Distorsione non lineare.

Se viene applicata una tensione sinusoidale all'ingresso dell'amplificatore, la tensione di uscita amplificata non sarà sinusoidale, ma più complessa. Consiste in una serie di semplici oscillazioni sinusoidali - armoniche fondamentali e superiori. Pertanto, l'amplificatore aggiunge armoniche extra che non erano presenti all'ingresso dell'amplificatore.

Fig. 2 - Distorsione armonica

La figura 2 mostra una tensione sinusoidale all'ingresso dell'amplificatore Uin e una tensione non sinusoidale distorta all'uscita Uout. In questo caso, l'amplificatore introduce la seconda armonica. Sul grafico della tensione Uout, la prima mostra la prima armonica utile (oscillazione fondamentale), che ha la stessa frequenza con la tensione di ingresso, e la seconda armonica dannosa con frequenza doppia. La tensione di uscita è la somma di queste due armoniche.
Distorsioni della forma delle oscillazioni amplificate, ad es. l'aggiunta di armoniche extra alla fondamentale è chiamata distorsione armonica. Si manifestano nel fatto che il suono diventa rauco, sferragliante. Per valutare la distorsione non lineare si utilizza il coefficiente di distorsione non lineare kH, che mostra in quale percentuale sono tutte le armoniche in eccesso create dall'amplificatore stesso, rispetto alla vibrazione fondamentale 1
Se kn è inferiore al 5%, cioè se le armoniche aggiunte dall'amplificatore si sommano a non più del 5% della prima armonica, allora l'orecchio non nota la distorsione. Con un fattore di distorsione non lineare superiore al 10%, la raucedine e il tintinnio rovinano già l'impressione delle trasmissioni artistiche. A kH oltre il 20%, la distorsione è inaccettabile e persino il parlato diventa illeggibile.
Le distorsioni non lineari si verificano anche quando le vibrazioni di forme complesse vengono amplificate nella trasmissione del parlato e della musica. In questo caso viene distorta anche la forma delle oscillazioni amplificate e vengono aggiunte armoniche non necessarie. Le vibrazioni complesse sono esse stesse composte da armoniche che devono essere correttamente riprodotte dall'amplificatore. Non devono essere confusi con le armoniche aggiuntive generate dall'amplificatore stesso. Le armoniche della tensione di ingresso sono utili perché determinano il timbro del suono, e le armoniche introdotte dall'amplificatore sono dannose. Creano una distorsione non lineare.
Le ragioni delle distorsioni non lineari negli amplificatori sono: non linearità delle caratteristiche di lampade e transistor, presenza di una corrente di griglia di controllo nelle lampade e saturazione magnetica dei nuclei dei trasformatori o induttanze a bassa frequenza. Una significativa distorsione non lineare viene creata anche in altoparlanti, telefoni, microfoni, pickup.
3. Altri tipi di distorsione... La presenza di reattanze nel dispositivo di amplificazione porta alla comparsa di distorsioni di fase. Gli sfasamenti tra le diverse oscillazioni all'uscita dell'amplificatore sono diversi da quelli all'ingresso. Quando si riproducono i suoni, queste distorsioni non svolgono un ruolo, poiché gli organi uditivi umani non li sentono, ma in alcuni casi, ad esempio in televisione, hanno un effetto dannoso.
Ciascun amplificatore produce una distorsione della gamma dinamica. È compresso, ovvero il rapporto tra la vibrazione più forte e la più debole all'uscita dell'amplificatore è inferiore rispetto all'ingresso. Questo disturba il suono naturale. Per ridurre tali distorsioni, a volte viene introdotto un dispositivo speciale per espandere la gamma dinamica, chiamato espansore. La compressione della gamma dinamica si verifica anche nei dispositivi elettroacustici.

Parametri di base degli amplificatori

Qualsiasi amplificatore progettato per elaborare segnali biomedici può essere rappresentato sotto forma di una rete bipolare attiva (Figura 1.1). La sorgente del segnale con EMF Eux e resistenza interna Ri è collegata all'ingresso dell'amplificatore. Nel circuito di ingresso scorre la corrente di ingresso Iin, il cui valore dipende dalla resistenza di ingresso dell'amplificatore Rin e dalla resistenza interna della sorgente del segnale. A causa della caduta di tensione attraverso la resistenza interna della sorgente del segnale, la tensione di ingresso, che viene effettivamente amplificata dall'amplificatore, differisce dall'EMF della sorgente del segnale:

Figura 1.1 - Circuito amplificatore equivalente

La corrente di uscita dell'amplificatore è la corrente di carico Rн. L'entità di questa corrente dipende dalla tensione di uscita, che differisce dalla tensione a circuito aperto kUin a causa della resistenza di uscita dell'amplificatore

Vengono introdotti alcuni parametri per valutare le proprietà dell'amplificatore.
- Guadagni in tensione e corrente

Questi coefficienti mostrano quante volte cambiano i valori di tensione e corrente all'uscita rispetto ai valori di ingresso. Il guadagno di potenza può essere trovato come

Qualsiasi amplificatore ha K P >> 1, mentre i guadagni di corrente e tensione possono essere inferiori all'unità. Tuttavia, se allo stesso tempo K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Va notato che la maggior parte dei circuiti amplificatori contiene elementi reattivi (capacità e induttanza), quindi, nel caso generale, il guadagno dell'amplificatore sarà complesso

Dove l'angolo determina la quantità di sfasamento del segnale mentre passa dall'ingresso all'uscita.
La caratteristica ampiezza-frequenza (AFC) dell'amplificatore determina la dipendenza del guadagno dalla frequenza del segnale amplificato. Una vista approssimativa della risposta in frequenza dell'amplificatore è mostrata in Fig. 1.2. Per il guadagno K 0 prendere il valore massimo del coefficiente alla frequenza cosiddetta "media". Due punti caratteristici sulla risposta in frequenza definiscono la "larghezza di banda" dell'amplificatore. Le frequenze alle quali il guadagno viene ridotto di un fattore (o di 3db) sono chiamate frequenze di taglio. Nella fig. 1.2 f 1 è la frequenza di taglio inferiore f N e f 2 è la frequenza di taglio superiore del guadagno (f B). Differenza:

F = f B - f H

chiamata larghezza di banda dell'amplificatore, che determina la gamma di frequenza operativa dell'amplificatore.
In generale, la risposta in frequenza mostra come cambia l'ampiezza del segnale di uscita con un'ampiezza costante del segnale di ingresso nell'intervallo di frequenza, mentre si presume che la forma d'onda non cambi. Per valutare la variazione del guadagno al variare della frequenza viene introdotto il concetto di distorsione di frequenza

M H = M B =. Le distorsioni di frequenza sono lineari, ad es. il cui aspetto non porta alla distorsione della forma del segnale originale.
In base al tipo di risposta in frequenza, gli amplificatori possono essere suddivisi in diverse classi.
Amplificatori DC: f H = 0Hz, f B = (103 3 - 108 8) Hz;
Amplificatori di audiofrequenza: f H = 20 Hz, f B = (15 - 20) 10 Hz;
Amplificatori ad alta frequenza: f H = 20 * 103 Hz, f B = (200 - 300) · 103 3 Hz.
Amplificatori a banda stretta (selettivi). Una caratteristica distintiva di quest'ultimo è che praticamente amplificano un'armonica dall'intero spettro delle frequenze del segnale e il loro rapporto tra le frequenze limite superiore e inferiore è:

Figura 1.2- Risposta in frequenza dell'amplificatore

La caratteristica di ampiezza dell'amplificatore riflette le caratteristiche della variazione del valore del segnale di uscita quando cambia il segnale di ingresso. Come si vede dalla Fig. 1.3 la tensione di uscita non è uguale a zero (UOUTmin) in assenza di una tensione di ingresso. Ciò è dovuto al rumore interno dell'amplificatore, a causa del quale il valore minimo della tensione di ingresso che può essere applicato all'ingresso dell'amplificatore è limitato e ne determina la sensibilità:

Un aumento significativo della tensione di ingresso (punto 3) porta al fatto che la caratteristica di ampiezza diventa non lineare e un ulteriore aumento della tensione di uscita si interrompe (punto 5). Ciò è dovuto alla saturazione degli stadi dell'amplificatore. Viene considerato un valore accettabile della tensione di ingresso, al quale la tensione di uscita non supera UOHmax, che, come si può vedere dalla Fig. 1.3, si trova sul confine della sezione lineare della caratteristica di ampiezza. La caratteristica di ampiezza determina la gamma dinamica dell'amplificatore:

A volte, per comodità, la gamma dinamica viene calcolata in decibel come:

Figura 1.3 - Caratteristica di ampiezza dell'amplificatore

La distorsione armonica totale (distorsione armonica) di un amplificatore determina il grado di distorsione di una forma d'onda sinusoidale durante l'amplificazione. Le distorsioni di un segnale indicano che le armoniche di ordine superiore compaiono nel suo spettro insieme alla (prima) armonica fondamentale. Sulla base di questo, la distorsione armonica totale può essere trovata come:

dove U i è la tensione dell'armonica di numero i> 1. È facile vedere che in assenza di armoniche più elevate nel segnale di uscita, KG = 0, cioè il segnale sinusoidale dall'ingresso all'uscita viene trasmesso senza distorsioni. L'impedenza di ingresso e di uscita ha un effetto piuttosto tangibile sulle prestazioni dell'amplificatore. Quando si amplificano segnali variabili o variabili, le resistenze possono essere trovate come:

In corrente continua, questi parametri possono essere determinati utilizzando formule semplificate

Quando si determinano le resistenze di ingresso e di uscita, è necessario ricordare che in alcuni casi possono essere complesse a causa degli elementi reattivi del circuito. In questo caso, può verificarsi una significativa distorsione di frequenza del segnale, specialmente nella gamma delle alte frequenze. Amplificazione della comunicazione cellulare: ripetitore del segnale cellulare gsm.

Consideriamo le caratteristiche principali degli amplificatori.

La caratteristica di ampiezza è la dipendenza dell'ampiezza della tensione di uscita (corrente) dall'ampiezza della tensione di ingresso (corrente) (Fig. 9.2). Il punto 1 corrisponde alla tensione di rumore misurata a Uin = 0, il punto 2 alla tensione di ingresso minima alla quale il segnale all'uscita dell'amplificatore può essere distinto dal rumore di fondo. La sezione 2-3 è la sezione di lavoro, in cui viene mantenuta la proporzionalità tra la tensione di ingresso e di uscita dell'amplificatore. Dopo il punto 3 si osservano distorsioni non lineari del segnale in ingresso. Il grado di distorsione non lineare è stimato dal coefficiente di non lineare

distorsione (o distorsione armonica):

,

dove U1m, U2m, U3m, Unm sono rispettivamente le ampiezze della 1a (fondamentale), 2a, 3a ed ennesima armonica della tensione di uscita.

La grandezza caratterizza la gamma dinamica dell'amplificatore.

Riso. 9.2. Caratteristica di ampiezza dell'amplificatore

La risposta in frequenza (AFC) dell'amplificatore è la dipendenza del modulo di guadagno dalla frequenza (Fig. 9.3). Le frequenze fн e fв sono chiamate frequenze limite inferiore e superiore e la loro differenza

(fн – fв) - larghezza di banda dell'amplificatore.

Riso. 9.3. Caratteristica ampiezza-frequenza dell'amplificatore

Quando un segnale armonico viene amplificato con un'ampiezza sufficientemente piccola, la distorsione del segnale amplificato non si verifica. Quando si amplifica un segnale di ingresso complesso contenente un numero di armoniche, queste armoniche non vengono amplificate allo stesso modo dall'amplificatore, poiché le reattanze del circuito dipendono in modo diverso dalla frequenza e, di conseguenza, ciò porta alla distorsione della forma del segnale amplificato.

Tali distorsioni sono chiamate distorsioni di frequenza e sono caratterizzate dal fattore di distorsione di frequenza:

Dove Kf è il modulo del guadagno ad una data frequenza.

Fattori di distorsione della frequenza

E sono chiamati, rispettivamente, i coefficienti di distorsione alle frequenze di taglio inferiore e superiore.

La risposta in frequenza può anche essere tracciata su scala logaritmica. In questo caso si chiama LAFC (Fig. 9.4), il guadagno dell'amplificatore è espresso in decibel, e l'ascissa è la frequenza dopo un decennio (l'intervallo di frequenza tra 10f e f).

Riso. 9.4. Risposta in frequenza logaritmica

amplificatore (LAFC)

Di solito vengono scelte come punti di riferimento le frequenze corrispondenti a f = 10n. Le curve LFC hanno una certa pendenza in ciascuna regione di frequenza. Si misura in decibel per decennio.

La caratteristica di frequenza di fase (PFC) di un amplificatore è la dipendenza dell'angolo di fase tra le tensioni di ingresso e di uscita sulla frequenza. Una tipica risposta di fase è mostrata in Fig. 9.5. Può anche essere tracciato su una scala logaritmica.

Nella gamma media, la distorsione di fase aggiuntiva è minima. La risposta di fase consente di stimare le distorsioni di fase che si verificano negli amplificatori per le stesse ragioni di quelle di frequenza.

Riso. 9.5. Caratteristica di frequenza di fase (PFC) dell'amplificatore

Un esempio del verificarsi di distorsioni di fase è mostrato in Fig. 9.6, che mostra l'amplificazione di un segnale in ingresso costituito da due armoniche (linea tratteggiata), che subiscono sfasamenti quando amplificate.

Riso. 9.6. Distorsione di fase nell'amplificatore

La risposta transitoria dell'amplificatore è la dipendenza del segnale di uscita (corrente, tensione) dal tempo con un'azione di ingresso graduale (Fig. 9.7). Le caratteristiche di frequenza, fase e transitori dell'amplificatore sono correlate in modo univoco tra loro.

Riso. 9.7. Risposta ai transienti dell'amplificatore

La regione ad alta frequenza corrisponde alla risposta transitoria nella regione a basso tempo e la regione a bassa frequenza corrisponde alla risposta transitoria nella regione a lungo termine.

Per la natura dei segnali amplificati, si distinguono:

o Amplificatori di segnali continui. I processi di costituzione sono qui trascurati. La caratteristica principale è la trasmissione in frequenza.

o Amplificatori di segnali impulsivi. Il segnale in ingresso cambia così rapidamente che i transitori nell'amplificatore sono determinanti per trovare la forma d'onda in uscita. La caratteristica principale è la caratteristica di trasferimento dell'impulso dell'amplificatore.

Di proposito, l'amplificatore è diviso in:

o amplificatori di tensione,

o amplificatori di corrente,

o amplificatori di potenza.

Tutti amplificano la potenza del segnale in ingresso. Tuttavia, gli stessi amplificatori di potenza devono e sono in grado di fornire una data potenza al carico con un'elevata efficienza.

1. Comporre frammenti di programmi in codici mnemonici e codici macchina per le seguenti operazioni:

Il segnale audio reale è complesso e contiene componenti armoniche, ad es. vibrazioni sinusoidali di varie frequenze, ampiezze, fasi. Se la forma d'onda all'uscita dell'amplificatore differisce dalla forma d'onda al suo ingresso, ciò influenzerà la qualità del suono.

La distorsione può essere causata da cause diverse e anche da effetti diversi sulla qualità del suono. Distinguere le distorsioni:

Frequenza;

Fase;

Non lineare.

Frequenza - questo è un cambiamento nella forma d'onda del segnale a causa di un'amplificazione ineguale delle oscillazioni di frequenze diverse.

La ragione della comparsa di queste distorsioni sono gli elementi reattivi: l'induttanza delle bobine e la capacità dei condensatori, le cui resistenze dipendono dalla frequenza (ricordare le formule X c e X L).

A causa della distorsione della frequenza, viene violato il rapporto tra le ampiezze delle componenti del segnale di frequenze diverse. Questo è percepito dall'orecchio come un cambiamento nel timbro: se c'è un'amplificazione insufficiente delle alte frequenze, il suono diventa sordo e le basse diventano metalliche.

La distorsione in frequenza è determinata numericamente dalla risposta in frequenza, ad es. la dipendenza del guadagno dalla frequenza del segnale, ad es. KdB = f (f).

Riso. 5

Su questa caratteristica, la frequenza dovrebbe essere tracciata in una scala logaritmica e il guadagno dovrebbe essere tracciato sia in una scala logaritmica che in termini relativi o in dB.

La gamma di frequenze è suddivisa in aree separate:

a) la regione delle medie frequenze - 300-3000 Hz, in questa regione l'influenza degli elementi reattivi ha scarso effetto;

b) regione ad alta frequenza - oltre 3000Hz;

c) la regione delle basse frequenze - sotto i 300Hz.

La frequenza di 400Hz (a volte 1000Hz) è chiamata media (f circa),

f n - frequenza di taglio inferiore, f in - frequenza di taglio superiore.

In assenza di distorsione di frequenza, la caratteristica ha la forma di una linea orizzontale. Se il guadagno alle frequenze di taglio diminuisce o aumenta, la caratteristica avrà un certo calo o aumento nei picchi (Fig. 5b). Le distorsioni di frequenza sono stimate dal coefficiente di distorsione di frequenza (M), che è determinato: M = K 0 / K,

dove K o è il guadagno alla media frequenza,

K è il guadagno ad una data frequenza.

Di solito è determinato alle frequenze di taglio dove ha un valore massimo

M n = K 0 / K n M in = K 0 / K in

Oppure è espresso in dB dalle formule:

M ndB = 20 lg M n = K o dB - K ndB

M in dB = 20 lg M in = K o dB - K vdB

Queste formule hanno un inconveniente: un aumento della caratteristica corrisponde a un segno meno e a un declino - un più, che viola la solita idea che i valori positivi siano depositati sopra il livello zero e quelli negativi - sotto.

Pertanto, quando si costruisce la risposta in frequenza, viene utilizzato un bianco standard, sul quale è tracciato il guadagno relativo (Y) in dB lungo l'ordinata, e questo è il reciproco del fattore di distorsione della frequenza, ad es.

Y = K / K 0 = 1 / M o Y dB = - M dB

Per un amplificatore multistadio, la distorsione di frequenza (M) e il guadagno relativo (Y) sono definiti come il prodotto dei coefficienti in termini relativi o come la loro somma in dB.

Pertanto, se a una frequenza in uno stadio c'è una caduta e in un altro - lo stesso aumento, la risposta in frequenza complessiva sarà senza distorsione, che viene utilizzata per correggere la risposta in frequenza.

Le distorsioni di frequenza appena percettibili all'orecchio sono - + 2 dB e questo valore è considerato accettabile per l'UAS.

Fase- Si tratta di distorsioni della forma d'onda causate dal fatto che lo sfasamento tra il segnale di uscita e quello di ingresso non è proporzionale alla frequenza. Il motivo è la presenza di elementi reattivi. Come le distorsioni di frequenza, le distorsioni di fase influenzano l'amplificazione di un segnale complesso, in cui viene violata la relazione tra le fasi dei singoli componenti. Queste distorsioni possono essere stimate dalla caratteristica di fase, cioè la dipendenza dell'angolo di fase dalla frequenza: = f (f).

Fig. 6 Scomposizione di un segnale complesso e risposta di fase

Le distorsioni di fase non sono udibili, ma se l'amplificatore ha un circuito di retroazione, possono portare alla generazione ad alte frequenze.

Non lineare -è un cambiamento nella forma d'onda causato dalla non linearità delle caratteristiche dei transistor.

Fig. 7 Caratteristica di ingresso del transistor

Il grafico mostra che in assenza di un segnale alla base, agisce la tensione di base a riposo U bs e la corrente di base a riposo I b scorre - corrispondono al punto di riposo P. Si verificano distorsioni, poiché la sezione curvilinea della caratteristica PA è Usato.

Le ragioni della comparsa di distorsioni non lineari possono essere sia la non linearità delle caratteristiche di uscita, sia l'irregolarità del loro spostamento con uguali variazioni della corrente di base.

Qualsiasi curva non sinusoidale viene scomposta in componenti: quella principale - con la frequenza del segnale e armoniche di ordine superiore - con frequenze multiple della frequenza del segnale principale. E poi, quando viene applicato un segnale con una frequenza di 400 Hz, è possibile ottenere in uscita segnali con frequenze di 400, 800, 1200, 1600, ecc. Hz.

Inoltre, potrebbe esserci toni di combinazione - si tratta di oscillazioni con frequenze che rappresentano la somma o la differenza di una qualsiasi coppia di componenti di un segnale complesso. Rendono il suono rauco, sferragliante e il discorso incomprensibile.

Per tenere conto delle distorsioni non lineari si introduce il concetto di coefficiente armonico K g

K g = √ P 2 + P 3 +… ../ P 1 100% o K g = √ I 2 + I 3 +… ../ I 1 100% o

K g = √ U 2 + U 3 +… ../ U 1 100%

Il coefficiente armonico esprime la frazione dei valori efficaci delle armoniche superiori come percentuale del segnale fondamentale.

Se una delle armoniche prevale, la formula può essere semplificata:

K g = I 2 / I 1 100% - secondo la seconda armonica;

K g = I 3 / I 1 100% alla terza armonica.

Dovresti essere consapevole che la terza armonica predomina in un segnale bilanciato e la seconda armonica in un segnale sbilanciato. Numericamente, la distorsione armonica non dovrebbe superare l'1% alle medie frequenze.

• Tutorial

Sui siti audiofili, è consuetudine spaventare i visitatori con la distorsione dell'intermodulazione, tuttavia, poiché la maggior parte delle pubblicazioni su questo argomento utilizza ampiamente la tecnologia copia-incolla, è molto difficile capire perché si verificano queste distorsioni e perché sono così terribili. Oggi cercherò, al meglio delle mie capacità e del volume dell'articolo, di riflettere precisamente la natura di questi terribili LORO.

L'argomento delle distorsioni del segnale in UMZCH è stato sollevato nel mio, ma l'ultima volta abbiamo toccato solo leggermente le distorsioni lineari e non lineari. Oggi cercheremo di capire le più sgradevoli all'orecchio, sfuggenti per l'analisi e difficili da eliminare per i progettisti di distorsioni di intermodulazione ULF. Le ragioni del loro verificarsi e il rapporto con il feedback scusate per il gioco di parole.

Amplificatore operazionale come un triangolo bianco

Prima di parlare di feedback, facciamo un breve excursus in amplificatori operazionali amplificatori operazionali , poiché oggi i circuiti di amplificazione a transistor praticamente non possono farne a meno. Possono essere presenti sia sotto forma di microcircuiti separati, sia far parte di chip più complessi, ad esempio integrati amplificatori a bassa frequenza - ULF .

Considera un amplificatore sotto forma di una scatola nera, o meglio un triangolo bianco, come sono solitamente indicati nei circuiti, senza entrare nei dettagli del suo dispositivo.

Assegnazione dei pin dell'amplificatore operazionale

Ingresso non invertente:

Ingresso invertente:

Alimentazione più:

Alimentazione meno:

Se aumenti la tensione di ingresso all'ingresso non invertente, la tensione di uscita aumenterà, se all'ingresso invertente, al contrario, diminuirà.

Solitamente la tensione di ingresso da amplificare viene applicata tra i due ingressi e quindi la tensione di uscita può essere espressa come segue:

Dov'è il guadagno ad anello aperto?

Poiché il nostro obiettivo non è amplificare le tensioni CC, ma amplificare le vibrazioni sonore, consideriamo, ad esempio, la dipendenza di un economico amplificatore operazionale LM324 dalla frequenza delle vibrazioni sinusoidali in ingresso.

In questo grafico, il guadagno è tracciato verticalmente e la frequenza è tracciata orizzontalmente su una scala logaritmica. I risultati del lavoro degli ingegneri non sono molto impressionanti ed è improbabile che sia possibile utilizzare un tale amplificatore nella realtà. In primo luogo, mostra una buona linearità solo al di fuori della gamma di frequenza percepita dall'orecchio - sotto i 10 Hz, e in secondo luogo, il suo guadagno è troppo grande - 10.000 volte a DC!

Quindi cosa fare, ci deve essere una via d'uscita! Si lo è. Prendi una parte del segnale di uscita e applicala all'ingresso invertente - introduci il feedback.

Feedback - semplice e arrabbiato! Una panacea per tutti i mali?

In questo articolo, non toccheremo le basi della teoria degli amplificatori operazionali, se lo desideri, puoi trovare molte informazioni su questo argomento su Internet, Igor Petrov

Non è facile introdurre il feedback in un circuito amplificatore, ma è molto semplice. Non andiamo lontano, considera come questo può essere fatto usando un mio esempio.

Il feedback in questo circuito viene inviato all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale attraverso il resistore R2, o meglio il partitore di tensione da R2 e R1.

È facile dimostrare che questo circuito avrà un guadagno di tensione pari a due e rimarrà invariato quando si amplificano i segnali armonici in un intervallo di frequenza molto ampio. Con un aumento della frequenza del segnale, il guadagno dell'amplificatore operazionale senza feedback diminuisce, ma rimane molte volte più di due, e questo calo è compensato da una diminuzione automatica del livello del segnale di feedback. Di conseguenza, il guadagno del circuito nel suo insieme rimane invariato. Ma non è tutto. Questo circuito ha un'impedenza di ingresso molto elevata, il che significa che praticamente non influisce sulla sorgente del segnale. Ha anche un'impedenza di uscita molto bassa, il che significa che, in teoria, dovrebbe mantenere la forma del segnale anche quando si opera su un carico a impedenza sufficientemente bassa e con impedenza complessa - induttiva e capacitiva.

Abbiamo appena ottenuto l'AMPLIFICATORE PERFETTO come quello?

Sfortunatamente no, poiché ogni moneta ha testa e croce, quindi il feedback ha il suo lato oscuro.

Quello che va bene per un russo, poi la morte per un tedesco o un po' di tecnologia radiofonica

In radioingegneria, l'effetto dell'interazione di segnali di due diverse frequenze applicato a un elemento non lineare chiamato intermodulazione ... Il risultato è un segnale complesso con combinazioni di frequenze (armoniche) dipendenti dalla frequenza dei segnali originali f1 e f2 secondo la seguente formula:
Le frequenze ottenute sono di ampiezza inferiore alle armoniche parentali e, di regola, il loro livello diminuisce rapidamente all'aumentare dei coefficienti interi m e n.

L'ampiezza maggiore avrà le armoniche, chiamate armoniche di secondo ordine con frequenze:

e frequenze armoniche del terzo ordine :
Nell'ingegneria radiofonica, questo effetto è ampiamente utilizzato per la conversione di frequenza. Grazie a lui, i ricevitori moderni funzionano. La conversione di frequenza avviene nei mixer costruiti sulla base di elementi non lineari, che vengono spesso utilizzati come giunzione p-n di un diodo, pozzo o transistor. Il segnale utile ricevuto e il segnale dal generatore - oscillatore locale vengono inviati contemporaneamente al mixer.

In uscita, otteniamo una vasta gamma di segnali:

Ma grazie al filtro PLL a banda stretta, selezioniamo il segnale di cui abbiamo bisogno con una frequenza intermedia f pr = f g -f s e lo amplificamo nell'amplificatore IF. Quindi il rilevamento avviene con l'aiuto del successivo elemento non lineare, solitamente un diodo, e all'uscita dopo il filtro passa basso nella figura, riceviamo un segnale audio.

IMD (IMD)- distorsione di intermodulazione

Tuttavia, se per i ricevitori l'effetto dell'intermodulazione è vitale, negli amplificatori a bassa frequenza provoca la comparsa di distorsioni non lineari, che vengono chiamate intermodulazione. Dopotutto, il segnale audio contiene contemporaneamente armoniche di un gran numero di frequenze che differiscono notevolmente in ampiezza e i transistor che compongono l'amplificatore, come i diodi, sono elementi non lineari. Le distorsioni che appaiono a causa del meccanismo sopra descritto sono chiamate nelle fonti in lingua inglese distorsione di intermodulazione abbreviato IMD, a proposito, l'abbreviazione russa per loro IMI .

Questo tipo di distorsione è molto più sgradevole a orecchio rispetto alla banale limitazione dell'ampiezza del segnale, la fonte del loro aspetto in ogni caso specifico è molto più difficile da rilevare e, soprattutto, eliminare.

È tempo per noi di esplorare finalmente il lato oscuro del feedback.

Il lato oscuro del feedback

Per rilevarlo, assembleremo un amplificatore sull'amplificatore operazionale LM324, ma con valori dei resistori di retroazione leggermente diversi in modo da ottenere un guadagno unitario.

Ed ora applichiamo al suo ingresso un impulso rettangolare di piccola ampiezza, circa 100 millivolt.

Quello che abbiamo in uscita sembra molto diverso dal segnale in ingresso. Cosa è successo e perché il feedback non ci ha aiutato? Come sempre, la colpa è della fisica, il suo mondo è molto più complicato dei nostri modelli matematici basati su approssimazioni approssimative. Il fatto è che il nostro amplificatore è un dispositivo molto complesso.

Escursione nel mondo reale. Feedback negativo generale nell'amplificatore di potenza audio

La non linearità inerente agli stadi a transistor costringe i progettisti a utilizzare un forte feedback negativo come la soluzione più semplice per regolare i parametri dell'amplificatore per soddisfare i requisiti di bassa distorsione armonica e di intermodulazione, ovviamente misurata con metodi standard. Di conseguenza, gli amplificatori di potenza industriali con una profondità OOS di 60 e persino 100 dB non sono rari oggi.
Descriviamo un circuito reale di un semplice amplificatore di potenza a transistor. Possiamo dire che è a tre fasi. Il primo stadio dell'amplificatore è basato sull'amplificatore operazionale A1, il secondo sui transistor T1-T2 e anche il terzo è il transistor T3-T4. In questo caso, l'amplificatore è coperto da un circuito di retroazione generale, è evidenziato in un anello rosso, che viene alimentato tramite un resistore R6 all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Parola chiave qui generale- il feedback viene qui alimentato non dall'uscita dell'amplificatore operazionale al suo ingresso, ma dall'uscita dell'intero amplificatore.

Di conseguenza, l'amplificatore operazionale, grazie al suo enorme guadagno, dovrebbe aiutare gli stadi dell'amplificatore a transistor a far fronte a vari tipi di non linearità e interferenze. Elenchiamo di seguito i principali:

• i transistor in tale connessione possono funzionare in una modalità molto non lineare quando il segnale attraversa lo zero e per segnali deboli;
• all'uscita, l'amplificatore viene caricato su un carico complesso: un sistema di altoparlanti. Il diagramma mostra il suo equivalente: resistenza R15 e induttanza L1;
• I transistor operano in un severo regime termico e la temperatura del loro corpo dipende in modo significativo dalla potenza di uscita e i loro parametri dipendono fortemente dalla temperatura;
• Le capacità di montaggio e vari tipi di interferenza possono essere di un valore decente e gli errori di routing possono facilmente portare a un feedback positivo e all'autoeccitazione dell'amplificatore;
• Il ruolo del rumore dell'alimentatore aumenta in modo significativo;

E UO aiuta, ma come un pazzo che prega Dio da un noto aforisma a volte con troppo zelo. Ci sono problemi con la capacità di sovraccarico dei singoli stadi, i cui transistor rientrano nella modalità di limitazione del segnale. Vanno dalla modalità lineare, ovviamente, relativamente lineare alle modalità di taglio o saturazione. Se ne vanno molto rapidamente e vi ritornano molto più lentamente, il che è dovuto al processo di riassorbimento senza fretta di sorgenti di carica minori nelle giunzioni dei semiconduttori. Diamo uno sguardo più da vicino a questo processo e alle sue conseguenze.

Distorsione di intermodulazione dinamica TIM. Sovraccarico dell'amplificatore ed effetto di clipping

Capacità di sovraccarico amplificatore è un parametro che descrive di quanti decibel la tensione di uscita nominale o la potenza differiscono dal massimo quando iniziano i limiti del segnale di uscita di potenza - ritaglio

Negli amplificatori a transistor, la capacità di sovraccarico è piccola, specialmente nelle fasi terminale e pre-terminale. La potenza nominale spesso differisce dal massimo solo del 40 percento, questo è inferiore a 3 dB.

Immagina che il nostro amplificatore sia costituito da un preamplificatore equalizzatore ideale e UMZCH coperto da feedback con un fattore B. È importante notare che il segnale V 1 può contenere componenti a frequenza molto elevata. Il preamplificatore C funge da filtro passa basso, fornendo il segnale di ingresso V 2 all'amplificatore A contenente solo i componenti che rientrano nella banda di frequenza audio.

La tensione all'ingresso dell'amplificatore di potenza V 2 ha un tempo di salita determinato dal preamplificatore, puoi vedere nel grafico che è livellato. Tuttavia, c'è un superamento della tensione V 3 all'uscita del sommatore, causato dal desiderio della retroazione di compensare la risposta lenta dell'amplificatore di potenza A con un'ampiezza di V max

L'overshoot nel segnale V 3 può essere centinaia o addirittura migliaia di volte il livello di ingresso nominale. Può superare notevolmente la gamma dinamica dell'amplificatore. Durante questo sovraccarico, il guadagno degli altri segnali presenti in ingresso si riduce, provocando un burst istantaneo di distorsione di intermodulazione. Questo splash si chiama distorsione di intermodulazione dinamica TID , perché l'intermodulazione porta all'influenza di un segnale sull'ampiezza di un altro, e dipende dalle caratteristiche temporali e di ampiezza del segnale di ingresso più che dalla sola caratteristica di ampiezza, come nel caso della semplice distorsione di intermodulazione.

Sopra c'è un grafico di un effetto estremamente sgradevole chiamato "clipping" dell'amplificatore ed è generato dal feedback. All'uscita A1 otteniamo l'effetto di limitare l'ampiezza e all'uscita dell'amplificatore c'è un segnale distorto.

Tecniche di misurazione della distorsione di intermodulazione e metodi per affrontarle

Secondo la tecnica standard per misurare la distorsione di intermodulazione, due segnali vengono applicati contemporaneamente all'ingresso dell'oggetto misurato: bassa frequenza f 1 e alta frequenza f 2. Sfortunatamente, paesi diversi utilizzano frequenze di misurazione diverse. Diversi standard prevedono frequenze diverse - 100 e 5000 Hz, 50 e 1000 Hz ...

Il più comune è l'uso di frequenze di 400 e 4000 Hz, approvato nella norma DIN 45403, GOST 16122-88 e IEC 60268-5. L'ampiezza del segnale con frequenza f 1 è 12 dB 4 volte maggiore dell'ampiezza del segnale con frequenza f 2. A seconda della non linearità della caratteristica, nel punto di lavoro simmetricamente rispetto alla frequenza f 2, si formano oscillazioni differenza e combinazione totale f 2 ± f 1, e f 2 ± 2f 1 di ordine superiore. Le oscillazioni combinate che si presentano del secondo ordine con frequenze f 2 ± f 1 caratterizzano il quadratico e il terzo ordine con frequenze f 2 ± 2f 1 - distorsioni cubiche dell'oggetto da misurare.

Molto utilizzata è anche una coppia di frequenze di 19 e 20 KHz con uguale livello di segnale, il che è conveniente soprattutto perché l'armonica fondamentale che rientra nella gamma audio, in questo caso, è un segnale con frequenza di 1 KHz, il livello di che è facile da misurare.

Per la fornitura dei segnali di misura, non vengono utilizzati solo generatori, ma anche CD di misura appositamente registrati in studio e persino dischi in vinile.

Circa 30 anni fa, per misurare il coefficiente di distorsione di intermodulazione, erano necessari strumenti complessi e costosi, disponibili solo in laboratori e studi, ad esempio, la composizione di un supporto di misura per un amplificatore fono:

1. Giradischi di dischi in vinile;
2. Piatto di misurazione;
3. Raccogliere;
4. Amplificatore correttivo;
5. Filtro passa banda;
6. Rivelatore lineare;
7. Filtro passa basso.
8. E ovviamente V è un voltmetro in grado di misurare il valore effettivo delle oscillazioni sinusoidali!

Oggi, anche una semplice scheda di musica per computer a 16 bit con un prezzo fino a $ 30, completa di uno speciale programma di misurazione e semplici circuiti di adattamento, può fornire una qualità delle misurazioni molto migliore.

Gli standard descritti sono molto convenienti per i produttori di apparecchiature per la riproduzione del suono, puoi facilmente ottenere bellissimi numeri piccoli nei dati del passaporto, ma non riflettono molto bene la reale qualità del percorso di amplificazione. Il risultato, ovviamente, è lo sviluppo del soggettivismo: quando due amplificatori o anche costose schede audio, che formalmente hanno praticamente gli stessi parametri, "suonano" in modo completamente diverso su un segnale musicale complesso, non puoi fare a meno di ascoltare prima di acquistare.

Dilettanti, appassionati del suono di alta qualità e singoli produttori di apparecchiature di fascia alta stanno cercando di promuovere le loro tecniche di misurazione basate su approssimazioni meno distanti dalla realtà. Esistono tecniche multifrequenza, tecniche che studiano l'interazione di una frequenza armonica e un singolo impulso, basate su segnali di rumore, e altre. Tuttavia, questa volta non avremo tempo per discuterli in dettaglio.
OOS

Effetto di ritaglio ULF

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Durante il processo di amplificazione, il dispositivo non deve modificare la forma d'onda del segnale. Tuttavia, per vari motivi, la forma d'onda dell'oscillazione all'uscita dell'amplificatore può differire dalla forma d'onda all'ingresso, ad es. l'amplificatore introduce distorsione del segnale. Quando il suono viene riprodotto, questa distorsione influisce sul suo timbro e

frequenza, l'immagine è distorta nei dispositivi televisivi, ecc.

A seconda della causa della comparsa delle distorsioni, sono divisi in lineari (frequenza e fase, a causa di elementi di resistenza reattiva) e non lineari.

La distorsione di frequenza introdotta dall'amplificatore è stimata da caratteristica ampiezza-frequenza (AFC).

Risposta in frequenza si chiama dipendenza del modulo del guadagno dalla frequenza. Per semplicità si chiama risposta in frequenza. È una rappresentazione grafica del guadagno rispetto alla frequenza del segnale di ingresso. Sull'asse delle ordinate della risposta in frequenza è riportato in scala lineare il valore del guadagno e sull'asse delle ascisse il valore della frequenza del segnale in ingresso in

scala logaritmica, poiché la gamma di frequenza del segnale in ingresso è spesso molto ampia.

In Figura 1.5, una retta 1 mostra la risposta in frequenza ideale di un amplificatore che non introduce distorsione in frequenza; curva 2 - la vera caratteristica dell'amplificatore, attenuando (tagliando) le frequenze inferiore e superiore dell'intervallo specificato.

Le distorsioni di frequenza sono stimate quantitativamente dal fattore di distorsione di frequenza M, che è il rapporto del guadagno alle medie frequenze K cfr. al guadagno ad una data frequenza K f.

M = K cp / K f. (1.18)

Figura 1.5 - Ampiezza - caratteristiche di frequenza

amplificatore (risposta in frequenza)

Negli amplificatori audio, la frequenza centrale è solitamente 400Hz o 1000Hz.

Il fattore di distorsione della frequenza totale di un amplificatore multistadio è uguale al prodotto della distorsione della frequenza dei singoli stadi:

M totale = M 1 M 2 M 3 ... M p, (1,19)

Anche il fattore di distorsione della frequenza può essere espresso
e in unità logaritmiche:

M [d B] = 20 · 1 gM, (1,20)

Per un amplificatore multistadio, la distorsione di frequenza totale in unità logaritmiche

M totale = M 1 + M 2 [dB] + .... + M n (dВ). (1.21)

La gamma di frequenza operativa, o larghezza di banda, è la gamma di frequenza da f H prima di f Si entro i quali la distorsione di frequenza non supera il valore ammissibile.

Midrange, distorsione di frequenza M = 1, ad altre frequenze, alle quali il guadagno è inferiore alla media, M> 1(pendenza di frequenza). Alle frequenze dell'aumento della risposta in frequenza m<1.

La quantità consentita di distorsione di frequenza è determinata dallo scopo dell'amplificatore. Quindi, ad esempio, negli amplificatori audio di fascia alta m non dovresti superare 2dB a frequenze da da 30Hz a 20kHz... Se non vengono imposti requisiti speciali all'amplificatore, la gamma di frequenza operativa

determinato a livello 3dB., cioè. i limiti della banda passante sono le frequenze alle quali il guadagno diminuisce di non più di 2 = l, 41 volte.

d- Caratteristica di fase dell'amplificatore. La dipendenza dell'angolo di fase tra le tensioni di uscita e di ingresso dell'amplificatore dalla frequenza è chiamata frequenza di fase (FFC) o fase Gli sfasamenti nell'amplificatore derivano dalla presenza di elementi reattivi (induttanze, capacità) al suo interno.

In un amplificatore ideale, tutti i componenti, indipendentemente dalla loro frequenza, vengono spostati nello stesso tempo. In questo caso, la posizione relativa delle sinusoidi di frequenze diverse non cambia. Pertanto, anche la forma del segnale di uscita non cambia. In questo caso, la caratteristica di fase, che esprime una dipendenza direttamente proporzionale dell'angolo di sfasamento sulla frequenza f, è una retta 1, come mostrato in Figura 1.6.

Figura 1.6- Caratteristica di fase dell'amplificatore

In un vero amplificatore, il valore dell'angolo di fase dipende dalla frequenza. E la componente del segnale con frequenze diverse risulta essere spostata di angoli diversi. Ciò distorce la forma d'onda in uscita.

La risposta in frequenza di fase di un amplificatore reale è mostrata nella Figura 1.6. 2. Con valori positivi dell'angolo di sfasamento, il segnale di uscita precede il segnale di ingresso, con valori negativi, il segnale di uscita è in ritardo rispetto al segnale di ingresso. Distorsione della forma d'onda di uscita causata da diversi sfasamenti

le componenti di un segnale che differiscono in frequenza sono chiamate distorsioni di fase.

Negli amplificatori di segnali di frequenza audio, le distorsioni di fase non vengono prese in considerazione, poiché non sono praticamente percepite dall'orecchio.

e - Risposta transitoria... Negli amplificatori di segnali a impulsi, la forma della tensione di uscita dipende dai processi transitori di stabilire correnti e tensioni nei circuiti contenenti elementi reattivi. Per stimare le distorsioni lineari, chiamate distorsioni transitorie impulsive, è conveniente

utilizzare la risposta transitoria.

La risposta transitoria di un amplificatore è chiamata dipendenza

il valore istantaneo della tensione o della corrente alla sua uscita rispetto al tempo U out = f (t) quando viene applicata una singola variazione brusca di tensione o corrente all'ingresso (funzione dell'unità).

Molto spesso, l'ingresso dell'amplificatore è influenzato da un impulso rettangolare di durata finita, come mostrato nella Figura 1.7.

Figura 1.7 - Risposta transitoria dell'amplificatore

Quando un impulso rettangolare viene applicato all'ingresso dell'amplificatore, la tensione di uscita avrà una forma distorta nella Figura 1.7.

Le distorsioni transitorie sono classificate come distorsione del bordo anteriore e distorsione della parte superiore piatta. Le distorsioni frontali sono caratterizzate da:

Tempo di assestamento t yc. quelli. tempo di salita dell'impulso da 0.1

Um fino a 0,9U max;

Il superamento della parte anteriore dell'impulso , determinato dal rapporto di tensione

sovratensione U alla tensione di regime U.

La quantità consentita di distorsione transitoria è determinata dallo scopo dell'amplificatore.

e - Distorsione non lineare... Le distorsioni non lineari causano cambiamenti nella forma d'onda del segnale causati dalla non linearità delle caratteristiche degli elementi del circuito dell'amplificatore (transistor, lampade, diodi, trasformatori).

Con caratteristiche non lineari, non esiste una proporzionalità diretta tra corrente e tensioni, per cui, con un segnale sinusoidale in ingresso, il segnale in uscita è non sinusoidale. Maggiore è la non linearità della sezione utilizzata della caratteristica, ad es. più si discosta da una linea retta, più il segnale è distorto.

L'aspetto delle distorsioni non lineari negli amplificatori è illustrato dal grafico in Figura 1.8. Quando viene applicata una tensione sinusoidale alla base del transistor nel primo semiperiodo, viene utilizzata una sezione della caratteristica RB che ha un grande

pendenza; quindi, la curva di corrente ha una grande ampiezza. Nel secondo semiperiodo viene utilizzata una sezione dell'AR la cui pendenza decresce al diminuire della tensione di base; pertanto, la curva della corrente di ingresso è smussata.

La curva non sinusoidale risultante del segnale di uscita risultante da distorsioni non lineari può essere scomposta da componenti armoniche, o altrimenti, armoniche.

Figura 1.8 - Distorsione della forma del segnale di uscita

Il livello generale di distorsione non lineare è quantificato dal coefficiente di distorsione non lineare (coefficiente

armoniche): _____

Kg = (V U 2 m2 + U 2 m3 + U 2 m4) / U m1, (1.22)

dove sono U m1, U m2, e U m3 sono le ampiezze della 1a, 2a, 3a, ecc. armoniche del segnale di uscita.

In pratica, solo la seconda e la terza armonica contano, poiché hanno l'ampiezza del segnale più grande, il resto delle armoniche ha ampiezze piccole.

Un altro tipo di distorsione non lineare è dovuto alla comparsa di combinazioni di frequenze nel segnale di uscita, ad es. frequenze ottenute come somma o differenza tra eventuali armoniche (compresa la prima) dei vari segnali presenti all'ingresso dell'amplificatore. Tale distorsione è comunemente indicata come distorsione di intermodulazione. In pratica sono importanti le distorsioni di intermodulazione del secondo e terzo ordine (se f 1 e f 2- le frequenze presenti in ingresso, quindi la distorsione di intermodulazione del secondo

dell'ordine sono dovute alla presenza all'uscita dell'amplificatore di segnali con frequenze f 1 ± f 2 e distorsione di intermodulazione del terzo ordine - con frequenze 2f 1 ± f 2 e 2f 2 ± f 1).

Il rapporto di intermodulazione è il rapporto tra la potenza dei prodotti di intermodulazione all'uscita dell'amplificatore e la potenza di uscita minima possibile del segnale utile, che supera il rumore di fondo dell'amplificatore.

La distorsione armonica è praticamente invisibile a orecchio se la distorsione armonica non supera lo 0,2 ... 0,3%.

Negli amplificatori di comunicazione multicanale, la linearità dovrebbe essere elevata in modo che le armoniche e le frequenze combinate non passino da un canale all'altro, ad es. in modo che non ci siano distorsioni incrociate. In tali amplificatori, la non linearità è stimata dall'attenuazione a o, dall'attenuazione della non linearità delle seconde a 2 o a 3 armoniche:

a = 20 lgU m1 / (VU 2 m2 + U 2 m3); a 2 = 20 1gU m1 / U m2, a 3 = 20 1 gU m1 / U m3. (1.23)

g- Figura di rumore... L'interferenza è chiamata tensione estranea non correlata al segnale e indipendente da esso all'uscita di un amplificatore acceso.L'interferenza si verifica nei circuiti dell'amplificatore per vari motivi. Di solito sono suddivisi in rumore termico di resistori e conduttori, rumore di elementi di amplificazione, rumore dell'effetto microfono, ronzio CA da un alimentatore e interferenze da fonti estranee.

Rumore termico la resistenza attiva è creata dal movimento termico caotico degli elettroni liberi, che può essere considerato come una corrente che cambia casualmente in grandezza e direzione in assenza di tensione esterna.

Rumore dell'amplificatore creato a causa di irregolari
emissione o iniezione di portatori di carica, distribuzione non uniforme della corrente tra gli elettrodi, rumore termico e altri motivi che dipendono dalle proprietà e dai processi fisici durante il funzionamento dell'amplificatore
elemento.

Rumori dell'effetto microfono sorgono durante influenze meccaniche sugli elementi dell'amplificatore di vibrazioni, onde sonore, urti, che portano a un cambiamento nelle distanze tra i fili di collegamento nei circuiti di ingresso o tra gli elettrodi della lampada e causano cambiamenti nella corrente e la comparsa di rumore tensione in uscita. I transistor e il cablaggio stampato hanno un effetto microfonico scarso o nullo; colpisce i tubi di collegamento, i trasformatori di ingresso in permalloy e il cablaggio.

Disordine sullo sfondo la corrente alternata sono vibrazioni con una frequenza che è un multiplo della frequenza dell'alimentazione di rete (50, 100, 150 Hz) e si sentono nell'altoparlante come un ronzio.

guidato chiamato l'interferenza derivante dall'induzione di tensione nei circuiti dell'amplificatore a causa dell'influenza di campi elettrici e magnetici esterni, correnti di dispersione, connessioni galvaniche.

Una valutazione quantitativa delle proprietà di rumore di un amplificatore è la figura di rumore. Pertanto, la figura di rumore è determinata dalla formula

K w = 1 + P w.sobst ./ (P w.in. K p), (1.24)

dove - P sh sost. - potenza di rumore intrinseca (potenza aggiunta al segnale

rumore);
R w.in. - potenza di rumore all'ingresso dell'amplificatore;
K p è il guadagno di potenza.

La cifra di rumore è sempre maggiore di uno. Per un'amplificazione normale, la tensione del segnale deve superare la tensione del rumore di 2,3 volte. Il fattore K sh non determina in modo univoco il livello di rumore assoluto a

Uscita. Pertanto, per valutare gli amplificatori di fascia alta, un parametro importante è il rapporto segnale-rumore, che è il rapporto tra la tensione del segnale di uscita (alla potenza di uscita nominale dell'amplificatore Pn.nom.) e la tensione di rumore totale a Il risultato. Negli amplificatori di fascia alta, il rapporto segnale-rumore è 60 ... 100 dB (1000 o più volte).

h - Caratteristica di ampiezza amplificatore è la dipendenza del valore di regime del segnale di tensione di uscita dall'ingresso. Poiché il guadagno di un amplificatore ideale è un valore costante che non dipende dall'ampiezza del segnale in ingresso, la sua caratteristica di ampiezza è una retta passante per l'origine, con un angolo determinato dal guadagno dell'amplificatore (linea tratteggiata in Figura 1.9).

La caratteristica di ampiezza di un vero amplificatore non passa per l'origine, ma si piega a basse tensioni di ingresso, attraversando l'asse verticale nel punto U p, poiché in assenza di un segnale di ingresso, la tensione di uscita dell'amplificatore è uguale alla tensione auto-rumore nel suo circuito di uscita U p.

Figura 1.9 - Caratteristica di ampiezza dell'amplificatore

A tensioni di ingresso troppo elevate, anche la caratteristica di ampiezza reale diverge da quella ideale, piegandosi per il sovraccarico degli elementi amplificatori contenuti nel circuito amplificatore. La figura 1.9 mostra che un vero amplificatore può amplificare i segnali forniti al suo ingresso con una tensione non inferiore a U ingresso min., Poiché i segnali più deboli saranno soffocati dalla tensione di rumore dell'amplificatore U p e non superiore a U ingresso max., Altrimenti l'amplificatore introdurrà grandi distorsioni non lineari.

Rapporto di U a x .max / U a x .min. caratterizza l'intervallo delle tensioni del segnale amplificato dall'amplificatore senza eccessive interferenze e distorsioni, ed è chiamato intervallo dinamico dell'amplificatore D y c.

D baffi. = 20lg (U in max. / U in min.). (1.25)

Per evitare un'eccessiva distorsione durante l'amplificazione dei segnali minimo e massimo, la gamma dinamica dell'amplificatore non deve essere inferiore alla gamma dinamica del segnale. Nei casi in cui questa condizione non può essere soddisfatta, la gamma del segnale viene compressa utilizzando il controllo del guadagno manuale o automatico. Gamma dinamica del fonogramma magnetico 40-50 dB, microfoni da studio e registratori a nastro di alta qualità - 60 dB.

• Tutorial

Sui siti audiofili, è consuetudine spaventare i visitatori con la distorsione dell'intermodulazione, tuttavia, poiché la maggior parte delle pubblicazioni su questo argomento utilizza ampiamente la tecnologia copia-incolla, è molto difficile capire perché si verificano queste distorsioni e perché sono così terribili. Oggi cercherò, al meglio delle mie capacità e del volume dell'articolo, di riflettere precisamente la natura di questi terribili LORO.

L'argomento delle distorsioni del segnale in UMZCH è stato sollevato nel mio precedente articolo, ma l'ultima volta abbiamo toccato solo leggermente le distorsioni lineari e non lineari. Oggi cercheremo di capire le più sgradevoli all'orecchio, sfuggenti per l'analisi e difficili da eliminare per i progettisti di distorsioni di intermodulazione ULF. Le ragioni del loro verificarsi e il rapporto con il feedback scusate per il gioco di parole.

Amplificatore operazionale come un triangolo bianco

Prima di parlare di feedback, facciamo un breve excursus in amplificatori operazionali amplificatori operazionali , poiché oggi i circuiti di amplificazione a transistor praticamente non possono farne a meno. Possono essere presenti sia sotto forma di microcircuiti separati, sia far parte di chip più complessi, ad esempio integrati amplificatori a bassa frequenza - ULF .

Considera un amplificatore sotto forma di una scatola nera, o meglio un triangolo bianco, come sono solitamente indicati nei circuiti, senza entrare nei dettagli del suo dispositivo.

Assegnazione dei pin dell'amplificatore operazionale

Ingresso non invertente:

Ingresso invertente:

Alimentazione più:

Alimentazione meno:

Se aumenti la tensione di ingresso all'ingresso non invertente, la tensione di uscita aumenterà, se all'ingresso invertente, al contrario, diminuirà.

Solitamente la tensione di ingresso da amplificare viene applicata tra i due ingressi e quindi la tensione di uscita può essere espressa come segue:

Dov'è il guadagno ad anello aperto?

Poiché il nostro obiettivo non è amplificare le tensioni CC, ma amplificare le vibrazioni sonore, consideriamo, ad esempio, la dipendenza di un economico amplificatore operazionale LM324 dalla frequenza delle vibrazioni sinusoidali in ingresso.

In questo grafico, il guadagno è tracciato verticalmente e la frequenza è tracciata orizzontalmente su una scala logaritmica. I risultati del lavoro degli ingegneri non sono molto impressionanti ed è improbabile che sia possibile utilizzare un tale amplificatore nella realtà. In primo luogo, mostra una buona linearità solo al di fuori della gamma di frequenza percepita dall'orecchio - sotto i 10 Hz, e in secondo luogo, il suo guadagno è troppo grande - 10.000 volte a DC!

Quindi cosa fare, ci deve essere una via d'uscita! Si lo è. Prendi una parte del segnale di uscita e applicala all'ingresso invertente - introduci il feedback.

Feedback - semplice e arrabbiato! Una panacea per tutti i mali?

In questo articolo, non toccheremo le basi della teoria degli amplificatori operazionali, se lo desideri, puoi trovare molte informazioni su questo argomento su Internet, ad esempio in una serie di articoli di Igor Petrov KriegeR

Non è facile introdurre il feedback in un circuito amplificatore, ma è molto semplice. Non andiamo lontano, considera come questo può essere fatto usando un esempio dal mio ultimo articolo sui piccoli trucchi dei circuiti di tracciamento sugli amplificatori operazionali.

Il feedback in questo circuito viene inviato all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale attraverso il resistore R2, o meglio il partitore di tensione da R2 e R1.

È facile dimostrare che questo circuito avrà un guadagno di tensione pari a due e rimarrà invariato quando si amplificano i segnali armonici in un intervallo di frequenza molto ampio. Con un aumento della frequenza del segnale, il guadagno dell'amplificatore operazionale senza feedback diminuisce, ma rimane molte volte più di due, e questo calo è compensato da una diminuzione automatica del livello del segnale di feedback. Di conseguenza, il guadagno del circuito nel suo insieme rimane invariato. Ma non è tutto. Questo circuito ha un'impedenza di ingresso molto elevata, il che significa che praticamente non influisce sulla sorgente del segnale. Ha anche un'impedenza di uscita molto bassa, il che significa che, in teoria, dovrebbe mantenere la forma del segnale anche quando si opera su un carico a impedenza sufficientemente bassa e con impedenza complessa - induttiva e capacitiva.

Abbiamo appena ottenuto l'AMPLIFICATORE PERFETTO come quello?

Sfortunatamente no, poiché ogni moneta ha testa e croce, quindi il feedback ha il suo lato oscuro.

Quello che va bene per un russo, poi la morte per un tedesco o un po' di tecnologia radiofonica

In radioingegneria, l'effetto dell'interazione di segnali di due diverse frequenze applicato a un elemento non lineare chiamato intermodulazione ... Il risultato è un segnale complesso con combinazioni di frequenze (armoniche) dipendenti dalla frequenza dei segnali originali f1 e f2 secondo la seguente formula:
Le frequenze ottenute sono di ampiezza inferiore alle armoniche parentali e, di regola, il loro livello diminuisce rapidamente all'aumentare dei coefficienti interi m e n.

L'ampiezza maggiore avrà le armoniche, chiamate armoniche di secondo ordine con frequenze:

e frequenze armoniche del terzo ordine :
Nell'ingegneria radiofonica, questo effetto è ampiamente utilizzato per la conversione di frequenza. Grazie a lui, i ricevitori moderni funzionano. La conversione di frequenza avviene nei mixer costruiti sulla base di elementi non lineari, che vengono spesso utilizzati come giunzione p-n di un diodo, pozzo o transistor. Il segnale utile ricevuto e il segnale dal generatore - oscillatore locale vengono inviati contemporaneamente al mixer.

In uscita, otteniamo una vasta gamma di segnali:

Ma grazie al filtro PLL a banda stretta, selezioniamo il segnale di cui abbiamo bisogno con una frequenza intermedia f pr = f g -f s e lo amplificamo nell'amplificatore IF. Quindi il rilevamento avviene con l'aiuto del successivo elemento non lineare, solitamente un diodo, e all'uscita dopo il filtro passa basso nella figura, riceviamo un segnale audio.

IMD (IMD)- distorsione di intermodulazione

Tuttavia, se per i ricevitori l'effetto dell'intermodulazione è vitale, negli amplificatori a bassa frequenza provoca la comparsa di distorsioni non lineari, che vengono chiamate intermodulazione. Dopotutto, il segnale audio contiene contemporaneamente armoniche di un gran numero di frequenze che differiscono notevolmente in ampiezza e i transistor che compongono l'amplificatore, come i diodi, sono elementi non lineari. Le distorsioni che appaiono a causa del meccanismo sopra descritto sono chiamate nelle fonti in lingua inglese distorsione di intermodulazione abbreviato IMD, a proposito, l'abbreviazione russa per loro IMI .

Questo tipo di distorsione è molto più sgradevole a orecchio rispetto alla banale limitazione dell'ampiezza del segnale, la fonte del loro aspetto in ogni caso specifico è molto più difficile da rilevare e, soprattutto, eliminare.

È tempo per noi di esplorare finalmente il lato oscuro del feedback.

Il lato oscuro del feedback

Per rilevarlo, assembleremo un amplificatore sull'amplificatore operazionale LM324, ma con valori dei resistori di retroazione leggermente diversi in modo da ottenere un guadagno unitario.

Ed ora applichiamo al suo ingresso un impulso rettangolare di piccola ampiezza, circa 100 millivolt.

Quello che abbiamo in uscita sembra molto diverso dal segnale in ingresso. Cosa è successo e perché il feedback non ci ha aiutato? Come sempre, la colpa è della fisica, il suo mondo è molto più complicato dei nostri modelli matematici basati su approssimazioni approssimative. Il fatto è che il nostro amplificatore è un dispositivo molto complesso.

Escursione nel mondo reale. Feedback negativo generale nell'amplificatore di potenza audio

La non linearità inerente agli stadi a transistor costringe i progettisti a utilizzare un forte feedback negativo come la soluzione più semplice per regolare i parametri dell'amplificatore per soddisfare i requisiti di bassa distorsione armonica e di intermodulazione, ovviamente misurata con metodi standard. Di conseguenza, gli amplificatori di potenza industriali con una profondità OOS di 60 e persino 100 dB non sono rari oggi.
Descriviamo un circuito reale di un semplice amplificatore di potenza a transistor. Possiamo dire che è a tre fasi. Il primo stadio dell'amplificatore è basato sull'amplificatore operazionale A1, il secondo sui transistor T1-T2 e anche il terzo è il transistor T3-T4. In questo caso, l'amplificatore è coperto da un circuito di retroazione generale, è evidenziato in un anello rosso, che viene alimentato tramite un resistore R6 all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Parola chiave qui generale- il feedback viene qui alimentato non dall'uscita dell'amplificatore operazionale al suo ingresso, ma dall'uscita dell'intero amplificatore.

Di conseguenza, l'amplificatore operazionale, grazie al suo enorme guadagno, dovrebbe aiutare gli stadi dell'amplificatore a transistor a far fronte a vari tipi di non linearità e interferenze. Elenchiamo di seguito i principali:

• i transistor in tale connessione possono funzionare in una modalità molto non lineare quando il segnale attraversa lo zero e per segnali deboli;
• all'uscita, l'amplificatore viene caricato su un carico complesso: un sistema di altoparlanti. Il diagramma mostra il suo equivalente: resistenza R15 e induttanza L1;
• I transistor operano in un severo regime termico e la temperatura del loro corpo dipende in modo significativo dalla potenza di uscita e i loro parametri dipendono fortemente dalla temperatura;
• Le capacità di montaggio e vari tipi di interferenza possono essere di un valore decente e gli errori di routing possono facilmente portare a un feedback positivo e all'autoeccitazione dell'amplificatore;
• Il ruolo del rumore dell'alimentatore aumenta in modo significativo;

E UO aiuta, ma come un pazzo che prega Dio da un noto aforisma a volte con troppo zelo. Ci sono problemi con la capacità di sovraccarico dei singoli stadi, i cui transistor rientrano nella modalità di limitazione del segnale. Vanno dalla modalità lineare, ovviamente, relativamente lineare alle modalità di taglio o saturazione. Se ne vanno molto rapidamente e vi ritornano molto più lentamente, il che è dovuto al processo di riassorbimento senza fretta di sorgenti di carica minori nelle giunzioni dei semiconduttori. Diamo uno sguardo più da vicino a questo processo e alle sue conseguenze.

Distorsione di intermodulazione dinamica TIM. Sovraccarico dell'amplificatore ed effetto di clipping

Capacità di sovraccarico amplificatore è un parametro che descrive di quanti decibel la tensione di uscita nominale o la potenza differiscono dal massimo quando iniziano i limiti del segnale di uscita di potenza - ritaglio

Negli amplificatori a transistor, la capacità di sovraccarico è piccola, specialmente nelle fasi terminale e pre-terminale. La potenza nominale spesso differisce dal massimo solo del 40 percento, questo è inferiore a 3 dB.

Immagina che il nostro amplificatore sia costituito da un preamplificatore equalizzatore ideale e UMZCH coperto da feedback con un fattore B. È importante notare che il segnale V 1 può contenere componenti a frequenza molto elevata. Il preamplificatore C funge da filtro passa basso, fornendo il segnale di ingresso V 2 all'amplificatore A contenente solo i componenti che rientrano nella banda di frequenza audio.

La tensione all'ingresso dell'amplificatore di potenza V 2 ha un tempo di salita determinato dal preamplificatore, puoi vedere nel grafico che è livellato. Tuttavia, c'è un superamento della tensione V 3 all'uscita del sommatore, causato dal desiderio della retroazione di compensare la risposta lenta dell'amplificatore di potenza A con un'ampiezza di V max

L'overshoot nel segnale V 3 può essere centinaia o addirittura migliaia di volte il livello di ingresso nominale. Può superare notevolmente la gamma dinamica dell'amplificatore. Durante questo sovraccarico, il guadagno degli altri segnali presenti in ingresso si riduce, provocando un burst istantaneo di distorsione di intermodulazione. Questo splash si chiama distorsione di intermodulazione dinamica TID , perché l'intermodulazione porta all'influenza di un segnale sull'ampiezza di un altro, e dipende dalle caratteristiche temporali e di ampiezza del segnale di ingresso più che dalla sola caratteristica di ampiezza, come nel caso della semplice distorsione di intermodulazione.

Sopra c'è un grafico di un effetto estremamente sgradevole chiamato "clipping" dell'amplificatore ed è generato dal feedback. All'uscita A1 otteniamo l'effetto di limitare l'ampiezza e all'uscita dell'amplificatore c'è un segnale distorto.

Tecniche di misurazione della distorsione di intermodulazione e metodi per affrontarle

Secondo la tecnica standard per misurare la distorsione di intermodulazione, due segnali vengono applicati contemporaneamente all'ingresso dell'oggetto misurato: bassa frequenza f 1 e alta frequenza f 2. Sfortunatamente, paesi diversi utilizzano frequenze di misurazione diverse. Diversi standard prevedono frequenze diverse - 100 e 5000 Hz, 50 e 1000 Hz ...

Il più comune è l'uso di frequenze di 400 e 4000 Hz, approvato nella norma DIN 45403, GOST 16122-88 e IEC 60268-5. L'ampiezza del segnale con frequenza f 1 è 12 dB 4 volte maggiore dell'ampiezza del segnale con frequenza f 2. A seconda della non linearità della caratteristica, nel punto di lavoro simmetricamente rispetto alla frequenza f 2, si formano oscillazioni differenza e combinazione totale f 2 ± f 1, e f 2 ± 2f 1 di ordine superiore. Le oscillazioni combinate che si presentano del secondo ordine con frequenze f 2 ± f 1 caratterizzano il quadratico e il terzo ordine con frequenze f 2 ± 2f 1 - distorsioni cubiche dell'oggetto da misurare.

Molto utilizzata è anche una coppia di frequenze di 19 e 20 KHz con uguale livello di segnale, il che è conveniente soprattutto perché l'armonica fondamentale che rientra nella gamma audio, in questo caso, è un segnale con frequenza di 1 KHz, il livello di che è facile da misurare.

Per la fornitura dei segnali di misura, non vengono utilizzati solo generatori, ma anche CD di misura appositamente registrati in studio e persino dischi in vinile.

Circa 30 anni fa, per misurare il coefficiente di distorsione di intermodulazione, erano necessari strumenti complessi e costosi, disponibili solo in laboratori e studi, ad esempio, la composizione di un supporto di misura per un amplificatore fono:

1. Giradischi di dischi in vinile;
2. Piatto di misurazione;
3. Raccogliere;
4. Amplificatore correttivo;
5. Filtro passa banda;
6. Rivelatore lineare;
7. Filtro passa basso.
8. E ovviamente V è un voltmetro in grado di misurare il valore effettivo delle oscillazioni sinusoidali!

Oggi, anche una semplice scheda di musica per computer a 16 bit con un prezzo fino a $ 30, completa di uno speciale programma di misurazione e semplici circuiti di adattamento, può fornire una qualità delle misurazioni molto migliore.

Gli standard descritti sono molto convenienti per i produttori di apparecchiature per la riproduzione del suono, puoi facilmente ottenere bellissimi numeri piccoli nei dati del passaporto, ma non riflettono molto bene la reale qualità del percorso di amplificazione. Il risultato, ovviamente, è lo sviluppo del soggettivismo: quando due amplificatori o anche costose schede audio, che formalmente hanno praticamente gli stessi parametri, "suonano" in modo completamente diverso su un segnale musicale complesso, non puoi fare a meno di ascoltare prima di acquistare.

Dilettanti, appassionati del suono di alta qualità e singoli produttori di apparecchiature di fascia alta stanno cercando di promuovere le loro tecniche di misurazione basate su approssimazioni meno distanti dalla realtà. Esistono tecniche multifrequenza, tecniche che studiano l'interazione di una frequenza armonica e un singolo impulso, basate su segnali di rumore, e altre. Tuttavia, questa volta non avremo tempo per discuterli in dettaglio.
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