Как снять ачх усилителя

30

Оборудование для снятия АЧХ для новичков и прогрессирующих 🙂

Всем привет! Так случилось, что, в свое время, достаточно не легко было понять, как снимать АЧХ и ФЧХ… Какое железо и софт нужны… Пообщавшись с начинающими энтузиастами автозвука, понял, что данный вопрос весьма актуален для многих начинающих и по сей день.

Итак, для новичков:

Самый простой вариант снятия АЧХ. Понадобится телефон или планшет от компании Apple и программа RTA Audio или Mobile tools. Измерения не идеальные, но очень близкие к правде 🙂 Для быстрой первоначальной настройки большего и не надо. С телефонами на Андройд такой номер не прокатит, т. к. их микрофоны не стандартизированы.
Есть неплохое видео на эту тему

Для прогрессирующих (АЧХ + ФЧХ):

Тут уже замороченней, т. к. потребуется куча всяких «штучек». А самое главное, надо их как то подключать и где-то как-то крепить микрофон. Рассказываю на примере своего «набора»

Карточка довольно неплохая, питание от usb. Балансные входы + фантомное питание. Дома, с активными компьютерными колонками Jetbalance смогла меня очень приятно удивить.

6. Кабель аудио 1xMini Jack — 2xRCA — по нему пойдет сигнал в aux

Как крепится микрофон

Позиция для наглядности. В ‘боевом’ положении микрофон сдвинут вниз и вперед и находится над головой водителя боевое положение боевое положение боевое положение

Как подключается референсная обратка к звуковухе (в первый вход соответственно микрофон)

Вот в общем то и весь набор железок. А вот что с этим дальше делать гораздо лучше расскажет Александр Мартьянов martyanov 🙂

Записки программиста

Измеряем параметры усилителей с помощью анализатора спектра и генератора сигналов

28 декабря 2020

Такие свойства усилителей, как потребляемый ток, АЧХ и входной / выходной импеданс достаточно легко измерить. Нас также может интересовать, что будет с усилителем при работе с высоким КСВ. Как это проверить, тоже понятно. Однако есть и другие, не менее важные, параметры. В частности, это коэффициент шума, нелинейные искажения, компрессия усиления и интермодуляционные искажения. Сегодня мы разберемся, что означают все эти параметры и как их определить для данного усилителя.

Идеальный усилитель имеет на выходе точную копию входного сигнала, только большей амплитуды. Реальные усилители так не работают. Названные выше параметры говорят нам о том, насколько усилитель отличается от идеала. Измерять будем усилитель, ранее описанный в заметке Высокочастотные усилители с обратной связью.

Коэффициент шума

Любой усилитель добавляет к сигналу шум, которого раньше в сигнале не было. Причина заключается в тепловом шуме компонентов усилителя. Величина, определяющая, как много шума добавляет усилитель, называется коэффициент шума (noise figure). Есть несколько способов измерения коэффициента шума. Наиболее популярным является Y-factor method, которым мы и воспользуемся.

Нам понадобится хороший генератор белого шума. То есть, АЧХ шума должна быть очень гладкой в широкой полосе частот. Сделанный нами ранее генератор такой АЧХ не обладает и потому не подходит. Rigol DG4162 генерирует хороший белый шум на частотах до

150 МГц, поэтому подходит для задачи. Также нам понадобится анализатор спектра. Для получения точных результатов даем ему время прогреться и выполняем калибровку.

Первым делом необходимо определить excess noise ratio (ENR) нашего источника шума. ENR — это уровень шума источника относительно уровня теплового шума. Уровень теплового шума может быть вычислен по формуле:

… где B — это полоса приемника. Так для полосы 10 кГц получаем -134 dBm.

В анализаторе спектра ставим Center Frequency 14 МГц, Span 100 кГц, RBW 10 кГц. Важно, чтобы RBW был таким же, как выбранная ранее полоса приемника. Для увеличения динамического диапазона выключаем встроенный аттенюатор и включаем предусилитель. Используем Power Avg трейс с Avg Times равным 64. В генераторе выбираем амплитуду шума, например, -60 dBm. На анализаторе спектра видим трейс с уровнем -102 dBm. Отсюда ENR равен 134−102 = 32 dBm.

Переключаем трейс в режим Clear Write. Отключаем генератор шума и подключаем усилитель. Ко входу усилителя пока ничего не подключаем. Подаем на усилитель питание. Должны увидеть, что уровень шума на анализаторе спектра вырос. Если это не так, то мы измеряем коэффициент шума анализатора спектра, а не усилителя! Чтобы метод работал, требуется анализатор спектра или приемник с чувствительностью по крайней мере -134 dBm (для полосы 10 кГц) + усиление DUT на 14 МГц. Последнее составляет

17 dB, поэтому чувствительность нужна не менее -117 dBm. При использованных настройках Rigol DSA815-TG показывает уровень шума -123 dBm, поэтому условие выполняется.

Теперь делается два измерения в режиме Power Avg — уровень шума на анализаторе спектра, когда к усилителю ничего не подключено, и когда подключен генератор шума. Получаем -113.4 dBm и -84.3 dBm соответственно. Отсюда мы можем вычислить коэффициент шума:

Коэффициент шума зависит от частоты. Так на частоте 21 МГц этот же генератор имеет коэффициент шума 1.9 dB. Также результат будет разным в зависимости от температуры в помещении — тепловой шум, как ни странно, зависит от температуры. Стандартной температурой для измерения коэффициента шума является 290°K или 16.85°C. Впрочем, в радиолюбительском деле такая точность обычно не требуется. Любая температура в комнате от 16°C до 27°C сгодится, лишь бы она не сильно менялась в процессе измерений.

Если нет подходящего генератора шума, то коэффициент шума может быть примерно измерен, как уровень шума, который мы видим от усилителя, к которому ничего не подключено (-113.4 dBm), минус уровень теплового шума (-134 dBm) минус усиление на данной частоте (16.7 dB). Для частоты 14 МГц получаем 3.9 dB. Значение больше полученного ранее, потому что на самом деле мы измерили коэффициент шума усилителя вместе с коэффициентом шума анализатора спектра. В качестве упражнения предлагаю вам вычислить последний. Будьте внимательны — децибелы нужно будет перевести в разы, а потом обратно.

Компрессия усиления

Реальные усилители, в отличие от идеальных, имеют ограничение на допустимый уровень входного сигнала. Постепенно увеличивая входной сигнал, мы заметим, что с определенного уровня усиление начинает падать. Это называется компрессия усиления, или сжатие усиления (gain compression). Уровень выходного сигнала, при котором усиление уменьшается на 1 dB, называется точкой компрессии (1 dB compression point, P1db). Иногда различают точки компрессии по входу и по выходу.

Изучим поведение нашего усилителя на частоте 14 МГц:

Здесь точка компрессии пришлась примерно на 13.9 dBm. Соответственно, точка компрессии по входу попала на -1.8 dBm. В общем случае точка компрессии является функцией от частоты. Она также может зависеть от напряжения питания и других параметров.

Нелинейные искажения

Помимо усиленной копии входного сигнала любой усилитель выдает и гармоники этого сигнала. Это называется нелинейными искажениями (harmonic distortion).

Допустим, мы подаем на усилитель сигнал с частотой 14 МГц и уровнем -10 dBm. Вот, что покажет анализатор спектра:

Уровень гармоник обычно измеряется относительно уровня основного сигнала (decibels relative to the carrier, dBc). Например, здесь вторая гармоника имеет уровень −22.43 − 6.68 = −29.11 dBc.

Нелинейные искажения также можно описать при помощи коэффициента нелинейный искажений (total harmonic distortion). THD может быть вычислен по формуле:

Для нашего случая:

… имеем THD 3.6%. Если анализатор спектра показывает много гармоник, то для вычисления THD можно взять первые 5-7 штук. Более высокие гармоники обычно имеют небольшой вклад в окончательное значение THD. Как несложно догадаться, можно получить разный THD в зависимости от частоты входного сигнала и его уровня.

Интермодуляционные искажения

Интермодуляционные искажения, ИМИ (intermodulation distortion, IMD) уже знакомы нам по статье Подключаем FT-891 к осциллографу и анализатору спектра. Напомню, в чем суть. Когда вы подаете два сигнала («тона») с частотами f1 и f2 на вход идеального усилителя, то на выходе получаете два усиленных сигнала, и больше ничего. Однако с реальным усилителем вы получете и сигналы, которых на входе не было. Это интермодуляционные продукты.

Обычно рассматривают продукты третьего порядка, которые приходятся на частоты 2*f1−f2 и 2*f2−f1, а также продукты второго порядка, которые приходятся на f1+f2 и f1−f2. Притом, наибольший интерес представляют продукты третьего порядка. Дело в том, что они находятся близко к f1 и f2, и потому их не представляется возможным отфильтровать. Продукты второго порядка отфильтровать обычно можно.

Важно! Интермодуляционные искажения являются одной из причин возникновения в приемниках пораженных частот (spurious signals, birdies).

Для получения двух тонов воспользуемся генератором сигналов, а также КСВ-мостом в режиме сумматора 6 дБ. Само собой разумеется, сумматор 3 дБ справится с задачей ничем не хуже. Просто КСВ-мост постоянно лежит у меня под рукой в коробке с BNC-адаптерами, а за сумматором нужно вставать из-за стола. Поэтому мне удобнее использовать КСВ-мост по его второму назначению.

Сгенерируем два тона с уровнем -9 dBm на частотах 14.0 МГц и 14.2 МГц. Выходит, что уровень каждого тона на входе усилителя будет -15 dBm минус вносимые потери сумматора, минус потери в кабелях. Абсолютные значения нам знать не нужно. Главное, чтобы не было компрессии усиления. Подаем два тона на усилитель и на анализаторе спектра видим следующее:

Продукты интермодуляции приходятся на частоты 13.8 и 14.4 МГц, как и ожидалось. Можно также проверить характерное поведение продуктов третьего порядка. Увеличение входного сигнала на 1 dB должно увеличивать уровень продуктов на 3 dB.

Интермодуляционные искажения характеризуются с помощью величины, называемой точкой пересечения третьего порядка (third-order intercept point), она же TOI или IP3. Эта величина может быть вычислена из выражения:

… где Pout — это уровень тонов на выходе усилителя, а IMDR означает IMD ratio, разница в dB между уровнем тонов и уровнем продуктов интермодуляции. Для нашего случая:

Точка пересечения третьего порядка пришлась на 23.75 dBm. Из приведенных выше формул мы сразу понимаем практическую ценность IP3. Если мы знаем IP3 и уровень выходного (или входного) сигнала, то автоматически знаем и IMDR. Иногда различают точку пересечения третьего порядка по входу (IIP3) и по выходу (OIP3). Они различаются на усиление DUT.

Может возникнуть закономерный вопрос — почему точка пересечения третьего порядка называется «точкой»? Это становится понятно, если посмотреть на следующий график:

Здесь синий график — это уровень выходного сигнала в зависимости от уровня входного. P1db показывает, где на этом графике находится точка компрессии. Если бы не было компрессии усиления, график был бы прямой линией, как изображено синим пунктиром.

Красный график — это уровень интермодуляционных продуктов третьего порядка в зависимости от уровня входного сигнала. Красный график более крутой, чем синий пунктирный график, а значит они где-то пересекутся. Эта точка и есть точка пересечения третьего порядка. Другими словами, это такая точка, где уровень полезного сигнала поравнялся бы с интермодуляционными продуктами, если бы не было компрессии усиления.

Стоит сказать, что формализм IP3 используется для усилителей класса А. Усилители класса AB и B характеризуются IMD при заданном уровне выходного сигнала. IP2 определяется для продуктов второго порядка по тому же принципу, что и IP3.

Заключение

Теперь мы знаем, что означают страшные буквы вроде NF, P1db и IP3 в даташитах на усилители. В качестве домашнего задания предлагаю открыть даташит на Mini-Circuits ZX60-43-S+ [PDF] и попытаться понять, что означают приведенные в нем графики. Если у вас есть необходимое оборудование, попробуйте спаять усилитель и измерить его параметры. Или изучите готовый усилитель. Сравните измеренные параметры с приведенными в даташите, если он доступен.

Написанное выше справедливо не только в отношении усилителей. Например, можно взять диодный кольцевой смеситель, зафиксировать LO на уровне 7 dBm, и измерить IP3.

Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.

ВТОРАЯ ЖИЗНЬ СТАРОГО РАДИО

ОТКРЫТА ТЕМА ПРО ИЗМЕРЕНИЯ ПИШЕМ ЗДЕСЬ. Потому что форум рухнул и потеряна тема Василича по измерениям.

Вот долго ходил вокруг да около и сегодня решил вплотную занятся программой SpectraLab. До этого все что нашёл прочитал, в том числе и в этой теме тоже.
Начал, как положено, с проверки измерительного комплекса на линейность. Попробовал это на нескольких компьютерах. Шнуры соеденил вход-выход, звуковые карты выставил.
Смущает на всех РС вид графика, его нелинейность.
Дело в том что не смог найти чёткой и доходчивой инструкции по работе с этой программой. В основном описаны теоретические аспекты. Хотелось бы наити конкретные практические рекомендации по всем установкам в меню программы.
Свип — генератор выставил, как и рекомендует Василич, от 0 до 20Кгц.
Модуляция частотная.
На первом рисунке логарифмическая зависимость в свипе, на двух следующих — линейная и на другом РС.
Остальные настройки практически не трогал.
Самый главный вопрос — как учитывать теперь погрешность измирительного комплекса при снятии характеристик с реального УНЧ? Где-то читал, но не могу никак вспомнить.
На картинке видны все мои установки. Правильны ли они?
Работает уже кто-либо с этой программой?
Спектралаб взломаный.
https://www.qrz.ru/software/detail/spec . izator_299

шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшш

КАК УСТАНОВИТЬ Шмелёва
Шмелева образ с помощью программы WinMount ,здесь в архиве всё по шмелеву и эта программа с ключём и руссификатором https://yadi.sk/d/XPeFdBON9SiJ5A
Надо установить winmount на комп и перетащить в ёё окно файл образа- Discrete_Acoustics_Lab.hd и всё. На компе создастся еще один диск,я его обозначил Z- в нём папка с рабочим без ограничения шмелёвым

НОВИЧКИ НАЧИНАЮЩИЕ ИЗУЧАТЬ ШМЕЛЁВА И СПЕКТРОЛАБ, НЕ ВЫКЛАДЫВАЙТЕ СКРИНЫ В ТЕМЕ, ПОКА НЕ НАУЧИТЕСЬ ИХ ПРАВИЛЬНО СНИМАТЬ,ПОКА НЕ ВЫСТАВИТЕ ШКАЛЫ ШМЕЛЁВА .
Усилитель настраиваем при мощности 25% от максимальной на наименьшие КНИ и ИМД.
Максимальная мощность усилителя лампового измеряется при 10% КНИ на эквиваленте нагрузки. НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ПРИ 1% КНИ
щщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщщ

Для измерения все генераторы отключаем красными кнопочками или ставим -200dB уровни в неиспользуемых генераторах,оставляем 1й генератор.

Программка для запуска Шмелёва автоматом.
http://my-files.ru/19gjd4

шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшш
Не забываем пр МИКШЕРЫ записи и воспроизведения

КНИ это отношение самой большой по пику гармоники к основному тону . И величина КНИ ни о чём не говорит без осмысливания всего спектра. КНИ у усилителей с одной гармоникой и с тремя гармониками мало отличаются,если у того что с тремя, гармоника одна будет иметь амплитуду как и гармоника у того УНЧ ,что с одной гармоникой. Поэтому при настройке УНЧ стремимся сделать гармоники как можно меньше по амплитуде и плавно спадающий хвост по амплитуде , а для уменьшения ИМД как можно меньше их количество. Потому что Шмелёв в режиме настройки замеряет ИМД при однотоновом сигнале и измеряет ИМД не корректно , по количеству и массе всех гармоник, относительно основного тона,но нам и не нужно во время настройки абсолютное значение ИМД , достаточно относительного измерения,что б видеть увеличивается или уменьшается нелинейность УНЧ в данный момент настройки.При амплитуде гармоник меньше -60dB их влиянием можно пренебречь. Можете провести опыт. Подайте на вход УНЧ своего от генератора Шмелёва основной тон 1кГц величиной такой что б на выходе УНЧ было 2 вольта.и другими генераторами подмешивайте гармоники,чётные, нечётные на уровне -60dB, то есть что б на акустике было 2мв размах гармоник. Вы не услышите ни какого изменения окраски сигнала основного тона.
Поэтому в настроенных усилителях,если гармоники в них при измерении , будут ниже -60dB — звучание будет одинаковым,хоть какую лампу ставьте ,хоть с Марса. Вот поэтому что б не заморачиваться с гармоническим рядом,диссонансом — мы и делаем КНИ минимальными. Нет ни чего Эзотерического. Если изменился звук на слух — значит обязательно что то изменилось в сигнале подведённом к акустике и это изменение измеряется приборами. КНИ,ИМД,ряд гармоник,АЧХ ,демпфирование. Но изменения ниже -60-80dB ухо не может уловить. Вот почему мы и отсекаем при измерении всё что ниже -80dB по спектро анализатору. Потому что там уже микровольты идут и нановольты.
При реальных измерениях и настройке УНЧ нам важно в Он лайне контролировать КНИ , ИМД и настройками сделать их как можно меньше,одновременно визуально наблюдая за спектром гармоник и делая их плавно ниспадающими и как можно меньше хвост. КНИ и ИМД во время настройки усилителя отображаются справа в окошках и не важно что ИМД в данном случае мы измеряем на однотоновом сигнале, для настройки усилителя пойдёт этот способ,потому что от двухтонового он отличается незначительно. В последствии после настройки усилителя ,можете измерить ИМД действительные двухтоновым сигналом , выбрав набор этих тонов из забитых в меню предустановок и всеми 20ю способами измерения ИМД.В мире так и не пришли к единому мнению и существует около двадцати,а то и более способов измерения ИМД.

Например набор частот.

Быстрая установка часто используемых сигналов:

Смесь 60 Гц, -2 дБ и 7.00 кГц, –14 дБ IMD Test

Смесь 250 Гц, -2 дБ и 8.02 кГц, –14 дБ

Смесь 10.02 кГц, -6.02 дБ и 11.02 кГц, -6.02 дБ

Смесь 12.10 кГц, -6.02 дБ и 12.90 кГц, -6.02 дБ

Смесь 15.1 кГц, -12.04 дБ и 15.9 кГц, -12.04 дБ

Смесь 19 кГц, -12.04 дБ и 20 кГц, -12.04 дБ

Смотрим пример настройки УНЧ однотоновым сигналом и проверка ИМД двухтоновым.
Как видим результаты примерно одинаковы и чем больше ИМД будет на однотоновом,тем больше будет и на двухтоновом.


шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшш

Не забываем откалибровать Селективный вольтметр Шмелёва,что б 0dB = 1 вольт было и тогда Шмелёв будет вам показывать правильно уровни сигнала и не придётся его измерять мультиметром который врёт на разных частотах и показывая разные значения.Калибруем в окошке Максимальная амплитуда , но сигнал калибровочный СРЕДНЕКВАДРАТИЧНЫЙ подаём. Тогда у вас совпадут показания в окошке с положением ПИКА сигнала на сетке поля Шмелёва в dB.

ЭТО ТАБЛИЦА ОБЪЯСНЯЮЩАЯ ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛ И ПОКАЗЫВАЮЩАЯ ОТНОШЕНИЯ ВЕЛИЧИН

Кутник Фёдор Фридрихович.
Ищу заднюю крышку VEF-Spidola или Spidola. Можно корпус-донор.

Как снять ачх усилителя

В предыдущих частях данной статьи (1, 2, 3) мы рассмотрели кратко основные возможности измерительного комплекса на базе ПК с использованием ПО Visual analyser, подробно ознакомились с основными настройками измерительного комплекса, а так же протестировали его возможности.
В данной части статьи мы поговорим о проведении практических измерений различных параметров устройств на примере лампового усилителя, а так же рассмотрим способы повышения точности проводимых измерений. Итак, пожалуй, начнём.
Для начала рассмотрим кратко конструкцию самого усилителя. Схема электрическая принципиальная исследуемого усилителя показана на схеме ниже. Разберёмся как он работает.

Итак, с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С3 и антипаразитный резистор R5 сигнал поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на радиолампах Ла2, Ла3 [1] по схеме дифференциального усилителя [2]. Нагрузкой каскада служат анодные резисторы R6, R10, а так же цепочка балансировки схемы по переменному току R7 — R9, включённая параллельно анодным резисторам.
Применение резистора утечки сетки R4 небольшого номинала позволило значительно уменьшить чувствительность усилителя к наводкам переменного тока, но в свою очередь потребовало установки на входе конденсатора С3 достаточно большой для ламповых усилителей ёмкости (при использовании современных источников сигнала нет необходимости использовать усилители с высоким входным сопротивлением т.к. большинство источников сигнала рассчитаны на подключение к ним нагрузки около 32 Ом, соответственно на практике достаточно входного сопротивления усилителя равного 300-600 Ом. Исключение составляют только источники сигнала с высоким выходным сопротивлением, например некоторые модели винил-корректоров, головки воспроизведения, а так же звукосниматели различного типа и т.д.).
Источник тока дифференциального каскада выполнен по схеме симметричного каскодного токового зеркала на транзисторах VT1-VT4. Применение каскодной схемы позволяет получить достаточно высокое динамическое сопротивление источника тока необходимое для нормальной работы дифференциального усилителя.
С выхода дифференциального усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал поступает на вход катодных повторителей Уайта, выполненных на радиолампах Ла1, Ла4 [3, 4]. Применение катодных повторителей позволяет согласовать высокое выходное сопротивление предварительного усилителя и более низкое входное сопротивление выходного каскада во всей полосе частот усилителя.
С выхода катодных повторителей, через разделительные конденсаторы С15, С16 усиленный по току и напряжению сигнал поступает на вход выходного каскада, выполненного на радиолампах Ла5, Ла6 [5]. Режим каскада по постоянному току так же задаётся симметричным каскодным токовым зеркалом с коэффициентом отражения тока 1:1, выполненным на транзисторах VT5-VT8.
Токозадающим плечом является плечо, реализованное на транзисторе VT7. Установленный резистором R30 и внутренним сопротивлением лампы Ла5 ток отражается с коэффициентом 1:1 во второе плечо, реализованное на транзисторе VT8. Тем самым поддерживается ток покоя радиолампы Ла6 выходного каскада.
В то же время отражённый во второе плечо правого (по схеме) токового зеркала ток является опорным током для левого (по схеме) токового зеркала, реализованного на транзисторах VT5, VT6. Заданный во втором плече ток вновь отражается левым токовым зеркалом в токозадающее плечо с коэффициентом 1:1, стараясь поддержать исходный ток.
Таким образом получается, что правое токовое зеркало воздействует само на себя через цепь обратной связи по постоянному току. Кроме того данное токовое зеркало по величине вносимого в плечи выходного каскада сопротивления является практически симметричным.
Для устранения глубокой местной ООС со стороны катода токовое зеркало дополнительно шунтировано конденсаторами С17, С18.
Предположим, по каким-то причинам ток радиолампы Ла5 начал увеличиваться. В связи с увеличением тока покоя увеличивается падение напряжения на токозадающем резисторе R30, что приводит к уменьшению тока покоя из-за возросшего напряжения автосмещения плюс само токовое зеркало старается поддержать заданный ток. При уменьшении тока покоя происходит всё в точности наоборот.
В это же время ток второго плеча при правильной настройке токового зеркала изменяется на такую же самую величину согласно коэффициенту отражения. Таким образом разбалансировки выходного каскада по постоянному току не происходит.
Для корректной и стабильной работы токового зеркала транзисторы VT5 – VT8 должны иметь одинаковый тепловой режим и статический коэффициент передачи по току. Кроме того данные транзисторы необходимо установить на радиатор площадью 5-10 квадратных сантиметров толщиной 0.5-1 мм. Идеальным вариантом является использование согласованной пары транзисторов в одном корпусе либо прикрепление транзисторов на радиатор с обратных сторон напротив друг друга через изолирующие прокладки.
Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой на выход акустической системой Ba1.
Ещё одной особенностью построения выходного каскада является двойное управление анодным током ламп Ла5, Ла6. Подобный тип управления позволяет увеличить крутизну характеристики ламп выходного каскада, а так же дополнительно повысить линейность каскада в целом. Недостатком такого типа управления является необходимость установки достаточно мощного предвыходного каскада, способного работать в линейном режиме с током сетки ламп выходного каскада на пиках сигнала.
Резистор R31 – резистор общей отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель полностью.
Резистор R11, конденсаторы С4, С5 – дополнительный развязывающий фильтр питания предварительного усилителя-фазоинвертора.
Конденсаторы С6, С7 – дополнительный емкостной фильтр питания выходного каскада усилителя.
Для повышения стабильности работы дифференциального усилителя-фазоинвертора его питание осуществляется от дополнительного стабилизатора напряжения, выполненного на интегральном стабилизаторе DA1 [6].
Конденсаторы С10, С11 – дополнительный фильтр выходного напряжения стабилизатора напряжения.
Конденсаторы С13, С14 – дополнительный фильтр входного напряжения стабилизатора напряжения.
Конденсатор С12 – дополнительный фильтр опорного напряжения стабилизатора.
Резистор R18 – дополнительная нагрузка стабилизатора напряжения. Данная нагрузка требуется из-за необходимости установки минимального тока нагрузки стабилизатора для обеспечения его правильной работы. Для применённого стабилизатора Da1 минимальный ток нагрузки должен быть не менее 10 мА.
Все использованные детали указаны на схеме. Остановимся только на конструкции выходного трансформатора усилителя.
В качестве выходного трансформатора мной использован универсальный выходной тороидальный трансформатор ТВЗ-250/2, изготовленный специально для проведения подобных экспериментов.
Трансформатор имеет 2 максимально симметричные первичные обмотки и набор вторичных обмоток, позволяющих перекрыть диапазон приведённых к аноду сопротивлений нагрузки примерно от 700 Ом до 10-15 кОм на плечо при использовании нагрузки на вторичной обмотке равной 4/8 Ом.
Для получения максимальной симметрии первичных обмоток трансформатора сначала наматывается половина одной из первичных обмоток трансформатора, далее наматывается полностью вторая первичная обмотка и поверх снова половина первичной обмотки. После этого половины первичной обмотки соединяются последовательно.
Поверх первичных обмоток намотаны все необходимые вторичные обмотки. При намотке КАЖДАЯ вторичная обмотка, одна первичная обмотка и половины второй первичной обмотки РАВНОМЕРНО распределяются по окружности сердечника трансформатора.
Так как изготовление качественного тороидального трансформатора в домашних условиях представляет определённые трудности намотка данного трансформатора производилась на специализированном предприятии (кто бы как не ругал Торел, а при хорошем ТЗ результат получается более чем достойный) [7].
В изготовленном трансформаторе сопротивление каждой первичной обмотки равно 19 Ом, а индуктивность выше 100 Гн.
Готовый трансформатор и его заводской паспорт с указанным количеством витков всех обмоток показан в подборке фото ниже.

Настройка усилителя не представляет сложности.
Для настройки необходимо вытащить все лампы усилителя из ламповых панелек, включить усилитель и выставить резистором R20 напряжение на выходе стабилизатора равное 15 Вольт.
После этого можно выключить усилитель и установить лампы предварительного усилителя-фазоинвертора Ла2, Ла3 в ламповые панельки, а так же выставить движок переменного резистора R8 в среднее положение. Далее необходимо снова включить усилитель и дать ему прогреться 3-5 минут после чего на аноде лампы Ла2 либо Ла3 резистором R13 необходимо выставить напряжение равное 180 Вольт и снова выключить усилитель.
Далее необходимо вернуть радиолампы Ла1, Ла4 в ламповые панельки, включить усилитель, дать ему прогреться 3-5 минут после чего резисторами R3, R22 выставить токи анодов ламп Ла1, Ла3 равные 15 мА (при этом на резисторах R2, R21 должно падать напряжение равное 70.5 Вольт).
Далее снова необходимо выключить усилитель и установить радиолампы Ла5, Ла6 в ламповые панельки, после чего снова включить усилитель и дать ему прогреться 3-5 минут и выставить резистором R30 токи анодов ламп Ла5, Ла6 равные 50 мА. Разбалансировка токов анодов ламп Ла5, Ла6 выходного каскада, вызванная разбросом характеристик ламп, а так же транзисторов VT5-VT8 токового зеркала компенсируется подстройкой сопротивления резистора R27.
Настройка усилителя по переменному току производится подстройкой резистора R8 по минимуму искажений на выходе усилителя любым известным способом (один из которых будет рассмотрен ниже при описании измерения коэффициента нелинейных искажений). На этом настройку усилителя можно считать законченной.
На фото ниже показан макет описанного усилителя во время проведения испытаний.

В подборке видео ниже показана работа макета усилителя во время проведения испытаний.

Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.
Таким образом, описание исследуемого усилителя подошло к концу и можно смело приступать к измерению его различных технических характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ)

Согласно [10] амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя называется зависимость коэффициента усиления
напряжения (тока) электронного усилителя от частоты гармонического входного сигнала.
Схема электрическая принципиальная подключения измерительного комплекса для измерения АЧХ усилителя показана на схеме ниже.

Будем считать, что по умолчанию для измерения параметров усилителя используется вход и выход левого канала (канал А измерительного комплекса) звуковой карты ПК, если иное не указано отдельно.
Для измерения АЧХ нам понадобится как минимум 1 эквивалент нагрузки в виде резистора [11, приложение 1]. Сопротивление данного резистора должно быть равно номинальному сопротивлению нагрузки усилителя, а допустимая мощность рассеяния не менее максимальной выходной мощности усилителя. Кроме того необходимо сделать запас по мощности равный 20-30% для обеспечения надёжной работы эквивалента.
Из технической литературы известно [12], что двухтактный усилитель на радиолампах 6П3С в некоторых режимах работы может развивать на выходе максимальную мощность практически равную 50 Вт. Отсюда следует, что мощность резистора эквивалента нагрузки для испытания описанного усилителя необходимо взять не менее 60-65 Вт. Сопротивление резистора должно быть равно 4 Ом т.к. именно на это сопротивление рассчитан исследуемый усилитель.
В предыдущей части данной статьи при испытании возможностей измерительного комплекса было отмечено, что вход любой звуковой карты ПК имеет определённый максимально-допустимый входной уровень напряжения, выше которого звуковая карта ПК начинает ограничивать уровень входного напряжения и появляются достаточно высокие искажения (наступает так называемый клиппинг). Проводить измерения выше данного уровня напряжения на входе невозможно, соответственно для проведения измерений необходимо дополнительно на вход подключить делитель напряжения.
Коэффициент деления делителя рассчитывается исходя из максимальной мощности усилителя, номинального сопротивления нагрузки и максимального допустимого напряжения на используемом входе усилителя.
Для исследуемого усилителя коэффициент деления делителя должен быть не менее 1:10. Логика вычисления коэффициента деления достаточно проста. Для начала необходимо вычислить максимальное действующее значение напряжения на эквиваленте нагрузки при максимальной выходной мощности:

Далее необходимо определить максимальное допустимое напряжение на входе звуковой карты ПК так, как это было описано в предыдущей части данной статьи. Для применённой мной звуковой карты максимальное входное напряжение равно 2-м Вольтам (действующее значение).
Для обеспечения надёжности работы звуковой карты, а так же исключения работы на пределе возможностей оборудования, измерения обычно производят при уровнях ниже максимального на 20-30%. Соответственно в расчётах за максимальный допустимый уровень напряжения на входе необходимо принять 1.4 Вольта.
Коэффициент деления при этом будет равен отношению напряжения на эквиваленте нагрузки при максимальной выходной мощности усилителя к максимальному допустимому напряжению на входе звуковой карты ПК.
Скажем так же пару слов о выборе номиналов резисторов делителя – с одной стороны сопротивление делителя должно быть как можно больше для уменьшения влияния на сопротивление эквивалента нагрузки (либо же в качестве резистора эквивалента необходимо использовать проволочный резистор с возможностью подстройки сопротивления, например ППБ, ПП3 и им подобные достаточной мощности), а с другой стороны как можно меньше – для уменьшения чувствительности к наводкам переменного тока.
Рекомендую в качестве нижнего (по схеме) резистора делителя Rд2 использовать резистор с сопротивлением в 10-20 раз выше, чем сопротивление эквивалента нагрузки т.е. в нашем случае примем сопротивление резистора Rд2 равное 47-51 Ом. Сопротивление верхнего (по схеме) резистора Rд1 вычисляется исходя их необходимого коэффициента деления делителя т.е. для нашего случая сопротивление резистора Rд1 будет равно 470-510 Ом. На этом выбор эквивалента нагрузки и расчёт элементов делителя можно считать законченным.
Методика измерения АЧХ подробно описана в предыдущей части данной статьи, поэтому рассматривать её не будем.
На скрине ниже приведена АЧХ исследуемого усилителя.

По приведённой АЧХ можно определить эффективный диапазон частот усилителя, ограниченный усилением (ширина полосы пропускания усилителя по заданному уровню). Под данной характеристикой усилителя понимают диапазон частот, в пределах которого отклонения частотной характеристики усиления от заданной не превышают указанных в ТУ на усилитель значений.
Для разрабатываемых в радиолюбительском творчестве усилителей разработчик вправе установить самостоятельно уровень допустимого отклонения частотной характеристики усилителя либо воспользоваться таблицей, приведённой в [13, таблица 1]. Чаще всего за величину отклонения принимают уровень отклонения равный -3 дБ (реже -1 дБ либо -0.1 дБ). В качестве опорной частоты принимают 1 кГц.
По приведённому скрину можно сделать вывод о том, что эффективный диапазон частот усилителя по уровню -3 дБ, ограниченный усилением простирается от 8 Гц до 26 кГц т.к. на опорной частоте АЧХ «проходит» на уровне -62.5 дБ, а на частотах в 8 Гц и 26 кГц на уровне -65.5 дБ.
К сожалению, неравномерность частотной характеристики усилителя при небольших отклонениях АЧХ (менее 1-1.5 дБ) в полосе пропускания усилителя относительно уровня на опорной частоте определить невозможно (кроме краёв полосы пропускания) т.к. частотная характеристика усилителя достаточно линейна (отклонения меньше точности измерений).
Неравномерность частотной характеристики при её определении указывают либо в виде пары чисел со знаками, характеризующими максимальное отклонение частотной характеристики относительно опорной частоты в положительную и отрицательную сторону либо, что более информативно, строят график зависимости неравномерности частотной характеристики в частотной области (где по оси Х откладывают частоту, а по оси У – величину неравномерности частотной характеристики относительно опорной частоты). На этом анализ амплитудно-частотной характеристики усилителя можно считать законченным.

Выходное напряжение и мощность

При измерении выходного напряжения и мощности в отечественной литературе обычно под данными характеристиками подразумевают следующие:
1. Выходное напряжение, ограниченное искажениями;
2. Выходную мощность, ограниченную искажениями;
3. Кратковременное максимальное выходное напряжение;
4. Кратковременную максимальную выходную мощность;
5. Долговременное максимальное выходное напряжение;
6. Долговременную максимальную выходную мощность;
7. Выходную мощность, ограниченную температурой.
При измерении выходного напряжения воспользуемся описанным ранее эквивалентом нагрузки и схемой подключения измерительного комплекса, а само значение напряжения будем измерять встроенным в Visual analyser вольтметром. Для полноценного использования вольтметра необходимо провести его калибровку. Калибровку используемого канала (канала А) будем производить с учётом подключенного усилителя и делителя напряжения.
Для калибровки вольтметра необходимо параллельно эквиваленту нагрузки подключить внешний образцовый вольтметр, после чего выставить частоту, генерируемую встроенным генератором сигналов равную 100-200 Гц синусоидального сигнала (пункты 22, 24), запустить встроенный генератор сигнала и выставить по вольтметру любой удобный для отсчёта уровень сигнала так, что бы напряжение на входе звуковой карты ПК с учётом делителя не превышало максимально-допустимого значения, определённого нами ранее (при этом нелинейные искажения усилителя должны быть небольшими, либо же вместо выхода усилителя сигнал на делитель необходимо подавать с внешнего генератора сигналов с низким уровнем собственных искажений, предварительно исключив эквивалент нагрузки, а образцовый вольтметр подключив параллельно делителю напряжения).
Далее необходимо зайти в основные настройки программы и перейти на вкладку «Calibrate» (Калибровка). Перед Вами откроется окно, показанное на фото ниже.

В данном окне необходимо выбрать тип единиц измерения и измеряемую величину, используемые при калибровке (В, мВ, дБ, размах, действующее значение либо постоянная составляющая). Данные настройки расположены в нижней части окна (Units, пункт 29). Для удобства измерения и вычисления параметров усилителя выберем Вольты (Volts) и действующее значение напряжения (RMS).
После этого необходимо в поле «Level of known input signal (Units)» (известный уровень входного сигнала, пункт 27) ввести уровень напряжения на эквиваленте нагрузки, определённый по внешнему образцовому вольтметру. Для рассматриваемого случая уровень напряжения равен 1.85 Вольта действующего значения напряжения. Далее необходимо нажать кнопку «Start measure signal (L)» (начать измерение сигнала) – начнётся процесс калибровки левого канала измерительного комплекса. Во время калибровки кнопка «Start measure signal (L)» будет недоступна.
Калибровка правого канала измерительного комплекса (пункт 28) производится аналогичным способом. Калибровку можно произвести как с учетом делителя (тогда вольтметр будет показывать напряжение, подаваемое на делитель сразу), так и без него (тогда показания необходимо дополнительно домножать на знаменатель коэффициента деления делителя), либо комбинированно (для одного канала с учётом делителя, а для другого без него).
По окончанию калибровки необходимо установить галочки в графы «Apply calibration left channel» (применить калибровку левого канала) и «Apply calibration right channel» (применить калибровку правого канала) – калибровочные поправки будут применены для соответствующих каналов (пункт 26). После этого генерацию сигнала встроенным генератором сигнала можно отключить.
Так же дополнительно можно сохранить калибровочные поправки в виде отдельного файла. Для этого необходимо в нижней части данного окна нажать кнопку «Save» (сохранить) и в появившемся окне выбрать имя и путь сохранения калибровочного файла, подтвердить сохранение (пункт 29).
Рядом с кнопкой сохранения калибровочного файла расположены кнопки загрузки (Load) и сброса (Reset) настроек калибровки каналов измерительного комплекса.
На фото далее показано окно встроенного вольтметра при проведении испытаний усилителя. Все основные настройки в данном окне интуитивно понятны и в дополнительном пояснении не нуждаются. Активация встроенного вольтметра осуществляется в правой части основного окна программы в меню быстрого доступа к основным настройкам программы (пункт Volt meter).

На этом калибровку можно считать законченной. Перейдём непосредственно к измерению выходного напряжения и вычислению выходной мощности усилителя.
Согласно [11] под выходным напряжением, ограниченным искажениями понимается напряжение, развиваемое усилителем на номинальном эквиваленте нагрузки при котором общие гармонические искажения достигают значения, указанного в ТУ на исследуемый усилитель.
Если значение общих гармонических искажений не указано, то выбирают уровень общих гармонических искажений равный 1%. Это справедливо для большинства усилителей без разделения на группы сложности. В противном случае необходимо воспользоваться [13, таблица 1].
Для радиолюбительских целей часто допустимо прировнять понятия номинального напряжения/мощности на выходе усилителя и выходного напряжения/мощности, ограниченных искажениями, что обычно и делается в большинстве случаев, но в общем случае номинальные мощность/напряжение и мощность/напряжение ограниченные искажениями различны по своей сути.
Достаточно часто за номинальное напряжение/мощность на выходе мной принимаются такие значения, при которых начинается заметный быстрый рост общих гармонических искажений на выходе усилителя, но при этом максимальные мощность и напряжение, ограниченные искажениями измеряются согласно ГОСТ.
В этом случае номинальная мощность, соответственно, ниже максимальной, ограниченной искажениями.
Отсюда очевидный вывод — оба параметра вполне могут быть произвольно заданы в ТУ разработчиком, но при этом номинальная мощность и напряжение соответствуют штатной работе усилителя в номинальных условиях работы, а максимальная мощность и напряжение, ограниченные искажениями соответствуют предельным параметрам мощности и напряжения при заданном уровне искажений (по умолчанию равным 1%). Надеюсь, я не запутал Вас подобными формулировками…
Для измерения напряжения, ограниченного искажениями необходимо во встроенном генераторе сигналов измерительного комплекса (пункты 22, 24) выставить частоту генерируемого сигнала равную 1000 Гц, запустить генератор сигналов и плавно повышая уровень сигнала на выходе добиться увеличения коэффициента нелинейных искажений усилителя до 1%.
После этого усилитель необходимо выдержать в данном режиме работы 60 секунд и зафиксировать уровень напряжения на выходе усилителя встроенным вольтметром.
На фото далее показан результат измерения максимального напряжения, ограниченного искажениями для исследуемого усилителя.

По фото видно, что действующее значение напряжения равно 7.57 Вольта. Небольшим недостатком вольтметра является невозможность штатного сохранения скриншота экрана с результатом измерения напряжения по аналогии с АЧХ.
Для вычисления выходной мощности, ограниченной искажениями необходимо выходное напряжение, ограниченное искажениями возвести в квадрат, и поделить на номинальное сопротивление эквивалента нагрузки. Для исследуемого усилителя выходная мощность, ограниченная искажениями равна 14.3 Вт.
Согласно [11] под кратковременным максимальным выходным напряжением усилителя подразумевается максимальное выходное напряжение, которое может развивать усилитель при заданном сопротивлении нагрузки (независимо от формы выходного сигнала, соответственно и уровня общих гармонических искажений) спустя 1 секунду после подачи на вход синусоидального сигнала заданной частоты (опорной, обычно равной 1 кГц).
Измерение данного напряжения производят аналогично предыдущему случаю, но с тем различием, что входное напряжение ступенями увеличивают до тех пор, пока напряжение на выходе не перестанет возрастать. Интервал времени между ступенями равен 60 секунд, а длительность подачи сигнала – до установления стабильных показаний встроенного вольтметра (т.к. ГОСТ требует использовать самописец и регистрировать сигнала на выходе ровно через 1 секунду после подачи напряжения на вход усилителя, что в радиолюбительских условиях невозможно).
На фото ниже показан результат измерения кратковременного максимального выходного напряжения исследуемого усилителя. По фото видно, что действующее значение напряжения равно 10.3 Вольта.

Для вычисления кратковременной максимальной выходной мощности необходимо кратковременное максимальное выходное напряжение возвести в квадрат, и поделить на номинальное сопротивление эквивалента нагрузки. Для исследуемого усилителя кратковременная максимальная выходная мощность равна 26.5 Вт (при описании мной ламповых усилителей данная мощность соответствует максимальной мощности, которую усилитель способен развивать в клиппинге).
Измерение долговременной максимальной выходной мощности и долговременного максимального выходного напряжения измерительным комплексом для рассматриваемого усилителя невозможно т.к. требует подачи на вход шумового сигнала с нормированным спектром и уровнем в 10 раз выше номинального значения.
В некоторых случаях для усилителя дополнительно измеряется выходная мощность, ограниченная температурой, которая в общем случае может быть ниже, чем максимальная мощность, ограниченная искажениями (в случае экономии производителя на охлаждении активных компонентов, например, или при особых условиях работы усилителя). Для данного усилителя не целесообразно производить измерение данной мощности т.к. в конструкции нет элементов, способных выйти из строя даже при постоянной работе с выходной мощностью, равной кратковременной максимальной выходной мощности. На этом измерение выходных мощностей и напряжений можно считать законченными.
В следующей части статьи мы продолжим знакомство с методами измерения различных параметров усилителя с использованием измерительного комплекса Visual analyser [14].
На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко.

 Список использованной литературы:

1. Параметры 6Г2
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21.
3. Параметры 6Н6П
4. Морган Джонс, Ламповые усилители. Второе издание, Москва: Издательство «ДМК Пресс», 2011 г.
5. Параметры 6П3С
6. Параметры LM317L
7. Официальный сайт Торел
10. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
11. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
12. Параметры 6П3С
13. ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
14. Официальный сайт Visual analyser