировать вытекающие отсюда следствия.
Имеется эффект, который не могут обнаружить измерительные приборы, но который является
безусловно слышимым на слух.
Можно постулировать, что для каждого вида звуковых искажений имеется какое-либо характерное
изменение в рисунке флуктуаций давления, которое воспринимается ухом человека, и что
соответствующей модификации подвергнулся электрический сигнал, проходящий через усилитель.
Если это не так, то мы должны признать, что существует некий неизвестный нам канал передачи
информации, помимо предполагаемого в этом случае электрического сигнала, но в таком случае
мы приходим к потусторонним силам, не признаваемым современной наукой. К счастью, пока
никто из субъективистов и не пытался утверждать обратное. Следовательно, должны наблюдаться
эти самые отклонения в каких-либо параметрах электрического сигнала, проходящего через
усилитель, но эти изменения почему-то не обнаруживаются с помощью наших приборов.
Как такое возможно? Вероятно, существуют два способа объяснить этот феномен: первое
предположение заключается в том, что стандартные методики измерения не обеспечивают
достаточную чувствительность, чтобы зарегистрировать соответствующие отклонения параметров,
но тогда возникает вопрос, как человеческое ухо способно различить столь малые искажения
сигнала?
Второе (более популярное) объяснение утверждает, что стандартные методы измерения
коэффициента нелинейных искажений в принципе не могут адекватно отразить дефекты в
усиливаемом сигнале, которые проявляются только при воспроизведении музыки или человеческой
речи.
Эти «только музыкальные» виды искажений не могут быть также зафиксированы с помощью
многочастотного метода измерения интермодуляционных искажений, и даже с помощью
псевдослучайных сигналов в тесте Белчера. Но тест Белчера позволяет эффективно проверить
аудиотракт сразу во всем диапазоне усиливаемых частот, и труд но пред ста вить существование
каких-либо искажений, которые могли бы пройти совершенно незамеченными.
Самое очевидное свидетельство в пользу ошибочности субъективизма предоставляет нам
разностный тест. Он ясно показывает, что при вычитании сигналов на входе и выходе УМЗЧ не
остается ничего, что могло бы восприниматься человеческим ухом.
Разностный тест предложен Баксандаллом (Baxandall) в 1977 году. Точная подстройка верхней и
нижней частоты среза фильтра предотвращает малые изменения полосы пропускания, которые
могли бы заглушить имеющийся разностный сигнал. За прошедшие годы субъективисты даже не
пытались как-нибудь ответить на этот эксперимент.
Видный субъективист, присутствовавший на демонстрации этого эксперимента, был вынужден
заявить, что использованный при проведении опыта лабораторный набор переключателей
вызывает такие сильные искажения сигнала, что они затмевают любые искажения в тестируемом
усилителе, однако, это вряд ли можно считать серьезным аргументом.
Выводы.
Такое положение дел в аудиотехнике имеет весьма неприятные последствия.
Во-первых, поскольку отсутствуют строгие критерии, по которым можно судить о качестве
выпускаемой продукции, то страдают производители, так как теперь в конкурентной борьбе
выживает не тот, чья продукция лучше, а тот, кто выиграл в лотерее рекламных лозунгов. Так как
субъективные оценки не удовлетворяют принятому в науке и технике критерию повторяемости, то
коммерческий успех становится игрушкой в руках изменчивой моды. Это можно терпеть в
вопросах стиля одежды, но в деле производства Hi’Fi аппаратуры следует ожидать более
технического подхода.
Во-вторых, от претензий субъективистов страдают разработчики, так как никакая техническая
изобретательность и достижение хороших параметров качества не гарантируют более
благосклонных публикаций в печати, а весьма дорогие нововведения типа позолоченных проводов
приходится применять только как дань моде, даже если проектировщик убежден в полной
бесполезности таких новшеств.
В-третьих, раз игнорируются объективные значения параметров качества выпускаемой продукции,
то открывается дорога для производства плохой аудиоаппаратуры. В недавних обзорах упоминался
предусилитель Counterpoint SA7 стоимостью 795 фунтов, при этом имеющий запас по перегрузке
всего 12 дБ. Другой предусилитель (Burmester 838/846) при цене 2040 фунтов имел значение этого
же параметра, равное 15 дБ, а еще один (стоимостью 1550 фунтов) «хвастался» значением
коэффициента нелинейных искажений в 1% на частоте 1 кГц. Еще 10 лет назад такая устрашающая
нелинейность отпугнула бы покупателя! По цене 5700 фунтов можно приобрести моноблочный
усилитель, нелинейность которого снижена до 0,3% ( Audio Research M100’2). Но это, разумеется,
не означает, что нельзя купить аудиоаппаратуру с лучшим значением основных параметров
качества.
Например, всего за 725 фунтов можно приобрести предусилитель и выходной усилитель с запасом
по перегрузке 31 дБ и коэффициентом нелинейных искажений 0,003% на часто те 1 кГц (Audio lab
8000 C/S000P). Как видим, парадоксальность ситуации заключается в том, что самая дорогая
аппаратура имеет самое низкое качество, выраженное в объективном значении основных
технических характеристик. Я думаю, большинство людей, независимо от своей приверженности
или неприятия субъективизма, согласится с тем, что такое положение вещей можно назвать стран
ным.
Наконец, вызывает большие сомнения нравственная позиция так называемых экспертов, которые
внушают неспециалистам – потенциальным покупателям целесообразность покупки весьма
дорогостоящей техники с сомнительным качеством.
http://daishi-blog.ru/mify-o-zvuke-chast-vtoraya/

Метрология стандартизация и управление качеством

5.1. При анализе спектра видеосигнала типа “меандр” установлен его спектральный состав в полосе обзора 90 кГц:U(t)=Sin8000t + (1/3)Sin24000t + (1/5)Sin40000t + (1/7)Sin56000t + +(1/9)Sin72000t + (1/11)Sin88000t Вычислить коэффициент гармоник и определить период исследуемого сигнала.

5.2. Вычислить коэффициент гармоник сигнала, мгновенное значение напряжения которого изменяется по закону: U(t)=25Sinw t + 2Sin2w t + Sin3w t.

5.3. Определить показание измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром, если известно, что среднеквадратическое значение напряжения первой гармоники исследуемого сигнала равно 1.95 В, а показание прибора в режиме “калибровка” равно 2В.

5.4. На вход усилителя подают синусоидальный сигнал. Вычислить среднеквадратическое значение напряжения всех высших гармонических составляющих на выходе усилителя, если среднеквадратическое значение его выходного напряжения равно 15 В при коэффициенте нелинейных искажений выходного сигнала равном 5%.

5.5. Вычислить коэффициент нелинейных искажений усилителя, если известно, если при подаче на его вход синусоидального сигнала на выходе имеет место спектр, содержащий гармоники: основной частоты с пиковым значением 10 В, удвоенной частоты с пиковым значением 1В и утроенной частоты с пиковым значением 0,5 В.

5.6. Рассчитать коэффициент гармоник для треугольной последовательности импульсов (смотри рисунок):


5.7. Рассчитать коэффициент гармоник для последовательности прямоугольных импульсов (смотри рисунок).

5.8. При исследовании периодического сигнала избирательным указателем уровня получены следующие значения абсолютного уровня напряжения гармоник: р
1
(1кГц)= -10 дБ, р2(3 кГц)= -20 дБ, р3(5 кГц)= -30 дБ и р4(10 кГц)=- 40 дБ. Определить частоту исследуемого сигнала и показание измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром.

5.9. На вход усилителя подан гармонический сигнал с частотой 5кГц. Как показали измерения, выходной сигнал содержит следующие гармонические составляющие с частотой 5 кГц и пиковым значением 10 с частотой 10 кГц и пиковым значением 1В; с частотой 15 кГц и пиковым значением 0.5 В. Вычислить коэффициент гармоник усилителя.

5.10. Изобразить спектр амплитуд, рассчитать коэффициент гармоник и коэффициент нелинейных искажений для сигнала, мгновенное значение напряжения которого изменяется по закону U(t)=10Sinw t + 3Sin2w t + Sin3w t.

5.11. Известно, что среднеквадратические значения напряжений калибровки измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром и первой гармоники исследуемого сигнала равны соответственно 4,00 В и 3,90 В. Определить показание прибора в режиме “измерение” (после настройки прибора для снятия показания).

5.12. Изобразить спектр на выходе заграждающего фильтра измерителя нелинейных искажений в момент отсчета показаний при исследовании периодического сигнала с частотой 130 кГц, если он существенно отличается от гармонического.

5.13. Известно, что среднеквадратическое значение напряжения первой гармоники периодического сигнала равно 5 В. Определить среднеквадратическое значение напряжения высших гармонических составляющих сигнала, если коэффициент нелинейных искажений этого сигнала равен 1.5%.

5.14. Определить коэффициент гармоник и период исследуемого сигнала, временная функция которого имеет вид: U(t)=Sin7000t + (1/9)Sin21000t + (1/25)Sin35000t + (1/49)Sin49000t + (1/81)Sin56000t.

5.15. При исследовании спектра некоторого периодического сигнала с помощью селективного измерителя уровня были получены следующие абсолютные уровни напряжения гармоник: р

1= 5 дБ, р2= -2 дБ, р3= -10 дБ, р4= -20 дБ, р5= -30 дБ. Вычислить коэффициент гармоник исследуемого сигнала, а также коэффициент гармоник и затухание нелинейности по третьей гармонике.

5.16. Определить среднеквадратическое значение напряжения всех высших гармонических составляющих сигнала на выходе усилителя, если среднеквадратическое значение напряжения выходного сигнала равно 25 В, а коэффициент нелинейных искажений 15%.

5.17. Селективным микровольтметром В6-10 измерены абсолютные уровни напряжения гармоник соответствующих частот: р1(12кГц)=44дБ, р2(24кГц)=16дБ, р3(36кГц)=8дБ. Определить коэффициент нелинейности по второй гармонике, оценить погрешность измерения, записать результат измерения. Абсолютные уровени напряжения определены относительно напряжения Uо=1 мкВ.

5.18. При исследовании сигнала с периодом равным 8 мкс, измеритель нелинейных искажений С6-5 показал 6%, а селективный микровольтметр В6-10 показал 0,25 В на частоте 125 кГц. Определить среднеквадратическое значение напряжения высших гармонических составляющих сигнала.

5.19. Изобразить спектр сигнала на выходе заграждающего фильтра измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром в момент отсчета показаний при измерении сигнала, имеющего следующий спектральный состав (пиковое значение напряжения гармоники соответствующей частоты): 13 В , 8 кГц; 0,5 В , 16 кГц; 1,5 В , 24 кГц; 0,3 В , 32 кГц; 1,2 В, 40 кГц.

5.20. Спектрограмма сигнала имеет вид:


Определите напряжение, которое поступит на вольтметр измерителя нелинейных искажений с заграждающим фильтром в режиме «измерение » после настройки прибора для снятия показаний.

Приставки для измерения коэффициента нелинейных искажений — Кг

   В [1] была описана приставка для измерения коэффициента нелинейных искажений на двух транзисторах. Предлагаемые схемы являются ее развитием. Приставка предназначена для работы со стандартными ЗЧ-генераторами и осциллографами. Желательно, чтобы выходное напряжение генератора было около 10 В (например, ГЗ-35 или ГЗ-102), что упрощает необходимые математические вычисления.

   Принцип действия приставок, основанный на безфильтровой селекции гармонической составляющей сигнала, разработан И.Т. Акулиничевым [2]. Схема, приведенная на рис.1, является, по существу, инвертирующим суммирующим усилителем. Ее можно использовать для измерения Кг мощного низкочастотного усилителя в случаях, когда он инвертирует сигнал и обладает следующими примерными параметрами:

  • входная чувствительность, В-0,75;
  • коэффициент усиления по напряжению, дБ-26;
  • номинальная выходная мощность, Вт-50;
  • сопротивление нагрузки, Ом-4.

Рис.1. Принципиальная схема измерителя Кг мощного инвертрующего НЧ-усилителя

   Предполагается, что выходы генератора и УМЗЧ имеют нулевой потенциал по постоянному току. Если это условие не выполняется, приставка подключается к выходу генератора и УМЗЧ через разделительный конденсатор с подходящей емкостью (обеспечивающей пропускание требуемой полосы частот).

   Порядок работы с устройством следующий. Включается питание УМЗЧ и операционного усилителя ИС1 приставки. На вход ХР1 от генератора ЗЧ подается сигнал с размахом 20 В, что соответствует примерно 7,5 В эффективного значения по шкале генератора. С выхода XS1 приставки на вход усилителя мощности подается сигнал с эффективным значением 0,75 В. Выходной сигнал УМЗЧ подается на вход ХР2 приставки, а осциллограф подключается к выходу XS2.

   Регулировкой RP2 и RP3 нужно получить минимальный сигнал на выходе ИС1. Затем производится подстройка фазы суммарного сигнала с помощью С1 по минимальному выходному сигналу ИС1. Эту процедуру нужно повторить несколько раз, т.е., регулируя RP3 и С1, добиться минимально возможного сигнала. В результате, при точной настройке амплитуда сигнала на выходе XS2 будет равна амплитуде гармоник.

   Конечно, точно определить коэффициент нелинейных искажений (гармоник) Кг можно только путем снятия спектра гармоник посредством низкочастотного спектроанализатора. Однако с достаточной для практики точностью Кг можно считать равным отношению амплитуды сигнала на экране осциллографа к амплитуде выходного напряжения испытываемого усилителя. Вычисление Кг производится следующим образом:- размах выходного напряжения (от пика до пика) Uвых.p испытываемого усилителя определяется по формуле

   где Uвх — эффективное значение входного напряжения испытываемого усилителя; Кu — коэффициент передачи усилителя.

   Для простоты расчетов выходное напряжение УМЗЧ можно установить Uвых.р = 40 В, регулируя входной сигнал с помощью RP1. Если цена деления вертикальной шкалы осциллографа составляет 0,01 В, и получен сигнал гармоник ±1 деление (соответствующее величине 0,02 В), то выраженный в процентах коэффициент Кг будет равен 0,05%. В некоторых осциллографах, например, С1-49, С1-73, основное деление шкалы подразделяется еще на 5 частей. Следовательно, можно будет определить минимальный Кг порядка 0,01%. Если необходима еще более высокая чувствительность, резистор R5 сопротивлением 20 кОм нужно заменить на резистор 200 кОм, т. е. увеличить коэффициент усиления ИС1 еще в 10 раз, а минимальный измеряемый Кг будет 0,001%. Большие значения Кг измеряются переключением осциллографа на больший диапазон.

   Приставку можно упростить, если не ставить целью измерение таких малых значений Кг. ИС1 служит исключительно для увеличения чувствительности рассмотренного устройства. Методика измерения остается прежней, но вход осциллографа включается в точку соединения резисторов R3 и R4. Тогда минимальное деление шкалы для Кг станет равным 0,15%, а самое малое измеряемое значение Кг может составить 0,03%.

   Для определения Кг мощных неинвертирующих усилителей рассмотренная схема трансформируется в схему, приведенную на рис.2. В ней параметры приставки аналогичны рассмотренной. Методика измерений остается прежней.

Рис.2. Принципиальная схема измерителя Кг мощного неинвертрующего НЧ-усилителя

   В обеих приставках использованы операционные усилители типа А741С. Подходят и другие ИМС, например, 1УО741С, МАА741С, К140УД7 или TL081 (TL071, TL061). Наиболее удобно использовать объединенную схему, установив дополнительный переключатель. Можно также менять чувствительность приставки, коммутируя R5.

Источники

  1. Костов Д., Имануэл И. Приставка для измерения коэффициента нелинейных искажений. — Радиомир, 2002, N1, С.ЗЗ.
  2. Акулиничев И. Векторный индикатор нелинейных искажений. — Радио, 1977, N6, С.42.

Классы усилителей мощности — audioGO

Первая попытка классификации усилителей мощности можно найти здесь.

А и Б сидели на трубе
А упало, Б пропало
Что осталось на трубе?
(D… H… T…)

Автомобильная аудиосистема при всем своем отличии от домашней состоит из тех же самых компонентов. Разница только в упаковке. Помимо источника сигнала (тюнера, магнитофона, CD- или MD-проигрывателя) в составе любой аудиосистемы обязательно присутствует усилитель – малозаметный, но очень важный компонент. Эта статья – не учебник и не справочник, поэтому материал упрощен, без лишних формул. Хотя изложение ведется применительно к автомобильным усилителям, материал не ограничивается этими рамками…


Основная проблема при создании автомобильной аудиосистемы состоит в оптимальном согласовании всех компонентов по характеристикам (уровням сигналов, мощности, чувствительности и т.д.). В одних случаях владельцу автомобильной аудиосистемы достаточно встроенного усилителя головного аппарата, в других случаях необходимо использовать дополнительный усилитель – конкретное решение зависит от поставленной задачи. Конечно, в каждом случае решение требуется свое, но производители автомобильной техники придерживаются определенных стандартов и стыковка компонентов обычно не вызывает проблем. При использовании головного аппарата в &quotгордом одиночестве&quot (конечно, совместно с качественными динамиками) проблем обычно не возникает, но иногда они могут возникнуть при создании системы из нескольких компонентов.


;Усилители мощности (оконечные усилители) предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, чтобы они могли возбуждать громкоговорители. Принцип работы усилителя состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность постоянного тока в переменный ток в нагрузке, причем форма сигнала на выходе полностью повторяет сигнал на входе. При этом усилитель должен обеспечить минимальные искажения сигнала и высокий КПД. Если в домашних аудиосистемах решение этих задач представляет определенные сложности, то в автомобильных выливается в проблемы буквально вселенского масштаба.

Характеристики усилителей.
Основные определения.
Мостовое включение.

;Теперь настало время поговорить о характеристиках усилителей. И, хотя взаимосвязь между объективно измеренными параметрами и субъективно воспринимаемым звучанием заметна мало, на сегодняшний день другого способа &quotзаочной&quot оценки и сравнения усилителей пока не придумано. Следующий этап – сопоставительное прослушивание, и тут возникает парадокс – звучание усилителя с худшими показателями нередко оказывается более приятным. Чуть позже мы вернемся к этой теме.


Выходной каскад усилителя мощности служит усилителем тока и согласует предварительные каскады с низкоомной нагрузкой. Основные характеристики выходного каскада – его выходная мощность, мощность рассеяния, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия (КПД). КПД показывает эффективность работы усилителя (какая часть потребляемой выходным каскадом мощности передается в нагрузку). Мощность рассеяния – это мощность потерь в выходном каскаде, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Величина мощности рассеяния и КПД зависят от класса работы усилителя (об этом далее) и уровня сигнала. Эти показатели связаны следующими соотношениями:

потребляемая мощность = выходная мощность + мощность рассеяния
КПД = (выходная мощность / потребляемая мощность) * 100%
  • Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, полоса усиливаемых частот) показывает способность усилителя усиливать различные частоты спектра. Обычно указывается диапазон частот, в котором отклонение коэффициента передачи усилителя от коэффициента передачи на частоте 1кГц не превосходит некоторых пределов (обычно +- 0,5…1дБ). Для современных усилителей полоса пропускания простирается от нескольких герц до десятков и сотен килогерц и, во всяком случае, не должна быть уже 20 Гц…20 кГц. Исключение составляют специализированные усилители. Так, для усилителей сабвуферов характерна полоса 10…500 Гц.
  • Амплитудная характеристика показывает зависимость коэффициента усиления от входного напряжения. При прохождении сигнала через нелинейный усилительный тракт появляются составляющие с частотами, кратными основной (гармоники), а в случае нескольких сигналов – комбинационные составляющие на частотах, кратных сумме или разности составляющих частот и их гармоник. Амплитудную характеристику усилителя характеризует коэффициент нелинейных (гармонических) искажений и коэффициент интермодуляционных искажений. Эти параметры показывают мощность продуктов искажений относительно мощности основного сигнала в процентах. Заметность искажений определяется спектральным составом продуктов искажений: четные гармоники более заметны на слух, но не так неприятны, как нечетные. Мнения относительно допустимой величины этих искажений расходятся, ясно только одно – заметность интермодуляционных искажений на порядок выше, чем гармонических. Во всяком случае, коэффициент интермодуляционных искажений усилителя не должен быть больше 0,1-0,2%..
  • Номинальная или непрерывная выходная мощность (Continuous Power Output) – выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с определенным коэффициентом нелинейных искажений (от 0.1% до 1% в зависимости от принятого стандарта) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). Измеряется на синусоидальном сигнале на активной нагрузке. Определяет зону качественного звучания. Кроме того, усилитель должен без проблем выдерживать указанную мощность в течение длительного периода (в частности, не перегреваться).
  • Максимальная выходная мощность (MPO, Max. Power Output) – выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с повышенным коэффициентом нелинейных искажений (обычно 10%) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). В зависимости от конструкции выходного каскада усилителя может превышать номинальную в 1,5 – 2,5 раза. Определяет &quotгромкость&quot усилителя, но говорить о музыкальности при таких искажениях бессмысленно.
  • Пиковая или музыкальная выходная мощность (PMPO, Peak Music Power Output) – мощность, измеренная на импульсном сигнале на комплексной нагрузке. Понятие весьма спорное с точки зрения музыки, но достаточно точно характеризующее способность усилителя без искажений передавать реальные звуковые сигналы. Большая часть этой мощности имеет реактивный характер, поэтому оценивать &quotгромкость&quot усилителя по этой характеристике не стоит.
  • Коэффициент демпфирования (Damping Factor) – отношение сопротивления нагрузки (обычно 4 Ом) к выходному сопротивлению усилителя. Показатель достаточно спорный. Определяет эффективность электрического демпфирования резонанса подвижной системы низкочастотных динамиков и с этой точки зрения должен быть не менее 20-30 (у ряда моделей дистигает сотен и даже тысяч). С другой стороны, для отдельных полосовых усилителей средних и высоких частот снижение коэффициента демпфирования значительно снижает уровень интермодуляционных искажений в динамиках. Однако эта характеристика позволяет косвенно оценить способность усилителя отдавать в нагрузку большой ток.

;Минимальная спецификация любого усилителя (не только автомобильного) должна включать номинальную и максимальную мощности и коэффициент гармоник, для полноты картины полезно знать и коэффициент интермодуляционных искажений. В последнее время наряду с этими параметрами иногда используется и спектр искажений.

пример спецификации
номинальная мощность
при К.Н.И.0.1%
20W/ch at 0.1%THD20 Вт/канал
максимальная мощность
при К.Н.И.10.0%
35W/ch at 10.0%THD35 Вт/канал


Максимальную выходную мощность можно реализовать в том случае, когда размах напряжения сигнала становится равным напряжению питания. На практике это невозможно, так как свойственное транзисторам напряжение насыщения (~0,5…1,5 В для биполярных и ~2…5 В для большинства полевых в линейном режиме) не позволяет доводить напряжение сигнала до напряжения питания. Это особенно актуально при низких напряжениях питания, т.е. при использовании встроенных усилителей головных аппаратов. По этой причине они до недавнего времени выполнялись только на биполярных транзисторах. Полевые транзисторы, сохраняющие высокую линейность при низких напряжениях, появились относительно недавно.


Дополнительные усилители имеют встроенные преобразователи напряжения, обеспечивающие напряжение питания выходного каскада несколько десятков вольт и для них это обстоятельство не так существенно. Поэтому выходные каскады дополнительных усилителей часто выполняются на полевых транзисторах – качество звучания у них заметно выше, чем у биполярных, а сами усилители проще и надежнее. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева – с увеличением температуры кристалла ток транзистора уменьшается.


Наиболее простой способ увеличить выходную мощность при неизменном напряжении питания – снизить сопротивление нагрузки. Однако у этого способа есть недостатки:

  • Ухудшение демпфирования может привести к росту резонансного горба на АЧХ
  • Увеличение тока нагрузки может привести к росту искажений
  • Усиливается влияние соединительных проводов между усилителем и динамиком


Другой способ увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания – включить его по мостовой схеме (рис.1.). Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.


Наряду с достоинством – большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь – повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно – выходные сопротивления усилителей сложились.


Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.

Что скрывается за выходной мощностью.
Импеданс громкоговорителей.
Компенсатор Цобеля-Буше.
Стандартный эквивалент нагрузки.

Многие производители указывают для усилителя колоссальную мощность: 100, 200 и более ватт на канал. При этом необходимо иметь в виду, что это PMPO (пиковая мощность), для реализации которой необходимо, как минимум, использовать в блоке питания батарею конденсаторов большой емкости (из расчета ~1000 мкФ на каждый ватт максимальной выходной мощности). Как уже указывалось, оценить громкость звучания по этой характеристике невозможно. Мощность дополнительных усилителей ограничивается, главным образом, возможностями источника питания (способностью отдавать большой ток без снижения выходного напряжения). Мощность усилителей головных аппаратов ограничивается напряжением питания и с учетом потерь на выходных транзисторах не превышает указанных в таблице значений.

Реально достижимая номинальная (максимальная) выходная мощность головного аппарата при напряжении питания 14.4 В
выходная мощностьобычная схемамостовая схема
на нагрузке 4 Ом4.5 (8) Вт15 (24) Вт
на нагрузке 2 Ом8 (15) Вт25 (45) Вт*
* в головных аппаратах используется редко
Помните, что использование акустики с импедансом меньше рекомендованного может вывести усилитель из строя, с большим – не принесет вреда, но выходная мощность пропорционально снизится.


Усилители мощности современных головных аппаратов выполняются исключительно на микросхемах, дополнительные усилители – как правило, на дискретных компонентах, хотя встречаются исключения из этого правила. В головных аппаратах подразумевается использование акустики с импедансом 4 Ом, но некоторые модели в состоянии работать на нагрузку 2 Ом (это оговаривается особо). Впрочем, подобные исключения достаточно редки. С другой стороны, для современных дополнительных усилителей нагрузка 2 Ом или даже 1 Ом – обычное явление.


С мощностью наконец разобрались. Но тут есть прямо-таки фарисейская уловка. Дело в том, что номинальная и максимальная выходная мощность усилителя измеряется на активной нагрузке при подаче на вход синусоидального сигнала. В действительности же усилители работают на комплексную нагрузку, обладающую помимо активного сопротивления и емкостью, и индуктивностью. Да и в реальном музыкальном сигнале трудно найти что-нибудь, хотя бы отдаленно напоминающее синусоиду. Чтобы оценить взаимодействие усилителя и нагрузки, необходимо учитывать зависимость импеданса нагрузки от частоты.


Импеданс (полное электрическое сопротивление) громкоговорителей имеет максимумы и минимумы. В области средних частот он имеет минимум, равный примерно половине активного сопротивления звуковой катушки динамика, и максимум вблизи частоты резонанса подвижной системы. Импеданс в зоне резонанса превышает номинальный в несколько раз. Увеличивается он и с ростом частоты – сказывается индуктивность обмотки звуковой катушки.


Для компенсации индуктивной составляющей импеданса применяется компенсатор Цобеля-Буше. Он представляет собой последовательную RC-цепь, подключаемую параллельно динамику. В результате импеданс нагрузки становится практически активным и не зависящим от частоты. Емкость конденсатора определяется индуктивностью звуковой катушки динамика и в большинстве случаев составляет ~10-20 мкФ. Особенно оправдано включение компенсатора в состав пассивных разделительных фильтров – стабилизация нагрузки фильтра улучшает его частотную характеристику.


При воспроизведении реальных музыкальных сигналов, имеющих импульсный характер, за счет влияния нагрузки возникают значительные скачки тока и напряжения, приводящие к перегрузке выходного каскада усилителя. За счет реактивных токов в цепи нагрузки мощность рассеяния в выходном каскаде может многократно превышать мощность, потребляемую усилителем от источника питания. Емкость создает бросок тока, а индуктивность – выброс напряжения при резком изменении сигнала. Для испытаний усилителей в условиях, приближенных к реальным применяется стандартный эквивалент нагрузки. Схема в основном имитирует резонанс низкочастотных динамиков.

Работа усилителя на комплексную нагрузку.
Основные требования к усилителям мощности.

Особенно сложной и трудно предсказуемой становится работа усилителя на многополосные акустические системы, снабженные сложными пассивными разделительными фильтрами (кроссоверами). Их импеданс достаточно сильно изменяется в рабочем диапазоне частот. Нагрузка на выходной каскад усилителя в этом случае значительно возрастает. Например, при выходной мощности усилителя 100 Вт и нагрузке 8 Ом ток сигнала на выходе составляет 5 А при активной нагрузке и 28 А при комплексной нагрузке, что почти в шесть раз больше. Поэтому ясно, что усилитель должен быть в состоянии отдать в нагрузку значительный ток без искажений формы сигнала и вредных для себя последствий. По той же причине сильное влияние на звучание системы оказывают соединительные провода между усилителем и динамиками – именно по ним циркулируют реактивные токи. Если сечение провода недостаточно, значительная часть мощности усилителя будет теряться в проводах. Поэтому выбор проводов – достаточно серьезный вопрос.

    Основные требования к усилителям мощности и их установке можно кратко сформулировать следующим образом:
  • Выходные каскады должны обладать большой перегрузочной способностью по току. Это позволит без искажений воспроизвести пики сигнала.
  • В схеме усилителя должны быть предусмотрены средства защиты выхода от перегрузок по току (автоматические предохранители), а также защита АС при выходе усилителя из строя. Для автомобильных усилителей необходимы устройства защиты от перегрева.
  • Желательно обеспечить возможно более высокий КПД – это снизит нагрузку на аккумулятор и генератор и нагрев усилителя.
  • Крайне желательно использование сглаживающих конденсаторов большой емкости, установленных в непосредственной близости от усилителя. Конденсатор играет роль фильтра и дополнительного источника питания на пиках мощности. Емкость конденсатора выбирается из соотношения ~1000мкФ на каждый ватт мощности усилителя.
  • Монтаж цепей питания и, особенно, выходных цепей должен быть выполнен проводами правильно подобранного сечения. Чем больше потребляемый ток и длина провода, тем больше должно быть его сечение.
  • Обеспечение требований помехозащищенности. Это требование относится уже к входящему в состав автомобильных усилителей высокочастотному преобразователю напряжения питания, который фактически представляет собой достаточно мощный передатчик.
Сравнительные характеристики.

Как уже говорилось, усилитель мощности должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала. Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах. Однотактные усилители типа Pass Zen – экзотика, в автомобиле мало применимая. Полевые транзисторы используются при высоких напряжениях питания и сами по себе вносят малые искажения в сигнал, но КПД усилителя несколько ниже, чем при использовании биполярных транзисторов. Зато у биполярных искажения больше – как всегда, палка о двух концах.


Существует три основных режима работы выходного каскада &quotзвукового&quot усилителя – A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.

класс усилителяABAB
КПДmax.50%max.78%max.60-75%
Искажениямалыевысокиесредние
потребляемая мощностьпостояннаязависит от выходнойзависит от выходной
термостабильностьнизкаявысокаясредняя
  • В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала – и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.
  • В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов – каждый из них усиливает свою &quotполовинку&quot сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства – при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.
  • Режим AB – попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность – удовлетворительная.


Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B. Подробно об этом далее.

Другие классы усилителей
(A+, SuperA, G, DLD, H)

За все надо платить. Плата за малые искажения &quotчистого&quot класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами. Стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал превращается в скромный электрокамин мощностью 400 Вт, который чем тише звучит, тем больше греется. В квартире камин не помеха, но в машине нужен только зимой. А экономичные усилители класса B явно проигрывают по качеству звучания и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках &quotзолотой середины&quot между экономичностью и качеством звучания. Замкнутый круг.

Выход был найден достаточно неожиданный – совместить два усилителя в одном так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По качеству звучания они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности – к AB. Цена такого достижения немалая – усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).


Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от &quotплавающего&quot (не связанного с &quotземлей&quot) источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка &quotплавающего&quot источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от &quotнормального&quot источника достаточно высокого напряжения (несколько десятков вольт). За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.


Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение – нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.


Не думайте, что разнообразие классов усилителей на этом закончилось. Битва за КПД привела к рождению монстров с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант – усилитель класса G. В нем используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности (до 25-30% максимальной) работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжением питания. Экономичность каскада выше, чем в режиме В, искажения несколько меньше.


Дальнейшим развитием этой схемы стал каскад с динамическим линейным возбуждением (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип его работы практически такой же, но для снижения переходных искажений мощный высоковольтный каскад вступает в работу до того, как исчерпает свои возможности маломощный. Для реализации этого режима используется специальная схема управления. Применялись также усилители с управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала.


Сущность режима G в том, что два каскада работают при разных напряжениях питания. Пока амплитуда входного сигнала не превышает напряжение питания малосигнального каскада T1T1′, в работе участвует только он. Диоды D1D1′ защищают от пробоя обратным напряжением переход база-эмиттер транзисторов T2T2′. При дальнейшем росте входного напряжения они отпираются. При этом диоды D3D3′ защищают источник низковольтного питания от броска тока. Диоды D2D2′ запрещают транзисторам T1T1′ перейти в состояние насыщения раньше, чем откроются транзисторы T2T2′, что снижает возникающие при этом процессе переходные искажения. В этой схеме они возникают на фоне достаточно больших полезных сигналов, что позволяет эффективно бороться с ними при помощи отрицательной обратной связи.


Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались в домашних аудиосистемах редко. В автомобильных усилителях эти решения как-то не прижились – тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Теперь особые надежды возлагаются на импульсные (&quotцифровые&quot) усилители, о которых пойдет речь далее.


Но есть один класс усилителей, рожденный специально для автомобилей. Это класс H. Толчком для разработки этих усилителей послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка – применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения – накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала.


К сожалению, радоваться рано. Производители аппаратуры сообщают только эти цифры, умалчивая о главном. Максимальная мощность усилителей класса H зависит от емкости накопительных конденсаторов и частоты сигнала. Чем меньше емкость конденсаторов, тем меньше запас мощности на низких частотах, то есть как раз там, где она особенно нужна. Совершенно очевидно, что упрятать батарею конденсаторов внушительной емкости внутрь стандартного корпуса DIN практически невозможно, поэтому заявленная производителями мощность обеспечивается лишь на средних и высших частотах.


В качестве итога – сравнительные характеристики усилителей различных типов:

Цифровые усилители.

Строго говоря, правильно было бы называть их импульсными усилителями, но параллели &quotаналоговый-цифровой&quot уже сработали, и термин принят de facto, хотя и не признан официально.


В конце концов под натиском цифровой техники стали отступать даже усилители, традиционно работавшие только с аналоговыми сигналами. Идея, положенная в основу усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) – иначе говоря, усилителей класса D, известна еще с конца 50-х годов. Однако создание действительно пригодных для высококачественного звуковоспроизведения конструкций стало возможным лишь в середине 80-х после появления соответствующей элементной базы.


В усилителях класса D возможен режим непосредственного усиления цифровых сигналов без их преобразования в аналоговую форму. Когда аудиосигнал уже представлен в цифровом виде, информацию о величине сигнала и необходимом для его усиления напряжении питания можно получить заранее. Это используется в некоторых конструкциях, так что идея управления напряжением питания получила вторую жизнь.


Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Фильтр НЧ на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей доходит до фантастической цифры 92-95%. Это преимущество особенно проявляется при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.


Усилители класса D, подобно их аналоговым собратьям, тоже разделяются на классы. Основное разделение идет по количеству уровней выходных импульсов:

  • два уровня (+U и – U) – режим AD
  • три уровня (+U, 0 и -U) – режим BD


Усилители в режиме AD подобны аналоговым усилителям класса A – потребляют значительный ток покоя. В режиме BD ток покоя отсутствует. Что же касается искажений, то они при прочих равных условиях зависят от способа модуляции и вида модулирующего сигнала.

  • односторонняя модуляция: смещается во времени только один фронт импульсов (передний или задний)
  • двухсторонняя модуляция: смещаются во времени оба фронта импульсов симметрично относительно момента тактирования
    Модулирующие сигналы могут быть двух видов
  • непосредственно аналоговый сигнал (случайная дискретизация). Дополнительные искажения не возникают.
  • сигнал после схемы выборки-хранения (фиксированная дискретизация). Изменения формы импульсов приводят к дополнительным нелинейным искажениям сигнала.


В случае цифровых входных сигналов (от CD-проигрывателей, MD-магнитофонов, систем цифрового вещания, которых у нас пока нет) в работу вступает цифро-цифровой преобразователь &quotкод – длительность&quot. Такое преобразование выполняется путем многократной передискретизации и перехода от 16 разрядов к одному (BitStream). Полученный на его выходе сигнал подается на вход усилителя мощности, и далее – на фильтр НЧ. Возможно применение цифровой обратной связи.


В случае аналоговых входных сигналов преобразование амплитуды сигнала в длительность импульса происходит в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ). Скважность (отношение длительности импульсов к периоду следования) пропорциональна амплитуде полезных сигналов. Входной сигнал сравнивается компаратором с опорным сигналом пилообразной (при односторонней модуляции) или треугольной формы (при двусторонней модуляции). Кроме того, двухсторонняя ШИМ может быть реализована при симметричном смещении фронтов относительно одного периода дискретизации (один отсчет) или по двум периодам (два отсчета), что позволяет вдвое снизить эффективную тактовую частоту. Частота опорного сигнала (частота дискретизации) должна, согласно теории, превышать максимальную частоту сигнала не менее, чем в 2 раза. Практически для облегчения фильтрации и снижения искажений частота дискретизации выбирается не ниже 500 килогерц, а в последних моделях измеряется уже многими мегагерцами. Сигнал на выходе компаратора имеет форму прямоугольных импульсов с частотой дискретизации, ширина которых пропорциональна мгновенным значениям входного сигнала. Для снижения искажений в усилителях с аналоговым входом обычно применяется отрицательная обратная связь по звуковому сигналу.

    В целом выводы таковы:
  • В режиме AD искажения меньше, чем в режиме BD.
  • В режиме AD КПД хуже, чем в BD.
  • Двухсторонняя модуляция лучше односторонней, поскольку при этом отсутствуют четные гармоники.
  • Повышение частоты дискретизации уменьшает нелинейные искажения.


Помимо усилителей класса D к группе цифровых относится и новая разработка фирмы Tripath Technology – усилители класса T. Алгоритм их работы аналогичен, но частота дискретизации не постоянна, а зависит от частоты и уровня входных сигналов. Поскольку изменяется как частота, так и период следования выходных импульсов, можно предположить, что используется одна из разновидностей дельта-модуляции.


Можно сказать: Да здг’авствуют цифг’овые усилители – за ними будущее !!!.

Автор: А.И.Шихатов 2002

Источник: “Мастер 12вольт” №39 (февраль-март 2002)

Отдельный и подробный разбор цифровых усилителей мощности класса Т

Особенности проектирования усилителей с малыми искажениями

Классификация способов снижения нелинейных искажений

Существуют много способов уменьшить искажения и сделать их уровень приемлемым. Для упрощения, будем рассматривать искажения, вызываемые каждым отдельным каскадом, перед обсуждением многокаскадной схемы.

Ниже будут рассмотрены практически все основные способы снижения нелинейных искажений:

• подбор рабочей точки по переменному току;

• подбор рабочей точки по постоянному току;

• уменьшение искажений ограничением определенного параметра;

• уменьшение искажений подавлением определенных составляющих;

• оптимизация схем смещения по постоянному току;

• подбор определенных электронных ламп;

• сопряжение отдельных каскадов со последующими.

Влияние рабочей точки по переменному току

Теоретически триоды генерируют нелинейные продукты преимущественно на 2-й гармонике. Это очень важное преимущество. Будет показано, что в двухтактных усилителях мощности, четные гармоники практически полностью компенсируются, что существенно снижает искажения.

Для проверки усилителей на триодах на предмет нелинейных искажений, рассмотрим усилитель с общим катодом, с лампой типа 417/5842 (рис. 4.5).

Рис. 4.5 Схема проверяемого усилителя с общим катодом

Были опробованы двадцать две лампы типа 417/5842 при уровне выходного сигнала + 18 дБ (6,16 В действующего значения), эти результаты были усреднены и представлены в таблице 4.3:

Таблица 4.3
ГармоникаУровень
1-я (основная)0 дБ
2-я-41 ДБ
3-я-100 дБ
4-я-95 дБ

Среди нелинейных продуктов, генерируемых лампами типа 417/5842 явно преобладает 2-я гармоника. Данный типа лампы 417А/5842 является хорошим примером. Даже самый плохой экземпляр электронной лампы данного типа, генерирует искажения на 2-й гармонике, с уровнем на 20 дБ больше, чем на других высших гармониках. Это весьма полезное обстоятельство позволяет использовать нижеследующую формулу, для расчета коэффициента нелинейных искажений, пользуясь данными, полученными при построении графика нагрузочных линий:

В первом приближении, передаточной характеристики триода — это простая степенная функция вида I ≈ V gk3/2(так называемый «закон трех вторых»). Эта кривая хоть и не является линейной, но и не содержит нелинейностей высших порядков, а кроме того является достаточно гладкой, что должно обуславливать невысокий уровень нелинейных искажений. Эта гипотеза была проверена на схеме μповторителя с лампой 7N7/D3a(pnc.4.6).

Для того, чтобы эта проверяемая схема не показала ложно хороший результат при появлении сеточного тока, она возбуждается от источника с сопротивлением 64 кОм, имитируя таким образом копируя реальные условия работы в составе усилителя. Верхний предел измерений был установлен на момент появления сеточного тока при выходном сигнале +34 дБ (СКГ + Ш = —43 дБ).

Нижний предел измерений был установлен способностью аналогового анализатора фиксировать искажения формы слабого сигнала, которая начинает ухудшаться при выходном сигнале +14 дБ (СКГ + Ш = —63,5 дБ). Между этими пределами уровень выходного сигнала изменялся с шагом 1 дБ. Был построен график СКГ + Ш в зависимости от уровня выходного сигнала (рис. 4.7).

График ясно показывает, что значение СКГ + Ш (суммарное значение коэффициента нелинейных искажений плюс шум) прямо пропорционально уровню выходного сигнала. Таким образом, измеренный уровень искажений 1 % при 15 В действующего значения напряжения предполагает искажения 0,1 % при 1,5 В действующего значения. Это обстоятельство крайне полезно, если необходимо оценить искажения триода, при работе со слабыми сигналами — например, как в случае каскада с частотной коррекцией Американской Ассоциации звукозаписи (RIAA), используемый для согласования усилителя с проигрывателем виниловых грампластинок.

Рис. 4.6 Схема проверки линейности μ-повторителя

Рис. 4.7 График искажений в зависимости от уровня сигнала проверяемой схемы μ-повторителя

Предположение, что искажения каскада усиления на триоде порождают преимущественно 2-ю гармонику и пропорциональны уровню сигнала, справедливо для всех триодов при использовании с реальными резистивными анодными нагрузками. Влияние активной нагрузки (RH = > ∞) подавляет 2-ю гармонику, но мало меняет уровень высших гармоники. После подавления 2-й гармоники, влияние высших гармоник становиться более существенным, вызывая у некоторых триодов искажения, которые не пропорциональны уровню. При использовании активной нагрузки может потребоваться проверка — остаются ли искажения электронной лампы конкретного типа пропорциональны уровню сигнала.

Влияние рабочей точки по постоянному току

Зависимости уровней искажений от изменений напряжений анодного питания будут исследованы позднее. От величины анодного высоковольтного напряжения сильно зависят малосигнальные параметры статических характеристик лампы, такие как статический внутренний коэффициент усиления р, статическое внутренне сопротивление гаи крутизна gm, которые обычно предполагаются неизменяемыми. Таким образом, пока не нужно максимизировать размах напряжения, выбор рабочей точки целесообразно осуществлять только подбором напряжения смещения по критерию отсутствия сеточного тока и отсечке анодного тока. Проблемы отсечки очевидны: высококачественный усилитель должен работать без отсечки анодного тока во всем диапазоне изменения усиливаемого аудиосигнала, то есть в режиме класса. Сеточный ток вызывает намного больше проблем, поскольку может появляться только при больших амплитудах усиливаемого сигнала, создавая нелинейную нагрузку предыдущему каскаду усиления. Разумеется, для снижения нелинейных искажений, всегда нужно стремиться к полному отсутствию сеточного тока во всем диапазоне изменения входного сигнала.

Искажения из-за сеточного тока

Когда напряжение между сеткой и катодом (обычно отрицательное) приближается к 0 В, начинает идти сеточный ток, и входное сопротивление электронной лампы значительно снижается. Если лампа имеет практически нулевое выходное сопротивление rвых = 0, проблемы не будет, но в жизни она как правило наоборот, имеет значительное выходное сопротивление. Образующийся делитель напряжения, моментально сформирует в моменты существования сеточного тока, положительные пики сигнала, и ограничивает входной сигнал. Симметричная отсечка сверху, порождает рост нечетных гармоник, но поскольку сеточный ток часто отсекается ассиметрично, поэтому можно ожидать также и рост четных гармоник.

Искажения, вызванные сеточным током, являются очень вредными, потому что они порождают гармоники высокого порядка. Экспериментальные кривые, представленные на рис. 4.8, были получены при работе с сеточным током нижней рассмотренного выше лампы (μ-повторителя при сопротивлении источника сигнала 47 кОм. При измерении уровень входного сигнала увеличивался до тех пор, пока искажения формы выходного сигнала на становились отчетливо заметны на экране аналогового осциллографа. Измеренное значение СКГ + Ш было 2%, и остаточный сигнал искажения (то есть выходной сигнал, с подавленной первой гармоникой) имел очень характерную форму волны (рис. 4.8).

Рис. 4.8 Верхняя кривая: характерная форма сигнала искажения, вызванного сеточным током. Нижняя кривая: мягкая отсечка (уплощение снизу), вызванная сеточным током

На рис. 4.9 представлен спектр остаточного сигнала искажений. Из рисунка четко видно, что он богат, как четными, так и нечетными гармониками.

Рис. 4.9 Спектр искажений, возникающих при наличии сеточного тока, при синусоидальном сигнале / кГц. Масштаб по вертикали: 10 дБ/дел. Масштаб по горизонтали: 2,5 кГц/дел. (0—25 кГц)

Хотя сеточный ток существует только при положительном напряжении на сетке относительно катода, реальные электронные лампы начинают проводить сеточный ток при немного более отрицательных напряжениях на сетке из-за эффекта термопары в соединении между различными нагреваемыми металлами в лампе и электронным облаком над поверхностью катода. У маломощных приемо-усилительных ламп обычно, сеточный ток появляется при напряжении между сеткой и катодом ≈ — 1 В, при этом всегда нужно помнить, что это напряжение складывается, как из напряжения смещения Vgk, так и из амплитуды входного сигнала.

Искажения из-за сеточного тока и регулировки громкости

Поскольку, регулировка громкости как правило осуществляется путем изменения напряжения сигнала, подводимого к сеточной цепи, то она также может играть определенную роль в возникновении сеточного тока и, сопутствующих ему нелинейных искажений. Наиболее распространенный тип регулировки громкости — это резистор с переменными отводами либо подвижный контакт, перемещающийся по резистивной подложке, либо переключатель, перемещающийся по отводам цепочки постоянных резисторов: смотри рис. 4.10а.

В качестве альтернативы можно использовать постоянный последовательный добавочный резистор вместе с переменным шунтирующим резистором, см. рис. 4.10 б.

Рис. 4.10 Простейшие варианты регулировок громкости

Следует заметить, что схема на рис. 4.106 имеет намного более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 4.10 а. Измерение искажений при работе с высоким сопротивлением источника является далеко не самой простой процедурой, поскольку нужно фиксировать слабый нелинейный ток, вызывающий падение напряжения на эквивалентном внутреннем сопротивлении источника сигнала, которое включено последовательно сигналу. Результат ожидается вполне прогнозируемым: если сопротивление источника повысится, то увеличатся и искажения, поскольку увеличится падение напряжения в сеточной цепи в моменты протекания сеточного тока.

В качестве примера, катодный повторитель на лампе типа 6С45П, смещение которого задавалось приемником неизменяющегося тока на лампе типа EF184, был опробован при уровне входного сигнала + 20 дБ (7,75 В действующего значения). Уровень искажений каскада при внутреннем сопротивлении источника сигнала 5 Ом, составил 0,02%. Регулировка громкости типа (а) с потенциометром 100 кОм имеет максимальное выходное сопротивление 25 кОм, поэтому искажения также были измерены с сопротивлением источника сигнала 25 кОм. Было установлено, что они также составляют около 0,02%. Тем не менее, когда сопротивление источника сигнала было увеличено до 1 МОм, искажения возросли до 0,2%. Таким образом, применение такой схемы регулировки громкости на рис. 4.106, приводит к росту нелинейных искажений. До 1 МОм входное сопротивление этой схемы на практике обычно не доходит, но 100 — 200 кОм — значение вполне вероятное.

 

THD по Китайски (часть первая)

Что же такое THD — (Distortion Total Harmonic)? – это просто коэффициент нелинейных искажений. Он характеризует появление в процессе преобразования (усиления) сигнала, отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих искажающих его структуру. То есть, в конечном итоге, характеризует точность воспроизведения. Весьма важный параметр, так как «взнос» АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта, как правило, является максимальным.
         Например:  коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений(THD) возрастает и тоже нелинейно.

     Начнем несколько издалека, если  внимательно посмотреть datasheet-ы с техническими характеристиками микросхем, можно заметить очень интереснейшую вещь! Все технические характеристики снимались при подаче синусоидального сигнала в 1000Гц — и мощности, в том числе и THD.  А именно эти параметры нас и интересуют, да еще применительно к компьютерной акустике. Как же все это выглядит на практике в Китае?

      Решив продолжить свои экзерсисы с понравившейся мне накануне на одном из заводов системкой 5.1,  на следующий день я снова был на этом заводе как штык. Решив пойти опять-таки от противного — если ж не удалось сделать систему общей мощностью 70W(на коробке которой как раз и было написано саб 20W, сателлиты 5х10W), затерроризировав бедных китайских производителей подбором трансформаторов. Сделаем ка ее максимально мощной, как позволяет  мощность трансформатора в 102VA(15Vх2х3,4А) – это я сразу хочу сказать, что бы пресечь дополнительные вопросы, почему я не начал развлекаться по новой, меняя трансформаторы в блоке питания системы. Эта система 5.1. имеет узкий высокий сабвуфер, и трансформатор  14,5Vx2x4,5A в нее едва уже входил (а это уже не технологично при производстве). Поэтому ваш вопрос, а почему бы не продолжить подбор трансформаторов в сторону увеличения их мощности — отпадает на корню. Вот и применим трансформатор 102VA.
     Приняв решение сделать как можно более мощную систему, я потребовал электрическую схему девайса и стал думать, как же распределить мощности, что бы уложиться в отведенные 43,2W. Схема усилителя оказалась типовой, чего уж мудрить (тут я полностью с китайскими инженерами согласен) и была собрана на 7 микросхемах TDA 2030. (5 на каналы, и 2 в мостовом включении на сабвуфер). Памятуя разность выходных мощностей от производителей микросхем задал вопрос, чье производство? Оказалось “импорт”. Ну что ж, значит на сабе можно получить максимум 28W, ибо получить больше никак нельзя. Да нам этого и не надо, прикинем саб приблизительно на 15W, остается еще 5 каналов – на каждый придется по 5 W, складываем, получилось как раз 40W, лишние 3W подкинем в “в запас прочности”.  Ну не так все уж плохо, все равно системка получиться что надо …., и вспоминая все же доброй памяти совок и свой первый электрофон Мелодия 103-стерео с колонками 6АС-2 (купленный на свои первые заработанные деньги в 9 классе — брат с собой в стройотряд взял на лето), с выходной мощностью 6W на канал, или как сейчас пишут 2х6W – очень хорошо помню, как страдали соседи и весь двор, периодически порываясь прибить меня, что б самим не мучиться! (Врубал вертак по молодости без компромиссов – громкость и тембра до упора, дискотека соседям была еще та!!!)…, но вот выжил, однако. Да и искажений в звуке то не было, как помню, колонки не хрипели…, хотя красная лампочка перегрузки дружески подмигивала.
     Так что в данном случае справедливый  приговор соседей будет вам обеспечен на все 100%! С вами перестанут здороваться и будут регулярно вызывать милицию после 23.00!).

Но мы опять отвлеклись от темы…..

       Систему подмышку и в уже знакомый отдел RND, под завязку набитый измерительной аппаратурой.  Разобрали систему, стали готовить измерительное оборудование. Достали стабилизатор 220V (промышленная зона, напряжение сети скачет жутко, без стабилизатора говорят ну никак нельзя, я согласился). Достали 100W сопротивления на 4 Ом, керамику точность 0,1% (пойдут сразу согласился я), их и подключили сразу вместо сателлитов и динамика саба (слушать синус в 1000Гц на полной мощности занятие, знаете ли, весьма утомительное, надоедает секунды через 1,5, а нам работать надо и при этом не оглохнуть). Ну что ж, начнем! Обеспечим ка системе максимальное потребление — громкость и бас на полную, высокие – тоже до упора. На входа по 1000Гц, бум смотреть, что на выходе. Вот тут то все и началось…  привожу фото тех дней.

     Картина получилась вот такая, причем для всех пяти каналов:


 
   Хм…., спросите вы, а почему все графики по каналам имеют одну и ту же искаженную синусоиду (вернее сказать — меандр) и амплитуду в 5,9V. Отвечу легко! Потому что данный 6 канальный усилитель ни хрена не настроен так, как должно быть. На каждом канале приблизительно висит по 8,6W (формула расчета выходной мощности проста — P= U*I=U * U/Rн. (Вы ведь вспомнили законы Ома — 8 класса физики, раздел Электричество,  Да?). 
    Что ж, все всем ясно, начнем работу. Займемся изначально сабом. Открою вам маленький проф. секрет, усилитель для саба настраивается вообще-то на 100Гц,  ибо диапазон воспроизведения саба обычно от 40-45Гц до 180-250, дальше спад. За этим следит встроенный фильтр у нормальных усилителей для трифоников (система 2.1) и 5.1, а вот в некоторых системах он, увы, не стоит и поэтому они “поют” во весь “голос” на весь частотный диапазон их динамика. А вот в  нашем случае фильтр ЕСТЬ!  Вырубаем подачу сигналов на сателлиты (вернее отключаем нагрузку на 5 каналах), 100Гц на вход. Смотрим. Все в порядке, усь саба собранный на 2х микросхемах TDA 2030 лопает свои 100Гц, дает на выходе вольтаж ~  8,95V (~20W). Но вот форма синуса мне не нравиться,


 
говорю инженеру, давай сделаем 15W, сможешь? Смогу. Ну делай, пойду, покурю….. Прихожу минут через 10, после перекура, смотрю на осциллограф вольтаж 7,75V, все ок! 15W достигли, смотрю на измеритель нелинейных искажений,  мама миа! THD много меньше ≤0,01%, ни фига себе, производитель то микросхем “импортный” оказывается весьма неплох!


 
Datasheet с техническими характеристиками микросхемы обещал возрастание THD от 10W, а тут по моще 15W и на тебе, всего 0,01% (Не 0,2, не 0,5, не 1% даже). Hi-Fi! Красота!!! И тут решил я на свою голову посмотреть, что у меня на входе, глянул….. Ай-я-яй, мой друг инженер — китайся недолго думая, для достижения желаемого результата просто снизил уровень входного сигнал. Проникновенно глядя в глаза инженеру от китайпрома, я объяснил ему, что он глубоко не прав, и надо сделать так, чтобы при этом входном сигнале на выходе было 15W. Сможет он это сделать? Смогу заверил меня мой друг. Но время займет это уже не 10 минут, а часа 3. Ok, сказал я. Через 3 часа жди меня. И я пошел развлекаться прослушиванием продукции завода в надежде найти еще, что нибудь интересное по звуку.  Прошло 3 часа. Ничего я не нашел, вернулся в RND. На удивление все нормально. Сделал.  Ну, вот и ладненько. Займемся теперь каналами.  Растолковал инженеру, для чего мне нужен 2й генератор всего лишь за час (вызвав при этом у него вначале сильное недоумение – а нах все это? и лишь под конец 60 минуты добившись понимания). Начали сооружать новую схему. Поясню – система работает в комплексе сабвуфер и 5 каналов. Отбор мощности от блока питания (трансформатора) каналами происходит тоже в комплексе, поэтому для корректной настройки системы надо загрузить все усилители системы, а их там 6 на полную катушку. И началось развлечение, то бишь настройка. Привожу графики для наглядности:
    

      Как вы видите, на рис 1. каналы 1 — 5 имеет полную одинаковость. Вместо нормального синуса мы везде имеем плоское ограничение (плоскую площадку) в верхушках кривой синуса, и причем на всех каналах с одинаковой амплитудой. В чем дело? Мы же настраивали усилитель саба? — спросите вы. А все дело в том, что микросхемы тянут ток с одного источника питания, они одинаковые и аппетит у них у каждой, аж на полные 14W, заявленные в тех. характеристиках. (Вы ведь помните законы Кирхгофа из учебника по физике, раздел электричество, Да?). А блок питания позволить им хавать каждой по 14W не может, ибо 6 (вернее семь микросхем, на усилителе сабвуфера стоит 2 микросхемы TDA 2030 включенных в режиме мост)x14W=98W, а у него всего 43,2W.  Простая арифметика. И поэтому надо настраивать оставшиеся 5 каналов усилителей на меньшую мощность, что бы те хавали меньше. Чем мы и занялись с моим китайским другом. Как это делается? Да просто! Это может рассказать любой понимающий что-то в электронике. Есть два пути. Но об этом в следующей части…

Способ снижения искажений и уровня помех в усилителях. — Усилители гибридные — Звуковоспроизведение

автор Муратов М.М.
инженер-электромеханик, изобретатель.


Как известно, в усилителях основным способом снижения уровня искажений сигнала, является применение общей отрицательной обратной связи.
В дополнение к этому используют местные обратные связи, при необходимости линеаризации характеристик усилителя в возможно широком диапазоне частот.
Практически обязательным является ограничение полосы частот входного сигнала и применение дифференциальных каскадов. Широко применяются полевые и быстродействующие компоненты с одновременным увеличением перегрузочной способности всего усилителя, включая и блок питания.
Для уменьшения уровня шума используют схемотехнические решения с применением малошумящих элементов, а для уменьшения уровня фона, применяют высококачественные высокочастотные источники питания. Одним из компромиссных вариантов решений, являются полностью симметричные схемы построения усилителей, хорошо согласовывающих порой противоречивые требования, возникающие при этих способах снижения искажений.
Линейные и нелинейные искажения сигнала, снижаются пропорционально петлевому усилению усилителя, но полностью не устраняются.
Альтернативным — является способ “прямого” регулирования, (current dumping), схема с комбинацией ПОС и ООС, который теоретически позволяет избавиться от искажений. В этих усилителях, обычно работающих в режиме В и АВ, подавление переходных искажений осуществляется в предварительных каскадах, являющихся одновременно и усиливающими и корректирующими (3*, 4*, 5* Источники).
На протяжении почти 3-х десятков лет в “Радио” печатались статьи, об использовании селектора сигнала искажений и помех, для контроля работы усилителей и поиска причин возникновения помех и искажений сигнала.
Работа селектора основана на сложении входного, скорректированного по фазе сигнала, с инвертированным выходным, выровненного по уровню с входным. Селекция сигнала искажений и помех легко выполняется в инвертирующем усилителе, с применением селектора сигнала искажений и помех, который образуют 4 резистора и конденсатор, (R3, R4, R5, R6 и C1), соединяющих вход усилителя с выходом.

Рисунок 1.
Селекция входного сигнала.

Однако, выделенным сигналом искажений и помех пользуются только специалисты, при наличии приборов, для оценки качества работы усилителей, определения причин искажений сигнала и настройки (1*, 2*).

Желание применить выделенный сигнал искажений и помех для постоянного, автоматического снижения уровня искажений и помех сигнала в усилителях, привело меня к разработке способа, на который была оформлена заявка на изобретение №99101536, входящий №001562 от 25 января 1999 г., и она называлась «Способ снижения искажений сигнала и помех и защиты нагрузки в усилителях с параллельными ветвями усиления».
Эксперт ФИПС нашел в этой заявке признаки 2-х изобретений и потребовал переоформления её в две, отдельно по мостовым усилителям и отдельно по двухтактным.
В связи с тем, что при переоформлении этой заявки, мне требовались дополнительные денежные затраты и определённая трудоёмкость работ, заявка эта была отозвана.
Как там у Ильфа и Петрова: Позвольте, у меня все ходы записаны!».
Лет 8, точнее не знаю, заявка читалась на сайте ФИПС в списке моих изобретений и заявок на изобретения, а теперь не определяется.
Но, радиолюбителям и конструкторам усилительной техники, знать предлагаемый способ не будет лишним, и для понимания тонкостей, а может и для применения в своих конструкциях.
Минимальность искажений усиленного сигнала — является основным требованием к усилительной технике, и выполнить его можно только двумя способами:

  • недопущением возникновения этих искажений
  • отделением возникающих в усилителе искажений и помех от выходного сигнала.

Основные способы, применяемые для недопущения возникновения искажений и помех в усилителях, вкратце перечислены в начале статьи. Теоретически эти способы исследованы хорошо и конструкции существующих усилителей рассчитаны и работают только с применением этих способов.

Суть предлагаемого способа состоит в отделении усиленного сигнала от возникших в усилителе искажений, и он является дополнительным к основным.
Анализ схем усилителей показывает, что двухтактные и мостовые усилители имеют параллельные ветви усиления, как минимум тока, каждая со своей частью усиливаемого сигнала, который имеет свой сигнал искажений и помех.
Следовательно, если есть возможность выделить сигналы искажений и помех ветвей по отдельности и подать перекрестно на входы параллельных ветвей, они могут усиливаться в сумме или разности с сигналами этих ветвей.
В мостовом усилителе два противофазных, усиливаемых сигнала одновременно проходят по ветвям, а нагрузка не воспроизводит синфазные, равные по величине сигналы ветвей и, следовательно, при достаточном быстродействии усилителя и обратной связи, обеспечив выделение, передачу, равенство и синфазность сигналов искажений и помех обеих ветвей — можно получить на нагрузке усилителя сигнал, «очищенный» от возникших в усилителе искажений.

В двухтактном усилителе уничтожаются, складываясь на выходе, противофазные, равные по величине сигналы ветвей.
Усиливаемый сигнал проходит по одной ветви, а по второй ветви можно пропустить выделенный сигнал искажений и помех и, обеспечив передачу, равенство и противофазность сигналов искажений и помех в ветвях, можно получить на выходе менее искаженный сигнал.
Остаточные искажения сигнала являются следствием искаженного усиления сигналов искажений и помех в ветвях и некоторого запаздывания их по фазе. Применение такого способа вызывает долговременную защиту нагрузки от постоянного напряжения из-за неисправности одной ветви усиления на выходе мостового усилителя.
Это напряжение выделяется селектором, как искажение или помеха, и передается для выработки равного и синфазного напряжения в исправной ветви.
В двухтактном усилителе в исправной ветви, создается противофазное напряжение, которое будет противодействовать постоянному напряжению неисправной ветви, защищая нагрузку.

Таким образом в предложенном способе, снижение уровня искажений совмещается с защитой нагрузки от постоянного напряжения на выходе усилителя.
Необходимо отметить, что снижение уровня искажений и помех осуществляется в выходном каскаде, а правильнее, отделение усиленного сигнала от искажений, в отличие от усилителей работающих по схеме с разгрузкой по току, в которых используется предварительный каскад, и притом, с целью недопущения возникновения искажений и помех в усилителе.
Примеры схемотехники усилителей с применением предлагаемого способа приведены на рис.2-9.

 

Рисунок 2.
Мостовой усилитель.

Мостовой усилитель изображенный на рис. 2, работает следующим образом;
операционные усилители DA1 и DA2 вырабатывают противофазные сигналы в ветвях усилителя.
Резисторы R10, R11, R12, R13 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех верхней, по схеме, ветви, а резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C2 образуют селектор сигнала искажений и помех нижней, по схеме, ветви.
Важным обстоятельством является то, что выделенный сигнал искажений меньше сигнала искажений на выходе усилителя в К раз, где К — коэффициент усиления DA5 и DA8.
В связи с применением селекторов сигналов искажений и помех в качестве оконечных усилителей мощности, используются инвертирующие усилители DA5 и DA8 с дифференциальным входом.
Сигнал искажений, выделенный из верхней ветви, через повторитель напряжения DA6 подается на не инвертирующий вход усилителя DA8 нижней ветви. Соответствующий подбор величины сигнала искажений и помех, резистором R21 по не инвертирующему входу DA8 приводит к возникновению равного, синфазного сигнала искажений в нижней ветви, которые не воспроизводятся нагрузкой R24.
Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из нижней ветви. Операционные усилители DA3 и DA7 предназначены для того, чтобы селекторы сигналов искажений и помех ветвей выделяли искажения только своих ветвей.
Происходит это следующим образом:
Сигнал искажений нижней ветви, пройдя на выход DА5, поступает на селектор сигнала искажений и помех верхней ветви, и далее на вход ОУ DА6, но туда же поступает и выровненный по величине и противофазный, сигнал искажений и помех нижней ветви с ОУ DА3.
В итоге вход ОУ DА6 не воспринимает сигналы искажений нижней ветви. Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из верхней ветви, и соответственно на нагрузку R24 подаются противофазные, усиленные два входных сигнала и синфазные, равные попарно по величине, четыре сигнала искажений и помех ветвей.
В действительности искажений сигнала и помех в усилителе стало больше, но стало возможным отделить усиленный сигнал от искажений и помех на выходе (нагрузке) усилителя.

Настройка мостового усилителя, в котором используется предлагаемый способ, производится в определённой последовательности и содержит простые операции.
Настройка проводится без подключения нагрузки R24, при помощи генератора сигналов и широкополосного вольтметра с большим входным сопротивлением.

Вначале необходимо ползунки сопротивлений R6 и R21 установить в среднее положение, заземлить вход усилителя и точки А и В (выход селекторов сигналов искажений), а затем произвести последовательно от входа к выходу балансировку всех ОУ и усилителей мощности цепями их коррекции для минимизации постоянного напряжения на выходе ветвей усилителя.
Затем вход усилителя подключается к генератору синусоидальных колебаний и подается сигнал, равный 0,1 Uвх с частотой 20 кГц и выравнивают относительно земли амплитуду колебаний на выходах DA1 и DA2 (подбором R3), а затем и на выходе ветвей усилителя подбором R8 или R23.

Далее проводится настройка селекторов сигналов искажений.
Для этого необходимо снять заземления с точек А и В, и отключить от выходов ОУ DA3 и DА7 выводы сопротивлений R9 и R18 и присоединить их к земле.
Затем на вход усилителя подается сигнал равный 0,9 Uвх частотой 20 кГц и при помощи вольтметра, подбором R13, R17, С1 и С2, добиваются минимума в показаниях вольтметра в точках А и В.
Далее проводится настройка коэффициентов усиления DA5 и DA8 по не инвертирующим входам. Для этого вход усилителя заземляется, а вывод R13 отсоединяется от выхода усилителя DA5.
На свободный вывод R13 подается сигнал равный 0,9 Uвых с частотой 20 кГц и при помощи R21 на выходе DA8, устанавливают напряжение в точности равное напряжению генератора, а затем при помощи R6 на выходе DA5 устанавливают такое же напряжение.
Восстановив соединение R13 с выходом DA5 для проверки можно проделать аналогичные операции с R17 и результат должен быть одинаковым.

Далее проводится подбор величин входных сигналов DA3 и DA7. Для этого необходимо вновь подключить выводы сопротивлений R9 и R18 к выходам DA3 и DA7,а выводы сопротивлений R6 и R21 необходимо отключить от выходов ОУ DA4 и DА6, присоединить их вместе к генератору и подать сигнал равный 0,1 Uвых с частотой 20 кГц.
В точках А и В необходимо добиться минимума показаний вольтметра изменением входных напряжений ОУ DА3 и DА7.
Если постоянное и переменное напряжение между точками А и В равно нулю — коэффициенты усиления DA5, DА6, ОУ DА3 и DА7 подобраны правильно.
После подключения выводов сопротивлений R6 и R21 проверяем выходные напряжения ОУ и ветвей усилителя. Для этого вновь заземляем точки А и В и не трогая R6, R17, R13, R21 — проверяем постоянные напряжения на выходах ОУ и усилителей ветвей, по возможности добиваясь максимальной точности балансировки.
Настройка заканчивается снятием заземления с точек А и В.

Схема может быть встроена в любой имеющийся мостовой усилитель в виде отдельного блока, если усилители мощности ветвей инвертирующие. При этом коэффициент усиления ОУ DA3 и DА7 должен быть примерно равен коэффициенту усиления усилителей мощности ветвей.
Схема двухтактного инвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис. 3

Рисунок 3.
Двухтактный инвертирующий усилитель.

На DA1 выполнен инвертирующий усилитель напряжения, а усилители тока положительных и отрицательных полу-волн А1 и А2 не инвертирующие.
Резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех.
DA5, VD2, R12 и R13 образуют схему идеального диода с регулируемым усилением, для выделения и подачи сигнала искажений и помех положительных полу-волн сигнала, а DA4, VD1, R9 и R10 — отрицательных полу-волн.
Сигнал искажений и помех положительных полу-волн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления отрицательных полу-волн и соответственно, сигнал искажений и помех отрицательных полу-волн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления положительных полу-волн, при помощи DA2 и DA3.
В каждый момент времени, при прохождении сигнала по одной из ветвей, по другой ветви проходит противофазный сигнал искажений и помех.
И в этой схеме, выделенный сигнал искажений, по уровню, меньше сигнала искажений на выходе усилителя и необходим соответствующий подбор коэффициентов усиления DA4 и DA5, при котором происходит подавление сигнала искажений и помех на нагрузке R18.

Для настройки этого усилителя необходимо отключить сопротивления (R3, R8) инвертирующих входов DA2 и DA3 от выводов VD1 и VD2 и присоединить к земле усилителя.
Далее производится настройка основного усилителя по традиционной методике, проводимая после балансировки всех ОУ.
Затем проводится настройка селектора сигнала искажений и помех, после которого восстанавливают соединения R3 и R8. Установив минимальное усиление ОУ в схемах «идеальных» диодов, подают на вход усилителя сигнал 0,9 Uвх и подбором R10 и R13 добиваются минимума сигнала искажений на выходе усилителя, который, в крайнем случае можно контролировать вольтметром на выходе селектора.
Схема двухтактного не инвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис. 4.

Рисунок 4.
Двухтактный не инвертирующий усилитель.

По принципу работы она аналогична схеме на рис.3, но выполнена несколько иначе. Отличие состоит в добавлении инвертирующего усилителя входного сигнала на операционном усилителе DA6, необходимого для работы селектора сигнала искажений и помех. Дополнительный ОУ DA6 усиливает входной сигнал до уровня выходного сигнала и эти два противофазных сигнала суммируются цепочкой R16, R17 и R18.
Далее процессы работы усилителя и настройки аналогичны описанию на рис. 3.

Интересные возможности появляются при использовании выходного разделительного конденсатора или трансформатора и снятии сигнала искажений непосредственно с нагрузки с последующим отделением всех выявленных искажений и помех, возникающих в усилителе из-за наличия емкости или трансформатора, реакции динамика и соединительных проводов.
Учитывая, что выходная емкость или трансформатор хорошо защищает акустическую систему, самую дорогую часть звуковоспроизводящего комплекса, такие схемотехнические решения вполне применимы.
Примеры реализации приведены на рис. 5 и 6.

Рисунок 5, 6.
Примеры реализации.


Я собрал и сравнил звучание более десяти усилителей опубликованных в «Радио», и две собственные конструкции, и самое высокое мнение сложилось о конструкциях, описанных в 7* и 8*.
К недостаткам двух этих конструкций можно отнести относительно большое число дискретных элементов, что ведет к трудоемкости их изготовления и настройки.
В любительском конструировании, применение интегральных усилителей мощности ограничивает относительно высокий уровень искажений сигнала ещё и недостаточная выходная мощность, допустимая в дешевых, переносных и автомобильных усилителях.
Применение упрощенных схем разгрузки по току, увеличивая мощность интегральных усилителей — дополнительно увеличивает уровень искажений сигнала, который и без этого является неприемлемым в высококачественных усилителях.

Предлагаемый мной способ, применим при конструировании мощных высококачественных усилителей из интегральных элементов с использованием в выходном каскаде современных мощных транзисторов, на основе упрощенных токо-разгружающих схем.
Для примера приведены функциональные схемы усилителей на рис. 7 и 8.

Рисунок 7.
Мостовой усилитель мощности.

Мостовой усилитель изображенный на рис. 7, собран на ОУ и интегральных усилителях мощности с упрощенной схемой разгрузки по току на комплиментарных парах мощных транзисторов.
В зависимости от примененных транзисторов и интегральных усилителей — можно легко собрать усилитель мощностью 100 ватт и выше.
Еще большую мощность можно получить заменой выходных транзисторов на составные транзисторы серии ТКД.

Рисунок 8.
Усилитель с повышенной выходной мощностью.

На рис. 8 приведена схема усилителя, выходная мощность которого может быть 100 ватт и гораздо больше.
Еще один пример реализации описанного способа изображен на рис. 9.
За основу взята схема, приведенная в (6*). В этом усилителе инвертирующим является выходной каскад, поэтому применён способ изображенный на рис. 3.

Рисунок 9.
Усилитель мощности.

В схему добавлен блок, состоящий их двух транзисторов VT2 и VT4 с цепями установки рабочих точек, сдвоенного ОУ DA2, с цепями питания, для выделения положительных и отрицательных полу-волн сигнала искажений и самого селектора искажений на R20,R21,R22,R23 и C8.
Аналогичный блок можно добавить в любой усилитель с коллекторным выходом. Разумеется, необходимо учитывать напряжение питания и коэффициент усиления основного усилителя.
При настройке сначала необходимо отключить блок от усилителя, настроить основной усилитель, затем селектор и далее весь усилитель в комплексе.

Оптимальным с точки зрения экономичности усилителя, является работа оконечных транзисторов в режиме В, но применение предлагаемого способа в усилителях этого класса возможно с некоторыми ограничениями.
Связано это с тем, что сигнал искажений и помех для любого усилителя является просто высокочастотным сигналом с низким или очень низким уровнем, который в усилителях класса В или не воспроизводится, или воспроизводится с большими искажениями.
Поэтому способ применяется без ограничений в усилителях класса АВ+В, АВ и А.
Для усилителей класса В возможна конструкция, в котором выделенные искажения поступают на специальные высокочастотные транзисторы работающие в режиме АВ или А, параллельно с выходными транзисторами основного усилителя.
Дополнительные транзисторы могут иметь меньшую мощность, но они должны иметь токо-ограничивающие сопротивления и в этом варианте конструкции не может действовать защита нагрузки.

Наиболее выгодным является применение предлагаемого способа в усилителях работающих при токе покоя выходных транзисторов равном 5-10 мА. В усилителях, при наличии сигнала, будет возникать сквозной ток выходных транзисторов, пропорциональный сигналу всех видов искажений возникающих в усилителе, который прибавляется к току покоя выходных транзисторов, и выделяется в виде тепла.
По моему мнению, способ позволяет расширить полосу частот входного сигнала, снизить уровень динамических искажений, возникающих в каскадах усилителя и повысить устойчивость усилителей склонных к самовозбуждению.
Для этого во всех усилителях, использующих предлагаемый способ, следует применять только ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения и высокочастотные транзисторы, так как частотный спектр искажений выше частоты сигнала. Выделенный сигнал искажений и помех желательно подавать непосредственно на выходные транзисторы, которые, разумеется, тоже высокочастотные.
Мне представляется возможным применение предлагаемого способа и для снижения искажений в усилителях, не имеющих параллельных ветвей усиления, при условии создания дополнительной ветви для сигнала искажений и помех.
Дополнительный усилитель должен иметь высокое быстродействие и выходную мощность всего лишь равную мощности сигнала искажений и помех в режиме максимального усиления основного усилителя.

Я не являюсь разработчиком, или профессиональным конструктором усилительной техники, поэтому приношу Вам свои извинения за некоторую «простоту» изложения данного материала, так как не имею возможности проверить и испытать конструкции, но надеюсь заинтересовать конструкторов или радиолюбителей возможностью дальнейшего развития этой темы.

* Источники:
1.Журнал “Радио”,1977,№6, с. 42, Акулиничев И. “Векторный индикатор искажений”
2.Журнал “Радио”, 1983, №10, с.42, Акулиничев И. “Селекция сигнала искажений”
3.П.Шкритек “Справочное руководство по звуковой схемотехнике”, Москва издательство “Мир” 1991
4.В.С.Гутников, “Интегральная электроника в измерительных устройствах” издательство “Энергоатомиздат”1988.
5.А.Г.Алексеенко и др. “Применение прецизионных аналоговых микросхем” издательство “ Радио и связь”1985
6.Журнал “Радио”,1986,№12, с. 34, Мельниченко А. » Простой усилитель мощности»
7.Журнал “Радио”,1980,№7, с. 36,» Витушкин А.,Телеснин В.»Устойчивость усилителя и естественность звучания»
8.Журнал “Радио”,1984,№5, с. 29, Солнцев Ю. «Высококачественный усилитель мощности»

 

Общее гармоническое искажение

Общее гармоническое искажение


Полное гармоническое искажение

Когда усилитель управляется сигналом, сигнал на выходе усилителя представляет собой усиленную версию входного сигнала ПЛЮС любое искажение, создаваемое усилителем. Все усилители и сигнальные процессоры вносят искажения в сигнал. Уровни гармонических искажений в высококачественных усилителях настолько ниже слышимости, что они в основном не вызывают беспокойства.Когда кто-то говорит вам, что один усилитель определенно будет звучать лучше, потому что его THD оценивается в 0,002% по сравнению с усилителем с 0,05%, вы можете быть уверены, что он не понимает, о чем говорит. Многие люди считают, что THD ниже 1% не слышны, и я думаю, что они, вероятно, правы. Дело в том, что, особенно в автомобиле, усилитель беспокоит меньше всего. Динамики, используемые для средних и высоких частот, обычно производят от 1% до 5% THD, а для сабвуферов цифры могут легко достигать 10%.Это даже не учитывает все резонансы всех пластиковых и металлических панелей в автомобиле.

Внимание!
Установите регулятор громкости примерно на 20%, прежде чем переходить по следующей ссылке.

Этот тон начинается с «чистого». В момент 5 секунд от начала к нему подмешивается сигнал 1% 2 кГц. В начале +10 секунд уровень 2 кГц увеличивается до 5% для общего гармонического искажения 5%. Чтобы услышать переход между 0 и 1%, вам могут понадобиться наушники. У вас могут возникнуть проблемы с прослушиванием через динамики компьютера.Когда гармоники достигают 5%, их отчетливо слышно. Если бы тон был музыкой, вам было бы трудно услышать 5% THD. 1 % едва слышен и смешивается с непрерывным, ровным тоном. С музыкой было бы не слышно. Это небольшое упражнение просто для того, чтобы показать вам, как мало 1% THD, и помочь вам понять, что 0,000…% THD бесполезен в качестве индикатора качества звука.


Вас могут заинтересовать другие мои сайты
  • Этот сайт был запущен для страниц/информации, которые не подходили для других моих сайтов.Он включает в себя темы от резервного копирования компьютерных файлов до ремонта небольшого двигателя, программного обеспечения для трехмерной графики и базовой информации о диабете.

  • Этот сайт знакомит вас с макросъемкой. Макросъёмка — это не что иное, как съёмка мелких объектов. Может потребоваться некоторое время, чтобы понять ограничения, связанные с этим типом фотографии. Без посторонней помощи людям будет сложно получить хорошие изображения. Понимание того, что возможно и что невозможно, значительно облегчает задачу.Если вам нужно сфотографировать относительно небольшие объекты (от 6 дюймов в высоту/ширину до нескольких тысячных долей дюйма), вам поможет этот сайт.

  • Если вас интересуют пневматические винтовки, этот сайт познакомит вас с доступными типами винтовок и многими вещами, которые вам необходимо знать для точной стрельбы. Это также касается соревнований по полевым мишеням. Есть ссылки на некоторые из лучших сайтов и форумов, а также коллекция интерактивных демонстраций.

  • Этот сайт поможет всем, кто плохо знаком с компьютерами, а также тем, кто имеет базовые знания о компьютерах и хочет больше узнать о внутренних компонентах компьютера.Если у вас есть компьютер, который вы хотели бы обновить, но не знаете, с чего начать, этот сайт для вас.

  • Этот сайт предназначен для тех, кто хочет начать участвовать в гонках на картах, но не совсем понимает, как работают различные детали. В основном это интерактивные демонстрации, которые показывают, как работают различные части карта.


Вы должны помнить:
1. Усилитель с самым низким уровнем общих гармонических искажений не обязательно будет звучать лучше всего.

Нажмите ЗДЕСЬ, чтобы посетить новый сайт автомобильной аудиотехники друга.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общие сведения о гармонических искажениях и кривых шума — Precision Hub — Архивы

Другие детали, обсуждаемые в публикации: OPA316

Шум и искажения — два общих врага инженеров, проектирующих прецизионные аналоговые системы.Но если посмотреть на суммарные коэффициенты гармонических искажений и шума (THD+N) в техническом описании операционного усилителя, может быть не сразу понятно, с каким врагом вы сражаетесь: с шумом или искажением?

«Шум» описывает случайные электрические сигналы, создаваемые усилителем. «Искажение» относится к нежелательным гармоникам, вносимым усилителем. Гармоника – это сигнал с частотой, кратной частоте входного сигнала. Спецификация общего гармонического искажения и шума дает количественную оценку этих факторов путем сравнения уровня гармоник искажения (V i ) и среднеквадратичного напряжения шума (V n ) с уровнем входного сигнала (Vf) с помощью следующего уравнения:

На этой кривой из таблицы данных OPA316 показаны измеренные THD+N по частоте для нескольких конфигураций и выходных нагрузок.К сожалению, мы не сразу знаем, что больше влияет на гармоники шума или искажения на THD+N. Чтобы получить некоторое представление об этом, мы можем рассчитать вклад шума в измерение.

 

 Рис. 1. THD+N в зависимости от частоты OPA316 в нескольких конфигурациях

 

Во-первых, мы упростим расчет THD+N, чтобы удалить член искажения:

Мы можем аппроксимировать среднеквадратичное шумовое напряжение базовой схемы операционного усилителя с помощью уравнения:

A N   — «коэффициент усиления шума», e N — спектральная плотность шума широкополосного напряжения операционного усилителя, а BW N — полоса пропускания, в которой измеряется шум.Шумовое усиление, или усиление, применяемое усилителем к собственному шуму, всегда измеряется на неинвертирующем входе операционного усилителя. Это просто, когда операционный усилитель используется в качестве неинвертирующего усилителя; усиление сигнала и усиление шума одинаковы. Однако для инвертирующих усилителей шумовое усиление будет равно единице плюс величина усиления сигнала. Например, инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления сигнала -1 имеет шумовой коэффициент усиления +2.

OPA316 имеет широкополосную спектральную плотность шума входного напряжения 11 нВ/√Гц, а полоса измерения указана как 80 кГц.Для неинвертирующего усилителя (G = +1) приблизительное среднеквадратичное шумовое напряжение составляет:

Для инвертирующего усилителя (Коэффициент усиления = -1) среднеквадратичное значение шумового напряжения:

Теперь вклад шума в измерения THD+N для двух конфигураций можно рассчитать, используя информацию об амплитуде выходного сигнала, приведенную под графиком.

Неинвертирующий (G = +1):

Инверсия (G = -1):

Обратите внимание, что эти расчетные значения очень близко соответствуют измеренным THD+N на низких частотах (<500 Гц).Здесь измерение почти полностью определяется шумом операционного усилителя. Измерение THD+N является плоским на частотах с преобладанием шума, поскольку частота входного сигнала не влияет на напряжение шума.

Аналогичным образом, при низкой амплитуде сигнала в измерении THD+N преобладает вклад шума. На рис. 2 показана зависимость THD+N от выходной амплитуды для OPA316, измеренная на частоте 1 кГц. Ниже 300 мВ две кривые имеют постоянный наклон. Среднеквадратический шум постоянен независимо от амплитуды входного сигнала, поэтому увеличение амплитуды сигнала улучшает измерение THD+N.Например, в области кривой с преобладанием шума удвоение выходной амплитуды уменьшит значение THD+N вдвое.

 

Рис. 2. THD+N в зависимости от выходной амплитуды OPA316 на частоте 1 кГц в различных конфигурациях

С другой стороны, амплитуда гармоник искажения может меняться вместе с амплитудой сигнала. Как только кривая отклоняется от постоянного наклона вниз, мы знаем, что гармоники искажения влияют на измерение THD+N.

Разработка схемы с низким уровнем шума часто приводит к нежелательным последствиям увеличения искажений.Неинвертирующий операционный усилитель с маломощными резисторами обратной связи может обеспечить исключительно низкий уровень шума, но дополнительная нагрузка и синфазное напряжение могут увеличить высокочастотные искажения. Знание того, ограничивают ли шум или искажения производительность вашей системы, имеет решающее значение для поиска инженерного решения. Вооружившись некоторыми базовыми ручными вычислениями и пониманием графиков THD+N, вы можете быстро определить виновника.

 

Дополнительные ресурсы:

Узнайте, как напряжение смещения инструментального усилителя на операционных усилителях изменяется в зависимости от коэффициента усиления.

Посмотрите, для каких инструментальных усилителей CMRR не меняется с усилением.

Связанные эталонные проекты от TI Designs — библиотека Precision:

Понимание инструментов для измерения полного гармонического искажения

При обсуждении полного гармонического искажения (THD) основная гармоника рассматриваемой волны известна как первая гармоника. Таким образом, количественная оценка THD начинается со второй гармоники. Теоретически количество гармоник ограничено только некоторой максимальной частотой, основанной на минимальной квантовой длине волны.В действительности, однако, нас интересует относительно небольшое количество гармоник, потому что они уменьшаются по амплитуде со спектральным расстоянием от основной гармоники, в конечном итоге становясь пренебрежимо малыми.

Гармонические искажения, как правило, нежелательны в аудиосистемах, а также в других приложениях, где важно точное представление формы сигнала. Другое применение THD — в электрохимических системах, таких как топливные элементы, где он используется в качестве меры линейности на небольших участках кривой импеданса элемента.

THD генерируется в нелинейных усилителях, громкоговорителях, микрофонах и других компонентах. В радиосвязи дополнительные проблемы вызывают помехи. В энергосистемах THD проявляется в виде ограничения, нагрева, выбросов и потерь в сердечнике двигателей, что приводит к снижению мощности и сокращению срока службы. Эти гармоники генерируются в частотно-регулируемых приводах (ЧРП).

В аудиовоспроизведении, особенно в музыкальном программировании, присутствует большое количество преднамеренно гармонического содержания.Именно это отличает большое разнообразие музыкальных инструментов. Без гармоник все звучало бы как набор камертонов. (Чистую синусоидальную волну на большой громкости неприятно слышать, потому что вся мощность находится на одной частоте.) При измерении THD цель состоит не в том, чтобы включить эти гармоники, а в том, чтобы измерить другие, которые добавляются позже в ходе не- линейная обработка.

Вверху вид синусоидальной волны в частотной области с одним выбросом на основной частоте. Внизу вид прямоугольной волны (наложенной) в частотной области с ее частотным содержанием, простирающимся до бесконечности.

Для измерения коэффициента нелинейных искажений, например, в усилителе, необходимо отсоединить антенну или проигрыватель компакт-дисков и подать на вход чистую синусоиду. (Отдельные измерения могут быть выполнены на разных частотах.) Чтобы найти THD, измеряется выходная мощность. Затем он проходит через полосовой фильтр, устраняющий основную частоту, и измеряется второй раз. Эти два измерения предоставляют информацию для расчета коэффициента нелинейных искажений, относящегося к этому усилителю.

THD определяется как количество гармонических искажений, присутствующих в сигнале.Это отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной гармоники. Метод определения THD путем фильтрации первой гармоники фактически дает THD + шум. Шум вызван термальной

движение носителей заряда в проводниках, включая активные и пассивные компоненты, входящие в состав исследуемого оборудования. Хотя шум не является формой гармонического искажения, он имеет такой же общий эффект ухудшения характеристик, поэтому обычно включается в показатель.

Если не принимать во внимание шум, соответствующее уравнение:


где V x – действующее значение напряжения X-й гармоники.

THD обычно выражается в процентах дБ относительно первой гармоники. При измерении THD необходимо указать ширину полосы измерения. Факторами являются фон линии электропередач в контуре заземления, высокочастотные помехи, интермодуляционные искажения из-за взаимодействия с первой гармоникой и подобные явления.

Функциональные блоки анализатора THD и его отличительная режекторная фильтрация на основной частоте.

Анализатор гармонических искажений часто является предпочтительным инструментом для выполнения этих измерений. Существует несколько типов анализаторов THD. Наиболее широко используемая версия использует фундаментальное подавление. Анализатор подавления фундаментальных гармоник состоит из входной схемы согласования, режекторного фильтра и усилителя во входной части и измерительной схемы в выходной части. Мостовой усилитель и предварительный усилитель соединены для обеспечения отрицательной обратной связи. Выход управляет инструментальным усилителем и аналоговым измерителем или цифровым считывателем.

Другими измерителями THD являются гетеродинный тип, тип с настроенной схемой и анализатор спектра, который, как и осциллограф, может быть сконфигурирован для отображения THD.

Keithley 2015 Series THD и мультиметр для анализа звука.

Tektronix предлагает мультиметры полного гармонического искажения и анализа звука Keithley 2015, 2016 и 2016-P по базовой цене от 5720 до 6200 долларов. Они измеряют THD во всем звуковом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц и могут вычислять THD + шум и отношение сигнал-шум плюс искажение (SINAD).2015-P и 2016-P напрямую определяют пиковые значения частотного спектра. Генераторы синусоидальных сигналов 2016 и 2016-P имеют удвоенный выходной сигнал генератора синусоидального сигнала по сравнению с генератором 2015 года для приложений, требующих тестовых сигналов более 8 В

СКЗ.

В дополнение к обработке и отображению общего гармонического искажения электрического сигнала прибор Keithley 2015 THD функционирует как обычный настольный мультиметр с расширенными функциями и возможностями. Он производит измерения постоянного напряжения от 0.от 1 мкВ до 1000 В и измерения переменного напряжения от 0,1 мкВ до 750 Вразмах.

Для измерения напряжения подключите провода к входным клеммам HI и LO. Можно использовать передние или задние входы. Установите кнопку ВХОДЫ. Затем нажмите DCV или ACV. Это счетчик с автоматическим диапазоном, функция активируется нажатием AUTO, при этом отображается сигнализатор AUTO. Чтобы выбрать диапазон вручную, используйте клавишу ВВЕРХ или ВНИЗ.

Когда провода соприкасаются с измеряемым источником напряжения, в ручном диапазоне при необходимости отображается перенапряжение.Можно нажимать кнопку AUTOSET или последовательно выбирать более высокие диапазоны, пока не отобразится показание.

Мультиметр THD модели 2015 можно использовать для измерения электрического тока. Диапазон постоянного тока составляет от 10 нА до 3 А, а диапазон переменного тока — от 1 мкА до 3 А (среднеквадратичное значение).

Подключение для измерения тока аналогично подключению для измерения напряжения, описанному выше, за исключением того, что для измерения тока должны использоваться только клеммы на передней панели. Кнопку INPUTS следует поместить в ПЕРЕДНЮЮ позицию. Затем выберите DCI или ACI.Можно использовать автоматический или ручной выбор диапазона. Поскольку в текущем режиме счетчик подключен последовательно к источнику питания, предохранитель перегорает, если подается напряжение более 3 А или 250 В.

Измеритель THD модели 2015 способен считывать целостность цепи. Используется диапазон в один килоом.
Подсоедините провода к INPUT HI и INPUT LO. После выбора CONTINUITY можно выбрать пороговый уровень от одного ома до одного килоома, ниже которого раздается звуковой сигнал, указывающий на непрерывность цепи.
Чтобы изменить пороговое сопротивление для функции непрерывности с десяти Ом по умолчанию, нажмите SHIFT>CONT.Используйте клавиши со стрелками ВПЕРЕД и НАЗАД для определения числового разряда и используйте клавиши ВВЕРХ и ВНИЗ для установки цифр от одного до тысячи. Нажмите Ввод.

Анализатор THD Keithley модели 2015 может измерять искажения от 0,002% до 100%, что эквивалентно от -94 дБ до 0 дБ. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) выполняется для периодического сигнала на входе. Уровни гармоник измеряются для расчета THD, THD + шум и SINAD. Внутренний AFG обеспечивает необходимую синусоиду для подавления основной гармоники.Прибор может ограничить количество гармоник до заданного пользователем числа, от двух по умолчанию до 64.

Количественно определив количество THD с шумом и без него и оценив вредное воздействие гармоник, например, в промышленных условиях, следующим на повестке дня является разработка плана по их снижению или существенному устранению.

На промышленном объекте обычно имеется большое разнообразие нагрузок. По отношению к потребляемой мощности большую часть составляют двигатели. Резистивные нагрузки имеют одинаковые нагрузки по напряжению и току.Это отличается от асинхронных двигателей, которые вносят реактивную нагрузку в смесь. Тем не менее, текущая форма волны синусоидальна. Преобразователи частоты (ЧРП) ценятся в современном мире, потому что они позволяют нам точно изменять скорость и крутящий момент асинхронных двигателей, что ранее было возможно только для двигателей постоянного тока. Недостатком, однако, является то, что с помощью широтно-импульсной модуляции, помимо других методов, выпрямляется большое количество энергии и реконфигурируется постоянный ток для создания сильно несинусоидальных сигналов с сопутствующими гармониками.Они возвращаются в распределительные цепи объекта и даже в систему распределения электроэнергии коммунального предприятия.

Эффективны шунтирующие фильтры

, которые устраняют гармоники в каждом отдельном случае. Один фильтр не может быть использован для устранения всех гармоник. Вместо этого для каждого из мощных шипов должна быть реализована отдельная схема. Серия изображений осциллографа, показывающих формы сигналов, поскольку для уменьшения гармоник добавлены шунтирующие фильтры, показывает кривую, все больше напоминающую исходную синусоиду коммунального предприятия.Другие методы восстановления качества электроэнергии включают экранирование, разделение кабелей и установку конденсаторов для коррекции коэффициента мощности.

Total Harmonic Distortion – обзор

2.7.1 Суммарные гармонические искажения

THD – это отношение квадратного корня из суммы всех гармонических составляющих, кроме основной, к основной составляющей [8]. Термин THD используется для определения процента искажения от основной формы волны. Стандарт IEEE 519-2014 определяет THD как отношение среднеквадратичного содержания гармоник с учетом гармонических составляющих до 50-го порядка и, в частности, исключая интергармоники, выраженное в процентах от основной гармоники.При необходимости могут быть включены гармонические составляющие порядка более 50 [5,6].

THD используется для оценки гармоник напряжения и тока.

THD напряжения представляет собой отношение квадратного корня из суммы всех гармонических составляющих напряжения, кроме основной составляющей напряжения, к основной составляющей напряжения. Выражение для гармонического искажения напряжения показано в уравнении (2.3):

(2.3)VTHD=∑h=2∞Vh3V1

где:

В THD полное гармоническое искажение напряжения

В 1 — среднеквадратичное значение основного напряжения.

Выражение гармонического искажения напряжения в % показано в уравнении. (2.4):

(2.4)VTHD(%)=∑h=2∞Vh3V1x100(%)

Пример 2.12: Рассчитайте THD напряжения по отдельным гармоникам напряжения, перечисленным в Таблице 2.4, где основное напряжение составляет 240,54 В.

Таблица 2.4. Индивидуальные гармонические искажения напряжения.


8 Напряжение (V)
Гармоничный Заказать 9029 Напряжение (V) Гармоничный порядок Гармоничный порядок Гармоническое напряжение (V) Гармоничный порядок Гармоническое напряжение (V) Гармоничный порядок
H02 1.240015 H25 0.06 H38 0.07 0.03 0.09 H39 0.12 H52 0.04
H04 0.48 H27 0.16 H40 H05
H05 4,801 H28 0.13 H41 0.09 H54 0.05
H06 0.06 0.07 H55 0.03
H07 3,72 3,72 H30 0.09 H43 0.05 H56 0.04
H08 0,27 H31 0,17 H44 0,06 H57 0,05
H09 0.18 H32 0.07 H45 0.02 0.04 0.18 5 0.18 5 H33 0.16 H46 0,05 H59 0.04
H21 0.27 H34 0.08 0,08 0,06 0,04
H22 H22 0.13 H35 0.04 H48 0.06
H23 H36 0.06 0.01
0.17 H37 0.14 H50 0.05

Решение:

Из уравнения. (2.4),

VTHD(%)=∑h=250Vh3V1x100(%)

где V THD  = 2,6%.

Коэффициент нелинейных искажений тока представляет собой отношение квадратного корня из суммы всех гармонических составляющих тока, кроме основной составляющей тока, к основной составляющей тока [1].Выражение для текущих гармонических искажений показано в уравнении. (2.5):

(2.5)ITHD=∑h=2∞Ih3I1

где:

I THD – общий гармонический искажений тока

I h – гармонический компонент тока в RMS

1 — основной ток в среднеквадратичном значении.

Выражение гармонического искажения тока в % показано в уравнении. (2.6):

(2.6)ITHD(%)=∑h=2∞Ih3I1x100(%)

Пример 2.13: Рассчитайте текущий THD по отдельным гармоникам тока, перечисленным в таблице 2.5, где ток основной гармоники равен 903,2 А.

Таблица 2.5. Индивидуальные гармонические искажения тока.

5 5 5

40
Гармоник Заказать Ток (а) Гармоничный (а) Гармоник по договорной цене в 6,04 h25 0,32 h38 0,74 h51 0.47
H03 9.34 9.34 H52 0.54 H04 H04 2.54 H27 1.21 H40 0.28 H53 0.51
H05 37.96 37.96 H28 0,43 H41 1,61 H54 0.22
H06 1.92 H29 0.68 H42 0.34 H55 22.62 0.52 H43 0.52 H56 0.30
H08 0.82 H31 0.45 H44 H57 0.21 0.21
H09 1,54 H32 0.50 H45 0.74 H58 0.20
0.26 H59 0.23
H21 212 H34 0.57 H47 0.39 H50 0.12
H22 H22 0.64 H35 1,37 H48 0.23
H23 2.76 H36 0.23 H49 0.27
H24 H37 H37 0.26 H50 0,18 0.18 0
440 5

Решение:

от уравнения. (2.6),

ITHD(%)=∑h=250Ih3I1x100(%)

I THD  = 5,1%.

Пример 2.14: Однолинейная схема (SLD) электрического распределения показана на рис. 2.26 [9]. Анализатор качества электроэнергии подключается на стороне низкого напряжения 2.Трансформатор 5 МВА.

Рисунок 2.26. Однолинейная схема распределения электроэнергии.

AHU , Приточно-вытяжная установка; APFC , автоматическая коррекция коэффициента мощности; LT , низкое напряжение; ИБП, источник бесперебойного питания.

На этой установке ИБП и вентиляционная установка являются нелинейными нагрузками, которые вводят гармоники тока в систему.

КНИ напряжения в % и спектр отдельных гармоник напряжения в % до 25-го порядка для фазы R показаны на рис.2.27.

Рисунок 2.27. Спектр гармоник напряжения в %.

THD , Полное гармоническое искажение.

Судя по рис. 2.27, THD напряжения в этом месте составляет около 2,6 %.

КНИ тока в % и спектр отдельных гармоник тока в % до 25-го порядка для фазы R показаны на рис. 2.28.

Рисунок 2.28. Спектр гармоник тока в %.

THD , Полное гармоническое искажение.

Из рис. 2.28 текущее THD составляет около 5.1% на фидер.

Войны THD — почему более низкий уровень искажений часто не означает лучшее качество звука.

Кто помнит, как войны минувших дней с THD (Total Harmonic Distortion) чуть не убили качество звука в схемах усиления мощности?… Это была гораздо более коварная и локализованная кончина, чем верный смертный приговор, вынесенный 16-битными компакт-дисками. Но это была инфекция, тем не менее, высасывающая тон кончина. Так чем же может быть плох низкий уровень искажений? Это требует более пристального внимания к двум вещам: что измеряется и как достигается ее уменьшение.

Гармонические частоты (также называемые «гармониками») периодического напряжения или тока — это компоненты усиленного сигнала, которые имеют целое число, кратное частоте исходного сигнала. Гармонические искажения в звуковых цепях — это отклонение усиленного сигнала из-за присутствия этих гармоник.

В идеальном мире (или, говоря инженерным языком, в мире с «идеально линейным усилением») чисто синусоидальное напряжение или ток не имеют гармонических искажений, поскольку они состоят из одной частоты, тогда как напряжение или ток являются периодическими, но не чисто синусоидальными. будут иметь более высокочастотные компоненты, которые приводят к гармоническим искажениям.В целом, чем меньше сигнал похож на синусоиду, тем сильнее будут гармонические составляющие и тем больше он будет иметь гармонических искажений. Таким образом, чисто синусоидальный сигнал не имеет гармонических искажений, в то время как прямоугольный сигнал будет иметь много. Музыкальные сигналы никогда не бывают чистыми синусоидальными или прямоугольными волнами, так что… как обычно, «истина лежит где-то посередине» этих двух крайностей.

Чистая синусоида не будет иметь гармонических искажений. Чистая прямоугольная волна будет иметь значительные гармонические искажения.

Теперь давайте посмотрим на гармоническое искажение этих двух волн.

Так что все последующие пики на частотах гармоник прямоугольной волны (синие) — это искажения исходного сигнала и это плохо. Полное гармоническое искажение (THD) является аддитивным эффектом всех этих пиков, поэтому избавление от них в схемах усиления звука должно быть хорошей идеей… верно?

Да, до определенного момента. Часть проблемы с этим методом измерения THD заключается в том, что он не учитывает то, как человеческий мозг воспринимает его, и не учитывает тот факт, что порядок искажения (которое представляет собой кратное основной частоте) имеет гораздо большее значение. слышимого эффекта, чем его абсолютная величина.Когда присутствуют три или более основных тона искажения (на иллюстрации прямоугольной волны выше их 10), искажения, представленные более высокими порядками, гораздо более слышимы и нежелательны, в основном из-за интермодуляционных искажений (подробнее об этом позже). Впервые это обсуждалось Норманом Кроухёрстом и Д.Э.Л. Короче из BBC еще в середине 1950-х. Они даже рекомендовали взвешенное измерение, при котором на гармоники более высокого порядка приходилось большее значение THD, хотя это так и не было принято.

Во времена ламповых усилителей THD был очень реальным показателем качества звука и имел, соответственно, высокое значение по сегодняшним стандартам, часто около 1% (культовый ламповый усилитель Dynaco/Dynakit ST-70 был оценен в <1% для пример) . Но с появлением твердотельной электроники стало намного проще вводить большое количество отрицательной обратной связи (60 дБ и более), чтобы резко снизить THD, и многие производители сделали именно это. Сравнения стали более бесконечно малыми, а «войны THD» за его снижение привели к значениям ниже 0.1%, затем ниже 0,01%, а затем даже ниже 0,001% с использованием операционных усилителей (операционные усилители сдерживают мои цифровые поиски). Чтобы понять, как это может быть плохо, давайте посмотрим, как работает простая петля отрицательной обратной связи.

 

Согласно Википедии, «усилитель с отрицательной обратной связью — это электронный усилитель, который вычитает часть своего выходного сигнала из своего входного, так что отрицательная обратная связь противодействует исходному сигналу». Другими словами, он сравнивает выходной сигнал с требуемым входным сигналом и вычитает любую постороннюю информацию (т.е. искажение). Звучит хорошо… верно? В идеально линейном мире так и было бы. Но реальная жизнь не совсем линейна, и усилители мощности не исключение.

Принципы отрицательной обратной связи существуют уже давно, и в умеренных количествах они были реализованы в ламповых усилителях в какой-то степени с хорошим эффектом. Но чрезмерное применение NFB в аудиоусилителях стало стандартной практикой только потому, что схемы усиления на бестрансформаторных транзисторах позволили легко его использовать. В эпоху ламповых усилителей именно выходной трансформатор из-за своей сложной передаточной функции ограничивал величину ООС в усилителях мощности примерно до 20 дБ.

Таким образом, введение сильной отрицательной обратной связи в по своей сути нелинейные схемы усиления звука на транзисторах имеет два существенных недостатка — гораздо более низкий коэффициент усиления (часто преодолеваемый каскадным усилением) и осложнения переходных интермодуляционных искажений (TIM), особенно в медленных (с низкой скоростью нарастания) схемах. . Проще говоря, если в транзисторный усилитель с сильной отрицательной обратной связью подается всплеск фиксированной частоты, на выходе будут обнаружены дополнительные (нежелательные) частоты из-за искажения ТИМ.

Чтобы получить сверхнизкие характеристики THD, производители усилителей мощности тем самым снизили качество звука своей продукции. Это объясняет, почему маломощный аудио/видеоресивер (AVR), полный интегральных схем (ИС — обнаженные фотографии аналогового оборудования обычно рассказывают большую часть истории), имеет гораздо более низкие характеристики THD, чем наиболее известный триод (например, ламповый). ) усилитель, хотя любой слушатель неизменно услышит лучшее качество звука последнего. В некотором смысле чрезмерное использование NFB в транзисторных усилителях мощности было началом конца высококачественного звука, за которым последовало ограничение самого исходного материала до 16-битного цифрового PCM, а затем сжатие этого и без того неадекватного сигнала в файлы MP3 в качестве последнего удара по музыке. разрушения («Темные века» High End Audio).

Это краткое обсуждение предназначено для того, чтобы показать, как результаты некоторых традиционных измерений (например, THD) могут привести к неразумным решениям при проектировании усилителя. К сожалению, войны минувших дней, связанные с THD, отвлекли дизайнеров, обозревателей, дилеров и потребителей от хорошего звука. Нельсон Пасс, один из лучших разработчиков усилителей всех времен, имеет очень твердые убеждения в отношении того, как должен быть спроектирован усилитель, главным из которых является то, что гораздо важнее ограничить гармонические искажения более высокого порядка, чем искусственно искать низкие общие уровни искажений.Он также развенчивает войну ватт на канал (WPC), но это уже другая тема (почему речь не идет о ваттах на канал).

Еще в 1980-х, в разгар войн THD, Нельсон Пасс разработал умный способ создания высоколинейного полупроводникового усилителя мощности со своей топологией схемы «Стазис» и, таким образом, смог полностью исключить использование отрицательной обратной связи, сохранив при этом Спецификация THD всего 0,1%. Гораздо выше, чем предложения конкурентов в то время, но все еще не слышно, и, к счастью, он твердо противостоял чрезмерному использованию негативных отзывов только для того, чтобы участвовать в битве.Впоследствии компания Nakamichi получила лицензию от Stasis и внедрила ее в свой почтенный PA-7, один из лучших усилителей мощности того времени (усилитель мощности Nakamichi PA-7). Компании Audionics of Oregon приписывают производство первого твердотельного усилителя мощности с низкой отрицательной обратной связью и малым искажением TIM, построенного в США, с его CC-2 (The Audionics of Oregon CC-2. Больше искажений, лучше.), который имел рейтинг THD 0,18% (0,35% при подключении к моно) и использовал только отрицательную обратную связь 23 дБ (очень мало по стандартам того времени).Этот усилитель был основан на исследованиях Матти Отала из Нидерландов, который в 1973 г. впервые предложил эту концепцию и создал прототип с высокой скоростью нарастания 100 В/мкс, отрицательной обратной связью всего 20 дБ и низким значением искажения TIM всего 0,15%. , и неудивительно высокий коэффициент нелинейных искажений 0,2% (подробнее здесь).

«Суть в том, что ухо — не микрофон, мозг — не магнитофон, и измерения ограничены в описании субъективного качества. Мне нравится иметь низкий уровень искажений и так далее, но эти вещи отходят на второй план по сравнению с тем, что я испытываю, когда слушаю.Есть много продуктов с отличными характеристиками — я не обижусь, если вы их купите». — Нельсон Пасс

Интересно, что война THD, наконец, замкнулась, и многие производители высококачественных аудиоусилителей (например, Audio Research) теперь рекламируют свою продукцию как не имеющую отрицательной обратной связи, а их характеристики THD, соответственно, намного выше, чем у их низких характеристик. фи конкуренты. Вот почему так важно прослушивать аудиоаппаратуру, которую вы рассматриваете, так как спецификации являются лишь попыткой измерить качество звука и… в случае спецификаций THD, которые искусственно занижены с чрезмерным использованием отрицательной обратной связи, очень плохая при это.

Butler Audio: лампы и транзисторы

Лампы

и транзисторы — есть ли слышная разница?

Рассел О. Хэмм

(Часть 2 из 3 частей)

Перейти к части 1
Перейти к части 3
Назад к «Большой идее»

Рис. 2. Сравнение суммарных гармонических искажений (THD) однокаскадного усилителя.

Кривые, показанные на рис. 2, отражают общее искажение Характеристики однокаскадных усилителей звука класса А.Устройства все рабочие разомкнутая петля (без обратной связи) с точкой смещения, которая позволяет выходной размах. Кривые относятся к общей точке 3% (THD), независимо от фактических входных или выходных уровней. Поскольку целью этих сравнений является обнаруживать вариации наклонов характеристик искажения, ось x представляет собой шкалу относительного уровня, не зависящую от соображений импеданса цепи. Эти определенные кривые были выбраны из множества построенных как репрезентативные для различных семейства: кремниевые транзисторы, триоды и пентоды.Беглый взгляд показывает, что часто сведущее мнение, что лампы перегружаются мягче, чем транзисторы, очевидно миф.

Рис. 3. Сравнение суммарных гармонических искажений (THD) многокаскадного усилителя.

На рис. 3 показаны характеристики искажения для четырех различных коммерческих доступные предварительные усилители, использующие два или более каскада усиления. Все схемы используйте обратную связь, пара двухтактная. Каждый усилитель работает на 600 Ом. при усилении 40 дБ. Как и на предыдущих кривых, имеется общая точка отсчета 1% THD.Хотя эти кривые показывают заметное отличие от однокаскадных усилителей, обзор множества протестированных усилителей показывает, что наклоны всех THD кривые идут примерно одинаково. Отсутствие большого разброса между кривыми указывает на что графики THD не очень соответствуют тому, что слышит ухо в тестах на прослушивание.

Другая серия испытаний была проведена на той же группе предусилителей с использованием спектра анализатор для измерения амплитуды отдельных гармоник. Каждый усилитель управлялся 12 дБ при перегрузке, начиная с контрольной точки 1% искажения третьей гармоники.Каждая гармоника до седьмой была нанесена на график. Поскольку невозможно измерить относительная фаза гармоник на анализаторе спектра, осциллограммы перегрузки записывали для анализа Фурье на ЭВМ. Полученные графики разделил усилители на три отдельные категории.

1) Характеристики трубы

Рис. 4. Компоненты искажения для двухкаскадного триодного усилителя.

На рис. 4 показаны компоненты искажения для типичного двухкаскадного усилителя 12AY7.Эта конкретная конструкция вполне репрезентативна для нескольких однотактных, многокаскадных проверены ламповые усилители на триодах. Отличительной чертой является доминирование за второй гармоникой следует третья. Четвертая гармоника повышается на 3-4 дБ позже, параллельно третьему. Пятая, шестая и седьмая остаются ниже 5% до точки перегрузки 12 дБ. Эти кривые кажутся общей характеристикой всех протестированных триодных усилителей, будь то восьмеричные, миниатюрные, нувисторные, однотактные, или двухтактный.На рис. 5 представлена ​​форма сигнала при перегрузке 12 дБ. Отсечение несимметрично со смещенным рабочим циклом. Опять же, это характеристика всех триодных усилителей. проверено.

Рис. 5. Осциллограмма триодного усилителя рис. 4 при перегрузке 12 дБ. Тон 1000 Гц


Рис. 6. Компоненты искажения для двухкаскадного пентодного усилителя.

На рис. 6 показаны составляющие искажения для двухкаскадного однотактного пентода. усилитель звука. Здесь доминирует третья гармоника, а вторая нарастает примерно на 3 дБ позже. с таким же наклоном.И четвертый, и пятый выделяются, а шестой и седьмой остается менее 5%. Форма сигнала при перегрузке 12 дБ (рис. 7) аналогична триода, но его рабочий цикл не так сильно смещен. Не разумно предполагать что практически все ламповые усилители могут быть представлены этими двумя примерами. Однако, Главной характеристикой лампового усилителя является наличие сильного второго и третья гармоники, иногда совместно с четвертой и пятой, но всегда значительно больше по амплитуде. Гармоники выше пятой не имеют значения, пока перегрузка превышает 12 дБ.Эти характеристики, по-видимому, справедливы для широких вариаций в параметрах схемы. Крайним отличием ламповых усилителей является перестановка положения второй и третьей гармоник. Этот эффект характеристика не только пентода, но и триода.

Рис. 7. Осциллограмма пентодного усилителя рис. 6 при перегрузке 12 дБ, тон 1000 Гц.


Рис. 8. Компоненты искажения для многокаскадного транзисторного усилителя с конденсаторной связью.

2) Характеристики транзистора

Рис. 8 и 10 показаны характеристики два транзисторных усилителя. Как и на предыдущих рисунках, кривые репрезентативны. всех протестированных транзисторных усилителей. Отличительной чертой является сильная третья гармоническая составляющая. Все остальные гармоники присутствуют, но с гораздо меньшей амплитудой. чем третий. Когда перегрузка достигает точки разрыва, все высшие гармоники начинают подниматься одновременно. Эта точка, как правило, составляет 3-6 дБ от 1% трети. гармоническая точка.Осциллограммы этих усилителей (рис. 9 и 11) отчетливо прямоугольная форма волны с симметричным ограничением и почти идеальным рабочим циклом. Оба показанных усилителя имеют несимметричные входы и двухтактные выходы. Однако схемотехника кардинально отличается.

Рис. 9. Осциллограмма транзисторного усилителя рис. 8 при перегрузке 12 дБ, 1000 Гц тон.


Рис. 10. Компоненты искажения для многокаскадного транзистора с трансформаторной связью усилитель звука.


Рис. 11. Осциллограмма транзисторного усилителя рис. 10 при перегрузке 12 дБ, 1000 Гц тон.

3) Характеристики операционного усилителя

Рис. 12 представляет собой гибридный рабочий усилитель звука. Третья гармоника резко возрастает как доминирующий компонент искажения. по характеристике похож на транзистор. Также очень сильно растет от В одной точке находятся пятая и седьмая гармоники. Все четные гармоники подавляются полностью. Форма волны на рис.13 — это идеальная прямоугольная волна. Как классификация группы, операционные усилители имеют наиболее однородные характеристики с почти никаких отклонений от кривых, показанных в этом примере.

Рис. 12. Компоненты искажения для монолитного операционного усилителя с гибридным выходной каскад.


Рис. 13. Форма сигнала для операционного усилителя рис. 12 при перегрузке 12 дБ, 1000 Гц тон.

Ввиду нестационарного характера звуковых сигналов установившийся одночастотный анализ искажений может дать сомнительные результаты.Действительно, аргументы за и против синусоидальных и импульсных тестовых сигналов для тестирования аудиосистемы. предметом ряда инженерных статей [4], [7]. Однако для наших целей несколько минут игры с электронным синтезатором быстро доказали, что музыкальный приборы не производят быстрых импульсов. Например, хорошая имитация большого напольный том, используемый в тестах на прослушивание усилителя, представляет собой тон 100 Гц, модулированный время нарастания огибающей 5 мс и время спада 300 мс. Также обширное исследование тонов трубы [6] измерили время нарастания самых быстрых нот стаккато на уровне 12 РС.Конечно, времена нарастания этих порядков нельзя считать импульсами для звука. усилители с полосой пропускания до 20 кГц или выше. Просто для дальнейшего доказательства правильность предыдущих установившихся результатов, синтезированный сигнал напольного тома использовался для тестирования тех же усилителей на том же уровне, что и микрофонный сигнал.

Рис. 14. а. Огибающая тестового сигнала напольного тома, генерируемого Moog. б. Ограничение огибающей переходных сигналов усилителем идентично к одночастотным уровням ограничения.

Внимательное наблюдение за усиленным сигналом показало, что отсечение огибающей был идентичен стационарному уровню отсечения (рис. 14). глюков не было или другие быстрые переходные явления в выходном сигнале.

ЗНАЧЕНИЕ МУЗЫКАЛЬНЫХ ГАРМОНИК

Разделив усилители на три группы характеристик искажения, следующий шаг состоит в том, чтобы определить, как гармоники связаны со слухом. Есть близкая параллель здесь между электронным искажением и окраской музыкального тона, что является реальным ключ к тому, почему лампы и транзисторы звучат по-разному.Пожалуй, самый знающий авторитетами в этой области являются мастера, изготавливающие органы и музыкальные инструменты. [8], [9]. Благодаря многолетним тщательным экспериментам эти мастера определили как различные гармоники связаны с окраской тонального качества инструмента.

Основная цветовая характеристика инструмента определяется силой нескольких первых гармоник. Каждая из низших гармоник дает свою характеристику эффект, когда он является доминирующим, или он может изменить эффект другой доминирующей гармоники если он заметный.В простейшей классификации низшие гармоники делятся на две тональные группы. Нечетные гармоники (третья и пятая) производят «остановленный» или «закрытый» звук. Четные гармоники (вторая, четвертая и шестая) производят «хоровые» звуки. или «поющие» звуки.

Вторая и третья гармоники являются наиболее важными из точки зрения графиков электронных искажений в предыдущем разделе. Музыкально второй на октаву выше основного тона и почти не слышен; но это добавляет тело к звуку, делая его более полным.Третий называется квинтой или музыкальной двенадцатой. Он производит звук, который многие музыканты называют «одеялом». Вместо того, чтобы сделать более полный тон, сильная терция придает звуку металлический оттенок, раздражающий характер по мере увеличения его амплитуды. Сильная секунда с сильным третья склонна к открытому «прикрытому» эффекту. Добавление четвертого и пятого к этим изменениям звук похож на «открытый рог».

Высшие гармоники, выше седьмой, придайте тон «острие» или «укус».» При условии, что ребро сбалансировано с основным музыкальным тон, он имеет тенденцию усиливать основной тон, придавая звуку острую атаку. Многие краевые гармоники являются музыкально не связанными нотами, например, седьмая, девятый и одиннадцатый. Таким образом, слишком сильный край может привести к хриплому диссонансу. Так как ухо кажется очень чувствительным к краевым гармоникам, контролируя их амплитуду имеет первостепенное значение. Упомянутое ранее исследование тона трубы [6] показывает, что краевой эффект напрямую связан с громкостью тона.Игра одна и та же трубная нота, громкая или тихая, мало что меняет в амплитуде звука. основная и низшие гармоники. Однако гармоники выше шестой увеличиваются. и уменьшение амплитуды почти прямо пропорционально громкости. Этот край Баланс является критически важным сигналом громкости для человеческого уха.


(Нажмите здесь, чтобы продолжить чтение эту статью)
Назад к «Большой Идее»

(PDF) Исследование параметров, влияющих на полные гармонические искажения в низковольтных усилителях малой мощности класса D50, НЕТ. 10, ОКТЯБРЬ 2003

После применения масштабного коэффициента

соответствующие нормализованные выражения для экспоненциальной несущей переднего фронта и линеаризованной экспоненциальной несущей переднего фронта

равны

11

(A.3)

— —

(A.4)

Этап 2 — Преобразование синусоидального модулирующего сигнала,

, в преобразованный модулирующий сигнал, 1-11

D

опережающий процесс ШИМ во временной области преобразуется в

2-D

– область

(A.5)

Нормализованный переносной экспоненциальный счетчик, выраженный в виде функции

, составляет

(A.6)

, поскольку передовой экспоненциальный счетчик

Inter-

секты синусоидальный модулирующий сигнал

(A.7)

где

Поскольку линеаризованная передняя экспоненциальная несущая

пересекает преобразованный модулирующий сигнал

— 0 в точках дискретизации, фронт

экспоненциальной несущей и исходный модулирующий сигнал,

преобразованный модулирующий сигнал для модулированных по переднему фронту

ШИМ равен

— —

(A.8)

R

EFERENCES

[1] Дж. С. Чанг, М. Т. Тан, З. Ченг и Ю. К. Тонг, «Анализ и разработка

энергоэффективных выходных каскадов усилителей класса D», IEEETrans. Цепи

Сист. я, том. 47, стр. 897–902, июнь 2000 г.

[2] JC Candy и GC Temes, Oversampling Delta-Sigma Data Con-

verters: Theory, Design and Simulation. Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Press,

1992.

[3] T. Takagishi, «Аудиоусилитель класса D», U.S. Patent 6420930, 2002.

[4] MC Killion, «Усилитель для слуховых аппаратов класса D», патент США 4689819,

, 1987.

[5] HA Gurcan, «Выходной усилитель для слуховых аппаратов BiCMOS класса D, ” US

Patent 5 247581, 1993.

[6] MT Tan, JS Chang, and YC Tong, «Независимый от процесса и температуры инвертор-компаратор для приложений широтно-импульсной модуляции», Analog Интегр. Схемы обработки сигналов, том. 27, нет. 1/2, стр.

95–107, 2001.

[7] О. Андерссон, «Усилитель слухового аппарата класса D с обратной связью», патент США

5 815581, 1998 г.

[8] Texas Instruments. (2001) TPA2001D1 — 1 Вт без фильтра

монофонический усилитель мощности класса D. [Онлайн]. Доступно:

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tpa2001d1.html

[9] H. S. Black, Modulation Theory. Принстон, Нью-Джерси: Ван Ностранд, 1953,

, стр. 263–281.

[10] BE Attwood, «Конструктивные параметры, важные для оптимизации аудиоусилителей

с ШИМ (класса D) очень высокой точности», J.AudioEng.Soc.,

vol. 31, нет. 11, pp. 842–853, 1983.

[11] MT Tan, HC Chua, BH Gwee, and JS Chang, «Исследование

параметров, влияющих на общее гармоническое искажение в усилителях класса D, ” в проц. Международный IEEE. Симп. Схемы и системы, том. IV, Женева,

, Швейцария, май 2000 г., стр. 193–196.

[12] Р. Э. Хайорнс и М. Б. Сандлер, «Цифро-аналоговое преобразование мощности

с использованием широтно-импульсной модуляции и цифровой обработки сигналов», Proc.Инст.

Избранный. англ. -Г, т. 140, нет. 5, pp. 329–338, 1993.

[13] M. Mirkazemi-Moud, B.W. Уильямс и Т. К. Грин, «Новый метод моделирования для анализа цифровой асинхронной широтно-импульсной модуляции», IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 30, стр. 1284–1289, сентябрь/октябрь.

1994.

[14] Knowles Electronics. (2001) Слуховые аппараты серий CL и EP

приемник. [Онлайн]. Доступно: http://www.knowlesinc.com/KN-

elec/KNrec/index.htm

[15] Дж. Д. Филипс и Р. Филип, Методы численного интегрирования, 2-е изд.

. Орландо, Флорида: Academic, 1984.

Мэн Тонг Тан получил степень бакалавра технических наук. и M.Eng.

степени Наньянского технологического университета

(NTU), Сингапур в 1995 и 1998 годах, соответственно,

, где он работает над получением докторской степени. степень по специальности

электротехника и электроника.

С 2001 по 2002 год он был старшим инженером в

Multitech Products Pvt.Ltd — высокотехнологичная дочерняя компания

НТУ, специализирующаяся на электроакустике.

С 2003 года он работает в Центре спутниковой инженерии

НТУ в качестве научного сотрудника.

Его исследовательские интересы включают очень крупномасштабное проектирование интеграции

, усилители класса D, схемы аналоговой и цифровой обработки сигналов

, биомедицинскую инженерию и исследования слуховых аппаратов (слуховых аппаратов).

Джозеф С. Чанг получил степень бакалавра технических наук.в области электротехники

и инженерии компьютерных систем Университета Монаша

, Мельбурн, Австралия, в 1983 году, и доктора философии

. степень в области отоларингологии, Университет

Мельбурн, Мельбурн, Австралия в 1990 году. Старший научный сотрудник

Научный сотрудник/инженер Центра человеческих коммуникаций

Исследовательского центра Мельбурнского университета.Он

, в настоящее время доцент Наньянского технологического университета

, Сингапур. Он также является соучредителем и директором

компании Multitech Products Pvt. Ltd, компания, специализирующаяся на электроакустике. Его

исследовательские интересы включают аналоговую и цифровую обработку сигналов, очень крупномасштабное проектирование интеграции

, восприятие речи, биомедицинскую инженерию и исследования слуховых аппаратов (слуховых аппаратов). Он имеет несколько патентов и имеет несколько заявленных патентов

в области схемотехники.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.