Благодаря торговым сетям и интернет магазинам разнообразие предлагаемой к продаже аудиоаппаратуры зашкаливает за все разумные пределы. Каким образом выбрать аппарат, удовлетворяющий вашим потребностям к качеству, существенно не переплатив?
Если вы не аудиофил и подбор аппаратуры не является для вас смыслом жизни, то самый простой путь - уверенно ориентироваться в технических характеристиках звукоусилительной аппаратуры и научиться извлекать полезную информацию между строк паспортов и инструкций, критически относясь к щедрым обещаниям. Если вы не ощущаете разницы между dB и dBm, номинальную мощность
не отличаете от PMPO и желаете наконец узнать, что такое THD, также сможете найти интересное под катом.
Краткое содержание статьи
Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
Разделяй и властвуй - раскладываем сигнал в спектр.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики.
Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром.
Чайник дёгтя в банке мёда.
Я надеюсь что материалы данной статьи будут полезны для понимания следующей, которая имеет намного более сложную тему - «Перекрёстные искажения и обратная связь, как один из их источников».
Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления - отношение выходного параметра усилителя к входному. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току или мощности:
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по мощности
Коэффициент усиления УНЧ может быть очень большим, ещё большими значениями выражаются усиление операционных усилителей и радиотрактов различной аппаратуры. Цифрами с большим количеством нулей не слишком удобно оперировать, ещё сложнее отображать на графике различного рода зависимости имеющие величины, отличающиеся между собой в тысячу и более раз. Удобный выход из положения - представление величин в логарифмическом масштабе. В акустике это вдвойне удобно, поскольку ухо имеет чувствительность близкую к логарифмической.
Поэтому коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах - децибелах (русское обозначение: дБ; международное: dB)
Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, поэтому величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей, а коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:
Немного другим образом обстоит дело с «неэнергетическими» величинами. Для примера возьмём ток и выразим через него мощность, воспользовавшись законом Ома:
тогда величина выраженная в децибелах через ток будет равна следующему выражению:
Аналогично и для напряжения. В результате получаем следующие формулы для вычисления коэффициентов усиления:
Коэффициент усиления по току в дБ:
Коэффициент усиления по напряжению в дБ:
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
В акустике «уровень интенсивности» или просто громкость звука L тоже измеряют в децибелах, при этом данный параметр является не абсолютным, а относительным! Всё потому, что сравнение ведётся с минимальным порогом слышимости человеческим ухом звука гармонического колебания - амплитудой звукового давления 20 мкПа. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления можно написать:
где не ток, а интенсивность звукового давления звука с частотой 1 кГц, который приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком.
Таким образом, когда говорят, что громкость звука равна 20 дБ, это означает, что интенсивность звуковой волны в 100 раз превышает порог слышимости звука человеком.
Кроме этого, в радиотехнике чрезвычайно распространена абсолютная величина измерения мощности dBm
(русское дБм), которая измеряется относительно мощности в 1 мВт. Мощность определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники - обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники - 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет примерно 20 мВт).
Разделяй и властвуй - раскладываем сигнал в спектр.
Пора переходить к более сложной теме - оценке искажений сигнала. Для начала придётся сделать небольшое вступление и поговорить о спектрах. Дело в том, что в звукотехнике и не только принято оперировать сигналами синусоидальной формы. Они часто встречаются в окружающем мире, поскольку огромное количество звуков создают колебания тех или иных предметов. Кроме того, строение слуховой системы человека отлично приспособлено для восприятия синусоидальных колебаний.
Любое синусоидальное колебание можно описать формулой:
где длина вектора, амплитуда колебаний, - начальный угол (фаза) вектора в нулевой момент времени, - угловая скорость, которая равна:
Важно, что с помощью суммы синусоидальных сигналов с разной амплитудой, частотой и фазой, можно описать периодически повторяющиеся сигналы любой формы. Сигналы, частоты которых отличаются от основной в целое число раз, называются гармониками исходной частоты. Для сигнала с базовой частотой f, сигналы с частотами
будут являться чётными гармониками, а сигналы
нечётными гармониками
Давайте для наглядности изобразим график пилообразного сигнала.
Для точного представления его через гармоники потребуется бесконечное число членов.
На практике для анализа сигналов используют ограниченное число гармоник с наибольшей амплитудой. Наглядно посмотреть процесс построения пилообразного сигнала из гармоник можно на рисунке ниже.
А вот как формируется меандр, с точностью до пятидесятой гармоники…
Подробнее о гармониках можно почитать в замечательной статье habrahabr.ru/post/219337 пользователя dlinyj, а нам пора переходить наконец к искажениям.
Наиболее простым методом оценки искажений сигналов является подача на вход усилителя одного или суммы нескольких гармонических сигналов и анализ наблюдающихся гармонических сигналов на выходе.
Если на выходе усилителя присутствуют сигналы тех же гармоник, что и на входе, искажения считаются линейными, потому-что они сводятся к изменению амплитуды и фазы входного сигнала.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал новые гармоники, что приводит к искажению формы входных сигналов.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой - АЧХ и часто изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на графике АЧХ типичного усилителя.
Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.
Диапазон частот ΔF
, в пределах которого мощность усилителя уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя
.
Однако, на графике обычно откладывают коэффициент усиления по напряжению, а не по мощности. Если обозначить максимальный коэффициент усиления по напряжению, как , то в пределах полосы пропускания коэффициент не должен опускаться ниже чем:
Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.
Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду
(интервал частот отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?
Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот, но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика усилителя.
При усилении колебаний только одной частоты, это вроде бы не страшно, но вот для более сложных сигналов приводит к существенным искажениям формы, хотя и не порождает новых гармоник. На картинке снизу показано как искажается двухчастотный сигнал.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.
На левом графике показаны искажения, вызванные наличием дополнительной чётной гармоники сигнала - ограничение амплитуды одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей гармоники - сигнал «обрезан» c двух сторон.
Во времена СССР нелинейные искажения усилителя было принято выражать с помощью коэффициента гармонических искажений КГИ. Определялся он следующим образом - на вход усилителя подавался сигнал определённой частоты, обычно 1000 Гц. Затем производилось вычисление уровня всех гармоник сигнала на выходе. За КГИ брали отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники - той самой, частота которой равна частоте входного синусоидального сигнала.
Аналогичный зарубежный параметр именуется как - total harmonic distortion for fundamental frequency.
Коэффициент гармонических искажений (КГИ или )
Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной практике гораздо большее распространение получил другой параметр оценки степени нелинейных искажений - КНИ.
Зарубежный аналог - total harmonic distortion for root mean square.
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или )
КНИ - величина равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.
Как КНИ, так и КГИ относительные величины, которые измеряются в процентах.
Величины этих параметров связаны соотношением:
Для сигналов простой формы величина искажений может быть вычислена аналитически. Ниже приведены значения КНИ для наиболее распространённых в аудиотехнике сигналов (значение КГИ указано в скобках).
0 % (0%) - форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3 % (3 %) - форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.
5 % (5 %) - отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.
10 % (10 %) - стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.
12 % (12 %) - идеально симметричный треугольный сигнал.
21 % (22 %) - «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы. 43 % (48 %) - идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).
63 % (80 %) - идеальный пилообразный сигнал.
Ещё лет двадцать назад для измерения гармонических искажений низкочастотного тракта использовались сложные дорогостоящие приборы. Один из них СК6-13 изображён на рисунке ниже. 
Сегодня с этой задачей гораздо лучше справляется внешняя компьютерная аудиокарта с комплектом специализированного ПО, общей стоимостью не превышающие 500USD.
Спектр сигнала на входе звуковой карты при тестировании усилителя низкой частоты.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется амплитудной характеристикой.
Амплитудная характеристика
идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых входных напряжениях.
На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля, так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.
В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.
В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб, который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.
Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники).
Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.
Белый шум.
Белый шум - это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком диапазоне частот.
Розовый шум.
Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих пор спорят учёные.
Фон от внешних источников.
Одна из основных причин шума - фон наводимый от посторонних источников, например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и кратные ей.
Самовозбуждение.
Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы, как правило определённой частоты.
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики
Номинальная мощность
Западный аналог RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение) В СССР определялась ГОСТом 23262-88 как усредненное значение подводимой электрической мощности синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц, которое вызывает нелинейные искажения сигнала, не превышающие заданное значение КНИ (THD). Указывается как у АС, так и у усилителей. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения, при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Для разных классов устройств КНИ может варьироваться очень существенно, от 1 до 10 процентов. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Акустические системы способны воспроизводить сигнал на RMS-мощности длительное время.
Паспортная шумовая мощность
Иногда ещё называют синусоидальной. Ближайший западный аналог DIN - электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов. Обычно DIN в 2-3 раза выше RMS.
Максимальная кратковременная мощность
Западный аналог PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). - электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжания) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Обычно в 10-20 раз выше DIN. Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система возможно перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят приводить именно этот параметр на упаковках и наклейках своей продукции… Огромные цифры данного параметра зачастую основаны исключительно на бурной фантазии маркетингового отдела производителей, и тут китайцы несомненно впереди планеты всей.
Максимальная долговременная мощность
Это электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).
Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром
Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.
Ага - вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции.:
Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.
“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”
Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см
Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность - лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf. Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.
Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия, так и к их интерпретации.
Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.
Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже - заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.
Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике
Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 - это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность
, но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос - как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?
Покупать такой аппарат или нет - решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче - да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.
Чайник дёгтя в банке мёда.
Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин:
- Многие параметры больше подходят не столько для объективного отражения качества сигнала, сколько для удобства измерения. Большинство проводятся на частоте 1000 Гц, которая очень удобна для получения наилучших численных результатов. Она располагается далеко от частоты фона электрической сети в 50 Гц и в самом линейном участке частотного диапазона усилителя.
- Производители зачастую грешат откровенной подгонкой характеристик усилителя под тесты. Например, даже во времена Советского Союза, УНЧ часто разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить наилучший показатель КГИ, при максимальной выходной паспортной мощности. В то же время, на половинном уровне мощности в двухтактных усилителях часто проявлялось искажение типа ступенька, из-за чего коэффициент гармонических искажений при среднем положении ручки громкости мог зашкаливать за 10%!
- В паспортах и инструкциях по эксплуатации часто приводятся нестандартные фейковые, абсолютно бесполезные характеристики типа PMPO. В то же время, не всегда можно найти даже такие базовые параметры как частотный диапазон или номинальную мощность. Про АЧХ и ФЧХ и говорить нечего!
- Измерение параметров нередко производится по, сознательно искажённым, методикам.
Не удивительно, что многие покупатели впадают в таких условиях в субъективизм и ориентируются при покупке, в лучшем случае, исключительно на результаты короткого прослушивания, в худшем на цену.
Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!
Разговор об оценке качества и причинах искажений усилителей низкой частоты мы продолжим в следующей статье. Вооружившись минимальным багажом знаний можно переходить к таким интересным темам как интермодуляционные искажения и их связь с глубиной обратной связи!
В заключение хочется выразить искреннюю благодарность Роману Парпалак parpalak за его проект онлайн-редактора с поддержкой латеха и маркдауна. Без этого инструмента и так непростой труд по внедрению математических формул в текст стал бы во истину адским.
- Tutorial
На аудиофильских сайтах принято пугать посетителей интермодуляционными искажениями, однако поскольку большинство публикаций на эту тему широко использую технологию копипаста, понять почему эти искажения возникают и чем так страшны очень сложно. Сегодня я постараюсь в меру своих способностей и объёма статьи отразить именно природу этих стрРрашных ИМИ.
Тема искажений сигнала в УМЗЧ была поднята в моей предыдущей статье , но в прошлый раз мы лишь слегка коснулись линейных и нелинейных искажений. Сегодня попробуем разобраться в наиболее неприятных на слух, трудноуловимых для анализа и сложноустранимых для проектировщиков УНЧ интермодуляционных искажениях. Причинах их возникновения и взаимосвязи с обратной связью сорри за каламбур.
Операционный усилитель как белый треугольник
Прежде чем говорить об обратной связи, сделаем небольшой экскурс в операционные усилители ОУ , поскольку сегодня транзисторные усилительные тракты без них практически не обходятся. Они могут присутствовать как в виде отдельных микросхем, так и входить в состав более сложных чипов - например интегральных усилителей низкой частоты - УНЧ .Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.
Назначение выводов операционного усилителя
Неинвертирующий вход:
Инвертирующий вход:
Плюс источника питания:
Минус источника питания:
Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.
Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:
Где - коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи
Поскольку наша цель не усиление постоянных напряжений, а звуковых колебаний давайте для примера рассмотрим зависимость недорогого ОУ LM324 от частоты входных синусоидальных колебаний.
На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом - ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой - 10 000 раз на постоянном токе!
Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход - ввести обратную связь.
Обратная связь - просто и сердито! Панацея от всех бед?
В данной статье не будем касаться основ теории операционных усилителей, при желании в интернете можно найти много информации на эту тему, например в цикле статей Игоря Петрова KriegeRВвести обратную связь в схему усилителя не просто, а очень просто. Давайте чтобы далеко не ходить рассмотрим как это можно сделать на примере из моей прошлой статьи про маленькие хитрости трассировки схем на Операционных усилителях .
Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.
Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением - индуктивную и ёмкостную.
Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?
К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.
Что русскому хорошо, то немцу - смерть или немного радиотехники
В радиотехнике хорошо известен эффект взаимодействия сигналов двух различных частот, поданных на нелинейный элемент, называемый интермодуляцией . В результате получается сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты исходных сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
Полученные частоты по амплитуде меньше родительских гармоник и как правило их уровень быстро убывает с увеличением целочисленных коэффициентов m и n.
Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:
и частотами гармоник третьего порядка :
В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора - гетеродина.
На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:
Но благодаря узкополосному фильтру ФПЧ выделяем нужный нам сигнал с промежуточной частотой f пр =f г -f с и усиливаем его в усилителе ПЧ. Затем происходит детектирование с помощью следующего нелинейного элемента, обычно диода и на выходе после фильтра низких частот на рисунке не изображён мы получаем сигнал звуковой частоты.
ИМИ (IMD) - интермодуляционные искажения
Однако, если для приёмников эффект интермодуляции жизненно необходим, в усилителях низкой частоты он вызывает возникновение нелинейных искажений, которые так и называют интермодуляционными. Ведь звуковой сигнал одновременно содержит гармоники большого количества частот, сильно отличающихся по амплитуде, а транзисторы, из которых состоит усилитель, как и диоды являются нелинейными элементами. Искажения, которые появляются благодаря описанному выше механизму, в англоязычных источниках именуют intermodulation distortion
сокращённо IMD
, кстати российское сокращение для них ИМИ
. Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.
Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи
Тёмная сторона обратной связи
Для того, чтобы её обнаружить соберём усилитель по на ОУ LM324, но с немного другими номиналами резисторов обратной связи так, чтобы получить единичное усиление.А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.
Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель - весьма сложное устройство.
Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты
Нелинейность, присущая транзисторным каскадам, вынуждает разработчиков использовать сильную отрицательную обратную связь как простейшее решение для подгонки параметров усилителя под соответствия требованиям по низкому уровню гармонических и интермодуляционных искажений разумеется измеренных по стандартным методикам. В результате промышленные усилители мощности, имеющие глубину ООС в 60 и даже 100 дБ, на сегодняшний день не являются редкостью.Изобразим реальную схему несложного транзисторного усилителя мощности. Можно сказать что он является трёхкаскадным. Первый усилительный каскад на ОУ А1, второй на транзисторах T1-T2 и третий также транзисторный Т3 -Т4. При этом усилитель охвачен цепью общей обратной связи она выделена красным контуром, которая подаётся через резистор R6 на неинвертирующий вход ОУ. Ключевое слово здесь общей - обратная связь тут подаётся не с выхода ОУ на его вход, а с выхода всего усилителя.
В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:
- транзисторы в подобном включении могут работают в весьма нелинейном режиме при переходе сигнала через ноль и для слабых сигналов;
- на выходе усилитель нагружен на комплексную нагрузку - акустическую систему. На схеме показан её эквивалент - сопротивление R15 и индуктивность L1;
- Транзисторы работают в тяжёлом тепловом режиме и температура их корпуса существенно зависит от выходной мощности, а от температуры сильно зависят их параметры;
- Ёмкости монтажа и различного рода наводки могут иметь приличное значение и ошибки трассировки легко могут привести к возникновению положительной обратной связи и самовозбуждению усилителя;
- Значительно возрастает роль помех, наводимых по питанию;
Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя
Перегрузочная способность усилителя это параметр, который описывает на сколько децибел номинальное выходное напряжение или мощность отличается от максимальной, когда начинаются ограничения выходного сигнала по питанию - clippingУ транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.
Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V 1 может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V 2 для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.
Напряжение на входе усилителя мощности V 2 имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V 3 , действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой V max
Выброс в сигнале V 3 может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.
Выше показан график крайне неприятного эффекта, который называют “клиппированием” усилителя и он является порождением обратной связи. На выходе А1 мы получаем в результате эффект ограничения по амплитуде, а на выходе усилителя искажённый сигнал.
Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними
Согласно стандартной методике для измерения интермодуляционных искажений на вход измеряемого объекта одновременно подаются два сигнала: низкой f 1 и высокой f 2 частот. К сожалению, в различных странах пользуются различными измерительными частотами. Разные стандарты предусматривают разные частоты - 100 и 5000 Гц, 50 и 1000 Гц…Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f 1 на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f 2 . В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f 2 образуются разностные и суммарные комбинационные колебания f 2 ± f 1 , и f 2 ± 2f 1 более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго порядка с частотами f 2 ± f 1 характеризуют квадратичные, а третьего порядка с частотами f 2 ± 2f 1 - кубические искажения объекта измерения.
Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.
Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.
Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:
- Проигрыватель виниловых пластинок;
- Измерительная пластинка;
- Звукосниматель;
- Корректирующий усилитель;
- Полосовой фильтр;
- Линейный детектор;
- Фильтр низких частот.
- Ну и конечно V - вольтметр, умеющий измерять действующее значение синусоидальных колебаний!
Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма - когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному - без прослушивания перед покупкой не обойтись.
Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.
ООС
Добавить метки
ВОПРОС №2
Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.
Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:
– частотные,
– фазовые,
– переходные,
– нелинейные.
Частотные искажения
Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.
Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.
Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.
Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М , который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах К СР к его значению данной частоте
Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением
Мобщ = М 1 ∙ М 2 ∙ ... ∙ М n ,
гдеn–количество каскадов;
М 1 , М 2 … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.
Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)
М [дБ] = 20 1gM.
Тогда для многокаскадного усилителя
М ОБЩ [дБ] = М 1 + М 2 + . . .+ М n .
Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).
Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.
Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.
АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах
или в логарифмических единицах Y = –20 1gM [дБ] , а по горизонтальной оси – частота.
К а
К Н К СР К В
Область Область Область
нижних средних верхних
частот частот частот
Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:
а) идеальная; б) реальная
Фазовые искажения
Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.
Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.
Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.
При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).
Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.
Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ 0 реальной характеристики от идеальной.
Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения
U ВХ 1-я гармоника U ВХ 1-я гармоника
2-я гармоника 2-я гармоника
U ВЫХ 1-я гармоника U ВЫХ 1-я гармоника
2-я гармоника 2-я гармоника
Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала
отдельных гармоник сигнала усилительным элементом
Δφ Н f Н f В f
Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:
а) идеальная; б) реальная
Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.
В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов
φ общ = φ 1 + φ 2 + … + φ n .
Переходные искажения
Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.
Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.
Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.
U ВХ t И
Рис.2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении
а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс
Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:
tф – длительность фронта,
ΔU C – спад вершины,
t C – длительность спада,
ΔU B – выброс фронта.
Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1U m . Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1U m достигнет уровня 0,9U m .
Длительность импульса t И определяется на уровне 0,1U m (0,1І m ) или на уровне 0,5 U m (0,5І m) . Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса t И. Величина спада вершины импульса определяется выражением
. (2.20)
При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.
Величина выброса фронта определяется выражением
. (2.21)
Эта величина также не должна превышать 3–5%.
Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:
; (2.22)
, (2.24)
где n – количество каскадов усилителя.
Нелинейные искажения
Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.
Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.
Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.
Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.
Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала
, (2.25)
где U 1 , U 2 , U 3 …U n – напряжение 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.
Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока
, (2.26)
где I 1 , I 2 , I 3 …I n – ток 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.
U ВХ f
Результат
Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении
Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник
; 
. (2.27)
В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник
Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов
где К Г1 , К Г2 ,…К Гn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.
Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса К Г не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.
Выводы по 2-му вопросу:
1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.
2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.
3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:
– радиопередающих устройств (РПДУ),
– радиоприемных устройств (РПУ),
– радиостанций,
– устройств обработки сигнала.
4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.
5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:
– источник входного сигнала,
– усилительный элемент,
– нагрузку,
– источник питания.
6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.
7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.
8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.
Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.
Искажение сигналов в усилителе
Искажение сигналов в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала. Динамические искажения иногда называют линейными искажениями.
Причина возникновения нелинейных искажений поясняется рис. 2.1.4, в. Очевидно, что в данном случае при воздействии на вход усилительного устройства гармонического сигнала, выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд дополнительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, появление нелинейных искажений всегда связано с появлением на выходе дополнительных, отсутствующих на входе гармонических составляющих сигнала.
Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) , в основу расчета которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной в выходном сигнале, т. е.
, (2.1.7)
где А 2 ,..А п - действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; А 1 - действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.
Частотные искажения усилительного устройства оценивают по виду его АЧХ. Причины возникновения частотных искажений рассмотрим на примере устройства, АЧХ которого приведена на рис. 2.1.5.
Предположим, на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник одинаковой амплитуды, причем (рис. 2.1.6).
Согласно приведенной АЧХ (рис. 2.1.5) 
. Тогда напряжение на выходе усилителя примет вид, показанный на рис. 2.1.6. Сравнение суммарного входного и выходного сигналов показывает, что они, существенно, различны.
Из приведенных рассуждений видно, что идеальной (с точки зрения отсутствия частотных искажений) является АЧХ, у которой для всех усиливаемых частот выполняется соотношение: 
.
Рис. 2.1.5. Возникновение частотных искажений в усилителе:
АЧХ усилителя.
Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М , численно равным отношению коэффициента усиления в области средних частот для амплитудно-частотной характеристики к коэффициенту усиления на заданной частоте.
.
Фазовые искажения возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики (ФЧХ) усилительного устройства (сплошная кривая на рис. 2.1.7).
| |
| |
Рис. 2.1.6. Возникновение частотных искажений в усилителе:
Входные и выходные сигналы усилителя.
Рис. 2.1.7. Возникновение фазовых искажений в усилителе: ФЧХ усилителя.
Условием идеальности ФЧХ является условие независимости фазы от частоты усиливаемого сигнала (штриховая линия на рис. 2.1.7), которая описывается линейной зависимостью вида:
Однако условие независимости фазы от частоты на практике трудно обеспечить и ФЧХ имеет вид сплошной линии на рис. 2.1.7.
Рассмотрим на примере природу возникновения фазовых искажений. Предположим, как и в случае амплитудных искажений сигнала, что на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник, причем частоты этих сигналов отличаются в два раза, т. е. . Предположим также, что фазовый сдвиг , вносимый усилительным устройством между частотами и , равен . Вид выходного сигнала усилительного устройства при сделанных допущениях показан на рис. 2.1.8. Очевидно, что (как и в предыдущем случае) формы входного и выходного сигналов, существенно, различны.
Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... где: x - входная величина; y0 - постоянная составляющая; v1 - линейный коэффициент усиления; v2, v3 ... - коэффициенты нелинейных искажений.
В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные составляющие, которых не было на входе - продукты нелинейности. При подаче на вход такой системы сигнала с единственной частотой f1 на выходе появятся составляющие с частотами f1, 2f1, 3f1 и т.д. Если же на вход подается сигнал, состоящий из нескольких частот f1, f2, f3, ..., то на выходе системы кроме гармонических составляющих дополнительно появятся и так называемые "комбинационные составляющие" с частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± ..., где n=1, 2, 3, ... При подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра.
Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, представляющим собой отношение эффективных значений гармоник к эффективному значению суммарного выходного сигнала и измеряется в процентах. Здесь An - амплитуды составляющих с частотами nf. Приведенная рядом упрощенная формула справедлива для случаев, когда искажения невелики (К<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
При звукопередаче первичные соотношения между частотными компонентами звука должны быть сохранены. В связи с этим, качество любого участка звукового канала оценивается его амплитудно-частотной (сокращенно частотной) характеристикой, для обозначения которой часто используют аббревиатуру АЧХ. Под АЧХ понимают график зависимости коэффициента передачи от частоты сигналов, подаваемых на вход данного участка канала или отдельного звукотехнического устройства. Коэффициент передачи - это отношение величин сигналов на входе усилителя и его выходе.
Частотная характеристика тракта передачи (частотная зависимость коэффициента передачи) изменяет соотношения между амплитудами частотных составляющих. Это приводит к субъективному ощущению изменения тембра. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.
Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Типовые значения КНИ: 0 % — синусоида; 3 % — форма, близкая к синусоидальной; 5 % — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21 % — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43 % — сигнал прямоугольной формы.
