Искажения в ламповых, транзисторных, цифровых УМЗЧ

Многие даже очень дешёвые звуковые карты (Opti-931, Acer S23) поддерживают частоту дискретизации 48 кГц. При её использовании включается частота среза цифрового фильтра не 18-19 кГц, как для частоты дискретизации 44,1 кГц, а 20—21 кГц (так как 48 кГц > 44,1 кГц), то есть как у более дорогих ЦАП. Это можно использовать для получения более качественного звука на высоких частотах. Сначала надо импортировать (сграбить) в цифровом виде (без ЦАП/АЦП-преобразований) в wav-файл дорожку (трек) с музыкального компакт-диска на жёсткий диск с помощью программ WaveLab 1.6 или WinDac32. Затем, используя программы WaveLab, CoolEdit  или EDS TOOLS,произвести передискретизацию цифрового сигнала со стандартной частоты дискретизации 44,1 кГц на 48 кГц. В этих пакетах программно реализованы высококачественные 32-битные цифровые фильтры с характеристиками самых дорогих студийных устройств. Полученный wav-файл можно воспроизвести стандартным мультимедиа-проигрывателем Windows 95 или программой WaveLab. Такие операции, проделанные для звуковых карт Opti-931, Yamaha SA700, Monster Sound 3D, Ensoniq Soundscape Elite, Acer S23 и во всех случаях получилается довольно заметное улучшение воспроизведения самых высоких частот.

Характеристики нелинейных искажений.

 

Нелинейные искажения возникают в усилителе вследствие нелинейности его сквозной динамической характеристики. Предположим, что мы имеем дело с транзисторным каскадом, возбуждаемым от источника гармонической ЭДС eг с весьма малым внутренним сопротивлением RГ, во много раз меньшим входного сопротивления транзистора RBX. В этом случае напряжение сигнала база-эмиттер uбэ = eг – RГ·iб практически можно считать гармоническим, так как RГ·iб « eг, и тогда uбэ ≈ eг. В этих условиях нелинейные искажения будут зависеть от вида динамической характеристики прямой передачи (1, на рисунке ниже). Кривая 2 выражает

Характер нелинейных искажений 1.

изменение напряжения на базе. По виду кривой 3 можно установить, что изменения коллекторного тока не являются гармоническими колебаниями; помимо основной частоты ток iK содержит вторую (4), третью и т. д. гармоники. При неравных размахах тока относительно тока покоя IК очевидно, что существуют чётные гармоники, особенно вторая. При симметричном характере искажений (рис. ниже) возникают нечётные гармоники (в частности, третья), которая обычно оказывается преобладающей.

Уровень нелинейных искажений усилителей гармонических сигналов оценивается, в первую очередь, по коэффициенту гармоник – отношению среднеквадратической суммы напряжения или тока высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению или току основной частоты:

;

при расчётах удобнее пользоваться амплитудными значениями тока и тогда

.

Характер нелинейных искажений 2.

При усилении сигналов звуковой частоты с точки зрения обнаружения на слух нелинейных искажений наибольшую роль играют составляющие комбинационных частот |f1±f2|, |2f1±f2|, |2f2±f1|, возникающие при подаче на вход усилителя по крайней мере двух гармонических напряжений с частотами f1 и f2. Появление гармоник 2f1, 2f2, 3f1 3f2, … в процессе усиления сказывается на характере звучания значительно меньше. Это объясняется тем, что вообще гармоники (обертоны) являются составной частью звуковых сигналов (речи, музыки и т. д.). Таким образом, в реальных условиях на вход УЗЧ поступает напряжение, спектр которого содержит f1, 2f1, 3f1, ..., f2, 2f2, 3f2, .... Гармоники, возникающие в результате нелинейных искажений, просто суммируются с начальными и сравнительно мало ухудшают качество передачи. Наоборот, составляющие комбинационных частот (в особенности разностных типа |f1–f2|, |f1–2f2|, |2f1–f2|, ...) появились в процессе усиления, и поэтому они, главным образом, и создают искажение сигнала.

Несмотря на то, что восприятие на слух искажений в основном зависит от относительных амплитуд комбинационных частот, за меру нелинейных искажений обычно принимают коэффициент гармоник. Это объясняется, с одной стороны, тем, что амплитуды комбинационных частот и гармоник пропорциональны. Так, амплитуда разностного тона |f1–f2| пропорциональна амплитуде второй гармоники, более сложно образованного тона |f1–2f2| третьей гармонике. С другой стороны, приборы, предназначенные для измерения коэффициента гармоник, например С6-1, значительно проще анализаторов спектра С4-12, позволяющих измерять его отдельные составляющие.

Нелинейные искажения на слух незаметны, если коэффициент гармоник невелик (kг <0,2...0,5%). Нормированные значения коэффициента гармоник усилителей высшего класса составляют сотые доли процента. Для усилителей вещательных трактов I класса в области средних частот коэффициент гармоник не должен превышать 2,5%, а на нижних частотах из-за искажений, вносимых магнитной цепью выходного трансформатора, – 4%.

Групповые усилители многоканальной связи должны обладать высокой степенью линейности для того, чтобы продукты нелинейности (гармоники и комбинационные частоты) из одного канала (сравнительно узкого спектра частот, занимающего определенное место в частотном интервале) не попали в остальные (которых может быть сотни и тысячи). Для оценки степени искажений используются затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам, равные 20lg(1/ kг2) и 20lg(1/ kг3), где kг2 = U2.2/U2f, kг3 = U2.3f/U2. В соответствии с первой формулой этого раздела в данном случае

.

Допустимые значения затуханий нелинейности для второй гармоники порядка 76 дБ и для третьей 104 дБ (kг2 = 0,016%, kг3 = 0,00063%) при Р2=1 мВт.

Другой мерой, характеризующей влияние нелинейности УЗЧ, является коэффициент интермодуляционных искажений. Для измерения этого показателя на вход усилителя подаются два гармонических напряжения с частотами f1 = 50 Гц и f2 = 6 кГц (или 10 кГц). Амплитуды этих напряжений относятся как 4:1. Отношение амплитуды разностной частоты f2–f1 к амплитуде выходного напряжения частоты 50 Гц и представляет собой коэффициент интермодуляционных искажений; допустимое значение этого коэффициента принимается равным (1...1,5)kг.

При усилении импульсных сигналов, модулированных по длительности, нелинейность динамической характеристики не играет роли. Если же при передаче информации изменяется размах импульсов (как это имеет место при передаче изображения), то изменяется контрастность видимой картины, т. е. нарушается относительная плотность (градации) полутонов. Иногда для получения необходимой контрастности вводят определенного вида нелинейность. Уровень нелинейных искажений импульсных сигналов целесообразно оценивать коэффициентом нелинейности сигнала kнл, равного нормированному относительно максимального значения изменению крутизны (производной) динамической характеристики; так, в случае зависимости u2 = f(u1)

где kmax и kmin – наибольшее и наименьшее значения производной в пределах используемого участка характеристики.

Методика коррекции нелинейных искажений.

 

Зависимость выходного напряжения (тока) усилительного каскада или усилителя от входного напряжения (тока) выражается амплитудной характеристикой. На значительном участке она представляет собой прямую линию, начинающуюся почти из начала координат (от уровня собственных шумов усилителя Uш) и доходящую до таких амплитуд сигнала Uвх.макс, при которых заметно сказывается нелинейность характеристик активного элемента (АЭ). Таким образом, амплитудная характеристика даёт возможность определить пределы изменения напряжений Uвх и Uвых (тока Iвх и Iвых), для которых усилитель с заданной точностью можно рассматривать как линейную систему (согласно рис. 7 в пределах Uш< Uвых< Uвых.макс).

Для упрощения рассмотрения действия обратной связи (ОС) на амплитудную характеристику: предположим, что входной сигнал представляет собой колебание синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Допустим, что напряжение на выходе усилителя искажено: отрицательная полуволна имеет амплитуду меньшую, чем положительная. Если усилитель охватить отрицательной ОС (ООС) по напряжению, то напряжение на выходе цепи ОС также будет иметь несимметричные полуволны: большая – положительная, меньшая – отрицательная. Поэтому в результате действия ООС больше ослабится положительная полуволна и меньше отрицательная и, как следствие, форма колебания на выходе усилителя станет более симметричной, т. е. нелинейные искажения сигнала уменьшатся.

Влияние ООС на амплитудную характеристику усилителя несложно пояснить графическим способом (положительная ОС увеличивает нелинейность амплитудной характеристики и поэтому не представляет практического интереса). Характеристика цепи ОС представляет собой прямую с углом наклона φ (рис.7), который можно найти из уравнения

.

.

При действия ОС для восстановления на выходе усилителя прежнего значения напряжения Uвых необходимо напряжение от источника сигнала увеличить на значение напряжения Uoc. Следовательно, амплитудную характеристику усилителя с ОС можно получить из амплитудной характеристики усилителя без ОС смещением вправо абсцисс последней на значения Uос. Из такого построения непосредственно следует линеаризующее действие ООС. При сильной ОС, когда Кос=1/β, амплитудная характеристика усилителя на значительном участке представляет собой прямую линию с углом наклона, определяемым из последней формулы.

Как следует из графика на рис.7 и уравнения Uвых.ос/Uвых=1+βКскв=Fскв ОС позволяет при заданной степени искажений увеличить входную и выходную амплитуды в Fскв раз. Используя экспериментально снятые амплитудные характеристики усилителя с ОС и без неё, можно определить: глубину ОС (при условии Uвх=Uвх.ос=const); коэффициент ОС (при условии Uвых=Uвых.ос=const). Это позволит в конечном итоге сравнить параметры и характеристики, полученные путём расчёта и экспериментально.

Как известно, отклонение амплитудной характеристики усилителя от линейного закона приводит к нелинейным искажениям, суть которых заключается в том, что в выходном сигнале появляются колебания с частотами, которые отсутствуют в первоначальном сигнале, и тем самым изменяется спектральный состав и форма усиленного выходного сигнала. Наибольшие нелинейные искажения вносит оконечный каскад усилителя, так как он работает при достаточно больших амплитудах входного сигнала.

Уровень нелинейных искажений оценивают коэффициентом гармоник Кг. Нелинейные искажении на слух незаметны, если Кг мал (Кг<0,2—0,5%). В усилителях среднего качества Кг=3—5%, а высшего качества Кг=0,5—1%.

Рассмотрим влияние ООС по напряжению на работу оконечного каскада усилителя. Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада наряду с колебаниями, содержащимися во входном сигнале, появляется ряд высших гармоник – продукты нелинейности.

Поскольку ток ОС представляет часть выходного тока, то создаваемое им напряжение ОС также содержит продукты нелинейности. Вследствие того, что напряжение ООС подаётся на вход АЭ в противофазе с входным сигналом, то выходной ток, вызванный напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным током каскада. В результате это уменьшит нежелательные амплитуды высших гармонических колебаний. Так с помощью ООС уменьшаются продукты нелинейности, создаваемые АЭ в каскаде усиления. Одновременно с их уменьшением снижается и мощность усиливаемого сигнала на выходе усилителя. Для ее восстановления на вход усилителя следует подать напряжение сигнала, увеличенное в Fскв раз. При этом амплитуда выходного сигнала восстанавливается до прежнего значения, т. е. до значения, которое она имела бы в отсутствие ОС. Однако рост нелинейных искажений, который казалось бы, мог возникнуть с увеличением амплитуды входного сигнала, на самом деле не происходит, так как результирующее напряжение на входе активного элемента Uвх.ос останется таким же, как и до введения ОС. Следовательно, амплитуды всех гармоник выходного тока, возникающих за счёт нелинейности, также будут уменьшены в Fскв раз. Таким образом, ООС уменьшает Кг прямо пропорционально глубине ОС, т. е. коэффициент гармоник каскада с ОС Кг.ос=Кг/Fcкв.

В каскаде с транзистором образование продуктов нелинейности вызывается в основном двумя причинами: нелинейностью входной цепи транзистора и нелинейностью проходной и выходной его характеристик. На уровень нелинейных искажений влияют также амплитуда входного сигнала и сопротивления источника сигнала Rи и нагрузки Rн.

На рис.8 приведена зависимость Кг от сопротивления источника сигнала Rи для трёх схем включения транзистора: с ОЭ, ОБ и ОК. Как видно из рассмотрения рис.8, транзистор вносит наибольшие нелинейные искажения при использовании его по схеме с ОЭ. Наименьших нелинейных искажений можно добиться, включая его по схемам с ОБ и с ОК. Поэтому в оконечных каскадах высоколинейных усилителей желательно применять схему включения с ОБ или с ОК, а включение транзистора по схеме с ОЭ целесообразно использовать в предварительных каскадах, где отдаваемая ими мощность и напряжение сигнала гораздо меньше, чем в оконечном каскаде.

Следует заметить, что нелинейные искажения, возникающие из-за перегрузки оконечного каскада при сильных входных сигналах, ограничивают динамический диапазон изменения их выходных амплитуд, определяемый отношением Uвых.макс/Uш (см. рис.7). Для усиления всего диапазона входных напряжений, динамические диапазоны по входу и выходу должны быть по крайней мере равны. Однако чаще всего динамический диапазон изменения входных сигналов больше динамического диапазона усилители, что приводит к появлению нелинейных искажений при усилении сигнала. Расширение динамического диапазона усилителя можно получить с помощью ООС. Это расширение прямо пропорционально глубине ОС.

 

 

 

Список использованных источников.

1. По материалам с веб-сайта http://referats.local100.ru.
2. По материалам с веб-сайта http://www.falloutzone.ru.
3. Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для ВУЗ’ов. — 2’е изд., перераб. и доп. — М.: “Радио и связь”. 1983. — 264 с.
4. Грам Г. С. Электронные усилители. — М.: “Связь”. 1966. — 336 с.