Intermodulační zkreslení v audio zesilovačích a OOS - pozor, nebezpečná zapojení. B- Frekvenční zkreslení a frekvenční odezva. Frekvenční rozsah

Zesilovač je zařízení určené ke zvýšení výkonu vstupního signálu. Proces zesílení je založen na přeměně aktivního prvku (bipolárního tranzistoru s efektem pole) energie zdroje konstantního napětí na energii střídavého napětí na zátěži, když se odpor aktivního prvku mění vlivem vstupní signál.

Zesilovače signálu jsou základní zařízení pro stavbu složitých analogových elektronických zařízení. V závislosti na tom, která elektroda tranzistoru je společná pro vstupní a výstupní obvody, existují tři schémata zapojení bipolární(BT) a pole tranzistory (FET), respektive: se společnou bází popř společná závěrka(OB nebo OZ); se společným zářičem popř společný zdroj(OE nebo OI); společný sběratel popř celkový průtok(OK nebo OS).

napěťový zisk K u = U ven / U dovnitř;

aktuální zisk Ki = I ven / I dovnitř;

zisk moci Kp = P out / P in.

U vícestupňových zesilovačů zisk je určena součinem zisků jednotlivých stupňů, vyjádřených v absolutních jednotkách:

(krát) nebo součet faktorů zisku vyjádřený v decibelech:

Vstupní impedance zesilovač je odpor mezi vstupními svorkami zesilovače a je určen poměrem vstupního napětí ke vstupnímu proudu Zin = Uin /Iin. Charakter vstupní impedance závisí na rozsahu zesílených frekvencí.

Výstupní impedance určeno mezi výstupními svorkami při vypnutém zatěžovacím odporu Z out = U out / I out.

Koeficient tlumení– poměr zatěžovacího odporu k výstupnímu odporu zesilovače K d = R n / R out. Hodnota tohoto parametru se pohybuje od 10 do 100.

Účinnost– poměr výstupního výkonu dodávaného zesilovačem k zátěži k celkovému výkonu odebíranému ze zdroje energie .Citlivost- napětí, které musí být přivedeno na vstup zesilovače, aby se na výstupu získal stanovený výkon.

Dynamický rozsah– poměr nejvyšší dovolené hodnoty vstupního napětí k jeho nejnižší dovolené hodnotě

D = Uin max /Uin min.

Zesílený frekvenční rozsah(passband) – rozdíl mezi horní a dolní mezní frekvencí Δf = f in – f n, ve které se zisk mění podle určitého zákona s danou přesností.

Lineární zkreslení jsou určeny závislostmi parametrů tranzistoru na frekvenci a jalových prvků zesilovacích zařízení. Lineární zkreslení se vyskytuje ve třech typech: frekvenční, fázové a přechodové.

57. Lineární a nelineární zkreslení zesilovačů.

Kromě získání požadovaného činitele zesílení signálu je nutné, aby zesilovač neměnil svůj tvar. Odchylka tvaru výstupního signálu od tvaru vstupního signálu se obvykle nazývá zkreslení. Existují dva typy zkreslení : nelineární a lineární.

Zdroj nelineární zkreslení je nelinearita proudově-napěťových charakteristik zesilovacích prvků. Když je na vstup zesilovače přivedeno sinusové napětí, v důsledku nelinearity vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru se tvar vstupních a výstupních proudů může lišit od sinusového kvůli výskytu vyšších harmonických složek. To platí jak pro sinusové vstupní napětí, tak pro jakýkoli jiný tvar vstupního signálu. Je charakterizována úroveň nelineárního zkreslení faktor nelineárního zkreslení(clear factor) zesilovač, vyjádřený v procentech

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

kde P2, P3, Pn – výkony uvolněné v zátěži vlivem 2., 3., n-té harmonické složky napětí (U2, U3, Un); P1 – výkon v zátěži vlivem základní harmonické složky napětí U1.

Při posuzování nelineárního zkreslení se ve většině případů bere v úvahu pouze druhá a třetí harmonická, protože vyšší harmonické mají nízký výkon. U vícestupňového zesilovače je celkový činitel harmonického zkreslení se považuje za rovný součtu koeficientů nelineárního zkreslení jednotlivých stupňů

Nelineární zkreslení závisí na amplitudy vstupního signálu a nesouvisí s jeho frekvencí. Aby se snížilo zkreslení výstupního průběhu, musí mít vstupní signál malou amplitudu. V tomto ohledu u vícestupňových zesilovačů vznikají nelineární zkreslení především v předfinálních a výstupních stupních, na jejichž vstupu působí signály s velkou amplitudou.

Lineární zkreslení jsou určeny závislostmi parametrů tranzistoru na frekvenci a jalových prvků zesilovacích zařízení. Existují tři typy lineárního zkreslení: frekvence, fáze a přechodné jevy.

Frekvenční zkreslení jsou spojeny s nesrovnalostí mezi skutečnými a ideálními charakteristikami v rozsahu provozních frekvencí. Tato zkreslení závisí pouze na frekvenci zesíleného signálu.

Závislost zesílení na frekvenci vstupního signálu K=F(f) se obvykle nazývá amplitudově-frekvenční (frekvenční) charakteristika (AFC) Obr. 10,5, a.

Ideální frekvenční odezva je rovnoběžná s frekvenční osou. Ve skutečnosti jsou harmonické složky vstupního signálu zesilovačem zesíleny odlišně, protože reaktance prvků obvodu závisí odlišně na frekvenci. Pro frekvenční odezvu je typická přítomnost tzv. středofrekvenční oblasti, ve které je K téměř nezávislé na frekvenci a označuje se jako K 0. V oblasti nízkých a vysokých frekvencí se amplitudově-frekvenční charakteristika snižuje, má nerovnoměrné získat. Zesilovací frekvence, při kterých se zesílení snižuje o 2^1/2 krát nebo 3 dB ve srovnání s průměrnou frekvencí, se nazývají hraniční frekvence: dolní f H a horní f B frekvenční rozdíl f B - f H =∆f se nazývá passband.

Frekvenční zkreslení v zesilovači je vždy doprovázeno fázovým posunem mezi vstupním a výstupním signálem, což způsobuje fázové zkreslení. Fázovým zkreslením rozumíme 250 fázových posunů způsobených reaktivními prvky zesilovače a s rotací fáze zesilovacím stupněm se nepočítá. Fázové zkreslení zesilovače je hodnoceno jeho fázově-frekvenční charakteristikou ϕ=F(f). Graf fázově-frekvenční charakteristiky představuje závislost úhlu fázového posunu mezi vstupním a výstupním napětím zesilovače na frekvenci (obr. 10.5b). V zesilovači není žádné fázové zkreslení, když fázový posun závisí lineárně na frekvenci. Ideální fázově-frekvenční charakteristika je přímka začínající v počátku (obr. 10.5, b tečkovaná čára). V praxi je vhodnější vynést amplitudově-frekvenční a fázově-frekvenční charakteristiky na logaritmické stupnici podél frekvenční osy. To je výhodné, protože nízkofrekvenční oblast je roztažena a vysokofrekvenční oblast je stlačena.

Kroková odezva vyjadřuje časovou závislost výstupního napětí zesilovače, jehož vstup je napájen okamžitým napěťovým rázem (obr. 10.7).

Tato charakteristika určuje proces přechodu zesilovače z jednoho stavu do druhého. Prudká změna vstupního napětí umožňuje určit odezvu zesilovače na tento efekt ve dvou režimech najednou: přechodném a stacionárním. Charakter přechodového děje v zesilovači do značné míry závisí na přítomnosti reaktivních prvků L, C, které zabraňují okamžité změně proudu v indukčnosti a napětí v kondenzátoru. Výstupní napětí se nemůže náhle změnit, když je na vstup přiveden impuls.

Doba, během které se čelo normalizované přechodové odezvy zvýší z úrovně 0,1 na úroveň 0,9, se nazývá doba náběhu tout. Přebytek okamžité hodnoty napětí nad hodnotou ustáleného stavu se nazývá překmit δ a vyjadřuje se v procentech. Existuje tzv. kritická hodnota překmitu, při které δ nezávisí na počtu stupňů zesilovače. Nerovnoměrnost vrcholu normalizované přechodové odezvy se značí Δ, měří se jako překmit v procentech stacionární hodnoty a u kvalitních zesilovačů reprodukce by neměla přesáhnout 10 %.

Hluk v elektronických obvodech

Vlastní šum součástek elektronických obvodů

Vlastní šum součástek elektronických obvodů je jejich integrální a základní fyzikální charakteristikou: nastavují spodní hranici šumového napětí elektronického zařízení. Vlastní šum zahrnuje: tepelný, výstřelový a kontaktní šum, což jsou spojité signály s charakteristickými vlastnostmi.

Tepelný šum vzniká v důsledku tepelného pohybu elektronů v látce. Vznikají ve všech prvcích, které mají odpor. Proto se tepelný šum v technické literatuře také nazývá odporový šum nebo Johnsonův šum.

Tepelný šum může pocházet ze součástí elektrického obvodu, které rozptylují energii. Proto reaktance není zdrojem tepelného šumu.

Pro výzkum lze tepelný šum prezentovat ve formě standardního „bílého“ šumu: amplituda napětí tepelného šumu je normální rozložení s parametry m = 0 a σ = UT a PSD tepelného šumu je konstantní v celém frekvenčním rozsahu .

Hluk výstřelu vzniká, protože elektrický proud je pohybem diskrétních nábojů. Konečnost náboje vede ke statistickým fluktuacím proudu vzhledem k průměrné hodnotě, způsobeným náhodným charakterem emise elektronů (nebo děr), tzn. výstřelový hluk. Tento typ šumu je přítomen jak u elektronek, tak u tranzistorů. V druhém případě je šum výstřelu způsoben chaotickou difúzí nosičů přes bázi a náhodnou povahou generování a rekombinace párů elektron-díra. Obecně je hluk výstřelu spojen s průchodem proudu potenciální bariérou.

Pro hluk výstřelu je rovněž použitelná výše popsaná reprezentace ve formě normálně distribuovaného „bílého“ šumu. Matematické očekávání hluku výstřelu je nulové a směrodatná odchylka je určena efektivní hodnotou proudu

Kontaktní šum je způsoben kolísáním vodivosti (přechodového odporu) v důsledku nedokonalého kontaktu mezi dvěma materiály. Vyskytují se vždy, když jsou k sobě připojeny dva vodiče, například ve spínačích a kontaktních relé.

Kontaktní šum se vyskytuje v odporech, tranzistorech a diodách kvůli nedokonalým kontaktům, mikroobvodům obsahujícím mnoho malých částic legovaných dohromady.

Tento hluk závisí na mnoha konstrukčních faktorech konkrétního odporového materiálu a zejména koncových spojů.

V odborné literatuře mají kontaktní zvuky často různé názvy. Zejména šum vznikající v odporech se nazývá „nadměrný“ šum, kontaktní šum v elektronkách a tranzistorech se obvykle nazývá „blikající šum“.

Spektrální hustota výkonu se mění jako převrácená hodnota frekvence, proto se tento šum nazývá nízkofrekvenční nebo 1/f šum a někdy se tento šum nazývá „růžový“ šum.

Kontaktní šum je nejvýznamnějším zdrojem šumu v nízkofrekvenčních obvodech a elektrických obvodech.

Vlastní šum zahrnuje také impulsní šum charakteristický pro polovodičové prvky - diody, tranzistory a integrované obvody.

Na rozdíl od jiných typů hluku je impulsní hluk prakticky nevyhnutelný, protože je způsoben výrobními vadami a lze jej odstranit pouze zlepšením výrobních procesů. Tyto zvuky jsou způsobeny kovovými nečistotami v přechodu polovodičové součástky. Impulzní šum je diskrétní, neperiodický signál, který se projevuje jako náhlé skoky ve výstupních úrovních napětí.

Průměrná frekvence opakování pulzů se může lišit od několika stovek pulzů za sekundu do jednoho pulzu za minutu, ale pro každé dané zařízení je amplituda pulzního šumu pevná, protože je funkcí parametrů defektu přechodu. Doba trvání šumových impulsů se pohybuje od mikrosekund do sekund. Obvykle je tato amplituda 2 až 100krát větší než amplituda tepelného šumu.

Výkonová spektrální hustota impulsního šumu má závislost tvaru 1/f2. Protože tento šum je jev související s proudem, bude napětí pulzního šumu největší v obvodu s vysokou impedancí, jako je vstupní obvod operačního zesilovače.

Aniž bychom se omezovali pouze na tyto základní typy šumu, obecně lze celkové šumové napětí pro elektronický obvod zapsat jako

U shƩ =(U sh1 2 +U sh2 2 +…U shn 2)^1/2

Související informace.

• Konzultace

Na audiofilských stránkách je zvykem strašit návštěvníky intermodulačním zkreslením, nicméně jelikož většina publikací na toto téma široce využívá technologii copy-paste, je velmi obtížné pochopit, proč k těmto zkreslením dochází a proč jsou tak děsivé. Dnes se pokusím v rámci svých nejlepších schopností a rozsahu článku přesně odrážet povahu těchto hrozných IMI.

Téma zkreslení signálu v UMZCH bylo nastoleno v mém, ale minule jsme se jen lehce dotkli lineárního a nelineárního zkreslení. Dnes se pokusíme pochopit ty nejnepříjemnější slyšitelné, obtížně analyzovatelné a obtížně odstranitelné intermodulační zkreslení pro konstruktéry ULF. Důvody jejich výskytu a souvislost se zpětnou vazbou, omlouvám se za slovní hříčku.

Operační zesilovač jako bílý trojúhelník

Než budeme mluvit o zpětné vazbě, udělejme si krátkou exkurzi operační zesilovače , protože dnes se bez nich zesilovací cesty tranzistorů prakticky neobejdou. Mohou být přítomny buď ve formě samostatných mikroobvodů nebo být součástí složitějších čipů - například integrovaných obvodů nízkofrekvenční zesilovače - ULF .

Uvažujme zesilovač ve formě černé skříňky, nebo spíše bílého trojúhelníku, jak jsou obvykle označovány v návrhu obvodů, aniž bychom se zatím zabývali podrobnostmi o jeho konstrukci.

Přiřazení pinů operačního zesilovače

Neinvertující vstup:

Invertující vstup:

Napájení plus:

Nevýhoda napájecího zdroje:

Pokud zvýšíte vstupní napětí na neinvertujícím vstupu, výstupní napětí se zvýší, pokud na invertujícím vstupu, pak se naopak sníží.

Vstupní napětí, které se má zesílit, se obvykle přivádí mezi dva vstupy a výstupní napětí pak může být vyjádřeno následovně:

Kde je zisk v otevřené smyčce

Protože naším cílem není zesilovat stejnosměrná napětí, ale zvukové vibrace, uveďme si příklad závislosti levného operačního zesilovače LM324 na frekvenci vstupních sinusových oscilací.

V tomto grafu je zisk vynesen svisle a frekvence je vynesena vodorovně na logaritmické stupnici. Výsledky práce inženýrů nejsou příliš působivé a je nepravděpodobné, že takový zesilovač bude ve skutečnosti použit. Za prvé vykazuje dobrou linearitu pouze mimo frekvenční rozsah vnímaný uchem - pod 10 Hz, a za druhé je jeho zesílení příliš vysoké - 10 000krát při stejnosměrném proudu!

Tak co dělat, musí existovat cesta ven! Ano, je. Vezměte část výstupního signálu a přiveďte jej na invertující vstup – zaveďte zpětnou vazbu.

Zpětná vazba - jednoduchá a naštvaná! Všelék na všechny neduhy?

V tomto článku se nebudeme dotýkat základů teorie operačních zesilovačů, pokud si přejete, mnoho informací o tomto tématu najdete na internetu, Igor Petrov

Zavedení zpětné vazby do obvodu zesilovače není snadné, ale velmi jednoduché. Aniž bychom zacházeli příliš daleko, podívejme se, jak to lze provést pomocí příkladu z mého.

Zpětná vazba v tomto obvodu je přiváděna na invertující vstup operačního zesilovače přes rezistor R2, nebo spíše dělič napětí z R2 a R1.

Je snadné dokázat, že tento obvod bude mít napěťové zesílení rovné dvěma a při zesilování harmonických signálů ve velmi širokém frekvenčním rozsahu zůstane nezměněno. Jak se frekvence signálu zvyšuje, zisk operačního zesilovače bez zpětné vazby klesá, ale zůstává mnohonásobně větší než dva, a tento pokles je kompenzován automatickým snížením úrovně signálu zpětné vazby. V důsledku toho zůstává zisk obvodu jako celku nezměněn. Ale to není všechno. Tento obvod má velmi vysokou vstupní impedanci, což znamená, že nemá prakticky žádný vliv na zdroj signálu. Má také velmi nízkou výstupní impedanci, což znamená, že by si teoreticky měl zachovat tvar signálu i při provozu na poměrně nízkoodporové zátěži a se složitou impedancí - indukční a kapacitní.

Opravdu jsme dostali IDEÁLNÍ ZESILOVAČ?

Bohužel ne, stejně jako každá mince má hlavy a paty, i zpětná vazba má svou temnou stránku.

Pro Rusa je dobrá smrt nebo trocha rádiové techniky pro Němce

V radiotechnice se efekt interakce signálů dvou různých frekvencí aplikovaný na nelineární prvek tzv intermodulace . Výsledkem je komplexní signál s kombinacemi frekvencí (harmonických) v závislosti na frekvenci původních signálů f1 a f2 podle následujícího vzorce:
Výsledné frekvence jsou amplitudy menší než mateřské harmonické a jejich úroveň zpravidla rychle klesá s rostoucími celočíselnými koeficienty m a n.

Harmonické budou mít největší amplitudu, tzv harmonické druhého řádu s frekvencemi:

a frekvence harmonické třetího řádu :
V radiotechnice je tento efekt široce používán pro převod frekvence. Díky němu fungují moderní přijímače. Ke konverzi frekvence dochází u směšovačů postavených na bázi nelineárních prvků, které se často používají jako p-n přechod diody nebo tranzistoru. Směšovač současně přijímá přijímaný užitečný signál a signál z generátoru - lokálního oscilátoru.

Na výstupu přijímáme širokou škálu signálů:

Ale díky úzkopásmovému PPF filtru vybereme potřebný signál s mezifrekvencí f pr =f g -f s a zesílíme v mezifrekvenčním zesilovači. Poté dojde k detekci pomocí dalšího nelineárního prvku, obvykle diody, a na výstupu za dolní propustí (na obrázku neznázorněno) přijímáme audiofrekvenční signál.

IMD- intermodulační zkreslení

Zatímco však intermodulační efekt je pro přijímače životně důležitý, u nízkofrekvenčních zesilovačů způsobuje nelineární zkreslení, která se nazývají intermodulace. Koneckonců, zvukový signál současně obsahuje harmonické velké množství frekvencí, které se velmi liší v amplitudě, a tranzistory, které tvoří zesilovač, jako diody, jsou nelineární prvky. Zkreslení, která se objevují v důsledku výše popsaného mechanismu, se v anglických zdrojích nazývají intermodulační zkreslení zkrácený IMD, mimochodem, ruská zkratka pro ně IMI .

Tento typ zkreslení je pro ucho mnohem nepříjemnější než banální omezení amplitudy signálu v každém konkrétním případě je mnohem obtížnější zjistit a hlavně odstranit.

Je čas, abychom konečně začali zkoumat temnou stránku zpětné vazby.

Temná stránka zpětné vazby

Abychom to detekovali, sestavíme zesilovač založený na operačním zesilovači LM324, ale s mírně odlišnými hodnotami zpětnovazebních odporů, abychom získali jednotný zisk.

Nyní na jeho vstup aplikujme obdélníkový impuls s nízkou amplitudou, asi 100 milivoltů.

To, co jsme dostali na výstupu, nevypadá jako vstupní signál. Co se stalo a proč nám zpětná vazba nepomohla? Jako vždy je na vině fyzika, její svět je mnohem složitější než naše matematické modely založené na hrubých aproximacích. Faktem je, že náš zesilovač je velmi složité zařízení.

Exkurze do reálného světa. Obecná negativní zpětná vazba ve výkonovém zesilovači zvuku

Inherentní nelinearita tranzistorových stupňů nutí konstruktéry používat silnou negativní zpětnou vazbu jako nejjednodušší řešení pro úpravu parametrů zesilovače pro splnění požadavků na nízké úrovně harmonického a intermodulačního zkreslení, samozřejmě měřeno pomocí standardních technik. V důsledku toho nejsou dnes průmyslové výkonové zesilovače s hloubkou zpětné vazby 60 a dokonce 100 dB neobvyklé.
Pojďme si znázornit reálný obvod jednoduchého tranzistorového výkonového zesilovače. Dá se říci, že je třístupňový. První zesilovací stupeň je na operačním zesilovači A1, druhý je na tranzistorech T1-T2 a třetí je rovněž tranzistor T3-T4. V tomto případě je zesilovač pokryt obecným zpětnovazebním obvodem, zvýrazněným červeně, který je přiveden přes rezistor R6 na neinvertující vstup operačního zesilovače. Klíčové slovo zde generál- zpětná vazba zde není přiváděna z výstupu operačního zesilovače na jeho vstup, ale z výstupu celého zesilovače.

V důsledku toho by měl operační zesilovač díky svému enormnímu zesílení pomoci vyrovnat se s různými typy nelinearit a interferencí v tranzistorových zesilovacích stupních. Níže uvádíme ty hlavní:

• tranzistory v takovém zapojení mohou pracovat ve velmi nelineárním režimu, když signál prochází nulou a pro slabé signály;
• Na výstupu je zesilovač zatížen složitou zátěží - reprosoustavou. Diagram ukazuje jeho ekvivalent - odpor R15 a indukčnost L1;
• Tranzistory pracují v náročných tepelných podmínkách a teplota jejich skříně výrazně závisí na výstupním výkonu a jejich parametry silně závisí na teplotě;
• Montážní kapacity a různé druhy rušení mohou mít slušnou hodnotu a chyby směrování mohou snadno vést ke kladné zpětné vazbě a samobuzení zesilovače;
• Významně se zvyšuje role rušení vyvolaného výkonem;

A OU pomáhá, ale jako blázen se modlí k Bohu ze slavného aforismu, někdy až moc. Problémy nastávají s přetížitelností jednotlivých kaskád, jejichž tranzistory spadají do režimu omezení signálu. Přecházejí z lineárního, samozřejmě relativně lineárního, režimu do režimu cutoff nebo saturace. Odcházejí velmi rychle, ale vracejí se do něj mnohem pomaleji, což je způsobeno neuspěchaným procesem resorpce vedlejších zdrojů náboje v polovodičových přechodech. Podívejme se blíže na tento proces a jeho důsledky.

Dynamické intermodulační zkreslení TIM. Přetížitelnost a efekt ořezávání zesilovače

Přetížitelnost zesilovač je parametr, který popisuje, o kolik decibelů se jmenovité výstupní napětí nebo výkon liší od maxima, když začíná omezení výkonu výstupního signálu - výstřižek

Tranzistorové zesilovače mají nízkou přetížitelnost, zejména v konečné a předfinální fázi. Jmenovitý výkon se od maxima často liší jen o 40 procent, což jsou necelé 3 dB.

Představme si, že náš zesilovač se skládá z ideálního korekčního předzesilovače a UMZCH pokrytého zpětnou vazbou s koeficientem B. Je důležité si uvědomit, že signál V 1 může obsahovat velmi vysokofrekvenční složky. Předzesilovač C funguje jako dolní propust a poskytuje vstupní signál V 2 do zesilovače A obsahujícího pouze komponenty spadající do frekvenčního pásma zvuku.

Napětí na vstupu výkonového zesilovače V 2 má dobu náběhu určenou předzesilovačem z grafu je vyhlazeno. V napětí V 3 působícím na výstupu sčítačky však dochází k přepětí způsobenému touhou zpětné vazby kompenzovat nízkou rychlost výkonového zesilovače A s amplitudou V max.

Náraz v signálu V3 může být stokrát nebo dokonce tisíckrát větší amplitudy než nominální úroveň vstupního signálu. Může značně překročit dynamický rozsah zesilovače. Během takového přetížení se sníží zisk ostatních signálů přítomných na vstupu, což způsobí okamžitý skok v intermodulačním zkreslení. Tento šplouch se nazývá dynamické intermodulační zkreslení TID , protože intermodulace vede k ovlivnění jednoho signálu na amplitudu druhého a závisí na časové a amplitudové charakteristice vstupního signálu více než jen na amplitudové charakteristice, jako v případě jednoduchého intermodulačního zkreslení.

Nahoře je graf extrémně nepříjemného efektu zvaného „clipping“ zesilovače a je to produkt zpětné vazby. Na výstupu A1 dostaneme efekt omezení amplitudy a na výstupu zesilovače zkreslený signál.

Metody měření intermodulačního zkreslení a metody pro jeho potlačení

Podle standardní techniky měření intermodulačního zkreslení jsou na vstup měřeného objektu současně přiváděny dva signály: frekvence nízké f 1 a vysoké f 2 . Bohužel různé země používají různé frekvence měření. Různé standardy poskytují různé frekvence - 100 a 5000 Hz, 50 a 1000 Hz...

Nejběžnější je použití frekvencí 400 a 4000 Hz, schválených v normě DIN 45403, GOST 16122-88 a IEC 60268-5. Amplituda signálu s frekvencí f 1 je 12 dB 4krát větší než amplituda signálu s frekvencí f 2. V závislosti na nelinearitě charakteristiky vznikají v pracovním bodě symetricky k frekvenci f 2 rozdílové a celkové kombinační kmity f 2 ± f 1, a f 2 ± 2f 1 vyšších řádů. Výsledné Ramanovy oscilace druhého řádu s frekvencemi f 2 ± f 1 charakterizují kvadratické a třetího řádu s frekvencemi f 2 ± 2f 1 - kubické zkreslení měřeného objektu.

Hojně se používá také dvojice frekvencí 19 a 20 kHz se stejnými úrovněmi signálu, což je výhodné především proto, že hlavní harmonická, která spadá do zvukového rozsahu, je v tomto případě signál s frekvencí 1 kHz, úroveň která se snadno měří.

K napájení měřicích signálů se používají nejen generátory, ale také měřicí CD a dokonce i vinylové desky speciálně nahrané ve studiu.

Asi před 30 lety vyžadovalo měření koeficientu intermodulačního zkreslení složité a drahé přístroje dostupné pouze v laboratořích a studiích, například složení měřícího stojanu pro snímačový zesilovač:

1. Vinyl gramofon;
2. Měřicí deska;
3. Vyzvednutí;
4. Korekční zesilovač;
5. Pásmový filtr;
6. Linkový detektor;
7. Dolní propust.
8. A samozřejmě V je voltmetr, který dokáže měřit efektivní hodnotu sinusových kmitů!

Mnohem kvalitnější měření dnes může poskytnout i jednoduchá 16bitová počítačová hudební karta s cenou do 30 dolarů doplněná speciálním měřicím programem a jednoduchými přizpůsobovacími obvody.

Popisované standardy jsou pro výrobce zařízení pro reprodukci zvuku bez větších potíží velmi pohodlné, v pasových údajích se dostanete ke krásným malým číslům, ale skutečnou kvalitu zesilovací cesty příliš neodrážejí. Výsledkem je samozřejmě rozvoj subjektivismu - když dva zesilovače nebo dokonce drahé zvukové karty, které mají formálně prakticky stejné parametry, "zní" úplně jinak na komplexním hudebním signálu - bez poslechu před nákupem se to neobejde.

Amatérští nadšenci kvalitního zvuku a jednotliví výrobci špičkových zařízení se snaží prosazovat své měřicí techniky založené na aproximacích méně vzdálených realitě. Existují vícefrekvenční techniky, techniky, které studují interakci harmonické frekvence a jednoho pulzu na základě šumových signálů a další. Tentokrát je však nestihneme podrobně rozebrat.
OOC

ULF ořezový efekt

Přidejte značky

Nelineární zkreslení jsou zkreslení signálu způsobené nelinearitou vztahu mezi sekundárním a primárním signálem ve stacionárním režimu. V důsledku nelineárních bez setrvačných zkreslení vstupního signálu sinusového tvaru se získá výstupní signál komplexního tvaru y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... kde: x je vstupní veličina; y0 - konstantní složka; v1 - lineární zisk; v2, v3 ... - koeficienty nelineárního zkreslení.

V systému s nelineární přenosovou charakteristikou se objevují spektrální složky, které na vstupu nebyly - produkty nelinearity. Když je na vstup takového systému přiveden signál s jednou frekvencí f1, objeví se na výstupu součástky s frekvencemi f1, 2f1, 3f1 atd. Pokud je na vstup přiveden signál skládající se z více frekvencí f1, f2, f3, ..., pak na výstupu systému kromě harmonických složek vznikají tzv. „kombinační složky“ s frekvencemi n1f1 ± n2f2 ± n3f3. Dodatečně se objeví ± ..., kde n=1, 2, 3, ... Při podávání zvuků se spojitým spektrem se získá také spojité spektrum, ale se změněným tvarem spektrální obálky.

Nelineární zkreslení se obvykle posuzuje faktorem nelineárního zkreslení, což je poměr efektivních hodnot harmonických k efektivní hodnotě celkového výstupního signálu a měří se v procentech. Zde An jsou amplitudy složek s frekvencemi nf. Níže uvedený zjednodušený vzorec platí pro případy, kdy jsou zkreslení malá (K<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
Při přenosu zvuku musí být zachovány primární vztahy mezi frekvenčními složkami zvuku. V tomto ohledu je kvalita libovolné části zvukového kanálu posuzována podle jeho amplitudově-frekvenční (zkrácené frekvence) charakteristiky, která je často označována zkratkou frekvenční odezva. Frekvenční charakteristika je chápána jako graf závislosti koeficientu přenosu na frekvenci signálů přiváděných na vstup dané sekce kanálu nebo samostatného audio zařízení. Přenosový koeficient je poměr velikostí signálů na vstupu zesilovače a jeho výstupu.
Frekvenční charakteristika přenosové cesty (frekvenční závislost koeficientu přenosu) mění vztahy mezi amplitudami frekvenčních složek. To vede k subjektivnímu pocitu změny zabarvení. Indikátorem stupně frekvenčního zkreslení, ke kterému dochází v libovolném zařízení, je nerovnoměrnost jeho amplitudově frekvenční charakteristiky, kvantitativním ukazatelem na libovolné konkrétní frekvenci spektra signálu je koeficient frekvenčního zkreslení.

Nelineární zkreslení jsou způsobena nelinearitou systému zpracování a přenosu signálu. Tato zkreslení způsobují, že se ve frekvenčním spektru výstupního signálu objevují složky, které ve vstupním signálu chybí. Nelineární zkreslení jsou změny tvaru vibrací procházejících elektrickým obvodem (například zesilovačem nebo transformátorem), způsobené porušením proporcionality mezi okamžitými hodnotami napětí na vstupu tohoto obvodu a na jeho výstupu. K tomu dochází, když se charakteristika výstupního napětí mění nelineárně se vstupním napětím. Nelineární zkreslení je kvantifikováno celkovým faktorem harmonického zkreslení nebo faktorem harmonického zkreslení. Typické hodnoty SOI: 0 % - sinusoida; 3 % - tvar blízký sinusovému; 5 % - tvar blízký sinusoidě (tvarové odchylky jsou již viditelné okem); až 21 % - lichoběžníkový nebo stupňovitý signál; 43 % je obdélníkový signál.

Zkreslení signálu v zesilovači

Zkreslení signálu v zesilovači je spojena jednak s nelineární závislostí výstupního signálu na vstupu, v důsledku nelinearity statických charakteristik proud-napětí použitých prvků, a jednak s frekvenční závislostí amplitudy a fáze zesíleného signálu. . Proto se při analýze činnosti zesilovačů uvažují dva typy zkreslení výstupního signálu ve vztahu ke vstupu: statické (nelineární) a dynamické (amplituda a fáze), v důsledku čehož se tvarové i frekvenční spektrum změny zesíleného signálu. Dynamické zkreslení se někdy nazývá lineární zkreslení.

Důvod vzniku nelineárních zkreslení je znázorněn na Obr. 2.1.4, c. Je zřejmé, že v tomto případě, když je na vstup zesilovacího zařízení přiveden harmonický signál, bude výstupní signál kromě vstupní harmonické obsahovat řadu dalších harmonických. Vzhled těchto harmonických je způsoben závislostí zesílení na velikosti vstupního signálu. V důsledku toho je výskyt nelineárních zkreslení vždy spojen s výskytem dalších harmonických složek signálu na výstupu, které na vstupu chybí.

Pro kvantifikaci nelineárních zkreslení použijte faktor nelineárního zkreslení (harmonický faktor), jehož výpočet je založen na posouzení relativní hodnoty vyšších harmonických k základní ve výstupním signálu, tzn.

, (2.1.7)

Kde A 2,..A str- efektivní hodnoty vyšších harmonických výstupního signálu, počínaje druhou; A 1- efektivní hodnota první (základní) harmonické výstupního signálu.

Frekvenční zkreslení zesilovacího zařízení se posuzuje podle typu jeho frekvenční charakteristiky. Uvažujme příčiny frekvenčního zkreslení na příkladu zařízení, jehož frekvenční charakteristika je na Obr. 2.1.5.

Předpokládejme, že na vstupu zesilovacího zařízení je signál rovný součtu dvou harmonických o stejné amplitudě a (obr. 2.1.6).

Podle zadané frekvenční charakteristiky (obr. 2.1.5) . Pak bude napětí na výstupu zesilovače mít podobu znázorněnou na Obr. 2.1.6. Porovnání celkových vstupních a výstupních signálů ukazuje, že se výrazně liší.

Z výše uvedených úvah je zřejmé, že ideální frekvenční charakteristika (z hlediska absence frekvenčních zkreslení) je taková, ve které je pro všechny zesílené frekvence splněn následující vztah: .

Rýže. 2.1.5. Výskyt frekvenčního zkreslení v zesilovači:

Kmitočtová charakteristika zesilovače.

Frekvenční zkreslení jsou kvantifikována faktorem frekvenčního zkreslení Mčíselně se rovná poměru zesílení ve středofrekvenční oblasti pro amplitudově-frekvenční charakteristiku k zisku při dané frekvenci.

.

Fázová zkreslení vznikají v důsledku nerovnoměrnosti fázově-frekvenční odezvy (PFC) zesilovacího zařízení (plná křivka na obr. 2.1.7).

Rýže. 2.1.6. Výskyt frekvenčního zkreslení v zesilovači:

Vstupní a výstupní signály zesilovače.

Rýže. 2.1.7. Výskyt fázových zkreslení v zesilovači: fázová odezva zesilovače.

Podmínkou ideálnosti fázové odezvy je podmínka, že fáze je nezávislá na frekvenci zesilovaného signálu (přerušovaná čára na obr. 2.1.7), která je popsána lineární závislostí tvaru:

Podmínka fázové nezávislosti na frekvenci je však v praxi obtížně zajistitelná a fázová odezva vypadá na Obr jako plná čára. 2.1.7.

Uvažujme na příkladu povahu výskytu fázových zkreslení. Předpokládejme, jako v případě amplitudových zkreslení signálu, že na vstupu zesilovacího zařízení je signál rovný součtu dvou harmonických a frekvence těchto signálů se liší dvojnásobně, tzn. . Předpokládejme také, že fázový posun zavedený zesilovacím zařízením mezi frekvencemi a je roven . Typ výstupního signálu zesilovacího zařízení za provedených předpokladů je na Obr. 2.1.8. Je zřejmé, že (stejně jako v předchozím případě) se tvary vstupních a výstupních signálů výrazně liší.

Když jsou elektrické signály zesíleny, může docházet k nelineárním, frekvenčním a fázovým zkreslením.

Nelineární zkreslení představují změnu tvaru křivky zesílených kmitů způsobenou nelineárními vlastnostmi obvodu, kterým tyto kmity procházejí.

Hlavním důvodem výskytu nelineárních zkreslení v zesilovači je nelinearita charakteristik zesilovacích prvků a také magnetizační charakteristiky transformátorů nebo tlumivek s jádry.

Vzhled zkreslení průběhu signálu způsobený nelinearitou vstupních charakteristik tranzistoru je znázorněn v grafu na obr. 1. Obr. Předpokládejme, že na vstup zesilovače je přiveden sinusový testovací signál. Tento signál, který se dostane do nelineární části vstupní charakteristiky tranzistoru, způsobí změny vstupního proudu, jehož tvar se liší od sinusového. V tomto ohledu výstupní proud, a tedy i výstupní napětí, změní svůj tvar ve srovnání se vstupním signálem.

Čím větší je nelinearita zesilovače, tím více zkresluje sinusové napětí přiváděné na vstup. Je známo (Fourierova věta), že jakákoli nesinusová periodická křivka může být reprezentována součtem harmonických kmitů a vyšších harmonických. Na výstupu zesilovače se tedy v důsledku nelineárních zkreslení objevují vyšší harmonické, tzn. zcela nové vibrace, které na vstupu nebyly.

Míra nelineárního zkreslení zesilovače se obvykle odhaduje podle hodnoty faktor nelineárního zkreslení(harmonické zkreslení)

Kde
- součet elektrických výkonů uvolněných při zátěži harmonickými, které jsou výsledkem nelineárního zesílení; - elektrický výkon první harmonické.

V případech, kdy má zatěžovací odpor stejnou hodnotu pro všechny harmonické složky zesíleného signálu, je harmonický koeficient určen vzorcem

,

kde -
atd. – efektivní nebo amplitudové hodnoty prvního, druhého, třetího atd. harmonické výstupní proudy;
atd. efektivní nebo amplitudové hodnoty harmonických výstupního napětí.

Harmonický koeficient se obvykle vyjadřuje v procentech, tedy hodnota zjištěná pomocí vzorců
by se mělo vynásobit 100. Celkové množství nelineárního zkreslení, které vzniká na výstupu zesilovače a je vytvářeno jednotlivými stupni tohoto zesilovače, je určeno přibližným vzorcem:

kde-
nelineární zkreslení způsobené každým stupněm zesilovače.

Přípustná hodnota harmonického zkreslení zcela závisí na účelu zesilovače. V přístrojových zesilovačích je přípustná hodnota harmonického zkreslení
jsou desetiny procenta.

Frekvence se nazývají zkreslení , způsobené změnami v zisku na různých frekvencích. Příčinou frekvenčního zkreslení je přítomnost reaktivních prvků v obvodu - kondenzátory, tlumivky, mezielektrodové kapacity zesilovacích prvků, montážní kapacita atp.

Například na Obr. Obrázek 2 ukazuje amplitudově-frekvenční odezvu ULF.

Rýže. 2. Amplituda-frekvence Obr. 3. Fázová frekvenční charakteristika

Charakteristika ULF. zesilovač

Při konstrukci amplitudově-frekvenčních charakteristik je vhodnější vynést frekvenci podél osy úsečky nikoli na lineární, ale na logaritmické stupnici. Pro každou frekvenci je hodnota skutečně vynesena podél osy lgF a hodnota frekvence je podepsána.

Vyjadřuje se míra zkreslení na jednotlivých frekvencích faktor zkreslení frekvence M, rovný poměru zisku na dané frekvenci

K největšímu frekvenčnímu zkreslení obvykle dochází na okrajích frekvenčního rozsahu F n a F PROTI. Koeficienty frekvenčního zkreslení jsou v tomto případě rovné

,

Kde NA n A NA c – respektive, faktory zesílení na spodní a horní frekvenci rozsahu.

Pro nízkofrekvenční zesilovače je ideální frekvenční charakteristika vodorovná přímka (čára AB na obr. 2).

Kde NAn A NAPROTI- faktory zesílení na spodní a horní frekvenci rozsahu. Z definice koeficientu frekvenčního zkreslení vyplývá, že pokud M> 1, pak má frekvenční charakteristika v oblasti této frekvence blok, a pokud M < 1, - то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).

Koeficient frekvenčního zkreslení vícestupňového zesilovače je roven součinu koeficientů frekvenčního zkreslení jednotlivých stupňů

M = M1 M 2 M 3 . ..Mn.

V důsledku toho může být frekvenční zkreslení vyskytující se v jednom zesilovacím stupni kompenzováno v jiném, takže celkový činitel frekvenčního zkreslení nepřekročí specifikovanou mez. Faktor zkreslení frekvence i faktor zesílení je vhodné vyjádřit v decibelech:

M DB = 20 lg M.

V případě vícestupňového zesilovače

M DB = M 1 dB + M 2 dB + M3 DB +…+ Mn DB

Přípustná míra frekvenčního zkreslení závisí na účelu zesilovače. Například u přístrojových zesilovačů je přípustné zkreslení určeno požadovanou přesností měření a může činit desetiny nebo dokonce setiny decibelu.

Je třeba mít na paměti, že frekvenční zkreslení v zesilovači je vždy doprovázeno výskytem fázového posunu mezi vstupními a výstupními signály, tj. fázovým zkreslením. Fázová zkreslení v tomto případě obvykle znamenají pouze posuny vytvořené reaktivními prvky zesilovače a na natočení fáze samotným zesilovacím prvkem se nepočítá.

Fázové zkreslení, přispěl zesilovač jsou posuzovány jeho fázově-frekvenční charakteristikou, což je graf závislosti úhlu fázového posunu φ mezi vstupním a výstupním napětím zesilovače na frekvenci Obr. 3. V zesilovači není žádné fázové zkreslení, když fázový posun závisí lineárně na frekvenci. Ideální fázově-frekvenční charakteristika je přímka začínající v počátku souřadnic - tečkovaná čára na Obr. 3. Fázově-frekvenční charakteristika reálného zesilovače má podobu na Obr. 3. plná čára.