Большая База Данных Рефератов - Моделирование усилителя НЧ

Моделирование усилителя НЧ

/b>Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя - конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усилении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.

К линейным искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте К к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:

M=K/K0.

В логарифмических единицах он равен G [дБ] =20lgM.

Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (обычно от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней fн и верхней fв граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения Gдоп относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от fн до fв - рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.

Коэффициенты частотных искажений на низших GН и высших GВ частотах

Gн = 20 lg [К (/fн) /К0], Gв = 20 lg [К (fв) IK0].

В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах.

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ

Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь плоскую АЧХ.

На практике усилители ЗЧ, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя ЗЧ для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388-80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5...1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.

Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот - емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада, либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20...100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т.д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается форма.

Рис.4. Искажение формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его составляющих.

Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазочастотной харакеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дц выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Типичная ФЧХ усилителя изображена на Рис.6 непрерывной линией. При Дц ?О выходное напряжение опережает входное, при Дц ?0 - отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:

Дц (f) =-2р*tз (f-f0)

где tз - групповое время запаздывания.

Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т.е. tз=dц (t) / (2ndf).

При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время tз, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейная, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.

Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками (на рис.5 отмечены цифрами 1, 2,3).

Рис.5. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ

По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дцн и высшей Дцв частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения Дц в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4,,,5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т.е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, имеющих малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8...50 000 Гц.

5.3 Анализ по переменному току
Для проведения анализа требуется выполнить некоторые настройки.

В меню настройки частотных параметров требуется выставить значения, показанные на рис 6.

А также установить выходную цепь. В нашем случае это 38.

Рис.6

Рис.7 АЧХ и ФЧХ

Проанализировав получившиеся графики АЧХ и ФЧХ можно сделать следующие выводы:

На частоте от 10 до 100 Гц на АЧХ видим увеличение усиления на величину около 2,5 дБ, что является неплохим показателем для усилителей ЗЧ. Далее мы наблюдаем практически постоянство амплитуды, лишь на частоте более 20 кГц наблюдается спад, что обусловлено граничной верхней частотой усиления данного УЗЧ.

Спад усиления в области нижних и верхних частот наблюдается из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов.

На ФЧХ наблюдаем изменение фазы в диапазоне рабочих частот (20 Гц-20кГц) от 30є до - 30є, что вполне приемлемо для усилителей ЗЧ.

5.4 Анализ Фурье
Анализ Фурье является методом анализа сложных периодических сигналов во времени. Данный анализ позволяет разложить любую несинусоидальную периодическую функцию в ряд Фурье, то есть на составляющие sin и cos (возможно, в бесконечный ряд), а так же на постоянные составляющие. Такое разложение позволяет проводить дальнейший анализ, а так же получать объединенные сигналы различных форм.

Учитывая математическую теорему Фурье, о разложении в ряд Фурье, периодическая функция f (t) может быть представлена следующей формулой:

f (t) = A0 + A1 cosщt+A2 cos2щt+…+B1 sinщt+B2 sin2щt +…

где:

А0 - постоянная составляющая входного сигнала

A1 cosщt+B1 sinщt - собственная составляющая (имеет частоту и период равный частоте и периоду входного сигнала)

An cosnщt+Bn sinnщt - n-ная гармоника функции

А, В - коэффициенты

2р/Т - собственная круговая частота, или период частоты входного периодического сигнала.

Каждая частотная составляющая отклика представляется гармоникой периодического сигнала. В процессе моделирования каждая составляющая рассчитывается отдельно. Согласно принципу суперпозиции, общий отклик является суммой откликов каждой составляющей. Обратим внимание, что амплитуда гармоник постепенно уменьшается в порядке возрастания гармоник. При выполнении дискретных преобразований Фурье, используется только второй период собственной составляющей переходной характеристики (извлечённой из выходной цепи). Первый период не учитывается, в связи с временем задержки сигнала, то есть временем переходного процесса. Коэффициент каждой из гармоник вычисляется из временного интервала - от начала периода до точки времени "t". Внутри выбранного интервала данные для вычисления коэффициента гармоник устанавливаются автоматически, и являются функциями собственной частоты. Для данного типа анализа, собственная частота должна соответствовать частоте источника переменного тока или же наименьшей общей частоте совокупности источников переменного тока.

Для проведения анализа следует выполнить следующие настройки.

Рис.8

В меню настройки параметров анализа требуется выставить значения, показанные на рисунке.

Также установить выходную цепь. В нашем случае это 38.

Рис.9 Разложение Фурье.

Анализируя график можно отметить, что зависимость уменьшения амплитуд гармоник можно описать некоторой гиперболической функцией.

5.5 Переходная характеристика
Реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную форму. В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формы входного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зависит как от амплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формы сигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепях усилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому для количественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ) усилителя.

Переходная характеристика есть реакция h (t) усилителя на воздействие единичной функции 1 (t) (рис.10) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя Uвых (t) от времени при скачкообразном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцениваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилителях ЗЧ искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями и низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности tф и выбросу дц (см. рис.10). Они приводят к динамическим искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких перепадов уровня реального звукового сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицательной обратной связи (ООС). Для уменьшения динамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшают глубину ООС.

Рис.10. Переходная характеристика усилителя ЗЧ

Быстродействие усилителя можно оценить как по длительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скорости нарастания выходного сигнала Umax. Максимальная скорость нарастания для линейных систем связана с полосой пропускания (ее верхней границей) соотношением:

Umax=2рfmaxU0max

где fmax - максимальная частота, передаваемая усилителем без искажений;

U0max - максимальная неискаженная амплитуда выходного синусоидального сигнала.

Однако оконечный усилитель очень редко можно считать достаточно близким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтому Umax для усилителей мощности ЗЧ оценивают по ПХ.

Значение Umax определяют по ПХ (см. рис.10) как максимальную производную h{t), т.е.

Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение Umax для высококачественных усилителей мощности составляет 2...80 В/мкс. Именно такие усилители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении качества звуковоспроизведения.

Выброс фронта дц (см. рис 10) есть относительная разность между максимальным значением выходного напряжения Umax и его установившимся значением Uу:

Наличие выброса в ПХ приводит к "звонам", к "металлическому" звуку. В высококачественных усилителях выброс дц не должен превышать 4...6%.

5.6 Переходный анализ
Для проведения этого анализа необходимо следующее:

Изменить входной источник сигнала AC Voltage на Pulse Voltage и установить в нем параметры приведенные на рисунке.

2. В самом анализе следует установить следующее:

Рис.11 Переходная характеристика

Проанализировав полученный график оценим искажение импульса:

1) Выброс фронта дф~1 В, это не превышает 4% от Uном и является неплохим показателем качества данного усилителя.

2) Скорость нарастания выходного напряжения ДU~ 2 В/мкс и время нарастания tФ~ 10 мксек, что в совокупности составляет неплохой показатель качества нарастания выходного сигнала в данном усилителе.

3) Так же усилитель имеет неплохие характеристики заднего фронта импульса, которые схожи с характеристиками переднего фронта.

5.7 Коэффициент гармоник
Нелинейные искажения вызваны прохождением сигнала через элементы, имеющие нелинейные характеристики, например, через транзисторы, вследствие чего искажается форма колебания и меняется его спектральный состав. Поскольку усилитель вносит нелинейные искажения, то на его выходе появляются новые компоненты (гармоники), отсутствующие на входе, что вызывает искажение тембра звука. Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник Кг:

где Рг - суммарная мощность гармоник; P1 - мощность полезного сигнала.

Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо меньшую мощность и мало влияют на форму выходного сигнала.

Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные искажения в предварительных каскадах соизмеримы с искажениями в оконечном каскаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:

Рис.12. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности на выходе усилителя ЗЧ.

Однако коэффициент Кг дает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образующиеся в результате интерференции между отдельными составляющими сложного колебании. Наиболее заметны нелинейные искажения из-за комбинационных частот, возникающие при подаче на усилитель двух и большего числа синусоидальных сигналов. Особенно заметны комбинационные частоты вида f1-f2, f1-2f2, 2f1-f2, так как они, как правило, не содержатся в спектре даже сложного входного сигнала.

Для высококачественных усилителей часто вводят еще один показатель, характеризующий их нелинейность, - коэффициент интермодуляционных искажений Ким. и. При измерении Kим. и на вход усилителя подают два гармонических колебания с частотами: f1 = 50...100 Гц и f2 = 5...10 кГц при отношении амплитуд Uвх (f1) /Uвх (f2) =4/1 - Коэффициент Ким. и равен отношению амплитуды выходного напряжения разностной частоты f2-f1 к амплитуде выходного напряжения частоты f1:

Страницы: 1, 2, 3

Меню

Моделирование усилителя НЧ