Cauzele distorsiunii neliniare în amplificatoare. Distorsiune neliniară

Tutorial

Pe site-urile audiofile, se obișnuiește să sperii vizitatorii cu distorsiuni de intermodulație, totuși, deoarece majoritatea publicațiilor pe această temă utilizează pe scară largă tehnologia copy-paste, este foarte greu de înțeles de ce apar aceste distorsiuni și de ce sunt atât de înfricoșătoare. Astăzi voi încerca, în măsura posibilităților mele și a lungimii articolului, să reflect exact natura acestor IMI teribile.

Subiectul distorsiunii semnalului în UMZCH a fost abordat în articolul meu anterior, dar ultima dată am atins doar ușor distorsiunile liniare și neliniare. Astăzi vom încerca să înțelegem cele mai neplăcute de auzit, greu de analizat și greu de eliminat distorsiunile de intermodulație pentru designerii ULF. Motivele apariției lor și relația cu feedback-ul, scuze pentru jocul de cuvinte.

Amplificator operațional sub formă de triunghi alb

Înainte să vorbim despre părere, hai să o facem mica excursie V amplificatoare operaționale , deoarece astăzi căile de amplificare a tranzistorului practic nu se pot descurca fără ele. Ele pot fi prezente fie sub formă de microcircuite separate, fie să facă parte din cipuri mai complexe - de exemplu, circuite integrate amplificatoare de joasa frecventa - ULF .

Să luăm în considerare un amplificator sub forma unei cutii negre, sau mai degrabă un triunghi alb, așa cum sunt de obicei notate în designul circuitului, fără a intra în detalii despre designul său deocamdată.

Atribuirea pinilor amplificatorului operațional

Intrare non-inversoare:

Intrare inversă:

Sursa de alimentare plus:

Dezavantajul sursei de alimentare:

Dacă creșteți tensiunea de intrare la intrarea neinversoare, tensiunea de ieșire va crește; dacă la intrarea inversoare, atunci, dimpotrivă, va scădea.

De obicei, tensiunea de intrare care trebuie amplificată este aplicată între cele două intrări și apoi tensiune de ieșire poate fi exprimat astfel:

Unde este câștigul în buclă deschisă

Pentru că scopul nostru nu este să ne întărim tensiuni constante, iar pentru vibrațiile sonore, să luăm un exemplu de dependență a amplificatorului operațional ieftin LM324 de frecvența oscilațiilor sinusoidale de intrare.

Pe această diagramă vertical câștigul este reprezentat grafic, iar pe orizontală frecvența este reprezentată pe o scară logaritmică. Rezultatele muncii inginerilor nu sunt foarte impresionante și este puțin probabil ca un astfel de amplificator să fie folosit în realitate. În primul rând, arată o liniaritate bună doar în afara intervalului de frecvență perceput de ureche - sub 10 Hz, iar în al doilea rând, câștigul său este prea mare - de 10.000 de ori la curent continuu!

Deci ce să faci, trebuie să existe o cale de ieșire! Da el este. Luați o parte din semnalul de ieșire și aplicați-o la intrarea inversoare - introduceți feedback.

Feedback - simplu și furios! Un panaceu pentru toate relele?

În acest articol nu vom atinge elementele de bază ale teoriei amplificatoarelor operaționale; dacă doriți, puteți găsi o mulțime de informații despre acest subiect pe Internet, de exemplu, în seria de articole de Igor Petrov KriegeR

Introducerea feedback-ului într-un circuit amplificator nu este ușoară, dar foarte simplă. Fără a merge prea departe, să vedem cum se poate face acest lucru folosind un exemplu din ultimul meu articol despre mici trucuri de trasare a circuitelor pe amplificatoare operaționale.

Feedback-ul în acest circuit este furnizat la intrarea inversoare a amplificatorului operațional prin rezistorul R2, sau mai degrabă un divizor de tensiune de la R2 și R1.

Este ușor de demonstrat că acest circuit va avea un câștig de tensiune egal cu doi și va rămâne neschimbat la amplificarea semnalelor armonice pe o lungime foarte largă. gama de frecvente. Pe măsură ce frecvența semnalului crește, câștigul amplificatorului operațional fără feedback scade, dar rămâne de multe ori mai mare decât două și această scădere este compensată reducerea automată nivelul semnalului de feedback. Ca rezultat, câștigul circuitului în ansamblu rămâne neschimbat. Dar asta nu este tot. Această schemă are o impedanță de intrare foarte mare, ceea ce înseamnă că nu are practic niciun efect asupra sursei semnalului. De asemenea, are o impedanță de ieșire foarte scăzută, ceea ce înseamnă că, teoretic, ar trebui să mențină forma semnalului chiar și atunci când funcționează pe o sarcină cu rezistență destul de scăzută și cu o impedanță complexă - inductivă și capacitivă.

Chiar am primit AMPLIFICATORUL IDEAL?

Din păcate, nu, așa cum orice monedă are cap și coadă, feedback-ul are latura ei întunecată.

Ceea ce este bun pentru un rus este moartea sau puțină tehnologie radio pentru un german

În inginerie radio, efectul interacțiunii semnalelor a două frecvențe diferite aplicat unui element neliniar numit intermodularea . Rezultatul este semnal complex cu combinații de frecvențe (armonice) în funcție de frecvența semnalelor originale f1 și f2 după următoarea formulă:
Frecvențele rezultate sunt mai mici ca amplitudine decât armonicile părinte și, de regulă, nivelul lor scade rapid odată cu creșterea coeficienților întregi m și n.

Armonicele vor avea cea mai mare amplitudine, numite armonici de ordinul doi cu frecvente:

si frecvente armonici de ordinul trei :
În inginerie radio, acest efect este utilizat pe scară largă pentru conversia frecvenței. Datorită acestuia funcționează receptoarele moderne. Conversia de frecvență are loc în mixere construite pe baza unor elemente neliniare, care sunt adesea folosite ca joncțiune p-n diodă sau tranzistor. Mixerul primește simultan semnalul util primit și semnalul de la generator - oscilator local.

La ieșire primim o gamă largă de semnale:

Dar datorită filtrului PPF în bandă îngustă, selectăm semnalul de care avem nevoie cu o frecvență intermediară f pr =f g -f s și îl amplificăm în amplificatorul IF. Detectarea are loc apoi folosind următorul element neliniar, de obicei o diodă și la ieșirea după filtru frecvente joase Neprezentat în figură, primim un semnal de frecvență audio.

IMD- distorsiunea intermodulatiei

Totuși, dacă efectul de intermodulație este vital pentru receptoare, în amplificatoarele de joasă frecvență provoacă distorsiuni neliniare, care se numesc intermodulație. La urma urmelor semnal sonor contine simultan armonici cantitate mare frecvențe care diferă foarte mult ca amplitudine, iar tranzistoarele care alcătuiesc amplificatorul, ca și diodele, sunt elemente neliniare. Distorsiunile care apar datorită mecanismului descris mai sus sunt numite în sursele în limba engleză distorsiunea de intermodulație abreviat IMD, de altfel, abrevierea rusă pentru ei IMI .

Acest tip distorsiunile sunt mult mai neplăcute pentru ureche decât limitarea banală a amplitudinii semnalului; sursa apariției lor în fiecare caz specific este mult mai dificil de detectat și, cel mai important, de eliminat.

Este timpul să începem în sfârșit să explorăm partea întunecată a feedback-ului.

Partea întunecată a feedback-ului

Pentru a-l detecta, vom asambla un amplificator bazat pe amplificatorul operațional LM324, dar cu valori ușor diferite ale rezistențelor de feedback pentru a obține un câștig unitar.

Acum să aplicăm un impuls dreptunghiular de amplitudine mică, aproximativ 100 de milivolți, la intrarea sa.

Ceea ce avem la ieșire nu seamănă deloc cu semnalul de intrare. Ce s-a întâmplat și de ce nu ne-a ajutat feedback-ul? Ca întotdeauna, de vină este fizica, lumea ei este mult mai complexă decât a noastră modele matematice, pe baza aproximărilor brute. Cert este că amplificatorul nostru este un dispozitiv foarte complex.

O excursie în lumea reală. Feedback negativ general într-un amplificator de putere audio

Neliniaritatea inerentă trepte de tranzistor, obligă dezvoltatorii să folosească feedback negativ puternic ca cea mai simplă soluție pentru ajustarea parametrilor amplificatorului pentru a îndeplini cerințele pentru nivel scăzut distorsiunea armonică și de intermodulație, desigur măsurată folosind metode standard. Drept urmare, amplificatoarele de putere industriale cu adâncime de feedback de 60 și chiar 100 dB nu sunt neobișnuite astăzi.
Să ne înfățișăm circuit real amplificator de putere cu tranzistor simplu. Putem spune că este în trei etape. Prima treaptă a amplificatorului este pe amplificatorul operațional A1, a doua este pe tranzistoarele T1-T2 și a treia este tot tranzistorul T3-T4. În acest caz, amplificatorul este acoperit de un circuit de feedback general, evidențiat cu roșu, care este alimentat prin rezistorul R6 la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Cuvânt cheie Aici general- feedback-ul aici este furnizat nu de la ieșirea amplificatorului operațional către intrarea acestuia, ci de la ieșirea întregului amplificator.

Ca rezultat, amplificatorul operațional, datorită câștigului său enorm, ar trebui să facă față diferitelor tipuri de neliniarități și interferențe în treptele amplificatorului tranzistorului. Le enumerăm mai jos pe cele principale:

tranzistori in o astfel de includere poate funcționa într-un mod foarte neliniar când semnalul trece prin zero și pentru semnale slabe;
La ieșire, amplificatorul este încărcat cu o sarcină complexă - sistem audio. Diagrama prezintă echivalentul său - rezistența R15 și inductanța L1;
Tranzistoarele funcționează într-un regim termic sever, iar temperatura carcasei lor depinde în mod semnificativ de puterea de ieșire, iar parametrii lor depind puternic de temperatură;
Capacitatele de montare și diferitele tipuri de interferență pot avea o valoare decentă, iar erorile de rutare pot duce cu ușurință la feedback pozitiv și autoexcitare a amplificatorului;
Rolul interferenței induse de putere crește semnificativ;

Iar OU ajută, dar ca un prost care se roagă lui Dumnezeu din celebrul aforism, uneori prea tare. Apar probleme cu capacitatea de suprasarcină a cascadelor individuale, ale căror tranzistori intră în modul de limitare a semnalului. Ele ies din modul liniar, desigur relativ liniar, în moduri de tăiere sau de saturație. Ele ies foarte repede, dar revin la ea mult mai lent, ceea ce se datorează procesului îndelungat de resorbție a surselor minore de sarcină în joncțiunile semiconductoare. Să aruncăm o privire mai atentă acest procesși consecințele acesteia.

Distorsiunea de intermodulație dinamică TIM. Capacitate de suprasarcină și efect de tăiere a amplificatorului

Capacitate de suprasarcină amplificatorul este un parametru care descrie câți decibeli diferă tensiunea sau puterea nominală de ieșire de maximă atunci când încep limitările de putere a semnalului de ieșire - tăiere

U amplificatoare cu tranzistori capacitatea de suprasarcină este scăzută, în special pentru cascadele finale și pre-terminale. Putere nominală deseori diferă de maxim cu doar 40 la sută, adică mai puțin de 3 dB.

Să ne imaginăm că amplificatorul nostru este format dintr-un preamplificator corector ideal și un UMZCH acoperit de feedback cu coeficient B. Este important de reținut că semnalul V 1 poate conține componente foarte frecventa inalta. Preamplificatorul C acționează ca un filtru trece-jos, furnizând un semnal de intrare V 2 amplificatorului A care conține doar componente care se încadrează în banda de frecvență audio.

Tensiunea la intrarea amplificatorului de putere V 2 are un timp de creștere determinat de preamplificator; graficul arată că este netezită. Cu toate acestea, în tensiunea V 3 care acționează la ieșirea sumatorului, există o creștere cauzată de dorința de feedback pentru a compensa viteza scăzută a amplificatorului de putere A cu amplitudinea V max.

O creștere a semnalului V 3 poate fi de sute sau chiar de mii de ori mai mare ca amplitudine decât nivelul nominal semnal de intrare. El poate într-o mare măsură depaseste interval dinamic amplificator În timpul unei astfel de supraîncărcări, câștigul altor semnale prezente la intrare este redus, provocând o creștere instantanee a distorsiunii de intermodulație. Această stropire se numește distorsiunea intermodulației dinamice TID , deoarece intermodularea duce la influența unui semnal asupra amplitudinii altuia și depinde de caracteristicile de timp și amplitudine ale semnalului de intrare mai mult decât doar de caracteristica de amplitudine, ca în cazul distorsiunii intermodulației simple.

Mai sus este un grafic al unui efect extrem de neplăcut numit „cliping” a amplificatorului și este un produs al feedback-ului. La ieșirea A1, obținem efectul limitării amplitudinii, iar la ieșirea amplificatorului, un semnal distorsionat.

Metode de măsurare a distorsiunii de intermodulație și metode de combatere a acesteia

Conform metoda standard pentru a măsura distorsiunea de intermodulație, două semnale sunt furnizate simultan la intrarea obiectului măsurat: frecvențe joase f 1 și înalte f 2. Din păcate, în diverse tari utilizați frecvențe de măsurare diferite. Standarde diferite oferi frecvente diferite- 100 și 5000 Hz, 50 și 1000 Hz...

Cea mai comună este utilizarea frecvențelor de 400 și 4000 Hz, aprobate în standardul DIN 45403, GOST 16122-88 și IEC 60268-5. Amplitudinea semnalului cu frecvența f 1 este de 12 dB de 4 ori mai mare decât amplitudinea semnalului cu frecvența f 2. În funcție de neliniaritatea caracteristicii, diferența și totalul combinației oscilațiilor f 2 ± f 1 și f 2 ± 2f 1 de ordine superioară se formează la punctul de funcționare simetric față de frecvența f 2. Oscilațiile Raman de ordinul doi care rezultă cu frecvențele f 2 ± f 1 caracterizează pătratice, iar de ordinul trei cu frecvențele f 2 ± 2f 1 - distorsiuni cubice ale obiectului de măsurat.

O pereche de frecvențe de 19 și 20 KHz cu niveluri egale de semnal este, de asemenea, utilizată pe scară largă, ceea ce este convenabil în primul rând deoarece armonica principală, care se încadrează în domeniul audio, este în în acest caz, este un semnal cu o frecvență de 1 KHz, al cărui nivel este ușor de măsurat.

A inregistra, a valida semnale de măsurare Folosesc nu numai generatoare, ci și CD-uri de măsurare și chiar discuri de vinil special înregistrate în studio.

Cu aproximativ 30 de ani în urmă, măsurarea distorsiunii de intermodulație necesita complex și aparate scumpe, disponibil doar în laboratoare și studiouri, de exemplu, compoziția suport de măsurare pentru amplificator fono:

Recorder de vinil;
Placă de măsurare;
Ridica;
Amplificator de corecție;
filtru trece-bandă;
detector de linie;
Filtru trece jos.
Și, desigur, V este un voltmetru care poate măsura valoare efectivă oscilații sinusoidale!

Astăzi mult cea mai buna calitate măsurătorile pot fi furnizate chiar și printr-un simplu card de muzică de computer pe 16 biți, cu un preț de până la 30 USD, completat cu un card special program de măsurareși circuite simple de potrivire.

Standardele descrise sunt foarte convenabile pentru producătorii de echipamente de reproducere a sunetului; fără prea multe dificultăți, puteți obține numere mici frumoase în datele pașaportului, dar nu reflectă foarte bine calitatea reală a căii de amplificare. Rezultatul, desigur, este dezvoltarea subiectivismului - atunci când două amplificatoare sau chiar plăci audio scumpe, care au practic aceiași parametri, „sună” complet diferit pe un semnal muzical complex - este imposibil să faci fără ascultare înainte de a cumpăra.

Pasionați de hobby sunet de înaltă calitateși producătorii de echipamente individuale de inalta clasaîncearcă să-și promoveze tehnicile de măsurare bazate pe aproximări mai puțin divorțate de realitate. Există tehnici cu mai multe frecvențe, tehnici care studiază interacțiunea frecvenței armonice și a unui singur impuls, bazate pe semnale de zgomot și altele. Cu toate acestea, de data aceasta nu vom avea timp să le discutăm în detaliu.
OOC Adăugați etichete

Distorsiunile liniare nu încalcă relațiile de amplitudine în semnalul amplificat. Dacă există o distorsiune liniară a semnalului în amplificator, caracteristica de amplitudine nu suferă nicio distorsiune. Cu toate acestea, distorsiunea liniară, desigur, distorsionează semnalul amplificat. Aceste distorsiuni sunt asociate cu neuniformitatea răspunsului amplitudine-frecvență al amplificatorului și neliniaritatea răspunsului fază-frecvență. În acest sens, distorsiunile liniare sunt adesea numite distorsiuni de frecvență. Principala caracteristică a distorsiunilor liniare este că nu provoacă apariția de noi componente în spectrul semnalului de ieșire. Ca urmare a influenței distorsiunilor liniare, nivelurile componentelor sale spectrale (frecvență) individuale se pot schimba doar.

Deoarece distorsiunile liniare provoacă de obicei perturbări ale caracteristicilor amplitudine-frecvență, de regulă, mărimea lor este determinată tocmai de metoda de studiu a acestei caracteristici a amplificatorului. Cu toate acestea, așa cum sa menționat mai sus, distorsiunile liniare pot fi cauzate și de o încălcare a liniarității caracteristicilor de fază-frecvență ale amplificatorului, care se manifestă prin diferența de timp de propagare a diferitelor componente de frecvență ale semnalului amplificat. Un difuzor cu un sistem de separare a spectrului de semnal audio și reportofoare analogice demonstrează bine acest fenomen.

Distorsiune neliniară– modificări ale formei vibrației cauzate de cursul neliniar al trecerii caracteristica de transfer. Gradul în care apar aceste distorsiuni depinde în primul rând de nivelul semnalului, iar distorsiunea, de regulă, este mai mare cu cât nivelul este mai ridicat. Principala diferență dintre distorsiunile neliniare și cele liniare (frecvență-tranziție și fază-frecvență) este că apariția distorsiunilor neliniare este însoțită de apariția unor noi componente suplimentare în spectrul semnalului de ieșire.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale căilor de inginerie audio sunt datele privind valoarea limită a puterii semnalului de ieșire, la care distorsiunile neliniare nu depășesc nivelul permis.

Distorsiunile caracteristicilor de amplitudine ale amplificatorului conduc la distorsiuni semnificative ale rapoartelor de amplitudine în semnalul amplificat și pot provoca modificări semnificative ale formei acestuia. Spre deosebire de distorsiunile liniare, distorsiunile neliniare duc întotdeauna la apariția în semnalul de ieșire a componentelor spectrale (de frecvență) suplimentare care sunt absente în semnalul de intrare. Dacă distorsiunile liniare schimbă în principal culoarea sunetului, atunci manifestarea distorsiunilor neliniare este și mai dăunătoare, deoarece duc la modificări semnificative ale semnalului amplificat. Un exemplu de utilizare intenționată a distorsiunilor neliniare - dispozitive de procesare distorsiunea semnalului, overdrive, fuzz.

3.Metode de măsurare a distorsiunilor liniare în difuzoare: răspuns în frecvență, răspuns în fază. Parametri de bază (gamă de frecvență reprodusă eficient, sensibilitate caracteristică, denivelări etc.)

Atunci când se transmit semnale prin toate legăturile de înregistrare a sunetului și căile de transmisie a sunetului (inclusiv prin difuzoare), acestea sunt introduse tipuri diferite distorsiuni cauzate de particularitățile proceselor electromecanice, mecanoacustice și alte procese de conversie a semnalului.

Aceste distorsiuni pot fi împărțite în liniare și neliniare.

Distorsiune liniară Ele modifică relațiile de amplitudine și fază dintre componentele spectrale individuale ale semnalului și, din această cauză, își pot schimba forma temporală, dar nu introduc noi componente spectrale și nu depind de nivelul semnalului de intrare.

Distorsiune neliniară se caracterizează prin apariţia în spectru a semnalului de ieşire a unor noi componente spectrale care modifică structura temporală a semnalului în funcţie de nivelul acestuia.

Toate difuzoarele experimentează atât distorsiuni liniare, cât și neliniare ale semnalelor muzicale și de vorbire.

Deoarece distorsiune liniară modificați relațiile de amplitudine și fază între componentele spectrale individuale ale semnalului, apoi pentru a determina mărimea distorsiunii liniare, se folosesc conceptele de răspuns amplitudine-frecvență și răspuns fază-frecvență.

Caracteristica fază-frecvență (PFC) este dependența de frecvență a diferenței de fază dintre semnalele de intrare și de ieșire.

Răspunsul de fază arată cum se modifică schimbarea de fază între semnalele armonice de intrare și de ieșire pe măsură ce frecvența se schimbă de la zero la infinit.

Una dintre metodele de determinare a caracteristicilor fază-frecvență este experimental:

1. La intrarea sistemului este furnizat un semnal armonic sinusoidal, a cărui frecvență (omega totală) variază într-un interval dat;

2. Defazatul (phi total) dintre semnalele de intrare și de ieșire este măsurat pentru fiecare frecvență

3. Schimbarea frecvenței de la zero la cea mai mare valoare, construiește un grafic:

Răspunsul amplitudine-frecvență (AFC) - dependența nivelului presiunii sonore de frecvență. De obicei măsurători de răspuns în frecvență sunt produse în camere anecoice speciale, al căror tratament de suprafață poate reduce semnificativ influența reflexiilor. Un semnal sinusoidal sau de zgomot este utilizat ca semnal de măsurare. Cu toate acestea, în zilele noastre sunt utilizate pe scară largă metode digitale măsurători în încăperi neamortizate folosind semnale pulsate, permițând obținerea unui spectru tridimensional ( dacă întreabă brusc (și e mai bine să nu menționez asta): spectru (din punct de vedere științific se numește „spectru de amplitudine”, deoarece există și un „spectru de fază”) - acesta este un set de frecvențe naturale și amplitudini ale oscilațiilor care sunt excitate într-un corp dat atunci când o forță externă acționează asupra acestuia);

- interval de frecvență reprodus în mod eficient- intervalul în care nivelul presiunii acustice este redus cu o anumită cantitate specificată în raport cu nivelul mediu al presiunii sonore mediat într-un anumit interval de frecvență (în cele mai bune modele unități de control atinge 20...20000 Hz cu o scădere de 3 dB la frecvențe joase și înalte);

- sensibilitate caracteristică- raportul dintre presiunea sonoră medie dezvoltată de capul difuzorului într-un interval de frecvență dat (de obicei 100...8000 Hz) pe axa de lucru la o distanță de 1 m cu alimentarea putere electrica 1 W (în funcție de domeniul de aplicare, se încadrează în următoarele limite: capete de difuzoare pentru sisteme acustice de uz casnic - 86...89 dB/W/m, pentru unități studio - 92...94 dB/W/ m, pentru echipamente de concert și teatru - 98...102 dB/W/m).

- răspuns neuniform în frecvență- diferența dintre valoarea maximă a nivelului presiunii acustice și cea minimă, sau între maximă și medie în intervalul de frecvență reprodus efectiv (în sistemele acustice moderne această valoare este de +/-1 dB);

Distorsiunea semnalului în amplificator

Distorsiunea semnalului în amplificator legat, în primul rând, cu dependență liniară semnalul de ieșire de la intrare, datorită neliniarității caracteristicilor statice curent-tensiune ale elementelor utilizate și, în al doilea rând, cu dependența de frecvență a amplitudinii și fazei semnalului amplificat. Prin urmare, atunci când se analizează funcționarea amplificatoarelor, se iau în considerare două tipuri de distorsiuni ale semnalului de ieșire față de intrare: statice (neliniare) și dinamice (amplitudine și fază), în urma cărora atât forma, cât și spectrul de frecvență al amplificatului. schimbari de semnal. Distorsiunea dinamică este uneori numită distorsiune liniară.

Motivul apariției distorsiunilor neliniare este ilustrat în Fig. 2.1.4, c. Este evident că în acest caz, atunci când un semnal armonic este aplicat la intrarea dispozitivului de amplificare, semnalul de ieșire, pe lângă armonica de intrare, va conține un număr de armonici suplimentare. Apariția acestor armonici se datorează dependenței câștigului de mărimea semnalului de intrare. În consecință, apariția distorsiunilor neliniare este întotdeauna asociată cu apariția la ieșire a componentelor armonice suplimentare ale semnalului care sunt absente la intrare.

Pentru cuantificare distorsiunea neliniară este factorul de distorsiune neliniară (factorul armonic), al cărui calcul se bazează pe estimarea mărime relativă armonici mai mari față de cea fundamentală în semnalul de ieșire, adică

, (2.1.7)

Unde A 2,..A p- valorile efective ale armonicilor superioare ale semnalului de ieșire, începând cu a doua; A 1- valoarea efectivă a primei armonici (fundamentale) a semnalului de ieșire.

Distorsiunile de frecvență ale unui dispozitiv de amplificare sunt evaluate în funcție de tipul răspunsului său în frecvență. Să luăm în considerare cauzele distorsiunii de frecvență folosind exemplul unui dispozitiv al cărui răspuns în frecvență este prezentat în Fig. 2.1.5.

Să presupunem că există un semnal la intrarea unui dispozitiv de amplificare, egal cu suma două armonice de aceeași amplitudine și (Fig. 2.1.6).

Conform răspunsului în frecvență dat (Fig. 2.1.5) . Apoi tensiunea la ieșirea amplificatorului va lua forma prezentată în Fig. 2.1.6. O comparație a semnalelor totale de intrare și ieșire arată că acestea sunt semnificativ diferite.

Din considerentele de mai sus, este clar că răspunsul ideal în frecvență (din punct de vedere al absenței distorsiunilor de frecvență) este unul în care următoarea relație este satisfăcută pentru toate frecvențele amplificate: .

Orez. 2.1.5. Apariția distorsiunii de frecvență în amplificator:

Răspunsul în frecvență al amplificatorului.

Distorsiunile de frecvență sunt cuantificate prin factorul de distorsiune a frecvenței M, numeric egal cu raportul câștig în regiunea de frecvență medie pentru răspunsul amplitudine-frecvență la câștig la o frecvență dată.

Distorsiunile de fază apar din cauza neuniformității răspunsului fază-frecvență (PFC) al dispozitivului amplificator (curba solidă din Fig. 2.1.7).

Orez. 2.1.6. Apariția distorsiunii de frecvență în amplificator:

Semnale de intrare și ieșire a amplificatorului.

Orez. 2.1.7. Apariția distorsiunilor de fază într-un amplificator: răspunsul de fază a amplificatorului.

Condiția pentru idealitatea răspunsului de fază este condiția ca faza să fie independentă de frecvența semnalului amplificat (linia întreruptă în Fig. 2.1.7), care este descrisă printr-o dependență liniară de forma:

Cu toate acestea, condiția independenței de fază față de frecvență este dificil de asigurat în practică, iar răspunsul de fază arată ca o linie continuă în Fig. 2.1.7.

Să luăm în considerare, folosind un exemplu, natura apariției distorsiunilor de fază. Să presupunem, ca și în cazul distorsiunilor de amplitudine ale semnalului, că la intrarea dispozitivului de amplificare există un semnal egal cu suma a două armonice, iar frecvențele acestor semnale diferă cu un factor de doi, adică. . Să presupunem de asemenea că defazajul introdus de dispozitivul de amplificare între frecvențe și este egal cu . Tipul de semnal de ieșire al dispozitivului amplificator conform ipotezelor făcute este prezentat în Fig. 2.1.8. Este evident că (ca și în cazul precedent) formele semnalelor de intrare și de ieșire sunt semnificativ diferite.

Amplificatorul este dispozitiv electronic, care controlează fluxul de energie de la sursa de energie la sarcină. Mai mult, puterea necesară pentru control este, de regulă, mult mai mică decât puterea furnizată sarcinii, iar formele semnalelor de intrare (amplificate) și de ieșire (la sarcină) sunt aceleași.

Toate amplificatoarele pot fi clasificate după următoarele criterii:

După frecvenţa semnalului amplificat

După tipul de semnal amplificat

După scopul funcțional

Parametri și caracteristici: coeficient sau câștig de transmisie, caracteristici dinamice și de amplitudine, interval dinamic, sensibilitate maximă, răspuns amplitudine-frecvență, răspuns fază-frecvență, răspuns amplitudine-fază, distorsiune liniară, distorsiune neliniară.

2. Distorsiuni liniare în amplificatoare.

Liniar distorsiunile nu încalcă relațiile de amplitudine în semnalul amplificat. În fig. 4.1a. sunt afișate caracteristicile de amplitudine (adică dependența tensiunii de ieșire de intrare) amplificatoare ideale cu diferiți factori de câștig. Dacă există o distorsiune liniară a semnalului în amplificator, caracteristica de amplitudine nu suferă nicio distorsiune. Cu toate acestea, distorsiunea liniară, desigur, distorsionează semnalul amplificat. Aceste distorsiuni sunt asociate cu neuniformitatea răspunsului amplitudine-frecvență al amplificatorului și neliniaritatea răspunsului fază-frecvență. În acest sens, distorsiunile liniare sunt adesea numite distorsiuni de frecvență. Principala caracteristică a distorsiunilor liniare este că nu provoacă apariția de noi componente în spectrul semnalului de ieșire. Ca urmare a influenței distorsiunilor liniare, nivelurile componentelor sale spectrale (frecvență) individuale se pot schimba doar. Deoarece distorsiunile liniare provoacă de obicei perturbări ale caracteristicilor amplitudine-frecvență, de regulă, mărimea lor este determinată tocmai de metoda de studiu a acestei caracteristici a amplificatorului. Cu toate acestea, distorsiunile liniare pot fi cauzate și de o încălcare a liniarității caracteristicilor de fază-frecvență ale amplificatorului, care se manifestă prin diferența de timp de propagare a diferitelor componente de frecvență ale semnalului amplificat. O modalitate bună de a detecta distorsiunile liniare vizibile într-un amplificator este să aplicați impulsuri dreptunghiulare la intrarea acestuia și să observați forma semnalului de ieșire folosind un osciloscop. Marginea anterioară a unui semnal cu undă pătrată este foarte sensibilă atât la încălcări ale uniformității caracteristicii amplitudine-frecvență, cât și la încălcări ale liniarității caracteristicii fază-frecvență. În cazul unei distorsiuni liniare vizibile, forma impulsurilor dreptunghiulare la ieșirea amplificatorului va fi semnificativ perturbată, ceea ce este ușor vizibil pe ecranul osciloscopului. Un astfel de test simplu este într-o oarecare măsură o alternativă la necesitatea de a studia caracteristicile amplitudine-frecvență și fază-frecvență ale amplificatorului.

3. Distorsiuni neliniare în amplificatoare.

Spre deosebire de liniar, neliniar distorsiunea provoacă o încălcare a liniarității răspunsului de amplitudine al amplificatorului. Exemple de caracteristici de amplitudine neliniară ale amplificatoarelor sunt prezentate în Fig. 4.1 b, c, d. Distorsiunile caracteristicilor de amplitudine ale amplificatorului conduc la distorsiuni semnificative ale rapoartelor de amplitudine în semnalul amplificat și pot provoca modificări semnificative ale formei acestuia. Spre deosebire de distorsiunile liniare, distorsiunile neliniare duc întotdeauna la apariția în semnalul de ieșire a componentelor spectrale (de frecvență) suplimentare care sunt absente în semnalul de intrare. Dacă distorsiunile liniare schimbă în principal culoarea sunetului, atunci manifestarea distorsiunilor neliniare este și mai dăunătoare, deoarece duc la modificări semnificative ale semnalului amplificat.

Tutorial

Subiectul distorsiunii semnalului în UMZCH a fost abordat la mine, dar ultima dată am atins doar ușor distorsiunile liniare și neliniare. Astăzi vom încerca să înțelegem cele mai neplăcute de auzit, greu de analizat și greu de eliminat distorsiunile de intermodulație pentru designerii ULF. Motivele apariției lor și relația cu feedback-ul, scuze pentru jocul de cuvinte.

Amplificator operațional sub formă de triunghi alb

Înainte de a vorbi despre feedback, să facem o scurtă excursie în amplificatoare operaționale , deoarece astăzi căile de amplificare a tranzistorului practic nu se pot descurca fără ele. Ele pot fi prezente fie sub formă de microcircuite separate, fie să facă parte din cipuri mai complexe - de exemplu, circuite integrate amplificatoare de joasa frecventa - ULF .

Atribuirea pinilor amplificatorului operațional

Intrare non-inversoare:

Intrare inversă:

Sursa de alimentare plus:

Dezavantajul sursei de alimentare:

Dacă creșteți tensiunea de intrare la intrarea neinversoare, tensiunea de ieșire va crește; dacă la intrarea inversoare, atunci, dimpotrivă, va scădea.

De obicei, tensiunea de intrare care trebuie amplificată este aplicată între cele două intrări și apoi tensiunea de ieșire poate fi exprimată după cum urmează:

Unde este câștigul în buclă deschisă

Deoarece scopul nostru nu este să amplificam tensiunile continue, ci vibrațiile sonore, să luăm, de exemplu, dependența amplificatorului operațional ieftin LM324 de frecvența oscilațiilor sinusoidale de intrare.

În acest grafic, câștigul este reprezentat vertical, iar frecvența este reprezentată orizontal pe o scară logaritmică. Rezultatele muncii inginerilor nu sunt foarte impresionante și este puțin probabil ca un astfel de amplificator să fie folosit în realitate. În primul rând, arată o liniaritate bună doar în afara intervalului de frecvență perceput de ureche - sub 10 Hz, iar în al doilea rând, câștigul său este prea mare - de 10.000 de ori la curent continuu!

Deci ce să faci, trebuie să existe o cale de ieșire! Da el este. Luați o parte din semnalul de ieșire și aplicați-o la intrarea inversoare - introduceți feedback.

Feedback - simplu și furios! Un panaceu pentru toate relele?

În acest articol nu vom atinge elementele de bază ale teoriei amplificatoarelor operaționale; dacă doriți, puteți găsi o mulțime de informații despre acest subiect pe Internet, Igor Petrov

Introducerea feedback-ului într-un circuit amplificator nu este ușoară, dar foarte simplă. Fără să mergem prea departe, să vedem cum se poate face acest lucru folosind un exemplu din al meu.

Feedback-ul în acest circuit este furnizat la intrarea inversoare a amplificatorului operațional prin rezistorul R2, sau mai degrabă un divizor de tensiune de la R2 și R1.

Este ușor de demonstrat că acest circuit va avea un câștig de tensiune egal cu doi și va rămâne neschimbat la amplificarea semnalelor armonice într-un interval de frecvență foarte larg. Pe măsură ce frecvența semnalului crește, câștigul amplificatorului operațional fără feedback scade, dar rămâne de multe ori mai mare decât două, iar această scădere este compensată de o scădere automată a nivelului semnalului de feedback. Ca rezultat, câștigul circuitului în ansamblu rămâne neschimbat. Dar asta nu este tot. Acest circuit are o impedanță de intrare foarte mare, ceea ce înseamnă că nu are practic niciun efect asupra sursei semnalului. De asemenea, are o impedanță de ieșire foarte scăzută, ceea ce înseamnă că, teoretic, ar trebui să mențină forma semnalului chiar și atunci când funcționează pe o sarcină cu rezistență destul de scăzută și cu o impedanță complexă - inductivă și capacitivă.

Chiar am primit AMPLIFICATORUL IDEAL?

Din păcate, nu, așa cum orice monedă are cap și coadă, feedback-ul are latura ei întunecată.

Ceea ce este bun pentru un rus este moartea sau puțină tehnologie radio pentru un german

În inginerie radio, efectul interacțiunii semnalelor a două frecvențe diferite aplicat unui element neliniar numit intermodularea . Rezultatul este un semnal complex cu combinații de frecvențe (armonice) în funcție de frecvența semnalelor originale f1 și f2 conform următoarei formule:
Frecvențele rezultate sunt mai mici ca amplitudine decât armonicile părinte și, de regulă, nivelul lor scade rapid odată cu creșterea coeficienților întregi m și n.

Armonicele vor avea cea mai mare amplitudine, numite armonici de ordinul doi cu frecvente:

si frecvente armonici de ordinul trei :
În inginerie radio, acest efect este utilizat pe scară largă pentru conversia frecvenței. Datorită acestuia funcționează receptoarele moderne. Conversia de frecvență are loc în mixere construite pe baza unor elemente neliniare, care sunt adesea folosite ca o joncțiune p-n a unei diode sau a unui tranzistor. Mixerul primește simultan semnalul util primit și semnalul de la generator - oscilator local.

La ieșire primim o gamă largă de semnale:

Dar datorită filtrului PPF în bandă îngustă, selectăm semnalul de care avem nevoie cu o frecvență intermediară f pr =f g -f s și îl amplificăm în amplificatorul IF. Apoi, detectarea are loc folosind următorul element neliniar, de obicei o diodă, iar la ieșirea după filtrul trece-jos (neprezentat în figură), primim un semnal de frecvență audio.

IMD- distorsiunea intermodulatiei

Totuși, dacă efectul de intermodulație este vital pentru receptoare, în amplificatoarele de joasă frecvență provoacă distorsiuni neliniare, care se numesc intermodulație. La urma urmei, un semnal audio conține simultan armonici cu un număr mare de frecvențe care diferă foarte mult ca amplitudine, iar tranzistorii care alcătuiesc amplificatorul, ca și diodele, sunt elemente neliniare. Distorsiunile care apar datorită mecanismului descris mai sus sunt numite în sursele în limba engleză distorsiunea de intermodulație abreviat IMD, de altfel, abrevierea rusă pentru ei IMI .

Acest tip de distorsiune este mult mai neplăcut pentru ureche decât limitarea banală de amplitudine a semnalului; sursa apariției sale în fiecare caz specific este mult mai dificil de detectat și, cel mai important, de eliminat.

Este timpul să începem în sfârșit să explorăm partea întunecată a feedback-ului.

Partea întunecată a feedback-ului

Pentru a-l detecta, vom asambla un amplificator bazat pe amplificatorul operațional LM324, dar cu valori ușor diferite ale rezistențelor de feedback pentru a obține un câștig unitar.

Acum să aplicăm un impuls dreptunghiular de amplitudine mică, aproximativ 100 de milivolți, la intrarea sa.

Ceea ce avem la ieșire nu seamănă deloc cu semnalul de intrare. Ce s-a întâmplat și de ce nu ne-a ajutat feedback-ul? Ca întotdeauna, de vină este fizica; lumea sa este mult mai complexă decât modelele noastre matematice bazate pe aproximări brute. Cert este că amplificatorul nostru este un dispozitiv foarte complex.

O excursie în lumea reală. Feedback negativ general într-un amplificator de putere audio

Neliniaritatea inerentă a etajelor tranzistorului îi obligă pe proiectanți să folosească feedback negativ puternic ca cea mai simplă soluție pentru ajustarea parametrilor amplificatorului pentru a îndeplini cerințele pentru niveluri scăzute de distorsiune armonică și de intermodulație, desigur măsurate folosind tehnici standard. Drept urmare, amplificatoarele de putere industriale cu adâncime de feedback de 60 și chiar 100 dB nu sunt neobișnuite astăzi.
Să descriem un circuit real al unui simplu amplificator de putere cu tranzistor. Putem spune că este în trei etape. Prima treaptă a amplificatorului este pe amplificatorul operațional A1, a doua este pe tranzistoarele T1-T2 și a treia este tot tranzistorul T3-T4. În acest caz, amplificatorul este acoperit de un circuit de feedback general, evidențiat cu roșu, care este alimentat prin rezistorul R6 la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Cuvânt cheie aici general- feedback-ul aici este furnizat nu de la ieșirea amplificatorului operațional către intrarea acestuia, ci de la ieșirea întregului amplificator.

tranzistorii într-o astfel de conexiune pot funcționa într-un mod foarte neliniar atunci când semnalul trece prin zero și pentru semnale slabe;
La ieșire, amplificatorul este încărcat cu o sarcină complexă - sistemul de difuzoare. Diagrama prezintă echivalentul său - rezistența R15 și inductanța L1;
Tranzistoarele funcționează într-un regim termic sever, iar temperatura carcasei lor depinde în mod semnificativ de puterea de ieșire, iar parametrii lor depind puternic de temperatură;
Capacitatele de montare și diferitele tipuri de interferență pot avea o valoare decentă, iar erorile de rutare pot duce cu ușurință la feedback pozitiv și autoexcitare a amplificatorului;
Rolul interferenței induse de putere crește semnificativ;

Distorsiunea de intermodulație dinamică TIM. Capacitate de suprasarcină și efect de tăiere a amplificatorului

Amplificatoarele cu tranzistori au o capacitate redusă de suprasarcină, în special în etapele finale și pre-finale. Puterea nominală diferă adesea de maximă cu doar 40 la sută, adică mai puțin de 3 dB.

Să ne imaginăm că amplificatorul nostru este format dintr-un preamplificator corector ideal și un UMZCH acoperit de feedback cu coeficient B. Este important de reținut că semnalul V 1 poate conține componente de frecvență foarte înaltă. Preamplificatorul C acționează ca un filtru trece-jos, furnizând un semnal de intrare V 2 amplificatorului A care conține doar componente care se încadrează în banda de frecvență audio.

O creștere a semnalului V 3 poate fi de sute sau chiar de mii de ori mai mare ca amplitudine decât nivelul nominal al semnalului de intrare. Poate depăși cu mult intervalul dinamic al amplificatorului. În timpul unei astfel de supraîncărcări, câștigul altor semnale prezente la intrare este redus, provocând o creștere instantanee a distorsiunii de intermodulație. Această stropire se numește distorsiunea intermodulației dinamice TID , deoarece intermodularea duce la influența unui semnal asupra amplitudinii altuia și depinde de caracteristicile de timp și amplitudine ale semnalului de intrare mai mult decât doar de caracteristica de amplitudine, ca în cazul distorsiunii intermodulației simple.

Metode de măsurare a distorsiunii de intermodulație și metode de combatere a acesteia

Conform tehnicii standard de măsurare a distorsiunii de intermodulație, două semnale sunt aplicate simultan la intrarea obiectului măsurat: frecvențe joase f 1 și înalte f 2. Din păcate, diferite țări folosesc frecvențe de măsurare diferite. Standarde diferite prevăd frecvențe diferite - 100 și 5000 Hz, 50 și 1000 Hz...

O pereche de frecvențe de 19 și 20 KHz cu niveluri egale de semnal este, de asemenea, utilizată pe scară largă, ceea ce este convenabil în primul rând deoarece armonica principală care se încadrează în domeniul audio, în acest caz, este un semnal cu o frecvență de 1 KHz, nivelul de care este ușor de măsurat.

Pentru a furniza semnale de măsurare se folosesc nu numai generatoare, ci și CD-uri de măsurare și chiar discuri de vinil special înregistrate în studio.

Cu aproximativ 30 de ani în urmă, măsurarea coeficientului de distorsiune de intermodulație necesita instrumente complexe și costisitoare disponibile numai în laboratoare și studiouri, de exemplu, compoziția unui stand de măsurare pentru un amplificator pickup:

Recorder de vinil;
Placă de măsurare;
Ridica;
Amplificator de corecție;
filtru trece-bandă;
detector de linie;
Filtru trece jos.
Și, desigur, V este un voltmetru care poate măsura valoarea efectivă a oscilațiilor sinusoidale!

Astăzi, chiar și o simplă placă de muzică de computer pe 16 biți cu un preț de până la 30 USD, completată cu un program special de măsurare și circuite simple de potrivire, poate oferi măsurători de calitate mult mai bună.

Amatorii de sunet de înaltă calitate și producătorii individuali de echipamente de ultimă generație încearcă să-și promoveze tehnicile de măsurare bazate pe aproximări mai puțin îndepărtate de realitate. Există tehnici cu mai multe frecvențe, tehnici care studiază interacțiunea frecvenței armonice și a unui singur impuls, bazate pe semnale de zgomot și altele. Cu toate acestea, de data aceasta nu vom avea timp să le discutăm în detaliu.
OOC

Efect de tăiere ULF

Adaugă etichete