Характеристика усилителя низкой частоты (стр. 3 из 7)

Линейные искажения в принципе обратимы. Достаточно пропустить сигнал через цепи с обратными характеристиками, и он будет полностью восстановлен. Очень часто сигнал заранее подвергают линейным предыскажениям (preemphasise, премфазис), чтобы компенсировать те искажения, которые он получит, пройдя через конкретную цепь. Для нелинейных цепей полностью это сделать невозможно, да и то, что можно сделать, делается сложно, а чаще — очень сложно. Остается пытаться всеми способами линеаризировать цепь, чтобы свести искажения к минимуму. Очень большую роль в этом процессе играют общие и местные обратные связи (Feedback).

Параметров, отражающих способность усилителя портить сигнал, довольно много. Важнейшими из них являются: коэффициент нелинейных искажений, коэффициент интермодуляционных искажений, скорость нарастания выходного сигнала и переходная характеристика усилителя.

Перейдем теперь к наиболее интересному параметру усилителя, а именно к коэффициенту нелинейных искажений — THD (TotalHarmonicDistortion), иногда просто d. Часто его еще называют коэффициентом гармоник.

где Ui — амплитудное значение основного сигнала, aU2...Un — амплитуды соответствующих гармоник. Этот показатель является важным, но не определяющим в оценке усилителя. Еще лет десять назад впечатляющей могла показаться цифра 0,1%, а сегодня никого не удивит и 0,001%. Тем не менее, может оказаться, что усилитель с более высокими искажениями звучит гораздо приятнее. Подчеркнем еще раз, что на сегодняшний день никто не знает, какой параметр является ключевым в оценке усилителя. Более того, не существует такого параметра! Тем не менее, битва за THD продолжается. Несомненно, что чем он ниже — тем лучше в рамках той же концепции высокой верности воспроизведения.

Для интегральных усилителей этот показатель пока не достиг таких высот, но и в этой области прогресс несомненен. В этом справочнике вы найдете усилители с THD = 0,005%, например TDA7293 имеет такой показатель при мощности до 5 Вт. Существуют усилители, у которых THD еще ниже. Принято считать приемлемым THD = 1...3% при максимальной громкости воспроизведения. Показатель THD = 10%, который очень часто встречается в справочных данных, говорит только о том, что в данном режиме усилитель представляет собой низкокачественный скремблер, а вовсе не УНЧ.

У всех усилителей с ростом мощности этот показатель растет, поэтому в справочных, данных всегда приводятся условия, при которых он замеряется. Растет он и с увеличением частоты входного сигнала. Как правило, приво-дятся графики зависимости его от частоты, мощности и нагрузки.

При рассмотрении зависимости коэффициента нелинейных искажений от мощности и частоты, можно заметить, что, начиная с некоторого значения, график резко поворачивает в сторону увеличения THD. Не следует этого сильно пугаться. Как уже отмечалось, музыкальный сигнал никогда не воспроизводится на полной мощности. Средний уровень громкости всегда на 10...20 дБ ниже, а кратковременные фрагменты с большим уровнем гармоник будут практически незаметны. Что касается частоты, то доля высоких частот на самом деле довольно мала. Примерно половина всей мощности приходится на частоты ниже 500 Гц. Искажения же замеряются на синусоидальном сигнале определенной частоты, чего в реальности не бывает. При сравнении усилителей, всегда в первую очередь сравнивайте условия измерений. Если они отличаются, то абсолютные значения показателей ничего не дадут. Сомнения должны возникнуть, когда значение THD приводится для маленького входного сигнала или для малой выходной мощности. Это, скорее всего, означает, что при больших сигналах показатель будет выглядеть очень плохо и лучше его не демонстрировать.

Коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) еще более важный показатель усилителя, т.к. в большей степени, чем THD характеризует нелинейность тракта усиления, и, наверное, по этой причине никогда не приводится в технических характеристиках интегральных усилителей. Для аппаратуры классов Hi-Fi и выше он приводится также достаточно редко.

где U1 и U2 — амплитудные значения синусоидальных сигналов с частотами f1 и f 2, а 12 • — амплитуда разностного ил и суммарною сигналов

Понятно, что выбор частот и амплитуд является очень* важным параметром, иначе сравнить результаты будет невозможно. В стандарте DIN4550&, который является общепризнанным для Hi-Fi аппаратуры принято f, *= 250 Гц, f 2 = 8 кГц, U1 = 0,25U2, и конечно амплитуды выбираются таким образом, чтобы THD был минимальным. Надо отметить, что, как и в случае с коэффициентом гармоник, возникает, вообще говоря, бесконечное множество комбинационных частот вида nf1 ± mf2, а их амплитуды тем выше, чем выше нелинейность системы.

Очень простой и понятной характеристикой является скорость нарастания выходного сигнала SR (SlewRate). Она измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс) и понимается буквально, т.е. усилитель не может воспроизвести слишком крутой перепад напряжения. На выходе вместо прямоугольного сигнала мы получим трапецеидальный, причем наклон трапеции численно равен максимальной скорости нарастания. Связь между частотой, выходным напряжением и скоростью нарастания проста:

где f — частота (МГц), U — амплитуда неискаженного напряжения (В). Скорость нарастания должна приводиться для наихудшего случая, каковым для операционного усилителя является повторитель, а для обычного — наи- меньший возможный коэффициент усиления, т.к. в этом режиме усилитель нуждается в наиболее сильной частотной коррекции.

Сквозная передаточная характеристика усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. В справочниках она приводится редко, т.к. недостаточно информативна в связи с наличием огромного количества факторов, влияющих на результат. В технических характеристиках иногда попадается простейшая разновидность ее — амплитудная характеристика. Она снимается при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала. Идеальная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат. Угол ее наклона — это коэффициент усиления. Прежде всего, реальная характеристика не только не начинается там, где ей положено, в начале координат, а вообще до нуля не доходит. В этом районе сосредоточены все шумовые свойства усилителя, Нелинейность начального участка характеристик усилительных элементов, тепловые дрейфы, наводки и помехи, фон и многое другое. Нетрудно догадаться, что динамический диапазон усилителя (DynamicRange), под которым понимается отношение максимального выходного (входного) неискаженного напряжения к минимальному, определяется именно этим участком, а вовсе не максимальным выходным напряжением. Измерения как обычно идут на частоте 1 кГц.

Поскольку употреблено слово «неискаженного», то в условиях измерения обязательно должно быть указано, что это значит. Если речь идет о величинах более 1...3%, то можно смело сократить приведенную величину минимум вдвое. Нас не интересует диапазон хрюканья» а поскольку мы уже знаем, что на высоких частотах и при сложном сигнале искажения всегда увеличиваются, можно легко понять, как это будет выглядеть в реальных условиях. Динамический диапазон человеческою уха составляет порядка 120 дБ, диапазон звукозаписывающей аппаратуры реально не выходит за пределы 70 дБ.

По мере приближения амплитуды выходного сигнала к уровню питающего напряжения, начинается процесс клонирования, т.е. обрезания верхней части сигнала. Этот процесс сопровождается потерей информации и резким увеличением THD и IMD. Наиболее часто эти явления встречаются в переносной и автомобильной аппаратуре, где остро стоят вопросы ограниченного питающего напряжения и есть желание продекларировать наивысшую мощность, так сказать, не прикладная рук. Приведенные в настоящем руководстве интегральные усилители выпускаются солидными производителями с мировыми именами, все необходимые для разработчика параметры приведены в достаточном объеме и при грамотном использовании этих микросхем, такие вопросы не должны возникать. Многие производители, и SGS в том числе, вводят так называемый режим мягкого ограничения (Softlimiter), когда токи транзисторов выходного каскада постепенно ограничиваются, не позволяя им войти в насыщение.

Более информативной характеристикой является импульсная переходная характеристика. На вход испытуемого усилителя подается прямоугольный импульс. В таком случае, о зависимости от входного напряжения можно говорить, как о параметрической, а в качестве аргумента использовать время. Если по оси абсцисс откладывать не абсолютное значение выходного напряжения, а отношение текущего значения к установившемуся, то такая нормированная характеристика уже пригодна для сравнения различных усилителей. Посмотрев на внешний вид переходной характеристики, читатель, знакомый с теорией автоматического регулирования сразу ее узнает. Не удивительно, т.к. усилитель, охваченный обратной связью (ОС), представляет классический объект для этой теории, и для описания его применяются, естественно, те же термины.