10. Полоса пропускания усилителя и ее определение.
Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда вместо термина «полоса пропускания» используют термин «эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)». В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90 %). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества. Другими словами, полоса пропускания усилителя — полоса частот, в пределах которой ослабление сигнала по напряжению не более 1,41 раза
11. Как изменится коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с оэ, если изменить:
а) сопротивление Rc?
б) напряжение питания E?
в) сопротивление Re?
12. Схема и принцип действия дифференциального усилителя. Понятие баланса моста.
Схема дифференциального усилителя
Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже
Схема дифференциального каскада усиления.
Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.
Принцип работы дифференциального усилителя
Правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.
Мост — это ромбовидное соединение элементов, к диагоналям которого подключены вход и выход некого устройства. Так мост в балансе когда взаимодействие между диагоналями минимально
13. Почему коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя всегда меньше единицы?
Коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше 1,0, так как падение напряжения на переходе база-эмиттер фактически не является постоянным, а немного зависит от коллекторного тока.
Качественные показатели усилителей
Коэффициент усиления — важнейший качественный показатель усилителя. В усилительной технике используются различные коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности). В зависимости от размерности коэффициента усиления различают относительные (безразмерные) и логарифмические, выраженные в децибелах.
Рассмотрим относительные коэффициенты усиления, в которых входные и выходные сигналы выражены в одних и тех же количественных единицах.
Коэффициентом усиления по напряжению называют отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя (7ВЫХ к напряжению сигнала на его входе UBX:
Для усилителей на биполярных транзистора используют сквозной коэффициент усиления — А* = UBUX/ET, где Ет — ЭДС источника сигнала (генератора). Это объясняется тем, что биполярные транзисторы имеют очень малое входное сопротивление и при большом внутреннем сопротивлении источника сигнала значительная часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении источника. Это приводит к уменьшению UBX на усилителе, следовательно, и к уменьшению напряжения if . Из этого следует, что U зависит и от сопротивления источника сигнала Rr:
R 
где —— = ^вх — коэффициент передачи, или коэффициент ослабления
Коэффициентом усиления по току называют отношение установившегося значения тока сигнала на выходе (в нагрузке) /вых к току сигнала на входе /вх 
Коэффициент усиления по мощности равен отношению мощности на выходе усилителя (в нагрузке) к мощности на входе
При последовательном соединении нескольких (N) каскадов в многокаскадном усилителе результирующий относительный коэффициент равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: 
В связи с тем что распространение электромагнитной энергии в линиях, а также восприятие органов чувств человека подчиняются логарифмическому закону, то часто коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах — децибелах. Современные усилители имеют очень большой относительный коэффициент усиления, а выражение в логарифмических единицах уменьшает его числовое значение записи, упрощая расчеты.
Децибел (дБ) — десятая часть десятичного логарифма отношения мощностей на выходе и входе усилителя (относительного коэффициента) называется белом (Б):
Отсюда следует, что коэффициент усиления по мощности, выраженный в логарифмических единицах — децибелах — равен
Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения Р = I 2 R = U 2 /R, логарифмические коэффициенты по току и напряжению равны: 
Логарифмический коэффициент усиления многокаскадного усилителя представляет собой сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов, что также упрощает расчеты:
Полоса пропускания усилителя. В реальном усилителе сигналы разных частот усиливаются по-разному. Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала называется частотной характеристикой, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. На рис. 9.3 приведена частотная характеристика
Рис. 9.3. Частотная характеристика усилителя идеального усилителя (прямая 7), где модуль коэффициента усиления (К) не зависит от частоты, и частотная характеристика реального усилителя (кривая 2) переменного тока, где модуль коэффициента усиления К является функцией частоты. При построении частотной характеристики по оси ординат откладывается коэффициент усиления К в линейном или логарифмическом масштабе, а по оси абсцисс — частота / или угловая частота со = 2к/. Так как область низких частот занимает сравнительно узкую полосу (сотни герц), а область высоких частот может составлять десятки и сотни килогерц, то при построении частотной характеристики усилителя по горизонтальной оси, как правило, откладывают частоту в логарифмическом масштабе. На рис. 9.3 это показано путем нанесения неравномерной вертикальной сетки масштаба (вертикальные линии масштаба частоты). На этом графике коэффициент усиления максимален на средней частоте, т.е. Кс — максимальный коэффициент усиления. По частотной характеристике усилителя можно определить граничные частоты и полосу пропускания, т.е. полосу усиливаемых частот. Рабочий диапазон частот усиления (А/), внутри которого коэффициент усиления почти не изменяется, лежит между низшей f и высшей f граничными частотами и называется полосой пропускания А/ = f — fn. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления не более 3 дБ (25—30 %), ухо человека это почти не замечает.
Следует отметить, что частотная характеристика каждого конкретного усилителя может существенно отличаться от характеристики, приведенной на рис. 9.3, так как в каждой схеме усилителя имеется разное количество элементов (особенно конденсаторов, катушек индуктивности и усилительных элементов). Кроме того, создается разное энергетическое воздействие внешней среды на усилитель, что существенно влияет на коэффициент усиления усилителя при изменении частоты входного сигнала. Схемное построение усилителя во многом зависит от его назначения. При этом необходимо учесть, что принцип определения полосы пропускания усилителя остается таким же и в зависимости от назначения усилителя полоса пропускания усилителя может изменять свою ширину и смещаться в область частот, для которых предназначен усилитель. Одновременно с этим изменяется и коэффициент усиления.
В качестве примера на рис. 9.4 приведены частотные характеристики для некоторых видов усилителей, имеющих различные элементы в цепях связи и в нагрузке. По этим характеристикам видно, что коэффициент усиления может возрастать с повышением частоты входного сигнала или понижаться. Так, на характеристике 2 (рис. 9.4), представленной для усилителя с трансформаторной связью и емкостной нагрузкой, коэффициент усиления в области верхних частот резко возрастает, а затем практически резко уменьшается при дальнейшем повышении частоты, что приводит к сужению полосы пропускания усилителя. Частотная характеристика 3 (рис. 9.4) соответствует усилителям с трансформаторной связью и активной нагрузкой. Влияние трансформатора, как индуктивного элемента, основано на увеличении сопротивления индуктивности при увеличении частоты, что и приводит к уменьшнию уровня выходного сигнала, т.е. к уменьшению коэффициента усиления усилителя (характеристика 3 на рис. 9.4).
При совместном действии трансформатра и конденсатора в цепях усилителя, емкостное сопротивление уменьшается при увеличении частоты входного сигнала, что приводит к компенсации повышающегося индуктивного сопротивления и уменьшению общего
Рис. 9.4. Частотная характеристика усилителя с различными связями
сопротивления усилителя, и следовательно, к росту коэффициента усиления (характеристика 2 на рис. 9.4). Однако при определенном значении высоких частот компенсирующее действие емкости прекращается, так как индуктивное сопротивление превышает емкостное и коэффициент усиления резко снижается. Таким образом, введение в схемы усилителей различных элементов изменяет коэффициент усиления электронных усилителей и уменьшает полосу пропускания.
Искажения в усилителях. Под искажениями понимают изменения формы сигнала на выходе усилителя по сравнению с формой сигнала на его входе. В зависимости от причин, вызывающих изменение формы сигнала на выходе усилителя, различают линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения обусловлены зависимостью коэффициента усиления усилителя от частоты. Эти искажения возникают в том случае, если в схеме усилителя имеются реактивные элементы (индуктивности и емкости), сопротивление которых зависит от частоты. Кроме того, они определяются также частотными свойствами усилительных элементов. Уровень линейных искажений в усилителе не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, а зависит лишь от частоты. Следовательно, линейные искажения проявляются лишь в том случае, когда на вход усилителя подается многочастотный сигнал, т.е. сигнал сложной формы. В этом случае форма выходного сигнала может отличаться от формы входного сигнала по двум причинам.
Во-первых из-за неравномерного усиления сигналов, имеющих разные частоты. На рис. 9.5, а, показан график несинусоидального сигнала, состоящий из двух гармоник, т.е. многочастотный сигнал. Следовательно, 1-я и 2-я гармоники, имеющие разные частоты, будут усиливаться неодинаково, так как /1г Д?/г2), то и усиление результирующей составляющей (приращение напряжения результирующей несинусоидального напряжения Д(/рез) не равно сумме приращений напряжения 1-й и 2-й гармоник (Д(/рез ф
Аналогично можно сравнить приращения напряжения на выходе усилителя (рис. 9.6, б) при усилении входного несинусоидального напряжения, у которого гармоники имеют фазовый сдвиг (рис. 9.6, а).
Рис. 9.6. Графики, поясняющие амплитудно-частотные искажения несинусоидального сигнала с ненулевым фазовым сдвигом между 1-й и 2-й гармониками входного сигнала на выходе усилителя с разными коэффициентами усиления гармоник: а — форма входного сигнала; б — форма выходного сигнала
Из графика (рис. 9.6, а) видно, что при фазовом сдвиге гармонических составляющих во входном несинусоидальном сигнале результирующая составляющая несимметрична. В результате наблюдается еще большее несоответствие приращения результирующей составляющей (AU ) и суммы приращений составляющих отдельных гармоник (Аб/,1 > A Ur2). При этом необходимо отметить, что усиление (приращение) результирующей составляющей (рис. 9.6, б) в положительном полупериоде (+ДС/ ) не равно результирующей
составляющей в отрицательном полупериоде (—Д?/рез).
Таким образом, при усилении несинусоидального напряжения с различным фазовым сдвигом между гармоническими составляющими возникают амплитудные искажения выходного сигнала на выходе усилителя, т.е. искажаются амплитуда и форма выходного сигнала по отношению к амплитуде и форме входного сигнала. Амплитуда выходного сигнала изменяется не в соответствии с принципом суммарного усиления нескольких сигналов, поступающих на вход усилителя.
Фазочастотные искажения можно оценить по фазочастотной характеристике, которая показывает, как изменяется угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при изменении частоты (рис. 9.7). Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена сплошной линией. На рис. 9.7 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя А/ = /в — /н фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот fH и fB.
Фазочастотные искажения отсутствуют при линейном характере характеристики (штриховая линия на рис. 9.7).
Рис. 9.7. Фазочастотная характеристика усилителя
Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, можно пояснить с помощью рис. 9.8, когда сдвиг фазы выходного напряжения для каждой гармоники одинаков и равен 60°.
Рис. 9.8. Графики, поясняющие фазочастотные искажения несинусоидального входного сигнала с нулевым фазовым сдвигом между 1-й и 2-й гармониками на входе усилителя и фазовым сдвигом на выходе усилителя с одинаковым коэффициентом усиления гармоник (К= 1): а — форма входного сигнала; 6 — форма выходного сигнала
Из рис. 9.8 видно, что форма выходного сигнала (/вых(/) отличается от формы входного URX(t) при одинаковых соотношениях амплитуды 1-й и 2-й гармоник на входе и выходе, т.е. при одинаковом коэффициенте усиления (для примера, коэффициент усиления К = 1). На рис. 9.9 рассмотрен аналогичный процесс при разных коэффициентах усиления каждой гармоники (АГг1 > Кг2).
Таким образом, в результате усиления несинусоидального напряжения с фазовым сдвигом выходного сигнала относительно входного сигнала независимо от коэффициента усиления искажается фаза результирующего (суммарного) несинусоидального сигнала на выходе усилителя, т.е. искажаются начальная фаза и форма выходного сигнала по отношению к начальной фазе и форме входного сигнала. Начальная фаза на выходе усилителя запаздывает
Рис. 9.9. Графики, поясняющие фазочастотные искажения несинусоидального входного сигнала с нулевым фазовым сдвигом между 1-й и 2-й гармониками на входе усилителя и фазовым сдвигом на выходе усилителя с разными коэффициентами усиления гармоник: а — форма входного сигнала; б —
форма выходного сигнала
по отношению к начальной фазе сигнала, поступающего на вход усилителя. Фазовые искажения будут отсутствовать в том случае, когда время запаздывания А/3, вносимое усилителем, для каждой гармоники будет одинаково.
Необходимо отметить, что и частотные и фазовые искажения обусловлены одними и теми же причинами и проявляются одновременно: большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.
Фазочастотные искажения возникают в усилителях из-за наличия реактивных элементов (индуктивности и емкости) в схеме усилителя, а также в результате зависимости параметров усилительных элементов от частоты.
Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Этот тип искажений обусловлен нелинейными участками входных и выходных характеристик транзисторов и электронных ламп, а также нелинейностью кривых намагничивания сердечников трансформаторов. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным.
Рис. 9.10. Влияние нелинейности входной цепи на искажение входного тока
Особенно это проявляется при большой амплитуде входного сигнала.
Искажения формы сигнала за счет нелинейной вольт-ампер- ной характеристики усилительного элемента показаны на рис.
9.10, где в качестве входного сигнала в схеме с биполярным транзистором подано синусоидальное напряжение. Поскольку рабочий участок входной вольт- амперной характеристики не прямолинейный (участок В—Л на рис. 9.10), то с увеличением UBX рабочий диапазон изменения входного напряжения оказывается вне прямолинейного участка характеристики и искажается форма изменения базового тока (/Б), т.е. график изменения базового тока несинусоидальный. Таким образом, из рис. 9.10 видно, что уже входной ток отличается от синусоидального и тем самым влияет на форму выходного сигнала, т.е. приводит к искажениям.
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.
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:
-
Многие параметры больше подходят не столько для объективного отражения качества сигнала, сколько для удобства измерения. Большинство проводятся на частоте 1000 Гц, которая очень удобна для получения наилучших численных результатов. Она располагается далеко от частоты фона электрической сети в 50 Гц и в самом линейном участке частотного диапазона усилителя.
Что такое АЧХ и ФЧХ
Аббревиатура АЧХ расшифровывается как амплитудно-частотная характеристика. На английском этот термин звучит как «frequency response», что в дословном переводе означает «частотный отклик». Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. АЧХ может быть определена аналитически через формулы, либо экспериментально. Любое устройство предназначено для передачи (или усиления) электрических сигналов. АЧХ устройства определяется по зависимости коэффициента передачи (или коэффициента усиления) от частоты.
Коэффициент передачи
Что такое коэффициент передачи? Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Или формулой:
Uвых — напряжение на выходе цепи
Uвх — напряжение на входе цепи
В усилительных устройствах коэффициент передачи больше единицы. Если устройство вносит ослабление передаваемого сигнала, то коэффициент передачи меньше единицы.
Коэффициент передачи может быть выражен через децибелы:
Строим АЧХ RC-цепи в программе Proteus
Для того, чтобы досконально разобраться, что такое АЧХ, давайте рассмотрим рисунок ниже.
Итак, имеем «черный ящик», на вход которого мы будем подавать синусоидальный сигнал, а на выходе черного ящика мы будем снимать сигнал. Должно соблюдаться условие: нужно менять частоту входного синусоидального сигнала, но его амплитуда должна быть постоянной.
Что нам делать дальше? Надо измерить амплитуду сигнала на выходе после черного ящика при интересующих нас значениях частоты входного сигнала. То есть мы должны изменять частоту входного сигнала от 0 Герц (постоянный ток) и до какого-либо конечного значения, которое будет удовлетворять нашим целям, и смотреть, какая амплитуда сигнала будет на выходе при соответствующих значениях на входе.
Давайте разберем все это дело на примере. Пусть в черном ящике у нас будет самая простая RC-цепь с уже известными номиналами радиоэлементов.
Как я уже говорил, АЧХ может быть построено экспериментально, а также с помощью программ-симуляторов. На мой взгляд, самый простой и мощный симулятор для новичков — это Proteus. С него и начнем.
Собираем данную схему в рабочем поле программы Proteus
Для того, чтобы подать на вход схемы синусоидальный сигнал, мы кликаем на кнопочку «Генераторы», выбираем SINE, а потом соединяем его со входом нашей схемы.
Для измерения выходного сигнала достаточно кликнуть на значок с буквой «V» и соединить выплывающий значок с выходом нашей схемы:
Для эстетики, я уже поменял название входа и выхода на sin и out. Должно получиться как-то вот так:
Ну вот, пол дела уже сделано.
Теперь осталось добавить важный инструмент. Он называется «frequency response», как я уже говорил, в дословном переводе с английского — «частотный отклик». Для этого нажимаем кнопочку «Диаграмма» и в списке выбираем «frequency»
На экране появится что-то типа этого:
Кликаем ЛКМ два раза и открывается вот такое окошко, где в качестве входного сигнала мы выбираем наш генератор синуса (sin), который у нас сейчас задает частоту на входе.
Здесь же выбираем диапазон частоты, который будем «загонять» на вход нашей цепи. В данном случае это диапазон от 1 Гц и до 1 МГц. При установке начальной частоты в 0 Герц Proteus выдает ошибку. Поэтому, ставьте начальную частоту близкую к нулю.
Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы»
Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out
и в результате должно появится окошко с нашим выходом
Нажимаем пробел и радуемся результату
Итак, что интересного можно обнаружить, если взглянуть на нашу АЧХ? Как вы могли заметить, амплитуда на выходе цепи падает с увеличением частоты. Это означает, что наша RC-цепь является своеобразным частотным фильтром. Такой фильтр пропускает низкие частоты, в нашем случае до 100 Герц, а потом с ростом частоты начинает их «давить». И чем больше частота, тем больше он ослабляет амплитуду выходного сигнала. Поэтому, в данном случае, наша RC-цепь является самым простейшим фильтром низкой частоты (ФНЧ).
Полоса пропускания
В среде радиолюбителей и не только встречается также такой термин, как полоса пропускания. Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.
Как же определить полосу пропускания? Это сделать довольно легко. Достаточно на графике АЧХ найти уровень в -3 дБ от максимального значения АЧХ и найти точку пересечения прямой с графиком. В нашем случае это можно сделать легче пареной репы. Достаточно развернуть нашу диаграмму на весь экран и с помощью встроенного маркера посмотреть частоту на уровне в -3 дБ в точке пересечения с нашим графиком АЧХ. Как мы видим, она равняется 159 Герц.
Частота, которая получается на уровне в -3 дБ, называется частотой среза. Для RC-цепи ее можно найти по формуле:
Для нашего случая расчетная частота получилась 159,2 Гц, что подтверждает и Proteus.
Кто не желает связываться с децибелами, то можно провести линию на уровне 0,707 от максимальной амплитуды выходного сигнала и смотреть пересечение с графиком. В данном примере, для наглядности, я взял максимальную амплитуду за уровень в 100%.
Как построить АЧХ на практике?
Как построить АЧХ на практике, имея в своем арсенале генератор частоты и осциллограф?
Итак, поехали. Собираем нашу цепь в реале:
Ну а теперь цепляем ко входу схемы генератор частоты, а с помощью осциллографа следим за амплитудой выходного сигнала, а также будем следить за амплитудой входного сигнала, чтобы мы были точно уверены, что на вход RC-цепи подается синус с постоянной амплитудой.
Для экспериментального изучения АЧХ нам потребуется собрать простенькую схемку:
Наша задача состоит в том, чтобы менять частоту генератора и уже наблюдать, что покажет осциллограф на выходе цепи. Мы будем прогонять нашу цепь по частотам, начиная от самой малой. Как я уже сказал, желтый канал предназначен для визуального контроля, что мы честно проводим опыт.
Постоянный ток, проходящий через эту цепь, на выходе будет давать амплитудное значение входного сигнала, поэтому первая точка будет иметь координаты (0;4), так как амплитуда нашего входного сигнала 4 Вольта.
Следующее значение смотрим на осциллограмме:
Частота 15 Герц, амплитуда на выходе 4 Вольта. Итак, вторая точка (15;4)
Третья точка (72;3.6). Обратите внимание на амплитуду выходного красного сигнала. Она начинает проседать.
Четвертая точка (109;3.2)
Пятая точка (159;2.8)
Шестая точка (201;2.4)
Седьмая точка (273;2)
Восьмая точка (361;1.6)
Девятая точка (542;1.2)
Десятая точка (900;0.8)
Ну и последняя одиннадцатая точка (1907;0.4)
В результате измерений у нас получилась табличка:
Строим график по полученным значениям и получаем нашу экспериментальную АЧХ 😉
Получилось не так, как в технической литературе. Оно и понятно, так как по Х берут логарифмический масштаб, а не линейный, как у меня на графике. Как вы видите, амплитуда выходного сигнала будет и дальше понижаться с увеличением частоты. Для того, чтобы еще более точно построить нашу АЧХ, требуется взять как можно больше точек.
Давайте вернемся к этой осциллограмме:
Здесь на частоте среза амплитуда выходного сигнала получилась ровно 2,8 Вольт, которые как раз и находятся на уровне в 0,707. В нашем случае 100% это 4 Вольта. 4х0,707=2,82 Вольта.
АЧХ полосового фильтра
Существуют также схемы, АЧХ которых имеет вид холма или ямы. Давайте рассмотрим один из примеров. Мы будем рассматривать так называемый полосовой фильтр, АЧХ которого имеет вид холма.
Собственно сама схема:
Особенность таких фильтров, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее Ku max/√2.
Так как в дБ смотреть график неудобно, поэтому я переведу его в линейный режим по оси Y, убирая маркер
В результате перестроения получилась такая АЧХ:
Максимальное значение на выходе составило 498 мВ при амплитуде входного сигнала в 10 Вольт. Мдя, неплохой «усилитель») Итак, находим значение частот на уровне в 0,707х498=352мВ. В результате получились две частоты среза — это частота в 786 Гц и в 320 КГц. Следовательно, полоса пропускания данного фильтра от 786Гц и до 320 КГц.
На практике для получения АЧХ используются приборы, называемые характериографами для исследования АЧХ. Вот так выглядит один из образцов Советского Союза
Фазо-частотная характеристика
ФЧХ расшифровывается как фазо-частотная характеристика, phase response — фазовый отклик. Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.
Разность фаз
Думаю, вы не раз слышали такое выражение, как » у него произошел сдвиг по фазе». Это выражение не так давно пришло в наш лексикон и обозначает оно то, что человек слегка двинулся умом. То есть было все нормально, а потом раз! И все :-). И в электронике такое тоже часто бывает) Разницу между фазами сигналов в электронике называют разностью фаз. Вроде бы «загоняем» на вход какой-либо сигнал, а выходной сигнал ни с того ни с сего взял и сдвинулся по времени, относительно входного сигнала.
Для того, чтобы определить разность фаз, должно выполняться условие: частоты сигналов должны быть равны. Пусть даже один сигнал будет с амплитудой в Киловольт, а другой в милливольт. Неважно! Лишь бы соблюдалось равенство частот. Если бы условие равенства не соблюдалось, то сдвиг фаз между сигналами все время бы изменялся.
Для определения сдвига фаз используют двухканальный осциллограф. Разность фаз чаще всего обозначается буквой φ и на осциллограмме это выглядит примерно так:
Строим ФЧХ RC-цепи в Proteus
Для нашей исследуемой цепи
Для того, чтобы отобразить ее в Proteus мы снова открываем функцию «frequency response»
Все также выбираем наш генератор
Не забываем проставлять испытуемый диапазон частот:
Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы»
Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out
И теперь главное отличие: в колонке «Ось» ставим маркер на «Справа»
Нажимаем пробел и вуаля!
Можно его развернуть на весь экран
При большом желании эти две характеристики можно объединить на одном графике
Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фаз между входным и выходным сигналом составляет 45 градусов или в радианах п/4 (кликните для увеличения)
В данном опыте при частоте более 100 КГц разность фаз достигает значения в 90 градусов (в радианах π/2) и уже не меняется.
Строим ФЧХ на практике
ФЧХ на практике можно измерить также, как и АЧХ, просто наблюдая разность фаз и записывая показания в табличку. В этом опыте мы просто убедимся, что на частоте среза у нас действительно разность фаз между входным и выходным сигналом будет 45 градусов или π/4 в радианах.
Итак, у меня получилась вот такая осциллограмма на частоте среза в 159,2 Гц
Нам надо узнать разность фаз между этими двумя сигналами
Весь период — это 2п, значит половина периода — это π. На полупериод у нас приходится где-то 15,5 делений. Между двумя сигналами разность в 4 деления. Составляем пропорцию:
Отсюда х=0,258п или можно сказать почти что 1/4п. Следовательно, разница фаз между двумя этими сигналами равняется п/4, что почти в точности совпало с расчетными значениями в Proteus.
Если Вы лучше воспринимаете информацию через видео, то к Вашему вниманию:
Резюме
Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства.
Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.
Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Если коэффициент передачи больше единицы, то электрическая цепь усиливает входной ссигнал, если же меньше единицы, то ослабляет.
Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Определяется по уровню 0,707 от максимального значения АЧХ.