Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением . В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэф­фициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от часто­ты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работаю­щего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые ука­занными причинами изменения формы выходного сигнала на­зывают соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения – это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

по мере снижения частоты сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K ¦):

M = K ср / K ¦ .

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.

M н = K ср / K н и M в = K ср /K в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной час­тотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться доста­точного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проб­лема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существен­ны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения от­сутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элемен­тов, в первую очередь, транзисторов, а также друг

Частотные и временные характеристики

Как и в случае пассивных линейных систем, частотные характеристики усилителя определяются комплексным коэффициентом передачи, который может быть представлен в виде отношения комплексных амплитуд выходного и входного сигналов при гармоническом входном сигнале. Так для комплексного коэффициента усиления по напряжению будем иметь:

Зависимость модуля коэффициента усиления || = К(щ) от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или просто частотной характеристикой усилителя.

Зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала усилителя относительно его входного сигнала называется фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) или просто фазовой характеристикой усилителя.

Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика такого усилителя не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты, т.е.

На практике в полосе частот, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала, можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным АЧХ и ФЧХ.

Для усилителей, как и для пассивных линейных систем, вводятся понятия нижней граничной частоты щ н, верхней граничной частоты щ в и полосы пропускания. Частоты щ н и щ в определяются как частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом (рис. 3,а). Область частот, лежащая левее средних частот, носит название области низших частот, область, лежащая правее - области высших частот. Полоса пропускания усилителя

Наряду с частотными характеристиками для определения искажений формы сложного колебания применяется переходная характеристика h(t), представляющая собой реакцию усилителя на единичный скачок напряжения (тока) и импульсная характеристика g(t), являющаяся реакцией линейной цепи на дельта-импульс. Эти характеристики однозначно связаны с частотными характеристиками.

Переходная характеристика h(t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания t З, длительность фронта t Ф и время спада t С (рис.4). При повышении верхней граничной частоты щ в уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время t З и t Ф), а при уменьшении нижней граничной частоты щ Н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т.е. возрастает время t С). У усилителей постоянного тока (щ Н = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины.

Линейные и нелинейные искажения в усилителях

Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажениями понимается изменение формы выходного сигнала по отношению к форме входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (вызываемые изменением модуля коэффициента усиления усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала) и фазовые (обусловленные нелинейностью фазочастотной характеристики усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала).

Идеальный усилитель, у которого линейные частотные искажения отсутствуют, имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика усилителя, у которого отсутствуют фазовые линейные искажения, не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты

(ц к (щ) = const(щ)).

В последнем случае все гармонические составляющие входного сигнала получают одинаковую временную задержку, и выходной сигнал лишь сдвигается во времени (запаздывает) относительно входного на величину t З.

Частотные искажения усилителя на частоте щ характеризуются коэффициентом частотных искажений

M = K U0 /K Uщ.

Здесь K Uщ - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте щ. С помощью АЧХ можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений М н и М в соответственно на нижней (щ Н) и верхней (щ В) граничных частотах.

При достаточно низких уровнях входного сигнала усилитель обладает свойствами линейной системы и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны амплитуде входного напряжения, т.е. коэффициент усиления усилителя не зависит от величины сигнала. В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов при увеличении входного сигнала линейная зависимость величины выходного сигнала от величины входного сигнала нарушается. При этом коэффициент усиления начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала, возникают нелинейные искажения, в спектре выходного сигнала появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре входного сигнала.

Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды первой гармоники входного напряжения при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 5). Нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения, начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность.

Отношение (в децибелах) максимального напряжения на входе усилителя U МАКС к минимальному U МИН D = 20lg(U МАКС / U МИН) называется динамическим диапазоном усиления усилителя. Минимально допустимое входное напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых выходной сигнал не удается выделить.

Амплитудная характеристика во многих случаях оказывается слишком грубым средством описания нелинейных искажений усилителя. Поэтому вводится понятие коэффициента гармоник (коэффициента нелинейных искажений), представляющего собой отношение суммы амплитуд всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к амплитуде напряжения (или тока) первой гармоники на выходе усилителя при воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала:

где U iВЫХ - амплитуда i-ой гармоники выходного искаженного сигнала, U 1ВЫХ - амплитуда первой (основной) гармоники. Первая гармоника представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений. Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... где: x - входная величина; y0 - постоянная составляющая; v1 - линейный коэффициент усиления; v2, v3 ... - коэффициенты нелинейных искажений.

В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные составляющие, которых не было на входе - продукты нелинейности. При подаче на вход такой системы сигнала с единственной частотой f1 на выходе появятся составляющие с частотами f1, 2f1, 3f1 и т.д. Если же на вход подается сигнал, состоящий из нескольких частот f1, f2, f3, ..., то на выходе системы кроме гармонических составляющих дополнительно появятся и так называемые "комбинационные составляющие" с частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± ..., где n=1, 2, 3, ... При подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра.

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, представляющим собой отношение эффективных значений гармоник к эффективному значению суммарного выходного сигнала и измеряется в процентах. Здесь An - амплитуды составляющих с частотами nf. Приведенная рядом упрощенная формула справедлива для случаев, когда искажения невелики (К<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
При звукопередаче первичные соотношения между частотными компонентами звука должны быть сохранены. В связи с этим, качество любого участка звукового канала оценивается его амплитудно-частотной (сокращенно частотной) характеристикой, для обозначения которой часто используют аббревиатуру АЧХ. Под АЧХ понимают график зависимости коэффициента передачи от частоты сигналов, подаваемых на вход данного участка канала или отдельного звукотехнического устройства. Коэффициент передачи - это отношение величин сигналов на входе усилителя и его выходе.
Частотная характеристика тракта передачи (частотная зависимость коэффициента передачи) изменяет соотношения между амплитудами частотных составляющих. Это приводит к субъективному ощущению изменения тембра. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.

Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Типовые значения КНИ: 0 % — синусоида; 3 % — форма, близкая к синусоидальной; 5 % — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21 % — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43 % — сигнал прямоугольной формы.

ВОПРОС №2

Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.

Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:

– частотные,

– фазовые,

– переходные,

– нелинейные.

Частотные искажения

Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.

Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.

Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.

Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М , который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах К СР к его значению данной частоте

Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением

Мобщ = М 1 ∙ М 2 ∙ ... ∙ М n ,

гдеn–количество каскадов;

М 1 , М 2 … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.

Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)

М [дБ] = 20 1gM.

Тогда для многокаскадного усилителя

М ОБЩ [дБ] = М 1 + М 2 + . . .+ М n .

Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).

Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.

Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.

АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах

или в логарифмических единицах Y = –20 1gM [дБ] , а по горизонтальной оси – частота.

К а

К Н К СР К В

Область Область Область

нижних средних верхних

частот частот частот

Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

а) идеальная; б) реальная

Фазовые искажения

Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.

Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.

Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.

При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).

Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.

Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ 0 реальной характеристики от идеальной.

Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения

U ВХ 1-я гармоника U ВХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

U ВЫХ 1-я гармоника U ВЫХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала

отдельных гармоник сигнала усилительным элементом

Δφ Н f Н f В f

Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:

а) идеальная; б) реальная

Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.

В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов

φ общ = φ 1 + φ 2 + … + φ n .

Переходные искажения

Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.

Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.

Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.

U ВХ t И

Рис.2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении

а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс

Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:

tф – длительность фронта,

ΔU C – спад вершины,

t C – длительность спада,

ΔU B – выброс фронта.

Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1U m . Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1U m достигнет уровня 0,9U m .

Длительность импульса t И определяется на уровне 0,1U m (0,1І m ) или на уровне 0,5 U m (0,5І m) . Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса t И. Величина спада вершины импульса определяется выражением

. (2.20)

При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.

Величина выброса фронта определяется выражением

. (2.21)

Эта величина также не должна превышать 3–5%.

Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:

; (2.22)

, (2.24)

где n – количество каскадов усилителя.

Нелинейные искажения

Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.

Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.

Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.

Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала

, (2.25)

где U 1 , U 2 , U 3 …U n – напряжение 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока

, (2.26)

где I 1 , I 2 , I 3 …I n – ток 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

U ВХ f

Результат

Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении

Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

; . (2.27)

В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов

где К Г1 , К Г2 ,…К Гn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.

Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса К Г не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.

2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.

3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:

– радиопередающих устройств (РПДУ),

– радиоприемных устройств (РПУ),

– радиостанций,

– устройств обработки сигнала.

4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.

5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:

– источник входного сигнала,

– усилительный элемент,

– нагрузку,

– источник питания.

6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.

7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.

8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.

Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.

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.

Краткое содержание статьи

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
Разделяй и властвуй - раскладываем сигнал в спектр.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики.
Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром.
Чайник дёгтя в банке мёда.

Я надеюсь что материалы данной статьи будут полезны для понимания следующей, которая имеет намного более сложную тему - «Перекрёстные искажения и обратная связь, как один из их источников».

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

нечётными гармониками

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 habrahabr.ru/post/219337 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, TDH.

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. 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.

Спектр сигнала на входе звуковой карты при тестировании усилителя низкой частоты.

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.

Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы, как правило определённой частоты.

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

Это электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром

Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.
Ага - вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции.:
Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.

“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”

Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см
Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность - лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf. Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.
Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия, так и к их интерпретации.
Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.

Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже - заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.

Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике

Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 - это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность , но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос - как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?
Покупать такой аппарат или нет - решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче - да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.

Чайник дёгтя в банке мёда.

Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин:

• 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.
• Производители зачастую грешат откровенной подгонкой характеристик усилителя под тесты. Например, даже во времена Советского Союза, УНЧ часто разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить наилучший показатель КГИ, при максимальной выходной паспортной мощности. В то же время, на половинном уровне мощности в двухтактных усилителях часто проявлялось искажение типа ступенька, из-за чего коэффициент гармонических искажений при среднем положении ручки громкости мог зашкаливать за 10%!
• В паспортах и инструкциях по эксплуатации часто приводятся нестандартные фейковые, абсолютно бесполезные характеристики типа PMPO. В то же время, не всегда можно найти даже такие базовые параметры как частотный диапазон или номинальную мощность. Про АЧХ и ФЧХ и говорить нечего!
• Измерение параметров нередко производится по, сознательно искажённым, методикам.

Не удивительно, что многие покупатели впадают в таких условиях в субъективизм и ориентируются при покупке, в лучшем случае, исключительно на результаты короткого прослушивания, в худшем на цену.

Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!

Разговор об оценке качества и причинах искажений усилителей низкой частоты мы продолжим в следующей статье. Вооружившись минимальным багажом знаний можно переходить к таким интересным темам как интермодуляционные искажения и их связь с глубиной обратной связи!

В заключение хочется выразить искреннюю благодарность Роману Парпалак parpalak за его проект онлайн-редактора с поддержкой латеха и маркдауна. Без этого инструмента и так непростой труд по внедрению математических формул в текст стал бы во истину адским.