Моделирование схемы усилителя НЧ на МДП-транзисторах (стр. 4 из 5)
где Рг — суммарная мощность гармоник; P1 — мощность полезного сигнала.
Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо меньшую мощность и мало влияют на форму выходного сигнала.
Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные искажения в предварительных каскадах соизмеримы с искажениями в оконечном каскаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:
Однако коэффициент Кг дает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образующиеся в результате интерференции между отдельными составляющими сложного колебании. Наиболее заметны нелинейные искажения из-за комбинационных частот, возникающие при подаче на усилитель двух и большего числа синусоидальных сигналов. Особенно заметны комбинационные частоты вида f1—f2, f1—2f2, 2f1—f2, так как они, как правило, не содержатся в спектре даже сложного входного сигнала.
Для высококачественных усилителей часто вводят еще один показатель, характеризующий их нелинейность, — коэффициент интермодуляционных искажений Ким.и. При измерении Kим.и на вход усилителя подают два гармонических колебания с частотами: f1 = 50... 100 Гц и f2 = 5... 10 кГц при отношении амплитуд Uвх(f1)/Uвх(f2)=4/1- Коэффициент Ким.и равен отношению амплитуды выходного напряжения разностной частоты f2—f1 к амплитуде выходного напряжения частоты f1:
Рис. 12. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности на выходе усилителя ЗЧ
Допустимое значение Ким.и<0,1 ... 1%.
Нелинейные искажения значительно зависят от амплитуды подаваемого на вход сигнала. На рис. 12 показан характер зависимости коэффициента Кт от мощности на выходе усилителя. Эта кривая является основной характеристикой для оценки нелинейных искажении. Она служит также для определения максимальной полезной мощности усилителя по заданному Кг.
Коэффициент гармоник задается, как правило, для большого уровня входного сигнала. Для транзисторных усилителей мощности характерно увеличение нелинейных искажений при весьма малых уровнях входного сигнала, что вызвано искажениями типа "ступенька" или "центральная отсечка". Поэтому для полной оценки качества усилителя целесообразно контролировать Кг также при малых уровнях входных сигналов.
В основном нелинейные искажения возникают в оконечном и предоконечном каскадах. Для оконечных усилителей вносимые нелинейные искажения различны на разных частотах. В области граничных частот полосы пропускания они возрастают (при неизменной амплитуде входного сигнала). Это объясняется реактивным характером сопротивления нагрузки оконечных транзисторов и связанным с этим изменением формы динамической характеристики на крайних частотах полосы пропускания.
Допустимые нелинейные искажения зависят от назначения усилителя. Так, в усилителях ЗЧ, используемых в радиовещании и бытовой звуковоспроизводящей аппаратуре, коэффициент гармоник по ГОСТ 11157—74 должен составлять 1 ... 2%. В высококачественной профессиональной аппаратуре Кг<0,05%.
В последние годы резко улучшились параметры высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуры. Особенно заметна тенденция к снижению нелинейных искажений. Появились усилители ЗЧ, у которых коэффициент Кг<0,0005%. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого количества транзисторов с высоким коэффициентом усиления и установлением глубокой ООС. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе. Это приводит к "жесткому", "транзисторному" звучанию, исчезает мягкость, бархатистость звука при субъективном восприятии музыкальной программы.
Проблема заметности коэффициента гармоник в диапазоне 1 ... 0,0005% не имеет однозначного толкования. Можно лишь утверждать, что если получены малые нелинейные искажения, и они достигнуты не за счет ухудшения других параметров усилителя, то это говорит о совершенстве усилительного тракта.
Однако следует отметить, что испытание усилителей со сверхмалыми нелинейными искажениями предъявляет весьма высокие требования к нелинейным искажениям источника испытательных сигналов. Лучшие отечественные звуковые генераторы типа ГЗ-102 обеспечивают Кг не менее 0,05%, т. е. имеют тот же порядок, что в нелинейные искажения, вносимые самим усилителем. Разрешающая способность измерителей нелинейных искажений С6-5 также составляет от 0,02 до 0,03%. Поэтому точные измерения сверхмалых нелинейных искажении весьма затруднительны.
Для испытаний сверхлинейных усилителей следует пользоваться прецизионными звуковыми генераторами и анализаторами спектра. Хорошие результаты при оценке сверхмалых нелинейных искажений дает метод компенсации.
5.8 Анализ искажений
ля проведения этого анализа и получения требуемых результатов воспользуемся двум видами проведения анализа:
1) Для получения искажения на 2-ую и 3-ую гармонику воспользуемся встроенным в Multisim 8 анализом: Distortion Analysis
2) Воспользуемся Distortion Analyzer, который также встроен в Multisim.
Для выполнения Анализа искажений и получения искажений на 2-ой и 3-ей гармонике необходимо на вкладке Distortion Analysis выставить значения показанные на рис. 13
Рис. 13
Также во вкладке Output выставить выход, в нашем случае 38.
Итогом будет получение графиков, которые приведены на рис. 14 и 15
Рис. 14
Рис. 15
Для получения полных гармонических искажений воспользуемся Distortion Analyzer, прибором позволяющем получить как значения полного искажения, так и померить отношение сигнал/шум.
Для проведения такого анализа и получения графика требуется выполнить следующие действия:
1. Подключить прибор Distortion Analyzer к выходу усилителя
2. Выставить частоту на входном генераторе синусоидального напряжения и такую же в приборе.
3. Включить симуляцию и выждать некоторое время для получения более точного результата, т.к. в схеме происходит переходный процесс.
4. Полученный результат записать в таблицу.
5. повторит п.2-4 для следующей частоты
6. Построить график по точкам (данный график построен в Microsoft Office Excel)
Рис. 16
Таблица 3
| Частота, Гц | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| THD, % | 0,171 | 0,170 | 0,167 | 0,164 | 0,161 | 0,162 | 0,161 | 0,160 | 0,161 | 0,16 |
| Частота, Гц | 200 | 300 | 400 | 500 | 1000 | 5000 | 10000 | 25000 | 50000 | 100000 |
| THD, % | 0,159 | 0,159 | 0,160 | 0,159 | 0,160 | 0,179 | 0,218 | 0,341 | 0,394 | 0,431 |
Рис. 17
Проанализировав получившийся график можно сделать следующие выводы:
1. Полное искажение на частотах от 10 до 1000 Гц почти одинаковы и составляют порядка 0,16 %, что вполне удовлетворительно для данного усилителя.
2. В области граничных частот полосы пропускания искажения возрастают. Это объясняется реактивным характером сопротивления нагрузки оконечных транзисторов и связанным с этим изменением формы динамической характеристики на крайних частотах полосы пропускания.
5.9 Анализ сигнал/шум
При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе действует некоторое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено в основном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.
Фон обычно появляется в результате недостаточной фильтрации пульсирующего напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.
Наводки образуются из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей усилителя с источниками помех.
Микрофонный эффект представляет собой результат преобразования механических колебаний элементов усилителя в электрические, проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1 ... 10000 Гц. Он заметно проявляется у интегральных усилителей с большим коэффициентом усилений, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его, используют рациональную конструкцию элементов усилителя, более надежное их крепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.
Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей зарядов (например, электронов). В результате на концах проводника, обладающего некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС, называемая ЭДС шума Еш. Поскольку она периодическая функция времени, то ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.