Искажения в усилителях
При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения.
Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят.
Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками.
Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на графике рис.1. Предположим, что на вход усилителя подан испытательный сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом.
Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальное напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе.
Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник)
где 
— сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления;
— электрическая мощность первой гармоники.
В тех случаях, когда сопротивление нагрузки имеет одну и ту же величину для всех гармонических составляющих усиленного сигнала, коэффициент гармоник определяется по формуле
/>,
где — 
и т.д. – действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник тока на выходе;
и т.д. действующие или амплитудные значения гармоник выходного напряжения.
Коэффициент гармоник обычно выражают в процентах, поэтому найденное по формулам значение 
следует умножить на 100. Общая величина нелинейных искажений, возникающих на выходе усилителя и созданных отдельными каскадами этого усилителя, определяется по приближенной формуле:
где — 
нелинейные искажения вносимые каждым каскадом усилителя.
Допустимая величина коэффициента гармоник всецело зависит от назначения усилителя. В усилителях контрольно-измерительной аппаратуры допустимое значение коэффициента гармоник 
составляет десятые доли процента.
Частотные называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.д.
Зависимость величины реактивного сопротивления от частоты не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей собой зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.
Для примера на рис. 2 показана амплитудно-частотная характеристика УНЧ.
Рис. 2. Амплитудно-частотная Рис. 3. Фазочастотная характеристика
характеристика УНЧ. усилителя.
При построении амплитудно-частотных характеристик частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе. Для каждой частоты фактически по оси откладывается величина lgf, а подписывается значение частоты.
Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на данной частоте 
Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот fн и fв. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны
,
где Кн и Кв – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона.
Для усилителей низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая линия (линия АВ на рис. 2).
где Кн и Кв — соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Из определения коэффициента частотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал, а если М < 1, — то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).
Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов
М = М1 М2 М3. ..Мn.
Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного. Коэффициент частотных искажений, так же как и коэффициент усиления, удобно выражать в децибелах:
МДБ = 20lgМ.
В случае многокаскадного усилителя
МДБ = М1ДБ + М2ДБ + М3ДБ +…+ МnДБ
Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Для усилителей контрольно-измерительной аппаратуры, например, допустимые искажения определяются требуемой точностью измерения и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.
Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искажениями. При этом под фазовыми искажениями обычно подразумевают лишь сдвиги, создаваемые реактивными элементами усилителя, а поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается.
Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график зависимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты рис. 3. Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая, начинающаяся в начале координат – пунктирная линия на рис. 3. Фазочастотная характеристика реального усилителя имеет вид, показанный на рис. 3. сплошной линией.
Введение
Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.
Лампы, бескислородная медь и прочее
Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.
Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.
реклама
Факторы, влияющие на качество звучания
Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.
Хотите естественного звучания? Есть только один способ — сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.
Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения
Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.
В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.
Искажение сигнала в усилителе
Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.
Как читать и понимать технические характеристики усилителей?
Продолжаем изучать что же скрывается за цифрами в таблице технических характеристик компонентов вашей аудиосистемы. В прошлый раз мы говорили об акустических системах, сегодня подошла очередь усилителей. Во многом, параметры их работы имеют схожие названия, но суть при этом зачастую отличается.
Как и для акустических систем, здесь тоже справедливо наблюдение, что ТТХ никак не определяют характер звучания усилителя. Однако, в этом классе аудиотехники меняется подход – если акустика во многом определяет «голос» системы, то идеальный усилитель должен отсутствовать в тракте. Другими словами, его влияния в идеале (которого не достичь) слышно быть не должно, а задача усилителя – в максимальной мере раскрыть потенциал акустики. И способность стать для колонок оптимальным партнером вполне можно оценить по техническим параметрам модели, сокращая перечень кандидатов и экономя время на прослушивание заведомо не слишком совместимых пар усилителей и акустических систем.
Рабочий частотный диапазон или диапазон воспроизводимых частот
Немецкий стандарт DIN 45500, принятый в далеком 1974 году и определивший группу критериев соответствия аудиотехники классу Hi-Fi (High Fidelity), декларирует, что рабочий частотный диапазон усилителя должен простираться как минимум от 20 Гц до 20 кГц. При этом, как и в случае акустических систем, нужно помнить о том, что сами по себе границы этого диапазона ни о чем не говорят – они становятся информативными только будучи дополнены условиями измерения.
Рабочий частотный диапазон определяется как граничные частоты, в пределах которых неравномерность амплитудно-частотной характеристики остается в определенном «коридоре». Для абсолютно горизонтальной АЧХ ширина этого коридора будет 0 дБ, поскольку неравномерность характеристики в этом случае отсутствует. Но усилителей с такой АЧХ в жизни не встречается, потому при измерениях реальных аппаратов задаются некие допуски неравномерности и фиксируются нарушения этих допусков. Понятно, что чем шире коридор (грубее допуски), тем более протяженным будет рабочий частотный диапазон. И здесь главное – в погоне за красивыми цифрами не дезавуировать сам показатель. Другими словами, рабочий частотный диапазон усилителя, определенный, к примеру, по уровню -10 дБ будет скорее всего очень красиво выглядеть, но окажется совершенно бесполезным, ибо звук определенной частоты с уровнем -10 дБ относительно общего потока звуковой информации вы скорее всего просто не услышите.
Чаще всего частотный диапазон определяют по уровню -3 дБ, но порой применяют и более строгие условия. При этом, к примеру, усилитель может демонстрировать рабочий диапазон от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью +/- 0,1 дБ, а при расширении коридора до +/- 3 дБ частотный диапазон у него окажется от 10 Гц до 100 кГц. Для современного транзисторного усилителя это вполне достижимые показатели.
В связи с этим, отметим два момента. Во-первых, значение какого-либо параметра для системы в целом определяется самым «узким местом» – компонентом с наихудшим значением этого параметра. Для аудиосистемы по большинству параметров таким звеном будут колонки, для которых, к примеру, рабочий диапазон от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью +/- 0,1 дБ практически недостижим. Во-вторых, если включить в рассмотрение (в состав системы) и ваш слуховой аппарат, то, возможно, узким местом окажется именно он – с возрастом острота слуха снижается, особенно в высокочастотной области. В итоге, говоря о рабочем частотном диапазоне усилителя, нужно лишь следить, чтобы этот диапазон с запасом перекрывал возможности акустических систем, с которыми он работает, а в рабочем частотном диапазоне акустики демонстрировал минимальную неравномерность АЧХ.
Отношение сигнал/шум
Если лишить усилитель полезного сигнала, выключив все источники, то поставив регулятор громкости на максимум и внимательно прислушавшись можно услышать в колонках слабый шум (слабый – если, конечно, ваш усилитель исправен). Это паразитный шум вашего усилителя, вызванный как внешними электромагнитными наводками на электронные компоненты схемы, так и собственными шумами этих компонентов, которые могут возникать по самым разным причинам, к примеру, по мере повышения их температуры.
Отношение мощности полезного гармонического сигнала к уровню собственного шума усилителя и называется отношением сигнал/шум (S/N ratio) и измеряется в дБ. У современных транзисторных усилителей этот параметр порой переваливает за 100 дБ. Помня о том, что оценка уровней сигналов в дБ использует логарифмическую, а не линейную шкалу, получаем, что собственные шумы усилителя более чем в десять миллиардов раз тише, чем уровень полезного сигнала. Иначе говоря, этим шумом можно просто пренебречь, и разницу «шумности» двух усилителей с отношением сигнал/шум, к примеру, 85 дБ и 120 дБ на слух вы вряд ли сможете определить.
Коэффициент гармонических искажений
Задача усилителя в точности повторить форму входного сигнала на выходе, но с большей амплитудой. Но это в теории. А на практике для усиления применяют активные элементы, характеристики которых далеки от линейных, и которые, вне зависимости от нашего желания, искажают исходный сигнал. К синусоиде на входе добавляются гармоники с кратной частоте полезного сигнала частотой. И пусть их амплитуда в сравнении с полезным сигналом мала, но, тем не менее, они вызывают изменения исходной формы, то есть, вносят искажения.
Отношение суммарного уровня дополнительных гармоник к уровню полезного сигнала называют коэффициентом гармонических искажений (THD – Total Harmonic Distortion). В большинстве случаев измерения этого параметра проводят на частоте 1 кГц либо при половинной мощности усилителя, либо при максимальной. Для современных транзисторных усилителей этот параметр составляет доли процента, а уловить на слух разницу в звучании усилителя с КНИ 0,05% и 0,005% получится только у «золотого уха». Остается добавить, что на границах рабочего диапазона, то есть, в области самых низких и самых высоких частот, этот показатель растет.
Коэффициент интермодуляционных искажений
Но не так страшны гармонические искажения, как иные их виды. Гармоники сопровождают прослушивание музыки всегда, даже когда мы наслаждаемся живой музыкой – звучание основного тона музыкального инструмента обычно сопровождают гармоники более высокого порядка – обертоны. Причем, их присутствие не только не портит впечатление, а обогащает звучание. На субъективное восприятие влияет уровень этих гармоник и их порядок – чётные или нечётные. В результате исследований в области психоакустики выяснилось, что чётные гармоники даже заметного уровня на слух воспринимаются лучше, чем нечётные существенно меньшей интенсивности.
Но куда сильнее звучание портят интермодуляционные искажения (IMD – Inter Modulation Distortion), которые возникают при усилении мультитонового музыкального сигнала, когда на выходе усилителя появляются паразитные составляющие с частотами, являющимися суммой или разностью частот спектра входного сигнала, а также суммой или разностью частот гармоник полезного сигнала, попадающих на вход усилителя через обратную связь. Их «заметность» на слух определяется тем, что подобные искажения никак не коррелируют с основными тонами музыкального сигнала.
Разделение между каналами
Для многоканальных усилителей, к которым относятся и стереофонические компоненты, одним из важных параметров является разделение каналов (Channel separation), характеризующий степень проникновения сигнала из одного канала в другой. При этом, наведенный в соседний канал сигнал по сути является паразитным, потому этот показатель часто называют перекрестными помехами.
Отношение наведенного из соседнего канала сигнала к полезному измеряется в дБ – чем этот параметр хуже (меньше), тем сложнее усилителю сформировать объемную стереокартину. Если говорить о зависимости этого параметра от частоты сигнала, то в большинстве случаев с ростом частоты разделение каналов ухудшается. Другими словами, проблема наиболее сильно проявляется в области ВЧ.
Коэффициент демпфирования
Тем временем, мы приближаемся к наиболее значимым характеристикам усилителей аудиосигнала. Коэффициент демпфирования (иногда его называют демпинг-фактор) характеризует способность усилителя бороться с паразитными напряжениями, возникающими в результате инерционных перемещений звуковой катушки в магнитном поле в динамических головках колонок. Несмотря на усилия разработчиков динамиков, создать невесомый (а значит лишенный инерции), но достаточно прочный диффузор невозможно, потому, как следствие, диффузор будет совершать колебания, не связанные с воспроизведением полезного сигнала – по инерции.
Коэффициент демпфирования характеризует отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Чем этот показатель больше, а выходное сопротивление усилителя ниже, тем эффективнее аппарат сможет компенсировать такие паразитные колебания. Выбирая усилитель, достаточным можно считать значение коэффициента демпфирования более 100 единиц. Если этот параметр превышает 300, то вероятность, что эта модель сможет укротить самые тугие колонки, возрастает. У усилителей топового уровня коэффициент демпфирования измеряется тысячами единиц.
Мощность
Наконец, мы подошли к главному – группе параметров, которые описывают эффективность выполнения основной задачи усилителя – собственно, усиления сигнала. Эта способность характеризуется мощностью, измеряемой в Ваттах. А вот способов измерения мощности может быть множество, каждый из которых даст свой результат, который может весьма значительно отличаться от других. И «польза» от этих параметров будет тоже весьма разной.
Номинальная мощность
Мощность усилителя, до достижения которой нелинейные искажения не превышают заданного порога, называется номинальной. При этом, в качестве такого порога обычно выбирают значение, при котором ухо не различает искажений – чаще всего это доли процента. Показатель измеряется при подаче на вход синусоидального сигнала частотой 1 кГц, когда усилитель работает с нагрузкой с определенным сопротивлением – чаще всего 4 или 8 Ом.
Среди особенностей этого показателя, которые необходимо учитывать при оценке, отметим тот факт, что реальный музыкальный сигнал весьма далек от тестового – к примеру, он несет целый частотный спектр, а, как известно, сопротивление акустической системы зависит от частоты сигнала, подаваемого на неё. На каких-то частотах сопротивление может оказаться существенно ниже номинального, и как поведет себя усилитель в этой ситуации этот параметр не подскажет. Второй момент – зависимость КНИ от выходной мощности чаще всего довольно сложна. К примеру, для усилителей, работающих в классе AB, нелинейные искажения на низкой мощности могут быть выше, чем при работе на номинальной. А с учётом того, что основное количество музыкальной информации статистически воспроизводится на низких уровнях мощности, реальные искажения при прослушивании музыки оказываются выше порога, установленного при измерении номинальной мощности.
Максимальная мощность
Выходная мощность усилителя без оглядки на уровень нелинейных искажений называется максимальной. Критерием здесь выступает не уровень КНИ, а способность усилителя работать на такой мощности продолжительное время – то есть, сохраняя работоспособность. Что может подсказать полезного любителю музыки этот параметр не очень понятно.
Для моделей иностранного производства, преобладающих в наших системах, используют иные технические показатели мощности, впрочем, разница там в основном лишь в названиях.
DIN Power
DIN Power очень близкий по сути параметр к номинальной мощности – это мощность, развиваемая усилителем при работе на нормированную нагрузку с нелинейными искажениями, не превышающими заданного уровня. Измерения этого показателя проводят в течение 10 минут синусоидальным сигналом частотой 1 кГц при пороге коэффициента нелинейных искажений 1%. Второй вариант этого параметра – IHF Power, для измерения которой искажения ограничивают на уровне 0,1%. И, наконец, третьей вариацией этого параметра стала DIN Music Power, для измерения которой используют не синусоидальный сигнал, а музыкальный, характеризуемый конкретной полосой частот. Например – 100 W (4 Ω, 20 – 20000 Hz, THD 0,1%).
RMS Power
Среднеквадратичное значение мощности при нелинейных искажениях, не превышающих определенного порога, называют Root Mean Squared (RMS) Power. Измеряется этот показатель на синусоидальном сигнале частотой 1 кГц с порогом КНИ составляющем 10%. Данный параметр имеет корни в электротехнике, и для аудио особой информационной ценности не имеет, поскольку наше ухо фиксирует амплитудные значения сигнала, а не среднеквадратичные, и какие-либо усреднения для слуха вряд ли можно применять.
Показатель Peak Music Power Output (PMPO) по смыслу повторяет максимальную мощность усилителя, за исключением того, что здесь речь идет о пиковом значении мощности – то есть, мощности, достигаемой на очень небольшом промежутке времени, как правило не превышающем 10 миллисекунд (для максимальной мощности речь шла о работе в течение длительного времени). Потому, когда на пластмассовом бочонке длиной метр мы видим наклейку PMPO 1000 Вт обольщаться не стоит – номинальная мощность усилителя такого бумбокса редко превышает 10 Ватт.
А что ещё?
Прочие параметры, которые можно встретить в таблицах ТТХ, сопровождающих усилители, обычно не нуждаются в пояснениях – потребляемая мощность, размеры корпуса и вес, цвет и используемые материалы отделки говорят сами за себя. И именно эти параметры наиболее «близки» для понимания и ценны для анализа. Единственный комментарий в их отношении – если выходные каскады усилителя работают в классе А или АВ, а его вес не впечатляет воображение – это повод усомниться в его способностях, ибо физику не обманешь, и такому усилителю, имеющему сравнительно низкий КПД, нужен мощный блок питания и эффективная система охлаждения, а это, прежде всего, отражается на весе устройства. Аналогично обстоит дело с потребляемой мощностью, по которой можно оценить способность блока питания усилителя обеспечить необходимые пиковые нагрузки.
Искажения сигналов в усилителях электрических сигналов
Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.
Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:
Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.
Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.
Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.
Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М, который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах КСР к его значению данной частоте
Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением
где n–количество каскадов;
М1, М2 … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.
Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)
Тогда для многокаскадного усилителя
Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).
Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.
Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.
АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах
или в логарифмических единицах Y = –20 1gM[дБ], а по горизонтальной оси – частота.
Область Область Область
нижних средних верхних
частот частот частот
Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:
а) идеальная; б) реальная
Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.
Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.
Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.
При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).
Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.
Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ 0 реальной характеристики от идеальной.
Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения
UВХ 1-я гармоника UВХ 1-я гармоника
2-я гармоника 2-я гармоника
UВЫХ 1-я гармоника UВЫХ 1-я гармоника
2-я гармоника 2-я гармоника
Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала
отдельных гармоник сигнала усилительным элементом
Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:
а) идеальная; б) реальная
Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.
В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов
Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.
Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.
Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.
В начале импульса (рис. 2.9б) происходит быстрое нарастание напряжения до амплитудного значения Um. В течение некоторого времени напряжение сравнительно медленно уменьшается на величину ΔUC, затем быстро падает. Можно выделить три части реального прямоугольного импульса: фронт, вершину (плоская часть) и спад. Кроме того, вследствие переходных процессов в конце фронта и спада импульса может возникнуть выброс напряжения или тока. После выброса наблюдаются затухающие паразитные колебания.
Рис. 2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении
а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс
Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:
tф – длительность фронта,
Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1Um. Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1Um достигнет уровня 0,9Um.
Длительность импульса tИ определяется на уровне 0,1Um (0,1Іm ) или на уровне 0,5 Um (0,5Іm).Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса tИ. Величина спада вершины импульса определяется выражением
При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.
Величина выброса фронта определяется выражением
Эта величина также не должна превышать 3–5%.
Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:
где n – количество каскадов усилителя.
Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.
Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.
Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.
Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.
Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала
Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока
Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении
Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник
В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник
Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов
где КГ1, КГ2,…КГn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.
Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса КГ не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.
Выводы по 2-му вопросу:
1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.
2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.
3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:
– радиопередающих устройств (РПДУ),
– радиоприемных устройств (РПУ),
– устройств обработки сигнала.
4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.
5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:
– источник входного сигнала,
6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.
7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.
8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.
Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.
Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: