Meniul
AcasăAvarii

Distorsiunea neliniară a semnalului în amplificatoare. Distorsiuni liniare și neliniare în echipamente electroacustice

Distorsiunile neliniare sunt distorsiuni ale semnalului cauzate de neliniaritatea relației dintre semnalele secundare și primare în modul staționar. Ca rezultat al distorsiunilor neliniare fără inerție semnal de intrare se obţine un semnal de ieşire sinusoidal formă complexă y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... unde: x - valoarea de intrare; y0 - componentă constantă; v1 - coeficient liniar amplificare; v2, v3 ... - coeficienți distorsiuni neliniare.

Într-un sistem cu neliniar caracteristica de transfer Apar componente spectrale care nu au fost la intrare - produse ale neliniarității. Atunci când la intrarea unui astfel de sistem este aplicat un semnal cu o singură frecvență f1, la ieșire vor apărea componente cu frecvențele f1, 2f1, 3f1 etc. Dacă la intrare este furnizat un semnal format din mai multe frecvențe f1, f2, f3, ..., atunci la ieșirea sistemului, pe lângă componentele armonice, așa-numitele „componente de combinație” cu frecvențele n1f1 ± n2f2 ± n3f3 În plus, va apărea ± ..., unde n=1, 2, 3, ... La alimentarea cu sunete cu spectru continuu, se obține și un spectru continuu, dar cu o formă modificată a anvelopei spectrului.

Distorsiunea neliniară este de obicei evaluată prin factorul de distorsiune neliniară, care este raportul dintre valorile efective ale armonicilor și valoarea efectivă a semnalului total de ieșire și este măsurată ca procent. Aici An sunt amplitudinile componentelor cu frecvențele nf. Formula simplificată dată în continuare este valabilă pentru cazurile în care distorsiunile sunt mici (K<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
În timpul transmisiei sunetului, relațiile primare dintre componentele de frecvență ale sunetului trebuie păstrate. În această privință, calitatea oricărei secțiuni a canalului audio este evaluată prin caracteristica amplitudine-frecvență (frecvență abreviată), care este adesea indicată de răspunsul în frecvență de abreviere. Răspunsul în frecvență este înțeles ca un grafic al dependenței coeficientului de transmisie de frecvența semnalelor furnizate la intrarea unei anumite secțiuni a canalului sau a unui dispozitiv audio separat. Coeficientul de transmisie este raportul dintre mărimile semnalelor la intrarea amplificatorului și la ieșirea acestuia.
Răspunsul în frecvență al căii de transmisie (dependența de frecvență a coeficientului de transmisie) modifică relațiile dintre amplitudinile componentelor de frecvență. Aceasta duce la o senzație subiectivă de schimbare a timbrului. Un indicator al gradului de distorsiune a frecvenței care apare în orice dispozitiv este neuniformitatea caracteristicii sale amplitudine-frecvență; un indicator cantitativ la orice frecvență specifică a spectrului de semnal este coeficientul de distorsiune a frecvenței.

Distorsiunile neliniare sunt cauzate de neliniaritatea sistemului de procesare și transmisie a semnalului. Aceste distorsiuni provoacă apariția în spectrul de frecvență a semnalului de ieșire a componentelor care sunt absente în semnalul de intrare. Distorsiunile neliniare sunt modificări ale formei vibrațiilor care trec printr-un circuit electric (de exemplu, printr-un amplificator sau transformator), cauzate de încălcări ale proporționalității dintre valorile tensiunii instantanee la intrarea acestui circuit și la ieșirea acestuia. Acest lucru se întâmplă atunci când caracteristica tensiunii de ieșire variază neliniar cu tensiunea de intrare. Distorsiunea neliniară este cuantificată prin factorul total de distorsiune armonică sau factorul de distorsiune armonică. Valori tipice SOI: 0% - sinusoid; 3% - formă apropiată de sinusoidală; 5% - o formă apropiată de sinusoidală (abaterile de formă sunt deja vizibile pentru ochi); până la 21% - semnal trapezoidal sau în trepte; 43% este un semnal de undă pătrată.

O caracteristică a distorsiunilor neliniare este o astfel de distorsiune formă de semnal în care apar noi componente de frecvență în spectrul său.

Neliniaritatea amplificatorului este cauzată de prezența elementelor neliniare în el (tranzistoare, lămpi, transformatoare, diode). Elementul neliniar conține parametri neliniari (rezistențe de intrare ale tranzistoarelor, diode, permeabilitatea magnetică dinamică a materialului miezului transformatorului).

Distorsiunea neliniară este evaluată pe baza caracteristicii dinamice, care este relația dintre valorile instantanee ale curenților sau tensiunilor la ieșirea și intrarea amplificatorului. Caracteristica dinamică este determinată pentru limite mari de variație a semnalului, ceea ce duce la intrarea în regiunea dependențelor neliniare dintre tensiuni și curenți.

Se disting următoarele tipuri de caracteristici dinamice:

  • 1. Tip de caracteristică dinamică de ieșire
  • 2. Tipul de răspuns dinamic de intrare
  • 3. Caracteristica dinamică a tipului de trecere
  • 4. Caracteristica dinamică end-to-end a tipului

Aici i 2 și u 2 sunt valorile instantanee ale curenților și tensiunilor la ieșire, i 1 și u 1 sunt valorile instantanee ale curenților și tensiunilor la intrare, e 1 este emf a sursei de semnal la intrarea amplificatorului.

Ca exemplu, să luăm în considerare o caracteristică tipică de debit, care este adesea folosită pentru a calcula distorsiunile neliniare (Fig. 1.14, a).

Orez. 1.14.

a) real, b) ideal

Caracteristica dinamică corespunzătoare absenței distorsiunii introduse de amplificator este prezentată în Fig. 1.14, a.

Când caracteristica dinamică se abate de la cea liniară, apar distorsiuni neliniare. Principalele distorsiuni neliniare sunt introduse de etapele finale și pre-terminale, elementele active de amplificare în care funcționează în modul de semnal mare.

Metode de evaluare cantitativă a distorsiunilor neliniare

Cantitatea de distorsiune neliniară poate fi determinată:

  • 1. direct după forma caracteristicii dinamice;
  • 2. după spectrul distorsiunilor neliniare generate (armonici, frecvenţe combinate).

Când se evaluează distorsiunile neliniare folosind prima metodă utilizată în televiziune, mărimea distorsiunii este determinată de raportul dintre modificarea medie a pantei caracteristicii dinamice care apare atunci când tensiunea semnalului fluctuează în intervalul de la u 1 max la u 1 min la valoarea inițială a pantei la u 1 0 egală cu tg, care corespunde factorului de distorsiune neliniară

Acest lucru este ilustrat de Figura 1.15.

Orez. 1.15.

Când se evaluează distorsiunile neliniare folosind a doua metodă, este necesar să presupunem că:

  • a) semnalul de intrare este o oscilatie armonica constanta de o anumita frecventa;
  • b) semnalul de intrare este oscilații periodice în regim permanent de formă complexă.

Cazurile (a) și (b) diferă semnificativ atât în ​​ceea ce privește natura distorsiunilor neliniare rezultate, cât și în raport cu metodologia de calcul și măsurare a acestora.

În cazul (a), din cauza neliniarității amplificatorului, pe lângă oscilațiile cu frecvența semnalului la intrare, se formează oscilații armonice cu frecvențe etc. În acest caz, mărimea distorsiunilor neliniare este determinată de coeficientul armonic K g, care este raportul dintre valoarea efectivă totală a tensiunii (sau curentului) armonicilor la tensiunea (sau curentul) frecvenței fundamentale.

De obicei, distorsiunea armonică este exprimată ca procent, după cum urmează:

Evident, valoarea Kg nu se modifică dacă, în loc de valorile efective ale tensiunilor sau curenților, valorile amplitudinii acestora sunt substituite în aceste expresii. Cu natura pur activă a rezistenței de sarcină a amplificatorului, coeficientul armonic găsit din expresiile (1.13) și (1.14) are aceeași valoare, deoarece tensiunile și curenții tuturor armonicilor sunt interconectate printr-o valoare constantă a rezistenței. Având în vedere natura complexă a rezistenței la sarcină, valorile lui K g, găsite din expresiile indicate, sunt diferite și trebuie utilizate (1.13) sau (1.14), în funcție de ceea ce este semnificativ în cazul în cauză - neliniar distorsiuni de tensiune sau curent.

În orice caz, distorsiunea armonică poate fi exprimată în termeni de raportul dintre puterea armonică totală și puterea frecvenței fundamentale, i.e.

Valoarea admisibilă a coeficientului armonic pentru amplificatoarele de frecvență audio, în funcție de calitatea căii de redare corespunzătoare, variază de la 0,1% la (3...5)%. Cerințe deosebit de stricte privind distorsiunile neliniare sunt impuse amplificatoarelor echipamentelor de măsurare (Kg de ordinul sutimii și miimilor de procent). La amplificatoarele de televiziune, distorsiunile neliniare care conduc la modificări ale raportului de luminozitate pot fi semnificative (Kg = 10... 15%), fără a afecta semnificativ calitatea imaginii. Același lucru este valabil și pentru amplificatoarele cu impulsuri, care folosesc, de asemenea, limitarea semnalului la maximum în unele cazuri.

Știi, îmi doresc foarte mult să ascult muzică de bună calitate. „Balalaikas” cu sunet de placaj pot fi executate doar la vârsta de școală primară, deși ursul merge pe urechi indiferent de categoria de vârstă. Cred că majoritatea celor care deschid acest articol au fost la un moment dat interesați de difuzoare și amplificatoare; nici această cană nu a trecut peste mine. Din păcate, nu sunt un profesionist în acest domeniu, așa că judecățile din articol s-ar putea să nu fie foarte reușite și o parte semnificativă din ele sunt observațiile mele personale și, prin urmare, nu ar trebui să considerați ceea ce se spune aici drept adevărul suprem.

Lămpi, cupru fără oxigen și multe altele

Iubitorii de acustică sunt împărțiți în două (mai degrabă trei) categorii - tehnicieni și „ascultători”. Primii înțeleg doar numere, al doilea nu acceptă exerciții numerice și se avântă pe norii opiniei subiective... Nu am nimic împotriva primului și al doilea, e doar o prostie. Problemele cu reproducerea sunetului au explicații tehnice foarte specifice și doar incapacitatea de a le înțelege dă naștere la zvonuri și superstiții. Cu toate acestea, pentru a nu irita reprezentanții înfocați din a doua categorie, le rog să închidă imediat acest articol - nu va face decât să vă strice nervii. Păcătos, nu ar trebui să interferezi cu providența divină.

În rest vom continua. Da, am ratat a treia categorie. Din păcate, nu au existat articole despre reproducerea de înaltă calitate, iar propaganda „sunetului tubului” nu se oprește, ceea ce duce la completarea constantă a specialiștilor din a treia categorie. Domnilor, scuturați-vă tăițeii din urechi mai des, aceasta este de multă vreme o afacere în care „câștigă bani”, în terminologia unor astfel de oameni de afaceri. Luați propriile decizii. Și să nu ai încredere în nimeni, mai ales în mine.

Factori care afectează calitatea sunetului

Să încercăm să ne dăm seama ce afectează calitatea sunetului. Mai exact, ce o strică. Acest articol se va concentra pe amplificator, deci nu vom lua în considerare factorii efemeri.

Vrei un sunet natural? Există o singură cale - mergi la un concert acustic. O sală bună, interpreți excelenți - acesta este singurul lucru care vă poate modela auzul. După ce ați auzit sunetul corect, puteți înțelege cât de mult suntem păcăliți cu aceste „balalaikas”. Totuși... dar nu, scuze, repet - mergi la un concert normal. Fără aceasta, nu poți învăța să înțelegi sunetul; creierul pur și simplu nu are cu ce să-l compare.

Dar nu sunt prea cântăreață, așa că să trecem direct la tehnică. Există multe modalități de a strica sunetul și ignorarea oricărui mic detaliu va duce la un fiasco. De aceea, nu puteți pur și simplu să vă așezați și să lipiți un amplificator normal (chiar dacă este un dispozitiv cu adevărat de înaltă calitate) - problemele sunt rezolvate una câte una, iar drumul către un sunet de înaltă calitate este foarte lung și șerpuit. Să încercăm să înțelegem principalele concepții greșite și atavisme, din punct de vedere tehnic

În mod convențional, „problemele” pot fi împărțite în următoarele grupuri:
1. Distorsiunea semnalului în amplificator.
2. Conexiune la sarcină.
3. Efectul sarcinii.
4. Impedanța amplificatorului și performanța difuzoarelor.

Există tipuri în grupuri și au propriile lor nuanțe, așa că conversația va fi lungă, faceți-vă confortabil, să începem.

Distorsiunea semnalului amplificatorului

Distorsiunile pot fi liniare sau neliniare. Prima este pur și simplu o modificare a spectrului de frecvență al semnalului fără a distorsiona forma acestuia, adică o creștere sau scădere banală a unor benzi de frecvență. De fapt, chiar și schimbarea spectrului schimbă forma semnalului, astfel încât definiția nu este în întregime corectă. Distorsiunea neliniară este introducerea într-un semnal a ceva care nu era acolo inițial, extinzându-și spectrul. Nu trebuie să vă faceți griji cu privire la distorsiunile liniare; nu există probleme speciale cu aceasta într-un amplificator, dar distorsiunile neliniare creează dificultăți și strica în mod clar percepția imaginii sonore.

Tipuri de distorsiuni:
1. Distorsiuni neliniare.
2. Limitarea nivelului.
3. Intermodularea.
4. Comutare.
5. Dinamic.
6. Autoexcitare.

Distorsiune neliniară

Semnalul sonor trece prin amplificator, crește în amplitudine și este distorsionat. Nimic nu este perfect; semnalul util va conține în mod necesar ceva care nu a fost conținut în el - zgomot, distorsiune, interferență de la sursa de alimentare și alte substanțe nocive care interferează cu percepția calității sunetului. Totuși - deocamdată să vorbim despre lucruri private.

Distorsiune neliniară - creșterea spectrului semnalului original prin adăugarea de armonici. Dacă luăm un semnal sinusoidal pur cu frecvența F, atunci după trecerea prin amplificator spectrul semnalului, pe lângă armonica fundamentală F, va conține componente K*F, unde K = 2, 3, 4, 5...

Asimetrie

După tip, armonicile sunt împărțite în pare și impare. Primele apar atunci când există asimetrie de semnal. Există zvonuri persistente că sunt mai puțin vizibile decât cele ciudate... dar materialele de îndrumare din secolul trecut oferă instrucțiuni foarte clare - ocupă-te mai întâi de armonicile pare, chiar în detrimentul unei creșteri a celor impare. Asimetria este inerentă tuturor elementelor circuitului amplificatorului, cu excepția faptului că în treapta de ieșire acest lucru nu este atât de important, astfel încât problema armonicilor chiar există până în prezent, foarte acut.

Articolul va folosi simularea folosind programul PSPICE, care a dovedit fiabilitatea calculelor efectuate. Au existat cazuri în care calculele din acest program au dat rezultate „ciudate” și a existat dorința de a da vina pe erori interne, dar după ce descoperiți aceleași rezultate „ciudate” într-un circuit lipit, câștigați involuntar încredere și respect pentru dezvoltatorii de acest simulator. Deci, îmi pare rău, dar cred în acest program. Daca ai o alta parere, imi pare rau.

Dacă nu este menționat altfel, în toate circuitele sursa va fi o undă sinusoidală de 1 KHz cu o amplitudine de 1 volt (vârf).

Deci, distorsiuni neliniare. Când apare asimetria semnalului, apar chiar și armonicile.

Schema de simulare:

Asimetria în circuit se realizează prin instalarea unei diode Schottky. Curentul de control „A” este obținut de divizorul R3, R4, aducând nivelul semnalului la o amplitudine apropiată de ieșirea de test „B”.

Pe toate graficele din această secțiune, verde – semnal simulat; roșu – exemplar, cu amplitudine ușor redusă.

Forma de unda:

Dacă în partea inferioară liniile roșii și verzi aproape coincid, atunci în partea superioară influența diodei începe să se afecteze și semnalul distorsionat îl depășește cu mult pe cel de referință. Adică, semiundele pozitive (peste nivelul 0 V) ​​și negative nu sunt aceleași, există semne clare de asimetrie.

Spectrul semnalului de referință (roșu) are un singur vârf la o frecvență de 1 kHz, ca și pentru circuitul simulat (verde), există un pieptene clar cu maxime la frecvențe de 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz ...

Să intrăm în puțin mai multe detalii. Primul vârf la 1 kHz este aproximativ același ca pentru semnalul de referință - fundamental în ambele cazuri cu amplitudine aproximativ egală. Ei bine, asta se vede vizual, sunt asemănătoare ca aspect... dacă omiteți subtilitățile care duc la o gamă largă de armonici. În semnalul de referință există doar prima armonică, iar în circuitul simulat - de la prima la a zecea (de fapt, spectrul se extinde dincolo de 10 kHz), ceea ce înseamnă prezența în circuit a unui element neliniar care generează un mare spectrul armonicilor. Dar este adevărat, există o diodă semiconductoare în circuit.

Este posibil să fiți confuz de modul în care informațiile sunt prezentate în program. De obicei, atunci când reprezintă un spectru, ei desenează „coloane” de înălțime variabilă. Programul PSPICE calculează tensiunile și curenții în toate nodurile de circuit pentru întreaga durată a testului, adesea cu o discreție de timp variabilă. După aceasta, secvența de timp este convertită într-o secvență de frecvență folosind metoda FFT (Fast Fourier Transform). Cu cât discretitatea calculului punctelor de timp este mai mică, cu atât este mai mare acuratețea traducerii în domeniul temporal și analiza este mai corectă. Plata pentru aceasta este durata de funcționare a simulatorului.

De la lansarea programului, computerele au devenit mai rapide, dar și apetitul crește, așa că simularea ar trebui să fie efectuată în două etape - la început nu foarte precis, dar rapid, apoi discretitatea timpului trebuie redusă pentru a obține rezultate mai adecvate. . De exemplu, să repetăm ​​testul pentru precizia normală (graficul albastru) și cu o limită a pasului maxim de-a lungul axei timpului (graficul verde):

Ambele grafice au aceeași semnificație, dar graficul cu timpul de calcul mai lung (verde) este evident mai precis.

Acum diagrama pentru un circuit simetric și neliniar:

Pentru a simula un circuit neliniar, dar strict simetric, circuitul folosește două diode Schottky - câte una pentru semiundele pozitive și negative.

Forma de unda:

Forma de undă a tensiunii din circuitul simulat este simetrică și aproape identică cu semnalul de referință.

Uită-te la testul anterior - dacă au existat vârfuri la frecvențe de 1, 2, 3... 10 kHz, acum nu există armonici egale.

Limită de nivel

Acest tip de neliniaritate este cauzat de o încălcare a monotonității semnalului. Acestea includ două cazuri:

  • Etapa.
  • Saturare.

Distorsiunea de tip „pas” este caracteristică amplificatoarelor din clasa B (sau AB) - pe măsură ce nivelul semnalului scade, coeficientul de transmisie scade și semnalul pur și simplu dispare. Mecanismul apariției sale va fi discutat mai detaliat în a doua jumătate a articolului.

Saturația – poate fi cauzată fie de limitare, la un nivel de semnal foarte ridicat, fie de funcționarea protecției curentului sau puterii în amplificator.

Etapa

Acest tip de distorsiune este caracteristic circuitelor cu un nivel de polarizare insuficient bazat pe un tranzistor de control, astfel încât pentru simulare puteți folosi o pereche de diode de siliciu, 1N4148 sunt destul de potrivite.

Forma de unda:

Vă rugăm să rețineți că atunci când graficul verde trece prin 0 volți, nu există nicio trecere a semnalului de ceva timp. Dacă pe graficul roșu (exemplu) există o schimbare monotonă a nivelului, atunci tensiunea pe circuitul simulat devine zero. Cu cât nivelul semnalului este mai scăzut, cu atât se manifestă mai mult acest tip de distorsiune, până la dispariția completă a semnalului util la ieșire. Prin urmare, amplificatoarele trebuie examinate nu numai la nivelul semnalului nominal, ci și la unul mult redus. În caz contrar, este ușor să cazi în capcana acestui tip de distorsiune - pe măsură ce nivelul semnalului scade, distorsiunea armonică va crește catastrofal.

Distorsiunile sunt simetrice, deci nu există armonici egale în spectru.

Saturare

Limitarea nivelului tipului de saturație. Un caz destul de obișnuit: au vrut să fie mai tare și au primit „șuierătoare”. Dacă circuitele de control oferă o limitare a nivelului „soft”, atunci tipul de distorsiune va fi diferit de amplificatoarele fără o astfel de protecție. Dar deocamdată, să trecem peste problema în sine, fără a intra în nuanțe. Pentru simulare, aceeași pereche de diode 1N4148 este potrivită, dar într-o conexiune diferită.

Forma de unda:

Dacă, la un nivel scăzut al semnalului, ambele grafice coincid, atunci atingerea unei tensiuni de 0,5 volți se caracterizează printr-o oprire a creșterii graficului verde, adică urmează o limitare de nivel.

Imaginea este similară cu cazul „pasului”. În ambele opțiuni, apar armonici, doar natura aspectului lor se schimbă:

  • Pentru un „pas”, gradul de distorsiune a semnalului crește pe măsură ce nivelul semnalului scade.
  • „Saturația” are modelul opus - la un nivel de semnal scăzut sau normal, circuitul nu introduce distorsiuni și doar la un nivel ridicat fenomenele negative încep să-l afecteze.

Defectul de saturație este inerent tuturor amplificatoarelor și este tratat fie prin modul „limitare soft”, fie printr-o unitate suplimentară de control a câștigului, care reduce volumul atunci când sunt detectate probleme cu nivelul excesiv al semnalului.

Distorsiuni în amplificatoare

Un amplificator liniar ideal ar trebui să asigure amplificarea semnalului de intrare fără amplificarea formei de undă de intrare. În amplificatoarele reale, există întotdeauna diferențe între formele semnalului de ieșire și de intrare. Orice abatere a formei de undă de ieșire de la forma de undă de intrare se numește distorsiune. Clasificarea lor este prezentată în Fig. 8. .

Distorsiunea neliniară este asociată cu caracteristicile neliniare curent-tensiune ale elementelor active. Distorsiunile neliniare sunt cuantificate prin factorul de distorsiune neliniară (THD). ,

unde U 2m1 este amplitudinea primei armonici a tensiunii de ieșire, U 2m2 ... amplitudinea celei de-a doua și a altor armonici superioare ale tensiunii de ieșire

Distorsiunea liniară apare din cauza dependenței răspunsului în frecvență al câștigului de frecvență. Distorsiunea de frecvență apare din cauza variabilității câștigului. Un amplificator ideal care nu distorsionează ar trebui să aibă un câștig constant. Nu există distorsiuni în acest amplificator. Presupunem că intrarea este afectată de un semnal format din două componente ω 0 și 2ω 0 . Datorită câștigului variabil, semnalul de intrare are o frecvență de 2ω 0 . va fi amplificată de un număr mai mic de ori decât componenta ω 0 . Și, prin urmare, suma acestor semnale va diferi ca formă de forma sumei semnalelor de intrare. Distorsiunile de frecvență sunt evaluate cantitativ prin coeficientul de frecvență distorsiunea, care se referă la neuniformitatea câștigului

Datorită lanțurilor de retail și magazinelor online, varietatea de echipamente audio oferite spre vânzare depășește toate limitele rezonabile. Cum să alegi un dispozitiv care să răspundă nevoilor tale de calitate fără a plăti în mod semnificativ?
Dacă nu ești un audiofil și alegerea echipamentului nu este sensul vieții pentru tine, atunci cea mai ușoară cale este să navighezi cu încredere în caracteristicile tehnice ale echipamentelor de amplificare a sunetului și să înveți să extragi informații utile între rândurile pașapoartelor și instrucțiunilor, fiind critic față de promisiuni generoase. Dacă nu simțiți nicio diferență între dB și dBm, putere nominală Dacă nu diferiți de PMPO și doriți să aflați în sfârșit ce este THD, puteți găsi și ceva interesant sub tăietură.

Rezumatul articolului

Câştig. De ce avem nevoie de logaritmi și ce sunt decibelii?
Volumul sunetului. Care este diferența dintre dB și dBm?
Împărțiți și cuceriți - descompunem semnalul într-un spectru.
Distorsiune liniară și lățime de bandă.
Distorsiuni neliniare. KNI, KGI, TDH.
Caracteristica de amplitudine. Foarte pe scurt despre zgomot și interferențe.
ULF și standarde de putere de ieșire acustică.
Practica este cel mai bun criteriu al adevărului. Dezasamblare cu centrul audio.
Un ibric de gudron într-un borcan cu miere.

Sper că materialele din acest articol vor fi utile pentru înțelegerea următorului, care are un subiect mult mai complex - „Distorsiunea încrucișată și feedback-ul, ca una dintre sursele lor”.

Câştig. De ce avem nevoie de logaritmi și ce sunt decibelii?

Unul dintre principalii parametri ai unui amplificator este câștigul - raportul dintre parametrul de ieșire al amplificatorului și parametrul de intrare. În funcție de scopul funcțional al amplificatorului, factorii de amplificare se disting prin tensiune, curent sau putere:

Câștig de tensiune

Câștig curent

Câștig de putere

Câștigul ULF poate fi foarte mare; câștigul amplificatoarelor operaționale și al căilor radio ale diferitelor echipamente este exprimat în valori și mai mari. Numerele cu un număr mare de zerouri nu sunt foarte convenabile de utilizat; este și mai dificil să afișați pe un grafic diferite tipuri de dependențe care au valori care diferă unele de altele de o mie sau de mai multe ori. O modalitate convenabilă de ieșire este prezentarea cantităților pe o scară logaritmică. În acustică, acest lucru este de două ori convenabil, deoarece urechea are o sensibilitate apropiată de logaritmică.
Prin urmare, câștigul este adesea exprimat în unități logaritmice - decibeli (desemnare rusă: dB; internațional: dB)

dB a fost folosit inițial pentru a estima raportul de putere, astfel încât valoarea exprimată în dB presupune logaritmul raportului dintre cele două puteri, iar câștigul de putere este calculat folosind formula:

Situația este ușor diferită cu cantitățile „non-energetice”. De exemplu, să luăm curent și să exprimăm puterea prin el, folosind legea lui Ohm:

atunci valoarea exprimată în decibeli prin curent va fi egală cu următoarea expresie:

Același lucru este valabil și pentru tensiune. Ca rezultat, obținem următoarele formule pentru calcularea factorilor de câștig:

Câștig de curent în dB:

Câștig de tensiune în dB:

Volumul sunetului. Care este diferența dintre dB și dBm?

În acustică, „nivel de intensitate” sau pur și simplu volumul sunetului L se masoara si in decibeli, iar acest parametru nu este absolut, ci relativ! Acest lucru se datorează faptului că comparația se face cu pragul minim de auzire a sunetului unei vibrații armonice de către urechea umană - o amplitudine a presiunii sonore de 20 μPa. Deoarece intensitatea sunetului este proporțională cu pătratul presiunii sonore, putem scrie:

unde nu este curentul, ci intensitatea presiunii sonore a sunetului cu o frecvență de 1 kHz, care corespunde aproximativ cu pragul audibilității umane.

Astfel, când spunem că volumul unui sunet este de 20 dB, înseamnă că intensitatea undei sonore este de 100 de ori mai mare decât pragul auzului uman.
În plus, valoarea absolută a măsurării puterii este extrem de comună în ingineria radio dBm(dBm rus), care se măsoară relativ la o putere de 1 mW. Puterea este determinată la sarcina nominală (pentru echipamente profesionale - de obicei 10 kOhm pentru frecvențe mai mici de 10 MHz, pentru echipamente cu frecvență radio - 50 Ohm sau 75 Ohm). De exemplu, „puterea de ieșire a etajului amplificatorului este de 13 dBm” (adică puterea eliberată la sarcina nominală pentru această etapă a amplificatorului este de aproximativ 20 mW).

Împărțiți și cuceriți - descompunem semnalul într-un spectru.

Este timpul să trecem la un subiect mai complex - evaluarea distorsiunii semnalului. În primul rând, trebuie să facem o scurtă introducere și să vorbim despre spectre. Faptul este că în ingineria audio și nu numai, este obișnuit să funcționeze cu semnale sinusoidale. Ele se găsesc adesea în lumea înconjurătoare, deoarece un număr mare de sunete sunt create de vibrațiile anumitor obiecte. În plus, structura sistemului auditiv uman este perfect adaptată pentru a percepe oscilațiile sinusoidale.
Orice oscilație sinusoidală poate fi descrisă prin formula:

unde lungimea vectorului, amplitudinea oscilațiilor, este unghiul (faza) inițial al vectorului la timp zero, este viteza unghiulară, care este egală cu:

Este important ca, folosind suma semnalelor sinusoidale cu amplitudini, frecvențe și faze diferite, să fie posibil să se descrie semnale care se repetă periodic de orice formă. Semnalele ale căror frecvențe diferă de cea fundamentală de un număr întreg de ori se numesc armonice ale frecvenței inițiale. Pentru un semnal cu o frecvență de bază f, semnale cu frecvențe

vor fi chiar armonici, iar semnalele

armonice ciudate

Să desenăm un grafic al unui semnal din dinte de ferăstrău pentru claritate.

Pentru a-l reprezenta cu acuratețe prin armonici ar fi nevoie de un număr infinit de termeni.
În practică, un număr limitat de armonici cu cea mai mare amplitudine sunt utilizate pentru analiza semnalelor. Puteți vedea clar procesul de construire a unui semnal din dinte de ferăstrău din armonici în figura de mai jos.

Și iată cum se formează un meandre, precis la a cincizecea armonică...

Puteți citi mai multe despre armonice în minunatul articol habrahabr.ru/post/219337 al utilizatorului dlinyj, dar este timpul să trecem în sfârșit la distorsiuni.
Cea mai simplă metodă de evaluare a distorsiunii semnalului este de a aplica unul sau o sumă a mai multor semnale armonice la intrarea amplificatorului și de a analiza semnalele armonice observate la ieșire.
Dacă ieșirea amplificatorului conține semnale cu aceleași armonice ca și intrarea, distorsiunea este considerată liniară, deoarece se reduce la o modificare a amplitudinii și fazei semnalului de intrare.
Distorsiunea neliniară adaugă noi armonici semnalului, ceea ce duce la distorsiunea formei semnalului de intrare.

Distorsiune liniară și lățime de bandă.

Câştig LA Amplificatorul ideal nu depinde de frecvență, dar în viața reală acest lucru este departe de a fi cazul. Dependența amplitudinii de frecvență se numește răspuns amplitudine-frecvență - răspuns în frecvențăși este adesea reprezentat sub forma unui grafic, unde câștigul de tensiune este reprezentat vertical și frecvența pe orizontală. Să reprezentăm un grafic răspunsul în frecvență al unui amplificator tipic.

Răspunsul în frecvență este măsurat prin aplicarea secvențială a semnalelor de diferite frecvențe de un anumit nivel la intrarea amplificatorului și măsurarea nivelului semnalului la ieșire.
Gama de frecvente ΔF, în care puterea amplificatorului scade de cel mult două ori de la valoarea maximă este numită lățimea de bandă a amplificatorului.

Cu toate acestea, graficul prezintă de obicei câștigul în funcție de tensiune, mai degrabă decât după putere. Dacă notăm câștigul maxim de tensiune ca , atunci în lățimea de bandă coeficientul nu ar trebui să scadă mai mic decât:

Valorile frecvenței și nivelului semnalelor cu care funcționează ULF se pot schimba foarte semnificativ, prin urmare răspunsul în frecvență este de obicei reprezentat în coordonate logaritmice, uneori numite LFC.

Câștigul amplificatorului este exprimat în decibeli, iar frecvențele sunt reprezentate pe axa absciselor prin deceniu(intervalul de frecvență diferă de zece ori). Nu este adevărat că în acest fel graficul arată nu numai mai frumos, ci și mai informativ?
Amplificatorul nu numai că amplifică în mod neuniform semnale de diferite frecvențe, dar și schimbă faza semnalului cu valori diferite, în funcție de frecvența acestuia. Această dependență este reflectată de caracteristica fază-frecvență a amplificatorului.

La amplificarea oscilațiilor de o singură frecvență, acest lucru nu pare să fie înfricoșător, dar pentru semnale mai complexe duce la o distorsiune semnificativă a formei, deși nu generează noi armonici. Imaginea de mai jos arată cum este distorsionat un semnal cu frecvență duală.

Distorsiuni neliniare. KNI, KGI, TDH.


Distorsiunea neliniară adaugă semnalului armonici inexistente anterior și, ca rezultat, schimbă forma de undă originală. Poate cel mai evident exemplu de astfel de distorsiuni este limitarea de amplitudine a unui semnal sinusoidal, prezentată mai jos.

Graficul din stânga arată distorsiunile cauzate de prezența unei armonice par suplimentare a semnalului - limitând amplitudinea uneia dintre semi-undele semnalului. Semnalul sinusoidal original are numărul 1, a doua oscilație armonică este 2, iar semnalul distorsionat rezultat este 3. Figura din dreapta arată rezultatul celei de-a treia armonice - semnalul este „decupat” de ambele părți.

În epoca sovietică, se obișnuia să se exprime distorsiunea neliniară a unui amplificator folosind factorul de distorsiune armonică THD. S-a determinat astfel: la intrarea amplificatorului a fost furnizat un semnal de o anumită frecvență, de obicei 1000 Hz. Apoi a fost calculat nivelul tuturor armonicilor semnalului de ieșire. THD a fost considerat raportul dintre tensiunea rms a sumei armonicilor superioare ale semnalului, cu excepția primei, și tensiunea primei armonice - cea a cărei frecvență este egală cu frecvența semnalului sinusoidal de intrare.

Un parametru străin similar se numește distorsiune armonică totală pentru frecvența fundamentală.

Factor de distorsiune armonică (THD sau )

Această tehnică va funcționa numai dacă semnalul de intrare este ideal și conține doar armonica fundamentală. Această condiție nu poate fi întotdeauna îndeplinită, prin urmare, în practica internațională modernă, un alt parametru de evaluare a gradului de distorsiune neliniară - SOI - a devenit mult mai răspândit.

Analogul străin este distorsiunea armonică totală pentru pătratul mediu.

Distorsiunea armonică totală (THD sau )

SOI este o valoare egală cu raportul dintre suma pătratică medie a componentelor spectrale ale semnalului de ieșire care sunt absente în spectrul semnalului de intrare și suma pătratică medie a tuturor componentelor spectrale ale semnalului de intrare .
Atât THD, cât și THI sunt valori relative care sunt măsurate ca procent.
Valorile acestor parametri sunt legate de relația:

Pentru formele de undă simple, cantitatea de distorsiune poate fi calculată analitic. Mai jos sunt valorile THD pentru cele mai comune semnale din tehnologia audio (valorile THD sunt indicate în paranteze).

0% (0%) - forma de undă este o undă sinusoidală ideală.
3% (3%) - forma semnalului este diferită de cea sinusoidală, dar distorsiunea este invizibilă pentru ochi.
5% (5%) - abaterea formei semnalului de la una sinusoidală, sesizabilă pentru ochi pe oscilogramă.
10% (10%) - nivelul standard de distorsiune la care este luată în considerare puterea reală (RMS) a UMZCH este vizibil la ureche.
12% (12%) este un semnal triunghiular perfect simetric.
21% (22%) este un semnal „tipic” trapezoidal sau în trepte. 43% (48%) - un semnal dreptunghiular perfect simetric (meadru).
63% (80%) este un semnal ideal cu dinți de ferăstrău.

Chiar și acum douăzeci de ani, instrumente complexe și costisitoare au fost folosite pentru a măsura distorsiunea armonică a căii de joasă frecvență. Unul dintre ele SK6-13 este prezentat în figura de mai jos.

Astăzi, această sarcină este gestionată mult mai bine de o placă audio externă a computerului cu un set de software specializat, al cărui cost total nu depășește 500 USD.


Spectrul semnalului la intrarea plăcii de sunet la testarea unui amplificator de joasă frecvență.

Caracteristica de amplitudine. Foarte pe scurt despre zgomot și interferențe.

Dependența tensiunii de ieșire a amplificatorului de intrarea sa, la o frecvență fixă ​​a semnalului (de obicei 1000 Hz), se numește caracteristică de amplitudine.
Caracteristica de amplitudine a unui amplificator ideal este o linie dreaptă care trece prin originea coordonatelor, deoarece câștigul său este o valoare constantă la orice tensiune de intrare.
Există cel puțin trei secțiuni diferite în răspunsul de amplitudine al unui amplificator real. În partea inferioară nu ajunge la zero, deoarece amplificatorul are propriul zgomot, care la niveluri scăzute de volum devine proporțional cu amplitudinea semnalului util.

În partea de mijloc (AB) caracteristica de amplitudine este aproape de liniară. Aceasta este zona de lucru, în limitele sale distorsiunea formei semnalului va fi minimă.
În partea superioară a graficului, caracteristica de amplitudine are și o îndoire, care se datorează limitării puterii de ieșire a amplificatorului.
Dacă amplitudinea semnalului de intrare este astfel încât amplificatorul să funcționeze pe secțiuni curbe, atunci în semnalul de ieșire apar distorsiuni neliniare. Cu cât neliniaritatea este mai mare, cu atât tensiunea sinusoidală a semnalului este mai distorsionată, adică Noi oscilații (armonici superioare) apar la ieșirea amplificatorului.

Zgomotul din amplificatoare vine în diferite tipuri și este cauzat din diferite motive.

Zgomot alb.

Zgomotul alb este un semnal cu densitate spectrală uniformă la toate frecvențele. În intervalul de frecvență de funcționare al amplificatoarelor de joasă frecvență, un exemplu de astfel de zgomot poate fi considerat zgomot termic, cauzat de mișcarea haotică a electronilor. Spectrul acestui zgomot este uniform pe un interval de frecvențe foarte larg.

Zgomot roz.

Zgomotul roz este cunoscut și sub denumirea de zgomot de pâlpâire. Densitatea spectrală de putere a zgomotului roz este proporțională cu raportul 1/f (densitatea este invers proporțională cu frecvența), adică este în scădere uniformă pe o scară de frecvență logaritmică. Zgomotul roz este generat atât de componentele electronice pasive, cât și de cele active, iar oamenii de știință încă se ceartă cu privire la natura originii sale.

Context din surse externe.

Una dintre principalele cauze ale zgomotului este fundalul indus de la surse străine, de exemplu de la o sursă de curent alternativ de 50 Hz. Are o armonică fundamentală de 50 Hz și multiplii săi.

Autoexcitare.

Autoexcitarea treptelor individuale de amplificare poate genera zgomot, de obicei de o anumită frecvență.

ULF și standarde de putere de ieșire acustică

Putere nominală

Analog occidental RMS(Root Mean Squared - rădăcină medie pătrată) În URSS, a fost definită de GOST 23262-88 ca valoarea medie a puterii electrice furnizate a unui semnal sinusoidal cu o frecvență de 1000 Hz, care provoacă o distorsiune neliniară a semnalului nu depășirea unei valori specificate a distorsiunii armonice totale (THD). Indicat atât pentru difuzoare, cât și pentru amplificatoare. De obicei, puterea indicată a fost ajustată la cerințele GOST pentru clasa de complexitate a designului, cu cea mai bună combinație de caracteristici măsurate. Pentru diferite clase de dispozitive, SOI poate varia foarte semnificativ, de la 1 la 10 la sută. Se poate dovedi că sistemul este declarat la 20 de wați pe canal, dar măsurătorile au fost efectuate la 10% SOI. Drept urmare, este imposibil să ascultați acustica la această putere. Sistemele de difuzoare sunt capabile să reproducă un semnal la putere RMS pentru o perioadă lungă de timp.

Putere nominală de zgomot

Uneori numit și sinusoidal. Cel mai apropiat analog occidental DIN- puterea electrică limitată exclusiv de deteriorări termice și mecanice (de exemplu: alunecarea spirelor bobinei de la supraîncălzire, arderea conductoarelor la punctele de îndoire sau lipire, ruperea firelor flexibile etc.) când zgomotul roz este furnizat prin circuitul de corecție pt. 100 de ore. De obicei, DIN este de 2-3 ori mai mare decât RMS.

Putere maximă pe termen scurt

Analog occidental PMPO(Peak Music Power Output - putere de vârf de ieșire muzicală). - putere electrică pe care difuzoarele o pot suporta fără deteriorare (verificată prin absența zgomotului) pentru o perioadă scurtă de timp. Zgomotul roz este folosit ca semnal de testare. Semnalul este trimis la difuzor timp de 2 secunde. Testele sunt efectuate de 60 de ori la intervale de 1 minut. Acest tip de putere face posibilă evaluarea supraîncărcărilor pe termen scurt pe care le poate suporta un difuzor în situațiile care apar în timpul funcționării. De obicei de 10-20 de ori mai mare decât DIN. Care este beneficiul unei persoane să știe că sistemul său poate suporta o undă sinusoidală scurtă, mai puțin de o secundă, de joasă frecvență cu putere mare? Cu toate acestea, producătorilor le place foarte mult să afișeze acest parametru special pe ambalajele și autocolantele produselor lor... Cifrele uriașe pentru acest parametru se bazează adesea doar pe imaginația sălbatică a departamentului de marketing al producătorilor, iar aici chinezii sunt, fără îndoială, înaintea restul.

Putere maximă pe termen lung

Aceasta este puterea electrică pe care difuzoarele o pot rezista fără deteriorare timp de 1 minut. Testele se repetă de 10 ori cu un interval de 2 minute. Semnalul de testare este același.
Puterea maximă pe termen lung este determinată de o încălcare a rezistenței termice a difuzoarelor (alunecarea spirelor bobinei etc.).

Practica este cel mai bun criteriu al adevărului. Dezasamblare cu centrul audio

Să încercăm să aplicăm cunoștințele noastre în practică. Să aruncăm o privire la un magazin online foarte celebru și să căutăm un produs de la o companie și mai faimoasă din Țara Soarelui Răsare.
Da, un centru muzical cu design futurist este la vânzare pentru doar 10.000 de ruble. pentru următoarea promoție:
Din descriere aflăm că dispozitivul este echipat nu doar cu difuzoare puternice, ci și cu un subwoofer.

„Oferă o claritate superioară a sunetului la orice nivel de volum. În plus, această configurație ajută la crearea sunetului bogat și spațios.”

Fascinant, poate că merită să te uiți la parametri. „Centrul conține două difuzoare frontale, fiecare cu o putere de 235 de wați și un subwoofer activ cu o putere de 230 de wați.” Mai mult, dimensiunile primelor sunt de doar 31*23*21 cm
Da, acesta este un fel de Privighetoarea Tâlharul, atât prin puterea vocii, cât și prin mărime. În 1996, mi-aș fi oprit cercetările în acest moment, iar mai târziu, uitându-mă la S90-ul meu și ascultând un amplificator Ageev de casă, aș fi discutat energic cu prietenii cât de departe era în urmă față de japoneza industria noastră sovietică - cu 50 de ani sau încă pentru totdeauna. Dar astăzi, odată cu disponibilitatea tehnologiei japoneze, situația este mult mai bună și multe mituri asociate cu aceasta s-au prăbușit, așa că înainte de a cumpăra vom încerca să găsim date mai obiective privind calitatea sunetului. Nu există niciun cuvânt despre asta pe site. Cine s-ar îndoi de asta! Dar există un manual de instrucțiuni în format pdf. Descărcați și continuați căutarea. Printre informațiile extrem de valoroase că „licența pentru tehnologia de codificare audio a fost obținută de la Thompson” și care ajung să introducă bateriile cu dificultate, dar se poate găsi ceva asemănător parametrilor tehnici. Informații foarte puține sunt ascunse în profunzimile documentului, spre final.
O citez textual, sub formă de captură de ecran, pentru că, începând din acel moment, am început să am întrebări serioase, atât despre cifrele date, în ciuda faptului că erau confirmate printr-un certificat de conformitate, cât și despre interpretarea lor.
Cert este că chiar mai jos scria că puterea consumată din rețeaua de curent alternativ a primului sistem este de 90 de wați, iar al doilea este în general de 75. Hmm.


A fost inventată o mașină cu mișcare perpetuă de al treilea fel? Sau poate sunt baterii ascunse în corpul centrului muzical? Nu arată așa - greutatea declarată a dispozitivului fără acustică este de doar trei kilograme. Apoi, cum se poate consuma 90 de wați din rețea, puteți obține o putere de 700 de wați misterioși (de referință) sau cel puțin un jalnic, dar destul de tangibil 120 nominal. La urma urmei, amplificatorul trebuie să aibă o eficiență de aproximativ 150 la sută, chiar și cu subwoofer-ul oprit! Dar, în practică, acest parametru depășește rareori bara de 75.

Să încercăm să aplicăm în practică informațiile obținute din articol.

Puterea declarată pentru referință este 235+235+230=700 - acesta este în mod clar PMPO. Există mult mai puțină claritate la valoarea nominală. Prin definiție aceasta este putere nominală, dar nu poate fi 60+60 doar pentru două canale principale, excluzând subwooferul, cu un consum nominal de putere de 90 wați. Acest lucru seamănă din ce în ce mai mult nu cu un truc de marketing, ci cu o minciună. Judecând după dimensiuni și regula nerostită, raportul dintre RMS și PMPO, puterea nominală reală a acestui centru ar trebui să fie de 12-15 wați pe canal, iar totalul nu ar trebui să depășească 45. Apare o întrebare firească - cum puteți avea încredere în Datele de pașapoarte ale producătorilor taiwanezi și chinezi, când chiar și bine-cunoscutul japonez Compania permite acest lucru?
Dacă să cumperi sau nu un astfel de dispozitiv, depinde de tine. Dacă este pentru a-ți enerva vecinii de la țară dimineața, da. Altfel, fără să ascult mai întâi mai multe piese muzicale din genuri diferite, nu l-aș recomanda.

Un ibric de gudron într-un borcan cu miere.


S-ar părea că avem o listă aproape exhaustivă de parametri necesari pentru a evalua puterea și calitatea sunetului. Dar, la o atenție mai atentă, acest lucru se dovedește a fi departe de cazul, din mai multe motive:

  • Mulți parametri sunt mai potriviți nu atât pentru o reflectare obiectivă a calității semnalului, cât pentru confortul măsurării. Cele mai multe sunt efectuate la o frecvență de 1000 Hz, ceea ce este foarte convenabil pentru obținerea celor mai bune rezultate numerice. Este situat departe de frecvența de fond a rețelei electrice la 50 Hz și în partea cea mai liniară a intervalului de frecvență al amplificatorului.
  • Producătorii comit adesea păcatul de a ajusta în mod deschis caracteristicile amplificatorului la teste. De exemplu, chiar și în timpul Uniunii Sovietice, ULF-urile au fost adesea proiectate în așa fel încât să ofere cel mai bun indicator THD, cu puterea maximă de ieșire pe plăcuța de identificare. În același timp, la jumătatea nivelului de putere, amplificatoarele push-pull prezentau adesea o distorsiune asemănătoare treptei, motiv pentru care coeficientul de distorsiune armonică din poziția de mijloc a butonului de volum ar putea depăși scala de peste 10%!
  • Fișele tehnice și instrucțiunile de operare conțin adesea caracteristici false, absolut inutile, de tip PMPO. În același timp, nu este întotdeauna posibil să se găsească nici măcar parametri de bază, cum ar fi domeniul de frecvență sau puterea nominală. Nu este nimic de spus despre răspunsul în frecvență și răspunsul de fază!
  • Parametrii sunt adesea măsurați folosind metode distorsionate în mod deliberat.

Nu este de mirare că mulți cumpărători cad în subiectivitate în astfel de condiții și își concentrează achizițiile, în cel mai bun caz, doar pe rezultatele unei scurte sesiuni de ascultare și, în cel mai rău caz, pe preț.

E timpul să încheiem, articolul este deja prea lung!

Vom continua conversația despre evaluarea calității și cauzele distorsiunii amplificatoarelor de joasă frecvență în articolul următor. Înarmat cu o cantitate minimă de cunoștințe, puteți trece la subiecte atât de interesante precum distorsiunea intermodulației și relația acesteia cu profunzimea feedback-ului!

În încheiere, aș dori să-mi exprim sincera recunoștință lui Roman Parpalak parpalak pentru proiectul său de editor online cu suport pentru latex și markdown. Fără acest instrument, munca deja dificilă de introducere a formulelor matematice în text ar deveni cu adevărat infernală.