Новый взгляд на искажения, возникающие в УМЗЧ (часть первая)

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Все о УЗЧ

Опубликовано: 20.03.2017 15:47

Просмотров: 3856

А. Петров, г. Могилев
«Из одних и тех же камней можно построить и сарай, и дворец. Конечный результат будет зависеть от того, как мы соединим их между собой» В настоящее время основные контролируемые параметры УМЗЧ в части искажений - это коэффициент нелинейных искажений (КНИ) (причем только по 2 и 3 гармонике) и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). А ведь именно высшие гармоники, не маскируемые полезным сигналом, в основном и определяют качество звуковоспроизведения. Поэтому неудивительно, что два усилителя, имеющие одинаковые нелинейные искажения, но при этом у одного это на самом деле только 2 и 3 гармоника, а у второго помимо 2 и 3 гармоники имеет место нарастающий спектр высших гармоник, звучат совершенно по-разному.

«В результате может быть ситуация, когда аудиосистема с КНИ в 10% может субъективно оцениваться выше по качеству звучания, чем система с КНИ в 1%, из-за влияния высших гармоник» [1]. Поэтому поиски других способов оценки нелинейных искажений и их корреляции с субъективными оценками все время продолжаются.
Обзор методик оценки искажений в УМЗЧ
Наряду с измерениями гармонических составляющих в практике проектирования и оценки электроакустической аппаратуры используются методы измерений интермодуляционных искажений (ИМИ), когда на вход испытуемого усилителя одновременно подаются 2 сигнала разной частоты. Методика измерений основана на подведении к усилителю двух синусоидальных сигналов с частотами f1 и f2, где f1 < 1/8.f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении в выходном сигнале амплитуд комбинационных тонов: f2 ± (n - 1 ).f 1, где n = 2, 3, с помощью селективного вольтметра или спектроанализатора. В соответствии с международными стандартами, в аппаратуре измеряются коэффициенты интермодуляционных искажений только второго и третьего порядков, аналогично измерению Кr (КНИ).
Многие предпочитают исследовать искажения, вносимые выходным сопротивлением УМЗЧ при подаче сигнала через сопротивление равное номинальной нагрузке усилителя. При этом вход испытуемого усилителя закорачивают на землю. В качестве второго, измерительного, усилителя для усиления сигнала можно использовать второй канал стереофонического усилителя или отдельный УМЗЧ с выходной мощностью не менее чем у испытуемого УМЗЧ.
В [2] предложен метод обратной интермодуляции (ОИМИ), когда один сигнал подается на вход УМЗЧ, а второй - на его выход (по аналогии с методикой измерения искажений радиопередатчиков на частотах соседних радиостанций) через фильтр-пробку и сопротивление, примерно равное сопротивлению нагрузки (аналогично измерению выходного сопротивления). К сожалению, и этот способ ничего нового по сравнению с измерением интермодуляционных искажений УМЗЧ обычным способом для разработчика не дает. За исключением разве что генерации продуктов искажений, не свойственных реальным усилителям.
Оригинальный способ тестирования предложен в [3], с помощью которого в выходном сигнале УМЗЧ обнаружена частотная модуляция сигнала (детонация). При таком способе тестирования используется также двухтональный метод, но в отличие от метода ИМИ второй сигнал должен быть частотой 3150 Гц. С помощью этого способа автору удалось обнаружить детонацию до 0,6% и более, в то время как порог слышимости такого рода искажений всего 0,06%.
Следует отметить, что все перечисленные тесты не дают и 50% (42% - для измерения КНИ и 34% - для измерения ИМИ [1]) корреляции результатов тестирования с результатами субъективного слепого тестирования.
Что касается субъективных методов тестирования, то в [4] доказано методом двойного слепого тестирования, что искажения типа «ступенька» (которые разработчики аудиоаппаратуры пытаются снизить до неизмеримо малых значений) на самом деле заметны на стационарном синусоидальном сигнале при их уровне 0,1%. На музыкальном же сигнале, даже в наушниках, искажения типа «ступеньки» заметны при уровне около 1% и различимы лишь на сольной фортепианной музыке, где они проявляются в виде шумовой модуляции. Эксперимент проводился на частоте 13,2 кГц с помощью схемы, показанной на рис.1.
 

 Фактический звуковой сигнал имеет большую часть своего спектра в области более низких частот, где искажения типа «ступенька» будут значительно меньше. Доказано, что на музыкальном сигнале нелинейные искажения низких порядков также слышны с уровня 1% и выше.

С помощью сдвоенного резистора R1 (рис.1) регулируют уровень искажений, при этом коэффициент передачи практически не меняется. С помощью переключателя Л в сигнал оперативно вносят искажения. Однако здесь есть также тонкий момент: одно дело, когда искажения внесены в сигнал до УМЗЧ, а другое дело, когда эти искажения возникают в выходном каскаде самого УМЗЧ из-за отсечки выходных транзисторов. Думаю, что во втором случае спектр высших гармоник будет гораздо шире и более заметен.
В [5] отмечается, что прослушивание является итогом всей деятельности разработчика, истиной в конечной инстанции. Никакие объективные измерения не смогут ответить на вопрос, достиг разработчик аудиоаппаратуры своей цели или нет. Однако при прослушивании, когда «измерительным прибором» является не осциллограф или спектроанализатор, а человек, его суждения неизбежно субъективны и не отличаются точностью и повторяемостью. Нет никакой гарантии, что результаты экспертизы одной и той же аппаратуры, одним и тем же составом экспертов 100% повторятся на следующий день или в другое время. Кроме того, на субъективные оценки влияет много факторов, начиная от используемых акустических систем, состава экспертов, их местоположения при прослушивании и кончая помещением прослушивания с его временем реверберации. Для повышения точности экспертизы в ряде случаев предпочтение следует отдавать монофоническому воспроизведению фонограмм. Все зависит от того, какие цели ставит перед собой экспертиза. Для выравнивания громкостей сигналов от испытуемых усилителей (что очень важно) следует использовать в качестве тестового сигнала розовый шум.
С каждым годом изобретаются все новые методы тестирования УМЗЧ как «черного ящика», но, сколько бы мы их ни изобретали, разработчику УМЗЧ от этого легче не станет. Поэтому пока мы не заглянем внутрь УМЗЧ и не попробуем разобраться, что там происходит, дело с мертвой точки не сдвинется.
Надо сказать, что в помощь разработчику вышла книга известного разработчика УМЗЧ Дугласа Селфа [6]. Автор в простой форме разложил по полочкам все узлы усилителя и механизмы возникновения в них искажений, а также развенчал многие сложившиеся мифы. Правда, не со всеми утверждениями автора можно согласиться, не все примеры схемотехнических решений имеют должное объяснение. Но это отдельная тема.
Среди обилия искажений сигнала различают линейные и нелинейные искажения как амплитуды сигнала, так его фазы. К линейным искажениям относят отклонения АЧХ и ФЧХ относительно исходного сигнала, как правило, АЧХ и ФЧХ взаимно связаны. Выравнивая АЧХ, мы, как правило, автоматически выравниваем и ФЧХ. Принято считать, что линейные искажения менее опасны, так как легко устранимы, скажем, с помощью эквалайзеров или разного рода корректоров фазы. Хочу особо подчеркнуть, что это справедливо, если такие искажения носят стационарный характер. Если же эти искажения носят динамический характер, то возникают отклонения огибающей сигналов, частотная модуляция, расширяется спектр высших гармоник.
Под впечатлением ознакомления с [3] я решил попытаться разобраться, что же является причиной частотной модуляции в усилителях. До этого как-то и в голову не приходило, что такое возможно. В [3] искажения такого рода приписываются в основном тепловым изменениям в транзисторах, в частности изменению коэффициента передачи тока под воздействием колебаний температуры кристалла. Благо сейчас в распоряжении радиолюбителей есть программы моделирования, и все можно промоделировать на ПК. Для проверки причины возможных фазовых искажений я задавал изменение коэффициента передачи тока базы транзисторов до 80% и снимал АЧХ и ФЧХ в двух точках: выход усилителя и вход усилителя напряжения (УН) с разомкнутой и с замкнутой цепью ООС.
Вы спросите: «А зачем еще смотреть, что происходит на входе УН?» Да потому что именно УН может вносить девиацию частоты при работе с изменяющимся коэффициентом усиления. При изменении коэффициента усиления УН изменяется емкость Миллера - основная коррекция большинства УМЗЧ. С изменением емкости меняется частота первого полюса, а значит, происходят и фазовые колебания, ведь на частоте среза сдвиг по фазе равен 45 °. Все это прекрасно видно на графиках. Вот и подтверждение частотной модуляции. Когда же я вспомнил, что входное сопротивление выходного каскада УМЗЧ в виде «двойки» Дарлингтона при работе на нагрузку сопротивлением 8 Ом изменяется в пределах от 85 кОм до 3...5 кОм, а при работе на 4 Ом - в два раза ниже [6], и промоделировал это, задав изменение сопротивления нагрузки с 8 до 1 Ом с шагом 1 Ом (на основании того, что на реальной нагрузке ток может возрастать в 6-8 раз), то результаты моделирования превзошли все ожидания. Искажения, вносимые предположительно тепловыми процессами, померкли в искажениях, вносимых нестабильностью входного сопротивления выходного каскада (ВК).
Механизм возникновения фазовых искажений динамического характера можно объяснить на примере работы фазовращателя (рис.2).
 
АЧХ и ФЧХ фазовращателя показаны на рис.3.
 
Как видно на рис.3, под влиянием 100-% ООС коэффициент передачи фильтра равен 1 в широкой полосе частот (далеко за пределами звукового диапазона), а фазовая характеристика имеет сдвиг на 90°. на частоте 1/2πRC=1,6 кГц. Если на прямом входе задать изменение частотозадающих элементов (или одного из них), то получим частотный модулятор (рис.4).
 
 Емкость изменялась от 4 до 16 нф с шагом 4 нФ. Аналогичные процессы происходят и в усилителях, в частности в УН. Отсюда частотная и временная размытость, потеря детальности.
Современные средства моделирования, в отличие от стандартных измерительных приборов, позволяют «безболезненно» для усилителя снимать его характеристики в любой точке, не нарушая работу УМЗЧ. Сегодня такая возможность есть практически у всех радиолюбителей и, тем более, разработчиков. К сожалению, не все разработчики используют эту возможность, а некоторые относятся к этому скептически, а зря.
В качестве примеров на рис.5 - рис.7 показаны АЧХ и ФЧХ усилителей с замкнутой петлей ООС.
На рис.5 показаны графики усилителя Sony ХМ222, выполненного по зеркальной схемотехнике и выходным каскадом «двойка» Дарлингтона.
 

 
 На рис.5,а показаны нелинейные искажения
усилителя Sony MX222 как контраст между традиционно измеряемыми параметрами и тем, что показывает данный метод исследования.
PA №3,2011
 (Продолжение следует)