Distorsiune neliniară.

Dacă la intrarea amplificatorului se aplică o tensiune sinusoidală, atunci tensiunea de ieșire amplificată nu va fi sinusoidală, ci mai complexă. Constă dintr-o serie de oscilații sinusoidale simple - armonice fundamentale și superioare. Astfel, amplificatorul adaugă armonici suplimentare care nu erau prezente la intrarea amplificatorului.

Fig. 2 - Distorsiunea armonică

Figura 2 prezintă o tensiune sinusoidală la intrarea amplificatorului Uin și o tensiune nesinusoidală distorsionată la ieșirea Uout. În acest caz, amplificatorul introduce a doua armonică. Pe graficul tensiunii Uout, primul arată prima armonică utilă (oscilație fundamentală), care are aceeași frecvență cu tensiunea de intrare și armonica a doua dăunătoare cu o frecvență dublă. Tensiunea de ieșire este suma acestor două armonice.
Distorsiuni ale formei oscilațiilor amplificate, de ex. adăugarea de armonici suplimentare la fundamentală se numește distorsiune armonică. Ele se manifestă prin faptul că sunetul devine răgușit, zdrăngănit. Pentru a evalua distorsiunea neliniară se folosește coeficientul de distorsiune neliniară kH, care arată ce procent sunt toate armonicile în exces create de amplificatorul însuși, în raport cu vibrația fundamentală 1
Dacă kn este mai mic de 5%, adică dacă armonicile adăugate de amplificator se adună nu mai mult de 5% din prima armonică, atunci urechea nu observă distorsiunea. Cu un factor de distorsiune neliniar de peste 10%, răgușeala și zdârâitul strica deja impresia transmisiilor artistice. La kH peste 20%, distorsiunea este inacceptabilă și chiar și vorbirea devine ilizibilă.
Distorsiunile neliniare apar și atunci când vibrațiile formelor complexe sunt amplificate în transmisia vorbirii și muzicii. În acest caz, forma oscilațiilor amplificate este de asemenea distorsionată și se adaugă armonici inutile. Vibrațiile complexe sunt ele însele compuse din armonici care trebuie reproduse corect de amplificator. Ele nu trebuie confundate cu armonicile suplimentare generate de amplificator în sine. Armonicile de tensiune de intrare sunt utile deoarece determină timbrul sunetului, iar armonicile introduse de amplificator sunt dăunătoare. Ele creează distorsiuni neliniare.
Motivele distorsiunilor neliniare în amplificatoare sunt: ​​neliniaritatea caracteristicilor lămpilor și tranzistoarelor, prezența unui curent de control al rețelei în lămpi și saturația magnetică a miezurilor transformatoarelor sau bobinelor de joasă frecvență. De asemenea, se creează o distorsiune neliniară semnificativă în difuzoare, telefoane, microfoane, pickup-uri.
3. Alte tipuri de distorsiuni... Prezența reactanțelor în dispozitivul de amplificare duce la apariția distorsiunilor de fază. Schimbările de fază între diferitele oscilații la ieșirea amplificatorului sunt diferite de cele de la intrare. La reproducerea sunetelor, aceste distorsiuni nu joacă un rol, deoarece organele auzului uman nu le simt, dar în unele cazuri, de exemplu, în televiziune, au un efect dăunător.
Fiecare amplificator produce distorsiuni ale intervalului dinamic. Este comprimat, adică raportul dintre vibrația cea mai puternică și cea mai slabă la ieșirea amplificatorului este mai mic decât la intrare. Acest lucru perturbă sunetul natural. Pentru a reduce astfel de distorsiuni, uneori este introdus un dispozitiv special pentru extinderea intervalului dinamic, numit expander. Compresia în intervalul dinamic apare și în dispozitivele electroacustice.

Parametrii de bază ai amplificatoarelor

Orice amplificator conceput pentru procesarea semnalelor biomedicale poate fi reprezentat sub forma unei rețele bipolare active (Figura 1.1). Sursa de semnal cu EMF Eux și rezistență internă Ri este conectată la intrarea amplificatorului. În circuitul de intrare, curge curentul de intrare Iin, a cărui valoare depinde de rezistența de intrare a amplificatorului Rin și de rezistența internă a sursei de semnal. Datorită căderii de tensiune pe rezistența internă a sursei de semnal, tensiunea de intrare, care este de fapt amplificată de amplificator, diferă de EMF-ul sursei de semnal:

Figura 1.1 - Circuit amplificator echivalent

Curentul de ieșire al amplificatorului este curentul de sarcină Rn. Mărimea acestui curent depinde de tensiunea de ieșire, care diferă de tensiunea în circuit deschis kUin datorită rezistenței de ieșire a amplificatorului

Sunt introduși o serie de parametri pentru a evalua proprietățile amplificatorului.
- Câștiguri de tensiune și curent

Acești coeficienți arată de câte ori se schimbă valorile tensiunii și curentului la ieșire în comparație cu valorile de intrare. Câștigul de putere poate fi găsit ca

Orice amplificator are K P >> 1, în timp ce câștigurile de curent și tensiune pot fi mai mici decât unitatea. Totuși, dacă în același timp K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Trebuie remarcat faptul că majoritatea circuitelor de amplificare conțin elemente reactive (capacitate și inductanță), prin urmare, în cazul general, câștigul amplificatorului va fi complex

Unde unghiul determină cantitatea de defazare a semnalului pe măsură ce trece de la intrare la ieșire.
Caracteristica amplitudine-frecvență (AFC) a amplificatorului determină dependența câștigului de frecvența semnalului amplificat. O vedere aproximativă a răspunsului în frecvență al amplificatorului este prezentată în Fig. 1.2. Pentru amplificarea K 0 se ia valoarea maximă a coeficientului la așa-numita frecvență „de mijloc”. Două puncte caracteristice ale răspunsului în frecvență definesc „lățimea de bandă” a amplificatorului. Frecvențele la care câștigul este redus cu un factor (sau cu 3db) se numesc frecvențe de tăiere. În fig. 1,2 f 1 este frecvența de tăiere inferioară f N și f 2 este frecvența de tăiere superioară a câștigului (f B). Diferență:

F = f B - f H

numită lățimea de bandă a amplificatorului, care determină gama de frecvență de funcționare a amplificatorului.
În general, răspunsul în frecvență arată cum se modifică amplitudinea semnalului de ieșire cu o amplitudine constantă a semnalului de intrare în domeniul de frecvență, în timp ce se presupune că forma de undă nu se modifică. Pentru a evalua modificarea câștigului cu o schimbare a frecvenței, este introdus conceptul de distorsiune a frecvenței

M H = M B =. Distorsiunea de frecvență aparține categoriei liniare, adică al cărui aspect nu duce la denaturarea formei semnalului inițial.
După tipul de răspuns în frecvență, amplificatoarele pot fi împărțite în mai multe clase.
Amplificatoare DC: f H = 0Hz, f B = (103 3 - 108 8) Hz;
Amplificatoare de frecvență audio: f H = 20 Hz, f B = (15 - 20) 10 Hz;
Amplificatoare de înaltă frecvență: f H = 20 * 103 Hz, f B = (200 - 300) · 103 3 Hz.
Amplificatoare de bandă îngustă (selective). O caracteristică distinctivă a acestora din urmă este că practic amplifică o armonică din întregul spectru de frecvențe ale semnalului, iar raportul lor dintre frecvențele de limită superioară și inferioară este:

Figura 1.2- Răspunsul în frecvență a amplificatorului

Caracteristica de amplitudine a amplificatorului reflectă caracteristicile modificării valorii semnalului de ieșire atunci când semnalul de intrare se modifică. După cum se vede din fig. 1.3 tensiunea de ieșire nu este egală cu zero (UOUTmin) în absența unei tensiuni de intrare. Acest lucru se datorează zgomotului intern al amplificatorului, datorită căruia valoarea minimă a tensiunii de intrare care poate fi aplicată la intrarea amplificatorului este limitată și determină sensibilitatea acestuia:

O creștere semnificativă a tensiunii de intrare (punctul 3) duce la faptul că caracteristica de amplitudine devine neliniară și o creștere suplimentară a tensiunii de ieșire se oprește (punctul 5). Acest lucru se datorează saturației treptelor amplificatorului. Se consideră o valoare acceptabilă a tensiunii de intrare, la care tensiunea de ieșire nu depășește UOHmax, care, după cum se poate vedea din Fig. 1.3, este situată la limita secțiunii liniare a caracteristicii de amplitudine. Caracteristica de amplitudine determină domeniul dinamic al amplificatorului:

Uneori, pentru comoditate, intervalul dinamic este calculat în decibeli ca:

Figura 1.3 - Caracteristica de amplitudine a amplificatorului

Distorsiunea armonică totală (distorsiunea armonică) a unui amplificator determină gradul de distorsiune a unei forme de undă sinusoidală în timpul amplificării. Distorsiunile unui semnal înseamnă că armonicile de ordin superior apar în spectrul său împreună cu armonica fundamentală (prima). Pe baza acestui fapt, distorsiunea armonică totală poate fi găsită ca:

unde U i este tensiunea armonicii cu număr i> 1. Este ușor de observat că în absența armonicilor mai mari în semnalul de ieșire, KG = 0, adică. semnalul sinusoidal de la intrare la ieșire este transmis fără distorsiuni. Impedanța de intrare și de ieșire au un efect destul de tangibil asupra performanței amplificatorului. La amplificarea semnalelor schimbătoare sau variabile, rezistențele pot fi găsite ca:

La curent continuu, acești parametri pot fi determinați folosind formule simplificate

La determinarea rezistențelor de intrare și de ieșire, trebuie reținut că în unele cazuri pot fi complexe datorită elementelor reactive ale circuitului. În acest caz, poate apărea o distorsiune semnificativă a frecvenței semnalului, în special în domeniul de înaltă frecvență. Amplificarea comunicației celulare: amplificator de semnal celular gsm.

Să luăm în considerare principalele caracteristici ale amplificatoarelor.

Caracteristica de amplitudine este dependența amplitudinii tensiunii de ieșire (curent) de amplitudinea tensiunii de intrare (curent) (Fig. 9.2). Punctul 1 corespunde tensiunii de zgomot măsurată la Uin = 0, punctul 2 tensiunii minime de intrare la care semnalul de la ieșirea amplificatorului poate fi distins față de zgomotul de fond. Secțiunea 2-3 este secțiunea de lucru, în care se menține proporționalitatea dintre tensiunea de intrare și de ieșire a amplificatorului. După punctul 3, se observă distorsiuni neliniare ale semnalului de intrare. Gradul de distorsiune neliniară este estimat prin coeficientul de neliniar

distorsiune (sau distorsiune armonică):

,

unde U1m, U2m, U3m, Unm sunt amplitudinile primei (fundamentale), a 2-a, a 3-a și respectiv a n-a armonică a tensiunii de ieșire.

Magnitudinea caracterizează domeniul dinamic al amplificatorului.

Orez. 9.2. Amplitudinea caracteristică a amplificatorului

Răspunsul în frecvență (AFC) al amplificatorului este dependența modulului de câștig de frecvență (Fig. 9.3). Frecvențele fн și fв se numesc frecvențe de limită inferioară și superioară și diferența lor

(fн – fв) - lățimea de bandă a amplificatorului.

Orez. 9.3. Caracteristica amplitudine-frecvență a amplificatorului

Când un semnal armonic este amplificat cu o amplitudine suficient de mică, distorsiunea semnalului amplificat nu are loc. La amplificarea unui semnal complex de intrare care conține un număr de armonici, aceste armonice nu sunt amplificate în mod egal de amplificator, deoarece reactanțele circuitului depind diferit de frecvență și, ca urmare, aceasta duce la distorsiunea formei semnalului amplificat.

Astfel de distorsiuni sunt numite distorsiuni de frecvență și sunt caracterizate de factorul de distorsiune a frecvenței:

Unde Kf este modulul câștigului la o frecvență dată.

Factori de distorsiune a frecvenței

Și se numesc, respectiv, coeficienți de distorsiune la frecvențele de tăiere inferioare și superioare.

Răspunsul în frecvență poate fi reprezentat și pe o scară logaritmică. În acest caz, se numește LAFC (Fig. 9.4), câștigul amplificatorului este exprimat în decibeli, iar abscisa este frecvența după un deceniu (intervalul de frecvență între 10f și f).

Orez. 9.4. Răspuns în frecvență logaritmică

amplificator (LAFC)

Frecvențele corespunzătoare lui f = 10n sunt de obicei alese ca puncte de referință. Curbele LFC au o anumită pantă în fiecare regiune de frecvență. Se măsoară în decibeli pe deceniu.

Caracteristica fază-frecvență (PFC) a unui amplificator este dependența unghiului de fază dintre tensiunile de intrare și de ieșire de frecvență. Un răspuns tipic de fază este prezentat în Fig. 9.5. Poate fi reprezentat și pe o scară logaritmică.

În intervalul mediu, distorsiunea suplimentară de fază este minimă. Răspunsul de fază vă permite să estimați distorsiunile de fază care apar în amplificatoare din aceleași motive ca și cele de frecvență.

Orez. 9.5. Caracteristica fază-frecvență (PFC) a amplificatorului

Un exemplu de apariție a distorsiunilor de fază este prezentat în Fig. 9.6, care arată amplificarea unui semnal de intrare format din două armonice (linie întreruptă), care suferă defazaj la amplificare.

Orez. 9.6. Distorsiunea de fază în amplificator

Răspunsul tranzitoriu al amplificatorului este dependența semnalului de ieșire (curent, tensiune) de timp cu o acțiune de intrare în trepte (Fig. 9.7). Caracteristicile de frecvență, fază și tranzitorii ale amplificatorului sunt legate în mod unic între ele.

Orez. 9.7. Răspuns tranzitoriu al amplificatorului

Regiunea de înaltă frecvență corespunde răspunsului tranzitoriu în regiunea de timp redus, iar regiunea de frecvență inferioară corespunde răspunsului tranzitoriu în regiunea de lungă durată.

Prin natura semnalelor amplificate, acestea se disting:

o Amplificatoare de semnale continue. Procesele de înființare sunt neglijate aici. Caracteristica principală este transmisia în frecvență.

o Amplificatoare de semnale de impuls. Semnalul de intrare se schimbă atât de repede încât tranzitorii din amplificator sunt decisivi în găsirea formei de undă de ieșire. Caracteristica principală este caracteristica de transfer de impuls a amplificatorului.

După scop, amplificatorul este împărțit în:

o amplificatoare de tensiune,

o amplificatoare de curent,

o amplificatoare de putere.

Toate amplifică puterea semnalului de intrare. Cu toate acestea, amplificatoarele de putere în sine trebuie și sunt capabile să furnizeze o anumită putere sarcinii cu o eficiență ridicată.

1. Creați fragmente de programe în coduri mnemonice și coduri mașină pentru următoarele operații:

Semnalul audio real este complex și conține componente armonice, de ex. vibratii sinusoidale de diverse frecvente, amplitudini, faze. Dacă forma de undă de la ieșirea amplificatorului diferă de forma de undă de la intrare, acest lucru va afecta calitatea sunetului.

Distorsiunea poate fi cauzată de diferite cauze și, de asemenea, de diferite efecte asupra calității sunetului. Distingeți distorsiunile:

Frecvență;

Fază;

Neliniar.

Frecvență - aceasta este o modificare a formei de undă a semnalului ca urmare a amplificării inegale a oscilațiilor de diferite frecvențe.

Motivul apariției acestor distorsiuni îl reprezintă elementele reactive - inductanța bobinelor și capacitatea condensatoarelor, ale căror rezistențe depind de frecvență (rețineți formulele X c și X L).

Ca urmare a distorsiunii de frecvență, raportul dintre amplitudinile componentelor semnalului de diferite frecvențe este încălcat. Acest lucru este perceput de ureche ca o schimbare a timbrului: dacă există o amplificare insuficientă a frecvențelor înalte, atunci sunetul devine plictisitor, iar cele inferioare devin metalice.

Distorsiunea de frecvență este determinată numeric de răspunsul în frecvență, adică dependența câștigului de frecvența semnalului, adică K dB = f (f).

Orez. 5

Pe această caracteristică, frecvența ar trebui să fie reprezentată pe o scară logaritmică, iar câștigul ar trebui reprezentat atât pe o scară logaritmică, cât și în termeni relativi sau în dB.

Gama de frecvență este împărțită în zone separate:

a) regiunea frecvențe medii - 300-3000 Hz, în această regiune influența elementelor reactive are un efect redus;

b) regiune de înaltă frecvență - peste 3000Hz;

c) regiunea de joasă frecvență - sub 300Hz.

Frecvența de 400 Hz (uneori 1000 Hz) se numește medie (f aproximativ),

f n - frecvența de tăiere inferioară, f in - frecvența de tăiere superioară.

În absența distorsiunii de frecvență, caracteristica are forma unei linii orizontale. Dacă câștigul la frecvențele de tăiere scade sau crește, atunci caracteristica va avea o oarecare scădere sau creștere în vârfuri (Fig. 5b). Distorsiunile de frecvență sunt estimate prin coeficientul de distorsiune a frecvenței (M), care se determină: M = K 0 / K,

unde Ko este câștigul la frecvența medie,

K este câștigul la o frecvență dată.

Se determină de obicei la frecvențele de tăiere unde are o valoare maximă

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

Sau este exprimat în dB prin formulele:

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

M în dB = 20 lg M în = K o dB - K vdB

Aceste formule au un singur inconvenient: o creștere a caracteristicii corespunde unui semn minus și unei scăderi - un plus, care încalcă ideea obișnuită că valorile pozitive sunt depuse deasupra nivelului zero, iar cele negative - dedesubt.

Prin urmare, atunci când se construiește răspunsul în frecvență, se folosește un blanc standard, pe care câștigul relativ (Y) în dB este reprezentat de-a lungul ordonatei, iar aceasta este reciproca factorului de distorsiune a frecvenței, adică.

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

Pentru un amplificator cu mai multe trepte, distorsiunea de frecvență (M) și câștigul relativ (Y) sunt definite ca produsul coeficienților în termeni relativi sau ca suma lor în dB.

Prin urmare, dacă la o frecvență într-o etapă are loc o scădere, iar în alta - aceeași creștere, atunci răspunsul general în frecvență va fi fără distorsiuni, care este utilizat pentru a corecta răspunsul în frecvență.

Distorsiunile de frecvență care sunt greu de observat pentru ureche sunt - + 2 dB, iar această valoare este considerată acceptabilă pentru UAS.

Fază- Acestea sunt distorsiuni ale formei de undă cauzate de faptul că defazajul dintre semnalul de ieșire și cel de intrare nu este proporțional cu frecvența. Motivul este prezența elementelor reactive. La fel ca distorsiunile de frecvență, distorsiunile de fază afectează amplificarea unui semnal complex, în care relația dintre fazele componentelor individuale este încălcată. Aceste distorsiuni pot fi estimate prin caracteristica de fază, adică dependența unghiului de fază de frecvență: φ = f (f).

Fig. 6 Descompunerea unui semnal complex și a unui răspuns de fază

Distorsiunile de fază nu sunt audibile, dar dacă amplificatorul are un circuit de feedback, atunci pot duce la generarea la frecvențe înalte.

neliniar - este o modificare a formei de undă cauzată de neliniaritatea caracteristicilor tranzistoarelor.

Fig. 7 Caracteristica de intrare a tranzistorului

Graficul arată că, în absența unui semnal la bază, acționează tensiunea de bază de repaus U bs și curge curentul de bază de repaus I b - acestea corespund punctului de repaus P. Apar distorsiuni, deoarece secțiunea curbilinie a caracteristicii PA este folosit.

Motivele apariției distorsiunilor neliniare pot fi atât neliniaritatea caracteristicilor de ieșire, cât și neuniformitatea deplasării lor cu modificări egale ale curentului de bază.

Orice curbă nesinusoidală este descompusă în componente: cea principală - cu frecvența semnalului și armonici de ordin superior - cu frecvențe care sunt multiple ale frecvenței semnalului principal. Și apoi, când se aplică un semnal cu o frecvență de 400 Hz, la ieșire pot fi obținute semnale cu frecvențe de 400, 800, 1200, 1600 etc. Hz.

În plus, pot exista combinație de tonuri - acestea sunt oscilații cu frecvențe reprezentând suma sau diferența oricărei perechi de componente ale unui semnal complex. Ele fac sunetul răgușit, zdrăngănit și vorbirea de neinteligibil.

Pentru a lua în considerare distorsiunile neliniare se introduce conceptul de coeficient armonic K g

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

K g = √ U 2 + U 3 +… ../ U 1 100%

Coeficientul armonic exprimă fracțiunea valorilor eficace ale armonicilor superioare ca procent din semnalul fundamental.

Dacă vreuna dintre armonici prevalează, atunci formula poate fi simplificată:

K g = I 2 / I 1 100% - conform armonicii a doua;

K g = I 3 / I 1 100% la a treia armonică.

Trebuie să știți că a treia armonică predomină într-un semnal echilibrat, iar a doua armonică într-un semnal dezechilibrat. Numeric, distorsiunea armonică nu trebuie să depășească 1% la frecvențe medii.

• Tutorial

Pe site-urile audiofile, se obișnuiește să sperii vizitatorii cu distorsiuni de intermodulație, totuși, deoarece majoritatea publicațiilor pe această temă folosesc pe scară largă tehnologia copy-paste, este foarte greu de înțeles de ce apar aceste distorsiuni și de ce sunt atât de groaznice. Astăzi voi încerca, pe cât îmi pot și pe volumul articolului, să reflect exact natura acestor teribile EI.

Subiectul distorsiunilor semnalului în UMZCH a fost abordat la mine, dar ultima dată am atins doar puțin despre distorsiunile liniare și neliniare. Astăzi vom încerca să înțelegem cele mai neplăcute pentru ureche, evazive pentru analiză și greu de eliminat pentru proiectanții distorsiunilor de intermodulație ULF. Motivele apariției lor și relația cu feedback-ul îmi pare rău pentru jocul de cuvinte.

Amplificator operațional sub formă de triunghi alb

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

Luați în considerare un amplificator sub forma unei cutii negre, sau mai degrabă a unui triunghi alb, așa cum sunt de obicei notate în circuite, fără a intra în detaliile dispozitivului său.

Atribuirea pinilor amplificatorului operațional

Intrare non-inversoare:

Intrare inversă:

Sursa de alimentare plus:

Sursa de alimentare minus:

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

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

Unde este câștigul în buclă deschisă

Deoarece scopul nostru nu este amplificarea tensiunilor DC, ci amplificarea vibrațiilor sonore, să luăm în considerare, de exemplu, dependența unui amplificator operațional LM324 ieftin de frecvența vibrațiilor sinusoidale de intrare.

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

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

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

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

Nu este ușor să introduci feedback într-un circuit amplificator, dar foarte simplu. Să nu mergem departe, luați în considerare cum se poate face acest lucru folosind un exemplu din al meu.

Feedback-ul din acest circuit este transmis la intrarea de inversare a amplificatorului operațional prin rezistorul R2, sau mai degrabă divizorul de tensiune de la R2 și R1.

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

Tocmai am primit AMPLIFICATORUL PERFECT așa?

Din păcate, nu, deoarece orice monedă are cap și coadă, deci feedback-ul are partea sa întunecată.

Ce este bun pentru un rus, apoi moarte pentru un german sau puțină tehnologie radio

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

Cea mai mare amplitudine va avea armonici, numite armonici de ordinul doi cu frecvente:

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

La ieșire, obținem o gamă largă de semnale:

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

IMD (IMD)- distorsiunea intermodulatiei

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

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

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

Partea întunecată a feedback-ului

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

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

Ceea ce am primit la ieșire arată foarte diferit de semnalul de intrare. Ce s-a întâmplat și de ce nu ne-a ajutat feedback-ul? Ca întotdeauna, de vină este fizica, lumea ei este mult mai complicată decât modelele noastre matematice bazate pe aproximări brute. Cert este că amplificatorul nostru este un dispozitiv foarte complex.

Excursie în lumea reală. Feedback negativ general în amplificatorul de putere audio

Neliniaritatea inerentă etajelor tranzistoarelor îi obligă pe proiectanți să folosească feedback negativ puternic ca cea mai simplă soluție pentru a ajusta parametrii amplificatorului pentru a îndeplini cerințele pentru distorsiunea armonică și intermodulație scăzută, desigur, măsurată folosind metode standard. Drept urmare, amplificatoarele de putere industriale cu o adâncime OOS de 60 și chiar 100 dB nu sunt neobișnuite astăzi.
Să descriem un circuit real al unui simplu amplificator de putere cu tranzistor. Putem spune că este una în trei etape. Prima treaptă de amplificare se bazează pe amplificatorul operațional A1, a doua pe tranzistoarele T1-T2 și a treia este tot tranzistorul T3-T4. În acest caz, amplificatorul este acoperit de un circuit de feedback general, este evidențiat într-o buclă roșie, care este alimentată printr-un rezistor R6 la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Cuvânt cheie aici general- feedback-ul este alimentat aici nu de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea acestuia, ci de la ieșirea întregului amplificator.

Ca rezultat, amplificatorul operațional, datorită câștigului său enorm, ar trebui să ajute etapele amplificatoarelor cu tranzistori să facă față diferitelor tipuri de neliniarități și interferențe. Le enumerăm mai jos pe cele principale:

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

Și OU ajută, dar ca un prost care se roagă lui Dumnezeu dintr-un aforism binecunoscut uneori cu prea zel. Există probleme cu capacitatea de suprasarcină a etajelor individuale, ale căror tranzistori intră în modul de limitare a semnalului. Acestea trec de la modul liniar, desigur, relativ liniar la modurile de tăiere sau de saturație. Ei pleacă foarte repede și se întorc la el mult mai încet, ceea ce se datorează procesului negrabă de resorbție a surselor minore de sarcină în joncțiunile semiconductoare. Să aruncăm o privire mai atentă asupra acestui proces și a consecințelor sale.

Distorsiunea de intermodulație dinamică TIM. Supraîncărcare a amplificatorului și efect de tăiere

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

La amplificatoarele cu tranzistori, capacitatea de suprasarcină este mică, mai ales în etapele terminale și preterminale. Puterea nominală diferă adesea de maximă cu doar 40 la sută, aceasta este mai mică de 3 dB.

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

Tensiunea la intrarea amplificatorului de putere V 2 are un timp de creștere determinat de preamplificator, puteți vedea pe grafic că este netezit. Cu toate acestea, există o depășire a tensiunii V 3 la ieșirea sumatorului, cauzată de dorința feedback-ului de a compensa răspunsul lent al amplificatorului de putere A cu o amplitudine de V max.

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

Mai sus este un grafic al unui efect extrem de neplăcut numit tăierea amplificatorului, care este un produs al feedback-ului. La ieșirea A1 obținem efectul de limitare a amplitudinii, iar la ieșirea amplificatorului este un semnal distorsionat.

Tehnici de măsurare a distorsiunii de intermodulație și metode de tratare a acestora

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

Cea mai comună este utilizarea frecvențelor de 400 și 4000 Hz, aprobate în standardul DIN 45403, GOST 16122-88 și IEC 60268-5. Amplitudinea semnalului cu frecvența f 1 este de 12 dB de 4 ori mai mare decât amplitudinea semnalului cu frecvența f 2. În funcție de neliniaritatea caracteristicii, la punctul de funcționare simetric față de frecvența f 2 se formează oscilații de diferență și combinație totală f 2 ± f 1, și f 2 ± 2f 1 de ordine superioară. Oscilațiile combinate care apar de ordinul doi cu frecvențele f 2 ± f 1 caracterizează pătratica, iar de ordinul al treilea cu frecvențele f 2 ± 2f 1 - distorsiuni cubice ale obiectului de măsurat.

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

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

Cu aproximativ 30 de ani în urmă, pentru a măsura coeficientul de distorsiune de intermodulație, erau necesare instrumente complexe și costisitoare, disponibile numai în laboratoare și studiouri, de exemplu, compoziția unui stand de măsurare pentru un amplificator fono:

1. Placa turnantă de discuri de vinil;
2. Placă de măsurare;
3. Ridica;
4. Amplificator corector;
5. filtru trece banda;
6. detector liniar;
7. Filtru trece jos.
8. Și, desigur, V este un voltmetru care poate măsura valoarea efectivă a oscilațiilor sinusoidale!

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

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

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

Efect de tăiere ULF

Adaugă etichete

În timpul procesului de amplificare, dispozitivul nu trebuie să modifice forma de undă a semnalului. Cu toate acestea, din diverse motive, forma de undă a oscilației la ieșirea amplificatorului poate diferi de forma de undă de la intrare, adică. amplificatorul introduce distorsiunea semnalului. Când sunetul este reprodus, această distorsiune îi afectează timbrul și

frecvența, imaginea este distorsionată în dispozitivele de televiziune etc.

În funcție de cauza apariției distorsiunilor, acestea se împart în liniare (frecvență și fază, datorită elementelor de rezistență reactive) și neliniare.

Distorsiunea de frecvență introdusă de amplificator este estimată prin caracteristica amplitudine-frecvență (AFC).

Raspuns in frecventa se numește dependența modulului câștigului de frecvență. Pentru simplitate, se numește răspuns în frecvență. Este o reprezentare grafică a câștigului față de frecvența semnalului de intrare. Pe axa ordonatelor răspunsului în frecvență, valoarea câștigului este reprezentată într-o scară liniară, iar pe axa absciselor, valoarea frecvenței semnalului de intrare în

scară logaritmică, deoarece intervalul de frecvență al semnalului de intrare este adesea foarte larg.

În figura 1.5, o linie dreaptă 1 arată răspunsul în frecvență ideal al unui amplificator care nu introduce distorsiuni de frecvență; curba 2 - caracteristica reală a amplificatorului, atenuând (tândind) frecvențele inferioare și superioare ale intervalului specificat.

Distorsiunile de frecvență sunt estimate cantitativ prin factorul de distorsiune a frecvenței M, care este raportul câștigului la frecvențe medii K cf. la câștigul la o frecvență dată K f.

M = K cp / K f. (1,18)

Figura 1.5 - Caracteristici amplitudine - frecvență

amplificator (răspuns în frecvență)

La amplificatoarele audio, frecvența centrală este de obicei 400Hz sau 1000Hz.

Factorul total de distorsiune a frecvenței unui amplificator cu mai multe trepte este egal cu produsul distorsiunii de frecvență a treptelor individuale:

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

Factorul de distorsiune a frecvenței poate fi de asemenea exprimat
și în unități logaritmice:

M [d B] = 20 · 1 gM, (1,20)

Pentru un amplificator cu mai multe trepte, distorsiunea totală a frecvenței în unități logaritmice

M total = M 1 + M 2 [dB] + .... + M n (dВ). (1,21)

Gama de frecvență de operare, sau lățimea de bandă, este intervalul de frecvență de la f H inainte de f Bîn limitele cărora distorsiunea de frecvenţă nu depăşeşte valoarea admisă.

Interval mediu, distorsiune de frecvență M = 1, la alte frecvențe, la care câștigul este mai mic decât în ​​medie, M> 1(panta de frecventa). La frecvențele de creștere a răspunsului în frecvență M<1.

Cantitatea admisibilă de distorsiune a frecvenței este determinată de scopul amplificatorului. Deci, de exemplu, în amplificatoarele audio high-end M nu ar trebui sa depaseasca 2 dB la frecvente de la 30 Hz până la 20 kHz... Dacă nu sunt impuse cerințe speciale amplificatorului, atunci intervalul de frecvență de operare

determinate la nivel 3dB., adică limitele benzii de trecere sunt frecvențele la care câștigul scade cu cel mult √2 = l, 41 ori.

d- Caracteristica de fază a amplificatorului. Dependența unghiului de fază dintre tensiunile de ieșire și de intrare ale amplificatorului de frecvență se numește fază-frecvență (FFC) sau fază. Deplasările de fază în amplificator rezultă din prezența elementelor reactive (inductanțe, capacități) în acesta.

Într-un amplificator ideal, toate componentele, indiferent de frecvența lor, sunt deplasate în același timp. În acest caz, poziția relativă a sinusoidelor de diferite frecvențe nu se modifică. Prin urmare, nici forma semnalului de ieșire nu se modifică. În acest caz, caracteristica de fază, care exprimă dependența direct proporțională a unghiului de defazare φ de frecvența f, este o linie dreaptă 1, așa cum se arată în Figura 1.6.

Figura 1.6- Caracteristica de fază a amplificatorului

Într-un amplificator real, valoarea unghiului de fază depinde de frecvență. Și componenta semnalului care are frecvențe diferite se dovedește a fi deplasată cu unghiuri diferite. Aceasta distorsionează forma de undă de ieșire.

Răspunsul fază-frecvență al unui amplificator real este prezentat în Figura 1.6 2. Cu valori pozitive ale unghiului de defazare, semnalul de ieșire conduce semnalul de intrare, cu valori negative, semnalul de ieșire rămâne în urma semnalului de intrare. Distorsiunea formei de undă de ieșire cauzată de diferite schimbări de fază

componentele unui semnal care diferă ca frecvență se numesc distorsiuni de fază.

La amplificatoarele de semnale de frecvență audio, distorsiunile de fază nu sunt luate în considerare, deoarece acestea practic nu sunt percepute de ureche.

e - Răspuns tranzitoriu... La amplificatoarele de semnale de impuls, forma tensiunii de ieșire depinde de procesele tranzitorii de stabilire a curenților și tensiunilor în circuitele care conțin elemente reactive. Pentru a estima distorsiunile liniare, numite distorsiuni tranzitorii de impuls, este convenabil

utilizați răspunsul tranzitoriu.

Răspunsul tranzitoriu al unui amplificator se numește dependență

valoarea instantanee a tensiunii sau curentului la ieșire față de timpul U out = f (t) atunci când la intrare este aplicată o singură schimbare bruscă a tensiunii sau curentului (funcția de unitate).

Cel mai adesea, intrarea amplificatorului este afectată de un impuls dreptunghiular de durată finită, așa cum se arată în Figura 1.7.

Figura 1.7 - Răspunsul tranzitoriu al amplificatorului

Când se aplică un impuls dreptunghiular la intrarea amplificatorului, tensiunea de ieșire va avea o formă distorsionată în Figura 1.7.

Distorsiunile tranzitorii sunt clasificate ca distorsiuni la marginea anterioară și distorsiuni de vârf plat. Distorsiunile frontale se caracterizează prin:

Timp de stabilire t yc. acestea. timpul de creștere a pulsului de la 0,1

Până la 0,9U max;

Depășirea frontului pulsului δ, determinată de raportul de tensiune

supratensiunea ∆U la tensiunea permanentă U.

Cantitatea admisibilă de distorsiune tranzitorie este determinată de scopul amplificatorului.

e - Distorsiune neliniară... Distorsiunile neliniare provoacă modificări ale formei de undă a semnalului cauzate de neliniaritatea caracteristicilor elementelor circuitului amplificator (tranzistoare, lămpi, diode, transformatoare).

Cu caracteristici neliniare, nu există o proporționalitate directă între curent și tensiuni, drept urmare, cu un semnal sinusoidal la intrare, semnalul de ieșire este nesinusoidal. Cu cât neliniaritatea secțiunii utilizate a caracteristicii este mai mare, i.e. cu cât se abate mai mult de la o linie dreaptă, cu atât semnalul este mai distorsionat.

Apariția distorsiunilor neliniare în amplificatoare este ilustrată de graficul din Figura 1.8. Atunci când la baza tranzistorului este aplicată o tensiune sinusoidală în prima jumătate de ciclu, se utilizează o secțiune a caracteristicii RB care are o mare

abrupta; prin urmare, curba curentului are o amplitudine mare. În a doua jumătate de perioadă, se utilizează o secțiune a RA, a cărei pantă scade odată cu scăderea tensiunii de bază; prin urmare, curba curentului de intrare este tocită.

Curba nesinusoidală rezultată a semnalului de ieșire rezultat din distorsiuni neliniare poate fi descompusă de componente armonice sau, altfel, armonice.

Figura 1.8 - Distorsiunea formei semnalului de ieșire

Nivelul general de distorsiune neliniară este cuantificat prin coeficientul de distorsiune neliniară (coeficient

armonici): _____

Kg = (V U 2 m2 + U 2 m3 + U 2 m4) / U m1, (1,22)

unde sunt U m1, U m2 și U m3 sunt amplitudinile primului, al doilea, al treilea etc. armonicele semnalului de ieșire.

În practică, doar a doua și a treia armonică contează, deoarece au cea mai mare amplitudine a semnalului, restul armonicilor au amplitudini mici.

Un alt tip de distorsiune neliniară se datorează apariției frecvențelor combinate în semnalul de ieșire, adică. frecvențele obținute ca sumă sau diferență între oricare (inclusiv prima) armonică a diferitelor semnale prezente la intrarea amplificatorului. O astfel de distorsiune este denumită în mod obișnuit distorsiune de intermodulație. În practică, distorsiunile de intermodulație de ordinul doi și trei sunt importante (dacă f 1 și f 2- frecventele prezente la intrare, apoi distorsiunea de intermodulatie a secundei

de ordin se datorează prezenţei la ieşirea amplificatorului de semnale cu frecvenţe f 1 ± f 2, și distorsiunea de intermodulație de ordinul trei - cu frecvențe 2f 1 ± f 2 și 2f 2 ± f 1).

Raportul de intermodulație este raportul dintre puterea produselor de intermodulație la ieșirea amplificatorului și puterea minimă posibilă de ieșire a semnalului util, care depășește nivelul de zgomot al amplificatorului.

Distorsiunea armonică este practic invizibilă la ureche dacă distorsiunea armonică nu depășește 0,2 ... 0,3%.

La amplificatoarele de comunicație multicanal, liniaritatea ar trebui să fie ridicată, astfel încât armonicile și frecvențele combinate să nu ajungă de la un canal la altul, de exemplu. astfel încât să nu existe distorsiuni încrucișate. În astfel de amplificatoare, neliniaritatea este estimată prin atenuarea a sau, prin atenuarea neliniarității armonicii secunde a 2 sau a 3:

a = 20lgU m1 / (VU 2 m2 + U 2 m3); a 2 = 20 1gU m1 / U m2, a 3 = 20 1gU m1 / U m3. (1,23)

g- Cifra de zgomot... Interferența se numește tensiuni străine care nu sunt legate de semnal și independente de acesta la ieșirea unui amplificator pornit.Interferența apar în circuitele amplificatorului din diverse motive. Ele sunt de obicei împărțite în zgomot termic al rezistențelor și conductoarelor, zgomotul elementelor de amplificare, zgomotul efectului de microfon, zgomotul AC de la o sursă de alimentare și interferența din surse străine.

Zgomot termic rezistența activă este creată de mișcarea termică haotică a electronilor liberi, care poate fi considerat ca un curent care se schimbă aleatoriu în mărime și direcție în absența tensiunii externe.

Zgomotul amplificatorului creat din cauza denivelării
emisia sau injectarea purtătorilor de sarcină, distribuția neuniformă a curentului între electrozi, zgomotul termic și alte motive în funcție de proprietățile și procesele fizice în timpul funcționării amplificatorului
element.

Zgomote cu efect de microfon apar în timpul influențelor mecanice asupra elementelor amplificatorului de vibrații, unde sonore, șocuri, care duc la modificarea distanțelor dintre firele de legătură din circuitele de intrare sau între electrozii lămpii și provoacă modificări ale curentului și apariția zgomotului. tensiune la ieșire. Tranzistoarele și cablurile imprimate au un efect mic sau deloc mic; afectează furtunurile de conectare, transformatoarele de intrare din permalloy și cablajul.

Dezordine de fundal curentul alternativ sunt vibrații cu o frecvență care este un multiplu al frecvenței rețelei de alimentare (50, 100, 150 Hz), și se aud în difuzor ca un zumzet.

Ghidat numită interferența rezultată din inducerea tensiunii în circuitele amplificatoarelor din cauza influenței câmpurilor electrice și magnetice externe, a curenților de scurgere, a conexiunilor galvanice.

O evaluare cantitativă a proprietăților de zgomot ale unui amplificator este cifra de zgomot. Prin urmare, cifra de zgomot este determinată de formulă

K w = 1 + P w.sobst ./ (P w.in. K p), (1,24)

unde - P sh. sobst. - putere de zgomot intrinsecă (putere adăugată semnalului

zgomot);
R w.in. - puterea de zgomot la intrarea amplificatorului;
K p este câștigul de putere.

Cifra de zgomot este întotdeauna mai mare decât unu. Pentru amplificarea normală, tensiunea semnalului trebuie să depășească tensiunea de zgomot de 2..3 ori. Factorul K sh nu determină fără ambiguitate nivelul absolut de zgomot la

Ieșire. Prin urmare, pentru evaluarea amplificatoarelor high-end, un parametru important este raportul semnal-zgomot, care este raportul dintre tensiunea semnalului de ieșire (la puterea nominală de ieșire a amplificatorului Pn.nom.) și tensiunea totală de zgomot la ieșirea. La amplificatoarele high-end, raportul semnal-zgomot este de 60 ... 100 dB (de 1000 sau de mai multe ori).

h - Caracteristica de amplitudine amplificatorul este dependența de starea de echilibru a semnalului tensiunii de ieșire de la intrare. Deoarece câștigul unui amplificator ideal este o valoare constantă care nu depinde de mărimea semnalului de intrare, caracteristica de amplitudine a acestuia este o linie dreaptă care trece prin origine, la un unghi determinat de câștigul amplificatorului (linia întreruptă din figură). 1.9).

Caracteristica de amplitudine a unui amplificator real nu trece prin origine, ci se îndoaie la tensiuni de intrare mici, traversând axa verticală în punctul U p, deoarece în absența unui semnal de intrare, tensiunea de ieșire a amplificatorului este egală cu tensiunea de autozgomot în circuitul său de ieșire U p.

Figura 1.9 - Caracteristica de amplitudine a amplificatorului

La tensiuni de intrare prea mari, caracteristica de amplitudine reală se abate și ea de cea ideală, îndoiindu-se din cauza supraîncărcării elementelor de amplificare conținute în circuitul amplificator. Figura 1.9 arată că un amplificator real poate amplifica semnalele furnizate la intrarea sa cu o tensiune nu mai mică de U min. de intrare, deoarece semnalele mai slabe vor fi înfundate de tensiunea de zgomot proprie a amplificatorului U p și nu mai mare decât U de intrare max., În caz contrar amplificatorul va introduce distorsiuni neliniare mari.

Raportul lui U la x .max / U la x .min. caracterizează gama de tensiuni de semnal amplificate de amplificator fără interferențe și distorsiuni excesive și se numește domeniul dinamic al amplificatorului D y c.

D mustață. = 20lg (U în max. / U în min.). (1,25)

Pentru a evita distorsiunile excesive în timpul amplificării semnalelor minime și maxime, intervalul dinamic al amplificatorului nu trebuie să fie mai mic decât domeniul dinamic al semnalului. În cazurile în care această condiție nu poate fi îndeplinită, domeniul de semnal este comprimat utilizând controlul manual sau automat al câștigului. Gama dinamică de fonogramă magnetică 40-50 dB, microfoane de studio și casetofone de înaltă calitate - 60 dB.

• Tutorial

Pe site-urile audiofile, se obișnuiește să sperii vizitatorii cu distorsiuni de intermodulație, totuși, deoarece majoritatea publicațiilor pe această temă folosesc pe scară largă tehnologia copy-paste, este foarte greu de înțeles de ce apar aceste distorsiuni și de ce sunt atât de groaznice. Astăzi voi încerca, pe cât îmi pot și pe volumul articolului, să reflect exact natura acestor teribile EI.

Subiectul distorsiunilor semnalului în UMZCH a fost abordat în articolul meu anterior, dar ultima dată am atins doar puțin despre distorsiunile liniare și neliniare. Astăzi vom încerca să înțelegem cele mai neplăcute pentru ureche, evazive pentru analiză și greu de eliminat pentru proiectanții distorsiunilor de intermodulație ULF. Motivele apariției lor și relația cu feedback-ul îmi pare rău pentru jocul de cuvinte.

Amplificator operațional sub formă de triunghi alb

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

Luați în considerare un amplificator sub forma unei cutii negre, sau mai degrabă a unui triunghi alb, așa cum sunt de obicei notate în circuite, fără a intra în detaliile dispozitivului său.

Atribuirea pinilor amplificatorului operațional

Intrare non-inversoare:

Intrare inversă:

Sursa de alimentare plus:

Sursa de alimentare minus:

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

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

Unde este câștigul în buclă deschisă

Deoarece scopul nostru nu este amplificarea tensiunilor DC, ci amplificarea vibrațiilor sonore, să luăm în considerare, de exemplu, dependența unui amplificator operațional LM324 ieftin de frecvența vibrațiilor sinusoidale de intrare.

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

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

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

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

Nu este ușor să introduci feedback într-un circuit amplificator, dar foarte simplu. Să nu mergem departe, luați în considerare cum se poate face acest lucru folosind un exemplu din ultimul meu articol despre micile trucuri de trasare a circuitelor pe amplificatoare operaționale.

Feedback-ul din acest circuit este transmis la intrarea de inversare a amplificatorului operațional prin rezistorul R2, sau mai degrabă divizorul de tensiune de la R2 și R1.

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

Tocmai am primit AMPLIFICATORUL PERFECT așa?

Din păcate, nu, deoarece orice monedă are cap și coadă, deci feedback-ul are partea sa întunecată.

Ce este bun pentru un rus, apoi moarte pentru un german sau puțină tehnologie radio

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

Cea mai mare amplitudine va avea armonici, numite armonici de ordinul doi cu frecvente:

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

La ieșire, obținem o gamă largă de semnale:

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

IMD (IMD)- distorsiunea intermodulatiei

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

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

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

Partea întunecată a feedback-ului

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

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

Ceea ce am primit la ieșire arată foarte diferit de semnalul de intrare. Ce s-a întâmplat și de ce nu ne-a ajutat feedback-ul? Ca întotdeauna, de vină este fizica, lumea ei este mult mai complicată decât modelele noastre matematice bazate pe aproximări brute. Cert este că amplificatorul nostru este un dispozitiv foarte complex.

Excursie în lumea reală. Feedback negativ general în amplificatorul de putere audio

Neliniaritatea inerentă etajelor tranzistoarelor îi obligă pe proiectanți să folosească feedback negativ puternic ca cea mai simplă soluție pentru a ajusta parametrii amplificatorului pentru a îndeplini cerințele pentru distorsiunea armonică și intermodulație scăzută, desigur, măsurată folosind metode standard. Drept urmare, amplificatoarele de putere industriale cu o adâncime OOS de 60 și chiar 100 dB nu sunt neobișnuite astăzi.
Să descriem un circuit real al unui simplu amplificator de putere cu tranzistor. Putem spune că este una în trei etape. Prima treaptă de amplificare se bazează pe amplificatorul operațional A1, a doua pe tranzistoarele T1-T2 și a treia este tot tranzistorul T3-T4. În acest caz, amplificatorul este acoperit de un circuit de feedback general, este evidențiat într-o buclă roșie, care este alimentată printr-un rezistor R6 la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Cuvânt cheie aici general- feedback-ul este alimentat aici nu de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea acestuia, ci de la ieșirea întregului amplificator.

Ca rezultat, amplificatorul operațional, datorită câștigului său enorm, ar trebui să ajute etapele amplificatoarelor cu tranzistori să facă față diferitelor tipuri de neliniarități și interferențe. Le enumerăm mai jos pe cele principale:

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

Și OU ajută, dar ca un prost care se roagă lui Dumnezeu dintr-un aforism binecunoscut uneori cu prea zel. Există probleme cu capacitatea de suprasarcină a etajelor individuale, ale căror tranzistori intră în modul de limitare a semnalului. Acestea trec de la modul liniar, desigur, relativ liniar la modurile de tăiere sau de saturație. Ei pleacă foarte repede și se întorc la el mult mai încet, ceea ce se datorează procesului negrabă de resorbție a surselor minore de sarcină în joncțiunile semiconductoare. Să aruncăm o privire mai atentă asupra acestui proces și a consecințelor sale.

Distorsiunea de intermodulație dinamică TIM. Supraîncărcare a amplificatorului și efect de tăiere

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

La amplificatoarele cu tranzistori, capacitatea de suprasarcină este mică, mai ales în etapele terminale și preterminale. Puterea nominală diferă adesea de maximă cu doar 40 la sută, aceasta este mai mică de 3 dB.

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

Tensiunea la intrarea amplificatorului de putere V 2 are un timp de creștere determinat de preamplificator, puteți vedea pe grafic că este netezit. Cu toate acestea, există o depășire a tensiunii V 3 la ieșirea sumatorului, cauzată de dorința feedback-ului de a compensa răspunsul lent al amplificatorului de putere A cu o amplitudine de V max.

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

Mai sus este un grafic al unui efect extrem de neplăcut numit tăierea amplificatorului, care este un produs al feedback-ului. La ieșirea A1 obținem efectul de limitare a amplitudinii, iar la ieșirea amplificatorului este un semnal distorsionat.

Tehnici de măsurare a distorsiunii de intermodulație și metode de tratare a acestora

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

Cea mai comună este utilizarea frecvențelor de 400 și 4000 Hz, aprobate în standardul DIN 45403, GOST 16122-88 și IEC 60268-5. Amplitudinea semnalului cu frecvența f 1 este de 12 dB de 4 ori mai mare decât amplitudinea semnalului cu frecvența f 2. În funcție de neliniaritatea caracteristicii, la punctul de funcționare simetric față de frecvența f 2 se formează oscilații de diferență și combinație totală f 2 ± f 1, și f 2 ± 2f 1 de ordine superioară. Oscilațiile combinate care apar de ordinul doi cu frecvențele f 2 ± f 1 caracterizează pătratica, iar de ordinul al treilea cu frecvențele f 2 ± 2f 1 - distorsiuni cubice ale obiectului de măsurat.

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

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

Cu aproximativ 30 de ani în urmă, pentru a măsura coeficientul de distorsiune de intermodulație, erau necesare instrumente complexe și costisitoare, disponibile numai în laboratoare și studiouri, de exemplu, compoziția unui stand de măsurare pentru un amplificator fono:

1. Placa turnantă de discuri de vinil;
2. Placă de măsurare;
3. Ridica;
4. Amplificator corector;
5. filtru trece banda;
6. detector liniar;
7. Filtru trece jos.
8. Și, desigur, V este un voltmetru care poate măsura valoarea efectivă a oscilațiilor sinusoidale!

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

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

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