Характеристика усилителя низкой частоты

Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение выходной мощности усилителя к общей мощности, потребляемой им от всех источников питания. Измеряют его обычно на частоте 1 кГц, Для большинства интегральных усилителей он составляет примерно 0,6...0,7 при максимальной мощности. Это связано с тем, что они практически все относятся к классу АВ. Исключение составляют так называемые усилители класса D и Т, у которых он может превышать величину 0,9, при теоретическом максимуме равном единице. КПД всех усилителей зависит от выходной мощности.

Поговорим теперь о нелинейных искажениях. Нелинейными они называются потому, что образуются в результате прохождения через цепи, описываемые нелинейными функциями. Такими, к сожалению, являются все без исключения усилительные элементы, все полупроводниковые элементы, магнитопроводы и многие другие изделия, используемые в усилителях. Главная неприятность заключается в том, что при прохождении гармонического сигнала через такие цепи, его спектр обогащается за счет составляющих, которых не было в исходном сигнале. Если эти составляющие являются гармониками основного тона, то есть частотами, в целое число раз превосходящими основную частоту, то такие изменения спектра называются гармоническими нелинейными искажениями и в музыкальном сигнале воспринимаются как не раздражающие. Музыкальный звукоряд построен на октаве, т.е. на удвоении частоты. Поэтому гармоники основного тона -- это те же ноты, но взятые на октаву или несколько октав выше. Самое печальное в том, что нелинейные элементы выполняют функцию смесителей. После прохождения такого «смесителя» в спектре сигнала образуются суммарные и разностные частоты основных тонов, а они вовсе не собираются укладываться в стандартный музыкальный звукоряд. Диссонансные компоненты (не поворачивается язык назвать их гармониками) в количестве, на порядок меньшем, чем консонансные, вызывают гораздо более неприятные ощущения, чем последние. Такие искажения называются интермодуляционными (Intermodulation Distortion, ID).

Линейные искажения в принципе обратимы. Достаточно пропустить сигнал через цепи с обратными характеристиками, и он будет полностью восстановлен. Очень часто сигнал заранее подвергают линейным предыскажениям (preemphasise, премфазис), чтобы компенсировать те искажения, которые он получит, пройдя через конкретную цепь. Для нелинейных цепей полностью это сделать невозможно, да и то, что можно сделать, делается сложно, а чаще -- очень сложно. Остается пытаться всеми способами линеаризировать цепь, чтобы свести искажения к минимуму. Очень большую роль в этом процессе играют общие и местные обратные связи (Feedback).

Параметров, отражающих способность усилителя портить сигнал, довольно много. Важнейшими из них являются: коэффициент нелинейных искажений, коэффициент интермодуляционных искажений, скорость нарастания выходного сигнала и переходная характеристика усилителя.

Перейдем теперь к наиболее интересному параметру усилителя, а именно к коэффициенту нелинейных искажений -- THD (Total Harmonic Distortion), иногда просто d. Часто его еще называют коэффициентом гармоник.

где Ui -- амплитудное значение основного сигнала, a U2...Un -- амплитуды соответствующих гармоник. Этот показатель является важным, но не определяющим в оценке усилителя. Еще лет десять назад впечатляющей могла показаться цифра 0,1%, а сегодня никого не удивит и 0,001%. Тем не менее, может оказаться, что усилитель с более высокими искажениями звучит гораздо приятнее. Подчеркнем еще раз, что на сегодняшний день никто не знает, какой параметр является ключевым в оценке усилителя. Более того, не существует такого параметра! Тем не менее, битва за THD продолжается. Несомненно, что чем он ниже -- тем лучше в рамках той же концепции высокой верности воспроизведения.

Для интегральных усилителей этот показатель пока не достиг таких высот, но и в этой области прогресс несомненен. В этом справочнике вы найдете усилители с THD = 0,005%, например TDA7293 имеет такой показатель при мощности до 5 Вт. Существуют усилители, у которых THD еще ниже. Принято считать приемлемым THD = 1...3% при максимальной громкости воспроизведения. Показатель THD = 10%, который очень часто встречается в справочных данных, говорит только о том, что в данном режиме усилитель представляет собой низкокачественный скремблер, а вовсе не УНЧ.

У всех усилителей с ростом мощности этот показатель растет, поэтому в справочных, данных всегда приводятся условия, при которых он замеряется. Растет он и с увеличением частоты входного сигнала. Как правило, приво-дятся графики зависимости его от частоты, мощности и нагрузки.

При рассмотрении зависимости коэффициента нелинейных искажений от мощности и частоты, можно заметить, что, начиная с некоторого значения, график резко поворачивает в сторону увеличения THD. Не следует этого сильно пугаться. Как уже отмечалось, музыкальный сигнал никогда не воспроизводится на полной мощности. Средний уровень громкости всегда на 10...20 дБ ниже, а кратковременные фрагменты с большим уровнем гармоник будут практически незаметны. Что касается частоты, то доля высоких частот на самом деле довольно мала. Примерно половина всей мощности приходится на частоты ниже 500 Гц. Искажения же замеряются на синусоидальном сигнале определенной частоты, чего в реальности не бывает. При сравнении усилителей, всегда в первую очередь сравнивайте условия измерений. Если они отличаются, то абсолютные значения показателей ничего не дадут. Сомнения должны возникнуть, когда значение THD приводится для маленького входного сигнала или для малой выходной мощности. Это, скорее всего, означает, что при больших сигналах показатель будет выглядеть очень плохо и лучше его не демонстрировать.

Коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) еще более важный показатель усилителя, т.к. в большей степени, чем THD характеризует нелинейность тракта усиления, и, наверное, по этой причине никогда не приводится в технических характеристиках интегральных усилителей. Для аппаратуры классов Hi-Fi и выше он приводится также достаточно редко.

где U1 и U2 -- амплитудные значения синусоидальных сигналов с частотами f1 и f 2, а 12 * -- амплитуда разностного ил и суммарною сигналов

Понятно, что выбор частот и амплитуд является очень* важным параметром, иначе сравнить результаты будет невозможно. В стандарте DIN4550&, который является общепризнанным для Hi-Fi аппаратуры принято f, *= 250 Гц, f 2 = 8 кГц, U1 = 0,25U2, и конечно амплитуды выбираются таким образом, чтобы THD был минимальным. Надо отметить, что, как и в случае с коэффициентом гармоник, возникает, вообще говоря, бесконечное множество комбинационных частот вида nf1 ± mf2, а их амплитуды тем выше, чем выше нелинейность системы.

Очень простой и понятной характеристикой является скорость нарастания выходного сигнала SR (Slew Rate). Она измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс) и понимается буквально, т.е. усилитель не может воспроизвести слишком крутой перепад напряжения. На выходе вместо прямоугольного сигнала мы получим трапецеидальный, причем наклон трапеции численно равен максимальной скорости нарастания. Связь между частотой, выходным напряжением и скоростью нарастания проста:

где f -- частота (МГц), U -- амплитуда неискаженного напряжения (В). Скорость нарастания должна приводиться для наихудшего случая, каковым для операционного усилителя является повторитель, а для обычного -- наи- меньший возможный коэффициент усиления, т.к. в этом режиме усилитель нуждается в наиболее сильной частотной коррекции.

Сквозная передаточная характеристика усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. В справочниках она приводится редко, т.к. недостаточно информативна в связи с наличием огромного количества факторов, влияющих на результат. В технических характеристиках иногда попадается простейшая разновидность ее -- амплитудная характеристика. Она снимается при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала. Идеальная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат. Угол ее наклона -- это коэффициент усиления. Прежде всего, реальная характеристика не только не начинается там, где ей положено, в начале координат, а вообще до нуля не доходит. В этом районе сосредоточены все шумовые свойства усилителя, Нелинейность начального участка характеристик усилительных элементов, тепловые дрейфы, наводки и помехи, фон и многое другое. Нетрудно догадаться, что динамический диапазон усилителя (Dynamic Range), под которым понимается отношение максимального выходного (входного) неискаженного напряжения к минимальному, определяется именно этим участком, а вовсе не максимальным выходным напряжением. Измерения как обычно идут на частоте 1 кГц.

Поскольку употреблено слово «неискаженного», то в условиях измерения обязательно должно быть указано, что это значит. Если речь идет о величинах более 1...3%, то можно смело сократить приведенную величину минимум вдвое. Нас не интересует диапазон хрюканья» а поскольку мы уже знаем, что на высоких частотах и при сложном сигнале искажения всегда увеличиваются, можно легко понять, как это будет выглядеть в реальных условиях. Динамический диапазон человеческою уха составляет порядка 120 дБ, диапазон звукозаписывающей аппаратуры реально не выходит за пределы 70 дБ.

По мере приближения амплитуды выходного сигнала к уровню питающего напряжения, начинается процесс клонирования, т.е. обрезания верхней части сигнала. Этот процесс сопровождается потерей информации и резким увеличением THD и IMD. Наиболее часто эти явления встречаются в переносной и автомобильной аппаратуре, где остро стоят вопросы ограниченного питающего напряжения и есть желание продекларировать наивысшую мощность, так сказать, не прикладная рук. Приведенные в настоящем руководстве интегральные усилители выпускаются солидными производителями с мировыми именами, все необходимые для разработчика параметры приведены в достаточном объеме и при грамотном использовании этих микросхем, такие вопросы не должны возникать. Многие производители, и SGS в том числе, вводят так называемый режим мягкого ограничения (Soft limiter), когда токи транзисторов выходного каскада постепенно ограничиваются, не позволяя им войти в насыщение.

Более информативной характеристикой является импульсная переходная характеристика. На вход испытуемого усилителя подается прямоугольный импульс. В таком случае, о зависимости от входного напряжения можно говорить, как о параметрической, а в качестве аргумента использовать время. Если по оси абсцисс откладывать не абсолютное значение выходного напряжения, а отношение текущего значения к установившемуся, то такая нормированная характеристика уже пригодна для сравнения различных усилителей. Посмотрев на внешний вид переходной характеристики, читатель, знакомый с теорией автоматического регулирования сразу ее узнает. Не удивительно, т.к. усилитель, охваченный обратной связью (ОС), представляет классический объект для этой теории, и для описания его применяются, естественно, те же термины.

УНЧ, особенно в интегральном исполнении, мало чем отличается от обычного операционного усилителя. Некоторые типы усилителей даже имеют вы-воды инвертирующего и неинвертирующего входов. Поэтому все, что справедливо для операционных усилителей, годится и для УНЧ. Различие заключается только в одном: все операционные усилители, но далеко не все интегральные УНЧ, являются усилителями постоянного тока.

Определим сейчас ряд параметров, которые понадобятся для обсуждения вопросов ОС. Все параметры зависят от условий измерения.

Коэффициентом усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи GV или А называется отношение выходного напряжения к входному, неважно амплитудное или действующее, при отсутствии ОС. Если данный усилитель не допускает, по техническим условиям, изменения коэффициента усиления, то приводится коэффициент усиления с имеющейся внутренней обратной связью. Обозначается он также, но при этом про обратную связь ничего не говорится. Иногда приводятся оба коэффициента.

Коэффициент усиления с увеличением частоты всегда падает, поэтому в справочниках часто приводится частота единичного усиления fT (Unity Gain Bandwidth). Как следует из названия, это частота, на которой усиление равно единице. Практически у всех современных усилителей (о ламповых говорить не будем) на входе используется дифференциальный каскад. Это объясняется его свойствами, которые при применении в интегральных схемах делают дифференциальный каскад еще более привлекательным. Наиболее важными являются стабильность режима, возможность последовательного соединения без переходных конденсаторов, малые искажения и, наконец, способность выделять малый дифференциальный сигнал Ud на фоне большого синфазного (Common Mode, CM) сигнала UCM. Основой схемы дифференциального усилителя является пара эмиттерно связанных транзисторов, обычных или полевых. Реальные схемы значительно сложнее, но их рассмотрение не входит в нашу задачу. Понятно, что для работы схемы необходимо протекание базовых токов транзисторов, что обусловливает наличие конечного входного сопротивления. В связи с этим возникает параметр, называемый входным токам смещения (Input Bias Current, Iib). Он определяется, как постоянный ток, необходимый для управления входными каскадами усилителя к замеряется при нулевом выходном напряжении.

Входной ток смещения стремятся сделать как можно ниже, для чего применяют супер-Ь транзисторы и очень маленькие токи коллекторов. За это приходится расплачиваться низким коэффициентом усиления входного каскада и малой скоростью нарастания выходного напряжения.

Для усилителей часто приводится максимальное синфазное входное напряжение Vicm, которое определяется как максимально допустимое синфазное напряжение, приложенное ко входу, при котором работа выходного каскада не нарушается (PHILIPS). Как правило, можно считать, что допустимое синфазное напряжение на 3...4 В ниже напряжения питания, если в спецификации не оговорено иное.

Входные токи смещения всегда отличаются друг от друга, пусть и ненамного, но ввиду высокого входного сопротивления и достаточно высокого коэффициент усиления, на выходе получается некоторый сигнал ошибки U = GV(I1 -- I2)rj. Здесь rj -- внутреннее сопротивление усилителя синфазному сигналу (Input Resistance), определяемое по закону Ома для любого из входов, когда второй заземлен, а выходное напряжение равно нулю, а I1 - I2 = Iia-- разность входных токов (Input Offset Current). Часто возникает путаница из-за того, что Bias и Offset переводятся как «смещение», a IJb и 1^ слабо отличаются по виду, да и происхождение у них одно -- физическое различие между парными транзисторами. Поэтому в литературе встречается и выражение «сдвиг», применительно к термину Offset. Тогда говорят о входном напряжении сдвига или о входном токе сдвига.

Помимо синфазного входного сопротивления, различают дифференциальное входное сопротивление rid (Differential Input Resistance), которое измеряется по закону Ома между двумя незаземленными входами усилителя в режиме малого сигнала. Синфазное сопротивление всегда значительно больше дифференциального.

Дифференциальное входное напряжение определено кaк напряжение, прикладываемое между входами усилителя, а максимальное дифференциальное входное напряжение это то, которое может выдержать данный усилитель без повреждения внутренних цепей.

Дифференциальный коэффициент усиления Кd -- это отношение приращения сигнала на выходе к вызвавшему его приращению дифференциального входного напряжения. Вводится для дифференциального усилителя. Одновременно с ним определяется коэффициент усиления синфазного сигнала Ks, как отношение приращения выходного напряжения к приращению входного синфазного сигнала. В идеальном усилителе этот коэффициент строго равен нулю. Реальные усилители, даже после специальной операции по симметрированию, имеют различные коэффициенты усиления для инвертирующего и неинвертирующего входов. Численно Ks равен разности этих коэффициентов. В справочниках ни Кd, ни Кs для УНЧ никогда не приводятся. Дело в том, что для них Кd и GV это одно и то же, a Ks неинтересен как таковой. Разработчиков усилителей интересует совсем другой параметр -- коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR (Common Mode Rejection Ratio, рус. КОСС), который представляет не что иное, как отношение KD/KS.

Страницы: 1, 2, 3, 4