Distorsión por intermodulación en amplificadores de audio y OOS: tenga cuidado, conexiones peligrosas. B- Distorsión de frecuencia y respuesta de frecuencia. Rango de frecuencia
Amplificador es un dispositivo diseñado para aumentar la potencia de una señal de entrada. El proceso de amplificación se basa en la conversión de la energía de una fuente de voltaje constante por un elemento activo (transistor de efecto de campo bipolar) en energía de un voltaje alterno en la carga cuando la resistencia del elemento activo cambia bajo la influencia del señal de entrada.
Los amplificadores de señal son dispositivos básicos para construir dispositivos electrónicos analógicos complejos. Dependiendo de qué electrodo del transistor sea común a los circuitos de entrada y salida, existen tres esquemas de conexión para bipolar(BT) y campo transistores (FET), respectivamente: con una base común o obturador común(OB u OZ); con un emisor común o fuente común(OE u OI); coleccionista común o flujo total(OK o SO).
ganancia de voltaje K u = U fuera / U adentro;
ganancia actual K i = salgo / entro;
ganancia de potencia K p = P salida / P entrada.
Para amplificadores multietapa, ganancia está determinada por el producto de las ganancias de las etapas individuales, expresadas en unidades absolutas:
(veces) o la suma de los factores de ganancia expresados en decibeles:
Impedancia de entrada amplificador es la resistencia entre los terminales de entrada del amplificador y está determinada por la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada Zin = Uin /Iin. La naturaleza de la impedancia de entrada depende del rango de frecuencias amplificadas.
Impedancia de salida determinado entre los terminales de salida con la resistencia de carga apagada Z out = U out / I out.
Coeficiente de amortiguación– la relación entre la resistencia de carga y la resistencia de salida del amplificador K d = R n / R out. El valor de este parámetro oscila entre 10 y 100.
Eficiencia– la relación entre la potencia de salida suministrada por el amplificador a la carga y la potencia total consumida de la fuente de alimentación 
.Sensibilidad- el voltaje que se debe aplicar a la entrada del amplificador para obtener la potencia especificada en la salida.
rango dinámico– la relación entre el valor más alto permitido de la tensión de entrada y su valor más bajo permitido
D = Uin máx /Uin mín.
Rango de frecuencia amplificado(banda de paso): la diferencia entre las frecuencias límite superior e inferior Δf = f in – f n, en la que la ganancia varía según una determinada ley con una precisión determinada.
distorsión lineal están determinados por las dependencias de los parámetros del transistor con la frecuencia y los elementos reactivos de los dispositivos amplificadores. Las distorsiones lineales son de tres tipos: de frecuencia, de fase y transitorias.
57. Distorsión lineal y no lineal de amplificadores..
Además de obtener el factor de amplificación de señal requerido, es necesario que el amplificador no cambie de forma. La desviación de la forma de la señal de salida respecto de la forma de la señal de entrada suele denominarse distorsión. Hay dos tipos de distorsión. : no lineal y lineal.
Fuente distorsión no lineal es la no linealidad de las características corriente-voltaje de los elementos amplificadores. Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a la entrada del amplificador, debido a la no linealidad de las características de entrada y salida del transistor, la forma de las corrientes de entrada y salida puede diferir de la sinusoidal debido a la aparición de componentes armónicos más altos. Esto se aplica tanto al voltaje de entrada sinusoidal como a cualquier otra forma de onda de entrada. El nivel de distorsión no lineal se caracteriza por factor de distorsión no lineal amplificador (factor claro), expresado como porcentaje
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%
donde P2, P3, Pn – potencias liberadas en la carga bajo la influencia del segundo, tercer y enésimo componente armónico de la tensión (U2, U3, Un); P1 – potencia en la carga debido al componente armónico fundamental de la tensión U1.
Al evaluar la distorsión no lineal, en la mayoría de los casos solo se tienen en cuenta el segundo y tercer armónico, ya que los armónicos más altos tienen baja potencia. Para un amplificador multietapa, el factor de distorsión armónica total es se considera igual a la suma de los coeficientes de distorsión no lineal de las etapas individuales
Las distorsiones no lineales dependen de amplitudes de la señal de entrada y no están relacionadas con su frecuencia. Para reducir la distorsión de la forma de onda de salida, la señal de entrada debe tener una amplitud pequeña. En este sentido, en los amplificadores de múltiples etapas, las distorsiones no lineales surgen principalmente en las etapas pre-final y de salida, en cuya entrada actúan señales de gran amplitud.
distorsión lineal están determinados por las dependencias de los parámetros del transistor con la frecuencia y los elementos reactivos de los dispositivos amplificadores. Hay tres tipos de distorsión lineal: frecuencia, fase y transitorio.
Distorsión de frecuencia están asociados con una discrepancia entre las características reales e ideales en el rango de frecuencia de funcionamiento. Estas distorsiones dependen únicamente de la frecuencia de la señal amplificada.
La dependencia de la ganancia de la frecuencia de la señal de entrada K=F(f) generalmente se denomina característica amplitud-frecuencia (frecuencia) (AFC) Fig. 10.5, a.
La respuesta de frecuencia ideal es paralela al eje de frecuencia. En realidad, los componentes armónicos de la señal de entrada son amplificados de manera diferente por el amplificador, ya que las reactancias de los elementos del circuito dependen de manera diferente de la frecuencia. Típico de la respuesta de frecuencia es la presencia de la llamada región de frecuencia media, en la que K es casi independiente de la frecuencia y se denomina K 0. En el rango de frecuencias bajas y altas, la característica amplitud-frecuencia disminuye, teniendo desigual ganar. Las frecuencias de amplificación en las que la ganancia disminuye 2^1/2 veces o 3 dB en comparación con la frecuencia promedio se denominan frecuencias límite: la diferencia de frecuencia inferior f H y superior f B f B - f H =∆f se denomina banda de paso.
La distorsión de frecuencia en un amplificador siempre va acompañada de un cambio de fase entre las señales de entrada y salida, lo que provoca distorsión de fase. Por distorsión de fase nos referimos a 250 cambios de fase causados por los elementos reactivos del amplificador, y no se tiene en cuenta la rotación de fase por parte de la etapa del amplificador. La distorsión de fase del amplificador se evalúa mediante su característica de frecuencia de fase ϕ=F(f). El gráfico característico de frecuencia de fase representa la dependencia del ángulo de cambio de fase entre los voltajes de entrada y salida del amplificador de la frecuencia (figura 10.5b). No hay distorsión de fase en el amplificador cuando el cambio de fase depende linealmente de la frecuencia. La característica ideal de frecuencia de fase es una línea recta que comienza en el origen (Fig. 10.5, b línea de puntos). En la práctica, es más conveniente trazar las características de amplitud-frecuencia y fase-frecuencia en una escala logarítmica a lo largo del eje de frecuencia. Esto es conveniente porque la región de baja frecuencia se estira y la región de alta frecuencia se comprime.
Respuesta al paso
expresa la dependencia del tiempo del voltaje de salida de un amplificador, cuya entrada recibe una sobretensión instantánea (Fig. 10.7).
Esta característica determina el proceso de transición del amplificador de un estado a otro. Un cambio brusco en el voltaje de entrada permite determinar la respuesta del amplificador a este efecto en dos modos a la vez: transitorio y estacionario. La naturaleza del proceso transitorio en el amplificador depende en gran medida de la presencia de elementos reactivos L, C, que evitan un cambio instantáneo en la corriente en la inductancia y el voltaje en el capacitor. El voltaje de salida no puede cambiar abruptamente cuando se aplica un pulso a la entrada.
El tiempo durante el cual el frente de la respuesta transitoria normalizada aumenta desde el nivel 0,1 al nivel 0,9 se denomina tiempo de subida total. El exceso del valor de voltaje instantáneo sobre el valor de estado estacionario se llama sobreimpulso δ y se expresa como porcentaje. Existe un valor llamado de sobreimpulso crítico, en el que δ no depende del número de etapas del amplificador. La desigualdad del pico de la respuesta transitoria normalizada se denota por Δ, se mide como el exceso como porcentaje del valor estacionario y no debe exceder el 10% para amplificadores de reproducción de alta calidad.
Ruido en circuitos electrónicos.
Ruido intrínseco de los componentes de los circuitos electrónicos.
El ruido intrínseco de los componentes de los circuitos electrónicos es su característica física integral y fundamental: establecen el límite inferior del voltaje de ruido de un dispositivo electrónico. El ruido intrínseco incluye: ruido térmico, de disparo y de contacto, que son señales continuas con propiedades características.
El ruido térmico surge como resultado del movimiento térmico de los electrones en una sustancia. Surgen en todos los elementos que tienen resistencia. Por lo tanto, el ruido térmico en la literatura técnica también se denomina ruido de resistencia o ruido de Johnson.
El ruido térmico puede provenir de componentes del circuito eléctrico que disipan energía. Por tanto, la reactancia no es una fuente de ruido térmico.
Para la investigación, el ruido térmico se puede representar como ruido "blanco" estándar: la amplitud de voltaje del ruido térmico tiene una distribución normal con parámetros m = 0 y σ = UT, y la PSD del ruido térmico es constante en todo el rango de frecuencia.
El ruido de disparo se produce porque la corriente eléctrica es el movimiento de cargas discretas. La finitud de la carga conduce a fluctuaciones estadísticas de la corriente con respecto al valor medio, provocadas por la naturaleza aleatoria de la emisión de electrones (o huecos), es decir ruido de disparo. Este tipo de ruido está presente tanto en válvulas de vacío como en transistores. En este último, el ruido de disparo es causado por la difusión caótica de portadores a través de la base y la naturaleza aleatoria de la generación y recombinación de pares electrón-hueco. En general, el ruido de disparo está asociado al paso de corriente a través de una barrera de potencial.
Para el ruido de disparo también se aplica la representación descrita anteriormente en forma de ruido “blanco” distribuido normalmente. La expectativa matemática del ruido de disparo es cero y la desviación estándar está determinada por el valor efectivo de la corriente.
El ruido de contacto es causado por fluctuaciones en la conductividad (resistencia de contacto) debido al contacto imperfecto entre dos materiales. Ocurren siempre que dos conductores están conectados entre sí, como en interruptores y relés de contacto.
El ruido de contacto se produce en resistencias, transistores y diodos debido a contactos imperfectos, microcircuitos que contienen muchas partículas pequeñas aleadas.
Este ruido depende de muchos factores de diseño del material resistivo particular y especialmente de las conexiones finales.
En la literatura técnica, los ruidos de contacto suelen recibir nombres diferentes. En particular, el ruido que surge en las resistencias se denomina ruido "excesivo", el ruido de contacto en tubos y transistores electrónicos se suele denominar "ruido de parpadeo".
La densidad espectral de potencia varía como el recíproco de la frecuencia, por lo que este ruido se llama ruido de baja frecuencia o 1/f y, a veces, este ruido se llama ruido "rosa".
El ruido de contacto es la fuente más importante de ruido en circuitos eléctricos y de baja frecuencia.
El ruido intrínseco también incluye el ruido impulsivo característico de los elementos semiconductores: diodos, transistores y circuitos integrados.
A diferencia de otros tipos de ruido, el ruido impulsivo es prácticamente inamovible, ya que está provocado por defectos de fabricación y sólo puede eliminarse mejorando los procesos de producción. Estos ruidos son causados por impurezas metálicas en la unión del dispositivo semiconductor. El ruido impulsivo es una señal discreta y no periódica que aparece como picos repentinos en los niveles de voltaje de salida.
La frecuencia media de repetición del pulso puede variar desde varios cientos de pulsos por segundo hasta un pulso por minuto, pero para cualquier dispositivo dado la amplitud del ruido del pulso es fija, ya que es función de los parámetros del defecto de transición. La duración de los pulsos de ruido varía de microsegundos a segundos. Normalmente, esta amplitud es de 2 a 100 veces mayor que la amplitud del ruido térmico.
La densidad espectral de potencia del ruido impulsivo tiene una dependencia de la forma 1/f2. Dado que este ruido es un fenómeno relacionado con la corriente, el voltaje del ruido del pulso será mayor en un circuito de alta impedancia, como el circuito de entrada de un amplificador operacional.
Sin limitarnos a considerar sólo estos tipos básicos de ruido, en general, el voltaje de ruido total para un circuito electrónico se puede escribir como
U shƩ =(U sh1 2 +U sh2 2 +…U shhn 2)^1/2
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- Tutorial
En los sitios para audiófilos, es costumbre asustar a los visitantes con distorsión de intermodulación; sin embargo, dado que la mayoría de las publicaciones sobre este tema utilizan ampliamente la tecnología de copiar y pegar, es muy difícil entender por qué ocurren estas distorsiones y por qué dan tanto miedo. Hoy intentaré, lo mejor que pueda y con la extensión del artículo, reflejar con precisión la naturaleza de estos terribles IMI.
El tema de la distorsión de la señal en UMZCH se planteó en el mío, pero la última vez solo tocamos ligeramente las distorsiones lineales y no lineales. Hoy intentaremos comprender las distorsiones de intermodulación más desagradables de escuchar, difíciles de analizar y difíciles de eliminar para los diseñadores de ULF. Los motivos de su aparición y la relación con la retroalimentación, perdón por el juego de palabras.
Amplificador operacional como triángulo blanco.
Antes de hablar sobre retroalimentación, hagamos una breve excursión a amplificadores operacionales , ya que hoy en día las vías de amplificación de transistores prácticamente no pueden prescindir de ellos. Pueden estar presentes en forma de microcircuitos separados o formar parte de chips más complejos, por ejemplo, circuitos integrados. amplificadores de baja frecuencia - ULF .Consideremos un amplificador en forma de caja negra, o más bien de triángulo blanco, como se suele denominar en el diseño de circuitos, sin entrar en detalles de su diseño por ahora.
Asignaciones de pines del amplificador operacional
Entrada no inversora:
Entrada inversora:
Fuente de alimentación más:
Desventaja de la fuente de alimentación:
Si aumenta el voltaje de entrada en la entrada no inversora, el voltaje de salida aumentará; si está en la entrada inversora, por el contrario, disminuirá.
Normalmente, el voltaje de entrada a amplificar se aplica entre las dos entradas y luego el voltaje de salida se puede expresar de la siguiente manera:
¿Dónde está la ganancia en bucle abierto?
Dado que nuestro objetivo no es amplificar los voltajes de CC, sino las vibraciones del sonido, tomemos un ejemplo de la dependencia del económico amplificador operacional LM324 de la frecuencia de las oscilaciones sinusoidales de entrada.
En este gráfico, la ganancia se representa verticalmente y la frecuencia se representa horizontalmente en una escala logarítmica. Los resultados del trabajo de los ingenieros no son muy impresionantes y es poco probable que un amplificador de este tipo se utilice en la realidad. En primer lugar, muestra una buena linealidad sólo fuera del rango de frecuencia percibido por el oído (por debajo de 10 Hz) y, en segundo lugar, su ganancia es demasiado alta: ¡10.000 veces con corriente continua!
Entonces, ¿qué hacer? ¡Debe haber una salida! Sí, lo es. Tome parte de la señal de salida y aplíquela a la entrada inversora: introduzca retroalimentación.
Comentarios: ¡simple y enojado! ¿Una panacea para todos los males?
En este artículo no tocaremos los conceptos básicos de la teoría de los amplificadores operacionales, si lo desea, puede encontrar mucha información sobre este tema en Internet, Igor Petrov;Introducir retroalimentación en un circuito amplificador no es fácil, pero sí muy sencillo. Sin ir demasiado lejos, veamos cómo se puede hacer esto usando un ejemplo mío.
La retroalimentación en este circuito se suministra a la entrada inversora del amplificador operacional a través de la resistencia R2, o más bien un divisor de voltaje de R2 y R1. 
No es difícil demostrar que este circuito tendrá una ganancia de voltaje igual a dos y permanecerá sin cambios al amplificar señales armónicas en un rango de frecuencia muy amplio. A medida que aumenta la frecuencia de la señal, la ganancia del amplificador operacional sin retroalimentación cae, pero sigue siendo muchas veces mayor que dos, y esta caída se compensa con una disminución automática en el nivel de la señal de retroalimentación. Como resultado, la ganancia del circuito en su conjunto permanece sin cambios. Pero eso no es todo. Este circuito tiene una impedancia de entrada muy alta, lo que significa que prácticamente no tiene ningún efecto sobre la fuente de señal. También tiene una impedancia de salida muy baja, lo que significa que, en teoría, debería mantener la forma de la señal incluso cuando funciona con una carga de resistencia bastante baja y con una impedancia compleja: inductiva y capacitiva.
¿Realmente acabamos de conseguir el AMPLIFICADOR IDEAL?
Lamentablemente no, así como cualquier moneda tiene cara y cruz, la retroalimentación tiene su lado oscuro.
Lo que es bueno para un ruso es la muerte o un poco de tecnología de radio para un alemán.
En ingeniería de radio, el efecto de la interacción de señales de dos frecuencias diferentes aplicadas a un elemento no lineal llamado intermodulación . El resultado es una señal compleja con combinaciones de frecuencias (armónicos) dependiendo de la frecuencia de las señales originales f1 y f2 según la siguiente fórmula:
Las frecuencias resultantes tienen una amplitud menor que los armónicos originales y, como regla general, su nivel disminuye rápidamente al aumentar los coeficientes enteros my n.
Los armónicos tendrán la mayor amplitud, llamada armónicos de segundo orden con frecuencias:
y frecuencias armónicos de tercer orden :
En ingeniería de radio, este efecto se utiliza ampliamente para la conversión de frecuencia. Gracias a ello, funcionan los receptores modernos. La conversión de frecuencia se produce en mezcladores construidos sobre la base de elementos no lineales, que a menudo se utilizan como unión p-n de un diodo o transistor. El mezclador recibe simultáneamente la señal útil recibida y la señal del generador - oscilador local.
En la salida recibimos una amplia gama de señales:
Pero gracias al filtro PPF de banda estrecha seleccionamos la señal que necesitamos con una frecuencia intermedia f pr =f g -f s y la amplificamos en el amplificador IF. Luego, la detección se produce utilizando el siguiente elemento no lineal, generalmente un diodo, y en la salida después del filtro de paso bajo (que no se muestra en la figura), recibimos una señal de audiofrecuencia.
IMD- distorsión de intermodulación
Sin embargo, si bien el efecto de intermodulación es vital para los receptores, en los amplificadores de baja frecuencia provoca distorsiones no lineales, que se denominan intermodulación. Después de todo, una señal de audio contiene simultáneamente armónicos de una gran cantidad de frecuencias que difieren mucho en amplitud, y los transistores que componen el amplificador, como los diodos, son elementos no lineales. Las distorsiones que aparecen debido al mecanismo descrito anteriormente se denominan en fuentes en inglés. distorsión de intermodulación
abreviado IMD, por cierto, la abreviatura rusa para ellos. IMI
. Este tipo de distorsión es mucho más desagradable para el oído que una limitación banal de la amplitud de la señal; la fuente de su aparición en cada caso concreto es mucho más difícil de detectar y, lo más importante, de eliminar.
Es hora de que finalmente comencemos a explorar el lado oscuro de la retroalimentación.
El lado oscuro de la retroalimentación
Para detectarlo, ensamblaremos un amplificador basado en el amplificador operacional LM324, pero con valores ligeramente diferentes de las resistencias de retroalimentación para obtener una ganancia unitaria.Ahora apliquemos un pulso rectangular de baja amplitud, alrededor de 100 milivoltios, a su entrada.
Lo que obtuvimos en la salida no se parece en nada a la señal de entrada. ¿Qué pasó y por qué los comentarios no nos ayudaron? Como siempre, la culpa la tiene la física; su mundo es mucho más complejo que nuestros modelos matemáticos basados en aproximaciones aproximadas. El caso es que nuestro amplificador es un dispositivo muy complejo.
Una excursión al mundo real. Retroalimentación negativa general en un amplificador de potencia de audio.
La no linealidad inherente de las etapas de los transistores obliga a los diseñadores a utilizar una fuerte retroalimentación negativa como la solución más simple para ajustar los parámetros del amplificador para cumplir con los requisitos de bajos niveles de distorsión armónica y de intermodulación, medidas por supuesto utilizando técnicas estándar. Como resultado, los amplificadores de potencia industriales con una profundidad de retroalimentación de 60 e incluso 100 dB no son infrecuentes en la actualidad.Representemos un circuito real de un amplificador de potencia de transistor simple. Podemos decir que es de tres etapas. La primera etapa del amplificador está en el amplificador operacional A1, la segunda está en los transistores T1-T2 y la tercera también es el transistor T3-T4. En este caso, el amplificador está cubierto por un circuito de retroalimentación general, resaltado en rojo, que se alimenta a través de la resistencia R6 a la entrada no inversora del amplificador operacional. Palabra clave aquí general- La retroalimentación aquí no se suministra desde la salida del amplificador operacional a su entrada, sino desde la salida de todo el amplificador.
Como resultado, el amplificador operacional, gracias a su enorme ganancia, debería ayudar a hacer frente a varios tipos de no linealidades e interferencias en las etapas del amplificador de transistores. Te enumeramos a continuación los principales:
- los transistores en dicha conexión pueden funcionar en un modo muy no lineal cuando la señal pasa por cero y para señales débiles;
- En la salida, el amplificador se carga con una carga compleja: el sistema de altavoces. El diagrama muestra su equivalente: resistencia R15 e inductancia L1;
- Los transistores funcionan en un régimen térmico severo y la temperatura de su carcasa depende significativamente de la potencia de salida, y sus parámetros dependen en gran medida de la temperatura;
- Las capacitancias de montaje y varios tipos de interferencias pueden tener un valor decente y los errores de enrutamiento pueden conducir fácilmente a una retroalimentación positiva y a la autoexcitación del amplificador;
- El papel de la interferencia inducida por la energía aumenta significativamente;
Distorsión de intermodulación dinámica TIM. Capacidad de sobrecarga y efecto de recorte del amplificador.
Capacidad de sobrecarga El amplificador es un parámetro que describe cuántos decibeles difiere el voltaje o potencia de salida nominal del máximo cuando comienzan las limitaciones de potencia de la señal de salida. recorteLos amplificadores de transistores tienen una baja capacidad de sobrecarga, especialmente en las etapas final y prefinal. La potencia nominal a menudo difiere del máximo sólo en un 40 por ciento, es decir, menos de 3 dB.
Imaginemos que nuestro amplificador consta de un preamplificador corrector ideal y un UMZCH cubierto por retroalimentación con coeficiente B. Es importante tener en cuenta que la señal V 1 puede contener componentes de muy alta frecuencia. El preamplificador C actúa como un filtro de paso bajo, proporcionando una señal de entrada V 2 al amplificador A que contiene sólo componentes que caen dentro de la banda de frecuencia de audio.
El voltaje en la entrada del amplificador de potencia V 2 tiene un tiempo de subida determinado por el preamplificador; el gráfico muestra que está suavizado; Sin embargo, en el voltaje V 3 que actúa en la salida del sumador, hay un aumento causado por el deseo de retroalimentación para compensar la baja velocidad del amplificador de potencia A con amplitud V max.
Un aumento en la señal V 3 puede tener una amplitud cientos o incluso miles de veces mayor que el nivel nominal de la señal de entrada. Puede superar con creces el rango dinámico del amplificador. Durante dicha sobrecarga, la ganancia de otras señales presentes en la entrada se reduce, provocando un pico instantáneo en la distorsión de intermodulación. Este chapoteo se llama distorsión de intermodulación dinámica TID , porque la intermodulación conduce a la influencia de una señal sobre la amplitud de otra, y depende de las características de tiempo y amplitud de la señal de entrada más que solo de la característica de amplitud, como en el caso de la distorsión de intermodulación simple.
Arriba se muestra un gráfico de un efecto extremadamente desagradable llamado “recorte” del amplificador y es producto de la retroalimentación. En la salida A1 obtenemos el efecto de limitación de amplitud, y en la salida del amplificador, una señal distorsionada.
Métodos para medir la distorsión de intermodulación y métodos para combatirla.
Según la técnica estándar para medir la distorsión de intermodulación, se aplican dos señales simultáneamente a la entrada del objeto medido: frecuencias bajas f 1 y altas f 2. Desafortunadamente, cada país utiliza diferentes frecuencias de medición. Los diferentes estándares prevén diferentes frecuencias: 100 y 5000 Hz, 50 y 1000 Hz...El más común es el uso de frecuencias de 400 y 4000 Hz, aprobadas en la norma DIN 45403, GOST 16122-88 e IEC 60268-5. La amplitud de la señal con frecuencia f 1 es 12 dB 4 veces mayor que la amplitud de la señal con frecuencia f 2. Dependiendo de la no linealidad de la característica, las oscilaciones de diferencia y combinación total f 2 ± f 1 y f 2 ± 2f 1 de órdenes superiores se forman en el punto de operación simétricamente con respecto a la frecuencia f 2. Las oscilaciones Raman de segundo orden resultantes con frecuencias f 2 ± f 1 caracterizan distorsiones cuadráticas y de tercer orden con frecuencias f 2 ± 2f 1, cúbicas del objeto de medición.
También se usa ampliamente un par de frecuencias de 19 y 20 KHz con niveles de señal iguales, lo cual es conveniente principalmente porque el armónico principal que cae en el rango de audio, en este caso, es una señal con una frecuencia de 1 KHz, el nivel de que es fácil de medir.
Para suministrar las señales de medición no sólo se utilizan generadores, sino también CD de medición e incluso discos de vinilo grabados especialmente en el estudio.
Hace unos 30 años, medir el coeficiente de distorsión de intermodulación requería instrumentos complejos y costosos disponibles sólo en laboratorios y estudios, por ejemplo, la composición de un soporte de medición para un amplificador de pastilla:
- Tocadiscos de vinilo;
- Placa medidora;
- Levantar;
- Amplificador de corrección;
- Filtro de paso de banda;
- detector de línea;
- Filtro de paso bajo.
- ¡Y, por supuesto, V es un voltímetro que puede medir el valor efectivo de oscilaciones sinusoidales!
Los estándares descritos son muy convenientes para los fabricantes de equipos de reproducción de sonido; sin mucha dificultad, se pueden obtener números pequeños y hermosos en los datos del pasaporte, pero no reflejan muy bien la calidad real de la ruta de amplificación. El resultado, por supuesto, es el desarrollo del subjetivismo: cuando dos amplificadores o incluso tarjetas de audio costosas, que formalmente tienen prácticamente los mismos parámetros, "suenan" de manera completamente diferente en una señal musical compleja, es imposible prescindir de escuchar antes de comprar.
Los aficionados al sonido de alta calidad y los fabricantes individuales de equipos de alta gama intentan promover sus técnicas de medición basándose en aproximaciones menos alejadas de la realidad. Existen técnicas multifrecuencia, técnicas que estudian la interacción de una frecuencia armónica y un solo pulso, basadas en señales de ruido, y otras. Sin embargo, esta vez no tendremos tiempo de discutirlos en detalle.
OOC
Las distorsiones no lineales son distorsiones de la señal causadas por la no linealidad de la relación entre las señales secundaria y primaria en un modo estacionario. Como resultado de distorsiones no lineales libres de inercia de la señal de entrada de forma sinusoidal, se obtiene una señal de salida de forma compleja y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... donde: x es la cantidad de entrada; y0 - componente constante; v1 - ganancia lineal; v2, v3 ... - coeficientes de distorsión no lineal.
En un sistema con una característica de transferencia no lineal, aparecen componentes espectrales que no estaban presentes en la entrada: productos de no linealidad. Cuando se aplica una señal con una sola frecuencia f1 a la entrada de dicho sistema, aparecerán en la salida componentes con frecuencias f1, 2f1, 3f1, etc. Si a la entrada se suministra una señal que consta de varias frecuencias f1, f2, f3, ..., a la salida del sistema, además de los componentes armónicos, también se encuentran los llamados "componentes combinados" con frecuencias n1f1 ± n2f2 ± n3f3. Además aparecerá ± ..., donde n=1, 2, 3, ... Al alimentar sonidos con un espectro continuo, también se obtiene un espectro continuo, pero con una forma modificada de la envolvente del espectro.
La distorsión no lineal generalmente se evalúa mediante el factor de distorsión no lineal, que es la relación entre los valores efectivos de los armónicos y el valor efectivo de la señal de salida total y se mide como un porcentaje. Aquí An son las amplitudes de componentes con frecuencias nf. La fórmula simplificada que se proporciona a continuación es válida para los casos en que las distorsiones son pequeñas (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.
Durante la transmisión del sonido, se deben preservar las relaciones primarias entre los componentes de frecuencia del sonido. En este sentido, la calidad de cualquier sección del canal de audio se evalúa por su característica amplitud-frecuencia (frecuencia abreviada), que a menudo se denota mediante la respuesta de frecuencia abreviada. Se entiende por respuesta de frecuencia la gráfica de la dependencia del coeficiente de transmisión de la frecuencia de las señales suministradas a la entrada de una determinada sección del canal o de un dispositivo de audio independiente. El coeficiente de transmisión es la relación entre las magnitudes de las señales en la entrada del amplificador y su salida.
La respuesta de frecuencia de la ruta de transmisión (dependencia de la frecuencia del coeficiente de transmisión) cambia las relaciones entre las amplitudes de los componentes de frecuencia. Esto conduce a una sensación subjetiva de cambio de timbre. Un indicador del grado de distorsión de frecuencia que ocurre en cualquier dispositivo es la desigualdad de su característica amplitud-frecuencia; un indicador cuantitativo en cualquier frecuencia específica del espectro de la señal es el coeficiente de distorsión de frecuencia.
Las distorsiones no lineales son causadas por la no linealidad del sistema de transmisión y procesamiento de señales. Estas distorsiones provocan la aparición en el espectro de frecuencia de la señal de salida de componentes que están ausentes en la señal de entrada. Las distorsiones no lineales son cambios en la forma de las vibraciones que pasan a través de un circuito eléctrico (por ejemplo, a través de un amplificador o transformador), causadas por violaciones de proporcionalidad entre los valores instantáneos de voltaje en la entrada de este circuito y en su salida. Esto ocurre cuando la característica del voltaje de salida varía de manera no lineal con el voltaje de entrada. La distorsión no lineal se cuantifica mediante el factor de distorsión armónica total o factor de distorsión armónica. Valores típicos de SOI: 0% - sinusoide; 3% - forma cercana a la sinusoidal; 5%: una forma cercana a la sinusoidal (las desviaciones de forma ya son perceptibles a la vista); hasta 21% - señal trapezoidal o escalonada; El 43% es una señal de onda cuadrada.
Distorsión de la señal en el amplificador.
Distorsión de la señal en el amplificador. está asociado, en primer lugar, con la dependencia no lineal de la señal de salida de la entrada, debido a la no linealidad de las características estáticas de corriente-voltaje de los elementos utilizados, y, en segundo lugar, con la dependencia de la frecuencia de la amplitud y fase de la señal amplificada. . Por tanto, al analizar el funcionamiento de los amplificadores se consideran dos tipos de distorsiones de la señal de salida en relación a la entrada: estática (no lineal) y dinámica (amplitud y fase), por lo que tanto la forma como el espectro de frecuencia del cambios de señal amplificada. La distorsión dinámica a veces se denomina distorsión lineal.
El motivo de la aparición de distorsiones no lineales se ilustra en la Fig. 2.1.4,c. Es obvio que en este caso, cuando se aplica una señal armónica a la entrada del dispositivo amplificador, la señal de salida, además del armónico de entrada, contendrá una serie de armónicos adicionales. La aparición de estos armónicos se debe a la dependencia de la ganancia de la magnitud de la señal de entrada. En consecuencia, la aparición de distorsiones no lineales siempre está asociada a la aparición en la salida de componentes armónicos adicionales de la señal que están ausentes en la entrada.
Para cuantificar las distorsiones no lineales, utilice el factor de distorsión no lineal (factor armónico), cuyo cálculo se basa en una evaluación del valor relativo de los armónicos superiores al fundamental en la señal de salida, es decir
, (2.1.7)
Dónde A 2,..Ap- valores efectivos de los armónicos superiores de la señal de salida, a partir del segundo; un 1- valor efectivo del primer armónico (fundamental) de la señal de salida.
Las distorsiones de frecuencia de un dispositivo amplificador se evalúan por el tipo de respuesta de frecuencia. Consideremos las causas de la distorsión de frecuencia usando el ejemplo de un dispositivo cuya respuesta de frecuencia se muestra en la Fig. 2.1.5.
Supongamos que en la entrada del dispositivo amplificador hay una señal igual a la suma de dos armónicos de la misma amplitud, y (Fig. 2.1.6).
Según la respuesta de frecuencia dada (Fig. 2.1.5) 
. Entonces el voltaje en la salida del amplificador tomará la forma que se muestra en la Fig. 2.1.6. Una comparación de las señales totales de entrada y salida muestra que son significativamente diferentes.
De las consideraciones anteriores queda claro que la respuesta de frecuencia ideal (desde el punto de vista de la ausencia de distorsiones de frecuencia) es aquella en la que se satisface la siguiente relación para todas las frecuencias amplificadas: 
.
Arroz. 2.1.5. La aparición de distorsión de frecuencia en el amplificador:
Respuesta de frecuencia del amplificador.
Las distorsiones de frecuencia se cuantifican mediante el factor de distorsión de frecuencia. METRO, numéricamente igual a la relación entre la ganancia en la región de frecuencia media para la característica de amplitud-frecuencia y la ganancia a una frecuencia determinada.
.
Las distorsiones de fase surgen debido a la desigualdad de la respuesta de frecuencia de fase (PFC) del dispositivo amplificador (curva continua en la Fig. 2.1.7).
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Arroz. 2.1.6. La aparición de distorsión de frecuencia en el amplificador:
Señales de entrada y salida del amplificador.
Arroz. 2.1.7. La aparición de distorsiones de fase en un amplificador: respuesta de fase del amplificador.
La condición para la idealidad de la respuesta de fase es la condición de que la fase sea independiente de la frecuencia de la señal amplificada (línea discontinua en la Fig. 2.1.7), que se describe mediante una dependencia lineal de la forma:
Sin embargo, la condición de independencia de fase de la frecuencia es difícil de garantizar en la práctica y la respuesta de fase parece una línea continua en la Fig. 2.1.7.
Consideremos, usando un ejemplo, la naturaleza de la aparición de distorsiones de fase. Supongamos, como en el caso de las distorsiones de amplitud de la señal, que en la entrada del dispositivo amplificador hay una señal igual a la suma de dos armónicos, y las frecuencias de estas señales difieren en un factor de dos, es decir . Supongamos también que el desfase introducido por el dispositivo amplificador entre frecuencias y es igual a . El tipo de señal de salida del dispositivo amplificador bajo las suposiciones hechas se muestra en la Fig. 2.1.8. Es obvio que (como en el caso anterior) las formas de las señales de entrada y salida son significativamente diferentes.
Cuando se amplifican señales eléctricas, pueden producirse distorsiones no lineales, de frecuencia y de fase.
Distorsión no lineal representan un cambio en la forma de la curva de oscilaciones amplificadas causada por las propiedades no lineales del circuito por el que pasan estas oscilaciones.
La razón principal de la aparición de distorsiones no lineales en un amplificador es la no linealidad de las características de los elementos amplificadores, así como las características de magnetización de los transformadores o bobinas con núcleo.
La aparición de distorsiones de la forma de onda de la señal causadas por la no linealidad de las características de entrada del transistor se ilustra en el gráfico de la Fig. 1. Supongamos que se aplica una señal de prueba sinusoidal a la entrada del amplificador. Al entrar en la sección no lineal de la característica de entrada del transistor, esta señal provoca cambios en la corriente de entrada, cuya forma difiere de la sinusoidal. En este sentido, la corriente de salida y, por tanto, la tensión de salida cambiarán de forma en comparación con la señal de entrada.
Cuanto mayor es la no linealidad del amplificador, más distorsiona el voltaje sinusoidal suministrado a la entrada. Se sabe (teorema de Fourier) que cualquier curva periódica no sinusoidal puede representarse mediante la suma de oscilaciones armónicas y armónicos superiores. Así, como resultado de las distorsiones no lineales, aparecen armónicos más altos en la salida del amplificador, es decir, vibraciones completamente nuevas que no estaban presentes en la entrada.
El grado de distorsión no lineal de un amplificador generalmente se estima mediante el valor factor de distorsión no lineal(distorsión armónica)
Dónde 
- la suma de las potencias eléctricas liberadas en la carga por los armónicos resultantes de la amplificación no lineal; 
- potencia eléctrica del primer armónico.
En los casos en que la resistencia de carga tiene el mismo valor para todos los componentes armónicos de la señal amplificada, el coeficiente armónico se determina mediante la fórmula
,
Dónde - 
etc. – valores efectivos o de amplitud del primero, segundo, tercero, etc. armónicos de corriente de salida; 
etc. valores efectivos o de amplitud de los armónicos de tensión de salida.
El coeficiente armónico generalmente se expresa como porcentaje, por lo que el valor encontrado por las fórmulas 
debe multiplicarse por 100. La cantidad total de distorsión no lineal que se produce en la salida del amplificador y creada por las etapas individuales de este amplificador está determinada por la fórmula aproximada:
Dónde - 
distorsiones no lineales introducidas por cada etapa del amplificador.
El valor permitido de distorsión armónica depende completamente del propósito del amplificador. En amplificadores de instrumentación, el valor permitido de distorsión armónica es 
es décimas de un por ciento.
Frecuencia son llamados distorsión , causado por cambios en la ganancia a diferentes frecuencias. La causa de la distorsión de la frecuencia es la presencia de elementos reactivos en el circuito: condensadores, inductores, capacitancias entre electrodos de elementos amplificadores, capacitancias de montaje, etc.
Por ejemplo en la Fig. La Figura 2 muestra la respuesta amplitud-frecuencia del ULF.
Arroz. 2. Amplitud-frecuencia Fig. 3. Respuesta de frecuencia de fase
Características del ULF. amplificador
Al construir características de amplitud-frecuencia, es más conveniente trazar la frecuencia a lo largo del eje de abscisas no en una escala lineal, sino logarítmica. Para cada frecuencia, el valor se traza a lo largo del eje LGF , y el valor de la frecuencia tiene signo.
El grado de distorsión en frecuencias individuales se expresa. factor de distorsión de frecuencia
METRO, igual a la relación de la ganancia a una frecuencia dada 
Normalmente, la mayor distorsión de frecuencia se produce en los bordes del rango de frecuencia. F norte y F v. Los coeficientes de distorsión de frecuencia en este caso son iguales a
,
Dónde A norte Y A c – respectivamente, los factores de ganancia en las frecuencias inferior y superior del rango.
Para los amplificadores de baja frecuencia, la respuesta de frecuencia ideal es una línea recta horizontal (línea AB en la Fig. 2).
Dónde Anorte Y AV- respectivamente, los factores de ganancia en las frecuencias inferior y superior del rango. De la definición del coeficiente de distorsión de frecuencia se deduce que si METRO> 1, entonces la respuesta de frecuencia en la región de esta frecuencia tiene un bloque, y si METRO < 1, - то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).
El coeficiente de distorsión de frecuencia de un amplificador de múltiples etapas es igual al producto de los coeficientes de distorsión de frecuencia de las etapas individuales.
M = M1 METRO 2 METRO 3 . ..METROnorte.
En consecuencia, la distorsión de frecuencia que se produce en una etapa del amplificador se puede compensar en otra de modo que el factor de distorsión de frecuencia global no supere el límite especificado. Es conveniente expresar el factor de distorsión de frecuencia, así como el factor de ganancia, en decibelios:
METRO DB = 20 litros METRO.
En el caso de un amplificador multietapa
METRO DB = METRO 1dB + METRO 2dB +M3 DB +…+ Mnorte DB
La cantidad permitida de distorsión de frecuencia depende del propósito del amplificador. Para los amplificadores de instrumentación, por ejemplo, la distorsión permitida está determinada por la precisión de medición requerida y puede ser décimas o incluso centésimas de decibelios.
Hay que tener en cuenta que la distorsión de frecuencia en un amplificador siempre va acompañada de la aparición de un cambio de fase entre las señales de entrada y salida, es decir, distorsión de fase. En este caso, las distorsiones de fase generalmente significan solo cambios creados por los elementos reactivos del amplificador, y no se tiene en cuenta la rotación de fase por el propio elemento amplificador.
distorsión de fase, aportados por el amplificador se evalúan por su característica de frecuencia de fase, que es una gráfica de la dependencia del ángulo de cambio de fase φ entre los voltajes de entrada y salida del amplificador con la frecuencia. 3. No hay distorsión de fase en el amplificador cuando el cambio de fase depende linealmente de la frecuencia. La característica ideal de frecuencia de fase es una línea recta que comienza en el origen de las coordenadas: la línea de puntos en la Fig. 3. La característica fase-frecuencia de un amplificador real tiene la forma que se muestra en la Fig. 3. línea continua.
