определите какой параметр нельзя увеличить усилителем
Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1) (страница 3)
Усилитель работает не в вакууме, он нагружается на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). Рассматривать одно без другого было бы ошибочным. Качество работы усилителя зависит от того, что представляет собой нагрузка, но верно и обратное – функционирование динамика зависит от усилителя.
Для упрощения рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечения и качества исполнения. Надуманная ситуация? Отнюдь, существуют же активные колонки для воспроизведения только низких частот.
Поговорим немного о динамической головке. Зачастую, из электрических характеристик указывается только её номинальное сопротивление, но это же далеко не всё! Эффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротность… много чего полезного остается за кадром. Обратим внимание на такую характеристику, как добротность – она состоит из механической и электрической составляющих.
Механическая зависит от эластичности подвеса диффузора, его веса и сопутствующего объема воздуха и изменена быть не может. Вообще говоря, может применяться акустическое демпфирование, но не стоит на это сильно рассчитывать. А вот другая составляющая, электрическая добротность, зависит от выходного сопротивления усилителя. Если динамическая головка не слишком удачно подходит для выбранного акустического оформления, то изменением электрического демпфирования (выходным сопротивлением усилителя) можно немного подправить дело.
реклама
Основной источник проблемы – механическая система излучателя, у которой есть резонанс в самом начале низкочастотного диапазона рабочей полосы частот. Если по диффузору легонько стукнуть, то он издаст звук низкой частоты, причем основные колебания будут на частоте механического резонанса, длительность самого звучания будет зависеть от добротности. Есть такое понятие «призвук» – вот это оно и есть, когда динамик продолжает издавать звук уже после того, как электрически звук должен был прекратиться. Для изменения величины призвука можно варьировать выходное сопротивление усилителя.
Для симулирования используется следующая модель:
Гирлянда элементов L2… R22 в центральной части схемы эмулируют низкочастотную динамическую головку диаметром 25 см.
Графики: красный – выходное напряжение усилителя, зеленый – реактивная составляющая динамической головки. Увы, электрическая модель слабо соотносится с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычисления и правильность воспроизведения. Очень трудно совместить графики с настолько различными условиями работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивная часть динамика) оставалась постоянной, 1 вольт.
Вначале обычный режим, точка соединения R29 и C7 соединяется с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.
Ничего необычного, на вход усилителя подается прямоугольный сигнал, он же получается на выходе. Изменим условия игры, соберем схему так, как на рисунке – при этом появится ПОС («положительная обратная связь») по току нагрузки и выходное сопротивление усилителя станет отрицательным.
Форма сигнала для схемы с отрицательным выходным сопротивлением:
реклама
Различия видны невооруженным взглядом – на выходе усилителя напряжение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. Идея здесь в том, что если механическая система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напряжения, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. В результате, при излучении произойдет взаимная компенсация и звуковая картинка будет восприниматься корректнее.
Рассмотрим и третий вариант, с большим выходным сопротивлением. Обычно у усилителя очень низкое выходное сопротивление, но что мешает его увеличить? Нет, банальная установка дополнительного последовательного резистора между выходом усилителя и динамиком использоваться не будет, для этого просто следует откорректировать принцип обратной связи. Конкретно – обратную связь надо брать не с выхода усилителя, а с резистора, включенного последовательно с динамиком в цепь «земля» (резистор R28). При этом выходное сопротивление усилителя станет очень большим.
Форма сигнала для схемы с токовым выходом:
М-да. Форма выходного напряжения получила явный колебательный характер, как и напряжение на реактивной части модели динамика.
Теперь сравните характер поведения зеленого графика для всех трёх случаев – как видите, можно оказывать влияние на время колебаний динамика, а значит, подстройкой работы усилителя регулировать время призвука, обычную «болезнь» динамиков большого диаметра.
Когда говорят об усилителе, то, кроме демпфирования, представляет интерес еще один момент – нагрев катушки. Динамическая головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, которая перемещается в магнитном зазоре. Последняя наматывается медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Это актуально? Проверим.
Для теста использован советский динамик с неизвестной маркировкой (похожий на 4ГД8Е) и «китайский» вкладной наушник «за 100 рублей». Издеваться над хорошими вещами мне совершенно не хочется, а полученные результаты интересуют больше как тенденции, потому элементная база не столь важна.
Для измерения девиации сопротивления динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаются неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Нет уж. Нудно и некачественно. Сделаем иначе – снимем напряжение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напряжения постоянного тока. При этом сразу можно будет оценить и величину изменения сопротивления и скорость этого изменения (время теплового процесса).
Время переходного процесса порядка трёх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивления.
Время переходного процесса здесь меньше, порядка 0.7 секунды, а вот девиация сопротивления порядка 1/8. Но здесь необходимо пояснение, измерения проводились при напряжении на наушнике около 3 В. Вы слушали когда-нибудь подобный наушник при напряжения, близких к этому? При положительном ответе я начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. У меня с этим беда, для тестового наушника нормальный уровень громкости получился при напряжении 0.3 вольта. Если повторить тест измерения на нагрев для напряжения 0.3 вольта, то девиация сопротивления вообще не должна быть заметна, ведь тепловая мощность уменьшится в 100 раз. Поэтому график для пониженного напряжения не приводится, смысла в нем нет.
реклама
Если по наушникам всё сильно запутано, то по динамикам довольно прозрачно. Их катушка нагревается и сопротивление возрастает. Причем, тест производился над советской динамической головкой, современные динамические головки обладают более «мощными» характеристиками при примерно таком же исполнении, в чём подвох?
Всё просто, материал изоляции провода и каркас катушки выполняется из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. По некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагревается до 190-200 градусов. А что, довольно логично, я встречал обсуждения в конференциях вопросов вида – нормально ли, что магнитная система нагревается выше 60 градусов? Тепловое сопротивление медной обмотки меняется порядка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.
В моем тесте динамика температура катушки вряд ли превысила 100 градусов по Цельсию, скорее не было и шестидесяти. Это означает, что сопротивление динамика может меняться значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивления. Впрочем, многое зависит и от слушателя – если не возникает желания озвучивать стадион, то сия проблема не столь актуальна. Хотя, есть применения типа ЭМОС, и там сложности умножаются.
Для среднечастотных динамических головок свойственна другая проблема, но со схожими последствиями. При колебании диффузора катушка перемещается вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородностями, что несколько меняет ее индуктивность. Если подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотная составляющая будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещаться в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. В сильно упрощенной форме, эквивалентная схема динамической головки представляется в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности катушки. Для низких частот импеданс головки будет определяться активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказываться собственная индуктивность катушки.
Коль скоро эта индуктивность не постоянна во времени, то и ток через катушку не останется постоянным, что означает интермодуляционные искажения. По некоторым разрозненным данным, собственная индуктивность катушки может меняться на 10-30 процентов, в зависимости от конструкции динамика. Это приведет к уровню интермодуляционных искажений 5-12 процентов. Подробнее этот вопрос рассмотрен в работе «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?», автор С. Агеев.
реклама
Чтобы не быть совсем уж голословным, простенькая проверка – возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него постоянный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останется только измерить его индуктивность.
В моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче постоянного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. При одной полярности тока следовало увеличение индуктивности, при другой – уменьшение. Если же убрать управление током и просто нажать пальцем на диффузор, то индуктивность возрастет в 1.7 раза, а обратный процесс приводит к ее уменьшению до 0.8 от первоначального варианта. Замеры индуктивности проводились с использованием прибора Е7-8, на частоте 10 кГц.
Заметность искажений
Проверка усилителя дает численную характеристику «коэффициент гармоник», но отражает ли она реальное качество звучания? С одной стороны, это объективный параметр и при малом значении подразумевает неплохое качество звука. Так, что же характеризует коэффициент гармоник? Вообще-то, «сферического коня», увы. Важен не только уровень искажений, вносимый усилителем, но его состав и частотный диапазон.
Человек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольшая восприимчивость приходится на диапазон средних частот, 0.5-1 кГц, выше и ниже чувствительность падает. Хуже другое, на этих зависимостях сказывается уровень звука – при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаются хуже. Для устранения этого эффекта, в нормальных усилителях в регулятор громкости встраивают тонкомпенсацию.
реклама
Кривые равной громкости:
Второй момент со схожей проблемой – большая часть мощности спектра типичных источников (фильмы, музыка) приходится на низкие частоты. Чтобы не загромождать статью не самой второстепенной информацией, ознакомиться с распределением энергии можно в статье «Спектр музыкального сигнала». В зависимости от частот разделения, для звуковой колонки на базе НЧ, СЧ и ВЧ динамических головок, принято распределять их мощность как 70%, 50% и 30% от полной. Или можно воспользоваться методикой из той же статьи:
Технология расчета представлена на третьей странице.
реклама
Предположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровня не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысился всего до 0.1 процента. Чтобы не быть голословным, обратимся к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:
Повысился уровень искажений, но ведь это относительный уровень и он не так заметен, как при полной громкости. Впрочем нет, если в комнате долго тихо, то происходит эффект адаптации и чувствительность восстанавливается. Проблема в другом, если у усилителя большой спектр гармоник (спектр, а не уровень!), то основной сигнал не может «замаскировать» все гармоники и они могут стать заметными. Давайте проанализируем заметность искажений для сигнала трех диапазонов – низкие частоты (до 200 Гц), средние и высокие (выше 5 кГц).
Низкие и сверхнизкие частоты характерны тем, что ухо их воспринимает не как звук, а скорее как вибрацию. Поэтому, «заметность» их низкая. Но, хотя их не так отчетливо слышно, это вовсе не означает, что они не приносят проблем. Искажения в динамической головке из-за ограниченной механической прочности диффузора и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитопровода можно опустить, речь идет о более простых вещах – в этой полосе частот рассеивается бо́льшая часть всей мощности, что означает значительную амплитуду сигнала.
реклама
Отягощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажения высокого порядка. Прикинем, что будет с искажениями. Возьмем частоту сигнала 100 Гц, характерную для низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Это означает коэффициент гармоник порядка 0.1 процента. Положим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным для интегральных решений – четверть искажений приходится на гармоники высокого порядка (с номером 5 и больше).
Расклад следующий – порядка 0.05 процента искажений приходится на частоты 0.5-2 кГц, которые «слышны» в 2-5 раз лучше. Кроме того, я не зря говорил о низком уровне громкости и тонкомпенсации – из-за последнего низкие частоты поднимаются в 5-15 раз… что увеличивает и их сопутствующие искажения в той же пропорции. Если всё просуммировать, то уровень искажений можно разбить на две составляющие:
Вывод – для низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.
Средние частоты характеризуются высокой восприимчивостью человеческого уха, поэтому и полезный сигнал, и гармоники одинаково заметны, при расчетах переводить в «слышимость» нужды не возникает.
В высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всё просто – гармоники выше 20 кГц не слышны. Что ж, с ними и не нужно бороться? Отнюдь, появление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последствиям:
Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры
Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).
Классификация усилителей
Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:
По частоте усиливаемого сигнала:
По роду усиливаемого сигнала
По функциональному назначению
В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:
где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;
Рвх, Рвых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:
Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn
Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:
Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:
где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.
Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:
где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.
Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.
К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:
где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;
∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.
Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:
Амплитудная характеристика усилителя
Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).
Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.
Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.
После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):
где Ulm, U2m, U3m, Unm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = Uвх max / Uвх minхарактеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). 
При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы uбэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора iб = f(uбэ) входной ток транзистора iб (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.
Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.
Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.
АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.
Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн − fв) — полосой пропускания усилителя.
При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.
При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.
Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K0 / Kf где Kf — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.
Коэффициенты частотных искажений МН = K0 / KН и МВ = K0 / KВ называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). 
Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. 
Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.
ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.
Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.
Переходная характеристика усилителя
Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).
Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.
Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже:
Основные параметры усилителей низкой частоты и акустики. Что нужно знать, чтобы не попасться на удочку маркетологов
Благодаря торговым сетям и интернет магазинам разнообразие предлагаемой к продаже аудиоаппаратуры зашкаливает за все разумные пределы. Каким образом выбрать аппарат, удовлетворяющий вашим потребностям к качеству, существенно не переплатив?
Если вы не аудиофил и подбор аппаратуры не является для вас смыслом жизни, то самый простой путь — уверенно ориентироваться в технических характеристиках звукоусилительной аппаратуры и научиться извлекать полезную информацию между строк паспортов и инструкций, критически относясь к щедрым обещаниям. Если вы не ощущаете разницы между dB и dBm, номинальную мощность не отличаете от PMPO и желаете наконец узнать, что такое THD, также сможете найти интересное под катом.
Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления — отношение выходного параметра усилителя к входному. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току или мощности:
Коэффициент усиления по напряжению 
Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по мощности
Коэффициент усиления УНЧ может быть очень большим, ещё большими значениями выражаются усиление операционных усилителей и радиотрактов различной аппаратуры. Цифрами с большим количеством нулей не слишком удобно оперировать, ещё сложнее отображать на графике различного рода зависимости имеющие величины, отличающиеся между собой в тысячу и более раз. Удобный выход из положения — представление величин в логарифмическом масштабе. В акустике это вдвойне удобно, поскольку ухо имеет чувствительность близкую к логарифмической.
Поэтому коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах (русское обозначение: дБ; международное: dB)
Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, поэтому величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей, а коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:
Немного другим образом обстоит дело с «неэнергетическими» величинами. Для примера возьмём ток и выразим через него мощность, воспользовавшись законом Ома:
тогда величина выраженная в децибелах через ток будет равна следующему выражению:
Аналогично и для напряжения. В результате получаем следующие формулы для вычисления коэффициентов усиления:
Коэффициент усиления по току в дБ:
Коэффициент усиления по напряжению в дБ:
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
В акустике «уровень интенсивности» или просто громкость звука L тоже измеряют в децибелах, при этом данный параметр является не абсолютным, а относительным! Всё потому, что сравнение ведётся с минимальным порогом слышимости человеческим ухом звука гармонического колебания — амплитудой звукового давления 20 мкПа. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления можно написать:
где не ток, а интенсивность звукового давления звука с частотой 1 кГц, который приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком.
Таким образом, когда говорят, что громкость звука равна 20 дБ, это означает, что интенсивность звуковой волны в 100 раз превышает порог слышимости звука человеком.
Кроме этого, в радиотехнике чрезвычайно распространена абсолютная величина измерения мощности dBm (русское дБм), которая измеряется относительно мощности в 1 мВт. Мощность определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники — обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники — 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет примерно 20 мВт).
Разделяй и властвуй — раскладываем сигнал в спектр.
Пора переходить к более сложной теме — оценке искажений сигнала. Для начала придётся сделать небольшое вступление и поговорить о спектрах. Дело в том, что в звукотехнике и не только принято оперировать сигналами синусоидальной формы. Они часто встречаются в окружающем мире, поскольку огромное количество звуков создают колебания тех или иных предметов. Кроме того, строение слуховой системы человека отлично приспособлено для восприятия синусоидальных колебаний.
Любое синусоидальное колебание можно описать формулой:
где длина вектора, амплитуда колебаний, — начальный угол (фаза ) вектора в нулевой момент времени, — угловая скорость, которая равна:
Важно, что с помощью суммы синусоидальных сигналов с разной амплитудой, частотой и фазой, можно описать периодически повторяющиеся сигналы любой формы. Сигналы, частоты которых отличаются от основной в целое число раз, называются гармониками исходной частоты. Для сигнала с базовой частотой f, сигналы с частотами
будут являться чётными гармониками, а сигналы
Давайте для наглядности изобразим график пилообразного сигнала.
Для точного представления его через гармоники потребуется бесконечное число членов. На практике для анализа сигналов используют ограниченное число гармоник с наибольшей амплитудой. Наглядно посмотреть процесс построения пилообразного сигнала из гармоник можно на рисунке ниже.
А вот как формируется меандр, с точностью до пятидесятой гармоники…
Подробнее о гармониках можно почитать в замечательной статье пользователя dlinyj, а нам пора переходить наконец к искажениям.
Наиболее простым методом оценки искажений сигналов является подача на вход усилителя одного или суммы нескольких гармонических сигналов и анализ наблюдающихся гармонических сигналов на выходе.
Если на выходе усилителя присутствуют сигналы тех же гармоник, что и на входе, искажения считаются линейными, потому-что они сводятся к изменению амплитуды и фазы входного сигнала.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал новые гармоники, что приводит к искажению формы входных сигналов.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой — АЧХ и часто изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на графике АЧХ типичного усилителя.
Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.
Диапазон частот ΔF, в пределах которого мощность усилителя уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.
Однако, на графике обычно откладывают коэффициент усиления по напряжению, а не по мощности. Если обозначить максимальный коэффициент усиления по напряжению, как , то в пределах полосы пропускания коэффициент не должен опускаться ниже чем:
Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.
Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?
Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот, но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика усилителя.
При усилении колебаний только одной частоты, это вроде бы не страшно, но вот для более сложных сигналов приводит к существенным искажениям формы, хотя и не порождает новых гармоник. На картинке снизу показано как искажается двухчастотный сигнал.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, THD.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.
На левом графике показаны искажения, вызванные наличием дополнительной чётной гармоники сигнала — ограничение амплитуды одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей гармоники — сигнал «обрезан» c двух сторон.
Во времена СССР нелинейные искажения усилителя было принято выражать с помощью коэффициента гармонических искажений КГИ. Определялся он следующим образом — на вход усилителя подавался сигнал определённой частоты, обычно 1000 Гц. Затем производилось вычисление уровня всех гармоник сигнала на выходе. За КГИ брали отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники — той самой, частота которой равна частоте входного синусоидального сигнала.
Аналогичный зарубежный параметр именуется как — total harmonic distortion for fundamental frequency.
Коэффициент гармонических искажений (КГИ или )
Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной практике гораздо большее распространение получил другой параметр оценки степени нелинейных искажений — КНИ.
Зарубежный аналог — total harmonic distortion for root mean square.
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или )
КНИ — величина равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.
Как КНИ, так и КГИ относительные величины, которые измеряются в процентах.
Величины этих параметров связаны соотношением:
Для сигналов простой формы величина искажений может быть вычислена аналитически. Ниже приведены значения КНИ для наиболее распространённых в аудиотехнике сигналов (значение КГИ указано в скобках).
0 % (0%) — форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3 % (3 %) — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.
5 % (5 %) — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.
10 % (10 %) — стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.
12 % (12 %) — идеально симметричный треугольный сигнал.
21 % (22 %) — «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы.[3]
43 % (48 %) — идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).
63 % (80 %) — идеальный пилообразный сигнал.
Ещё лет двадцать назад для измерения гармонических искажений низкочастотного тракта использовались сложные дорогостоящие приборы. Один из них СК6-13 изображён на рисунке ниже.
Сегодня с этой задачей гораздо лучше справляется внешняя компьютерная аудиокарта с комплектом специализированного ПО, общей стоимостью не превышающие 500USD.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется амплитудной характеристикой.
Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых входных напряжениях.
На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля, так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.
В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.
В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб, который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.
Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники).
Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.
Белый шум
Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком диапазоне частот.
Розовый шум
Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих пор спорят учёные.
Фон от внешних источников
Одна из основных причин шума — фон наводимый от посторонних источников, например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и кратные ей.
Самовозбуждение
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики
Номинальная мощность
Западный аналог RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение ) В СССР определялась ГОСТом 23262-88 как усредненное значение подводимой электрической мощности синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц, которое вызывает нелинейные искажения сигнала, не превышающие заданное значение КНИ (THD). Указывается как у АС, так и у усилителей. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения, при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Для разных классов устройств КНИ может варьироваться очень существенно, от 1 до 10 процентов. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Акустические системы способны воспроизводить сигнал на RMS-мощности длительное время.
Паспортная шумовая мощность
Иногда ещё называют синусоидальной. Ближайший западный аналог DIN — электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов. Обычно DIN в 2-3 раза выше RMS.
Максимальная кратковременная мощность
Западный аналог PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). — электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжания) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Обычно в 10-20 раз выше DIN. Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система возможно перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят приводить именно этот параметр на упаковках и наклейках своей продукции… Огромные цифры данного параметра зачастую основаны исключительно на бурной фантазии маркетингового отдела производителей, и тут китайцы несомненно впереди планеты всей.
Максимальная долговременная мощность
Практика — лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром
Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.
Ага — вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции:
Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.
“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”
Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см.
Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность — лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf.
Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.
Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия, так и к их интерпретации.
Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.
Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже — заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.
Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике
Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 — это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность, но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос — как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?
Покупать такой аппарат или нет — решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче — да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.
Чайник дёгтя в банке мёда.
Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин: