Вторник, 20.11.2018, 19:41
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОНИКИ ГлавнаяРегистрацияВход
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
 Продолжение 4 Схемотехника УНЧ 

Назад на одну страницу

 

Скорость нарастания и интермодуляция

Другим аспектом разработки усилителя является скорость нарастания. Этот термин не совсем понятен, а его возможные последствия — еще меньше.

Номограмма скорости нарастания сигнала

Многими авторами, писавшими по этому вопросу, утверждалось, что в усилителе с ограниченной скоростью нарастания будут образовываться быстропротекающие интермодуляционные искажения или БИМ. Теоретически это совершенно верно при условии, что скорость нарастания достаточно низка, чтобы находиться в пределах слышимой полосы частот (т.е. ниже 20 кГц), и воспроизводимая фонограмма на таких высоких частотах имеет достаточный уровень, чтобы заставить усилитель входить в ограничение.

Приведенная ниже номограмма полезна для определения требуемой скорости нарастания напряжения любого усилителя, чтобы он был способен воспроизвести требуемую частотную полосу аудиосигнала без внесения компонентов искажений из-за недостаточной скорости нарастания.

Рис. 14 Номограмма скорости нарастания сигнала

Чтобы использовать эту номограмму, выберите сначала максимальную частоту в верхнем ряду. К примеру, 30 кГц. Затем выберите фактическое выходное напряжение (пиковое значение RMS * 1.414), которое усилитель должен иметь возможность воспроизвести. Для усилителя мощностью 100 Вт на 8 Ом это 28 В или 40 В. Теперь нарисуйте линию через эти две точки, как показано на рисунке и прочитайте скорость нарастания в нижнем ряду. В данном примере это 8 В/мкс. На самом деле это значение намного превышает то, что действительно необходимо, поскольку усилителем не может воспроизводиться музыка с частотой 30 кГц при практически полной мощности.

На частоте 20 кГц от нашего усилителя мощностью 100 Вт потребуется выходная мощность, возможно, всего 10 Вт (как правило, намного меньше) и это всего лишь при амплитуде выходного напряжения около 12 В. Использование номограммы с этими цифрами показывает, что вполне достаточной будет скорость нарастания около 2 В/мкс. Такой усилитель будет входить в т.н. ограничение скорости нарастания мощности при полной мощности на частотах выше 10 кГц или около того, преобразуя входную синусоидальную волну в треугольную, амплитуда которой уменьшается с увеличением частоты.

Некоторые утверждают, что такие искажения слышимы и, хотя это в значительной степени субъективно, их можно измерить различными способами. То, что типичный звуковой сигнал является сложной смесью сигналов, не имеет никакого реального значения, потому что у усилителя нет неотъемлемой концепции «сложности», более того, он не имеет своего мнения о сегодняшней дате или цвете Ваших трусов. В любой момент времени имеет место мгновенное значение входного напряжения, которое должно быть увеличено по амплитуде и обеспечить ток, необходимый для управления громкоговорителем. Пока это входное напряжение не изменяется настолько быстро, что усилитель не в состоянии следовать этим изменениям, то происходит только слабая деградация сигнала (или её вообще не происходит), кроме (надеюсь) незначительных нелинейностей, которые и представляют собой искажения.

Хотя эта теория и прекрасна, существует много укоренившихся предрассудков в отношении «медленных» усилителей. Остается спорным, отличается ли их звучание от других, не имеющих ограничения скорости нарастания в пределах всего слышимого диапазона. Эти различия легко измеряются, но могут быть неактуальны, если система используется для воспроизведения музыки, просто не содержащей очень высоких скоростей нарастания или спада.

Как показано выше, скорость нарастания сигнала в усилителе обычно измеряется в вольтах на микросекунду и является мерой того, насколько быстро выход усилителя может реагировать на быстро изменяющийся входной сигнал. В последнее время скорость нарастания указывают немногие производители (в основном потому, что немногие покупатели понимают, что это такое), но это важный аспект конструкции усилителя. Также важно понимать, что музыка никогда не содержит сигналов, которые генерируют полную мощность при 10 или 20 кГц. Общепризнано, что выше 1-2 кГц амплитуда падает на примерно 6 дБ на октаву, поэтому от усилителя мощностью 100 Вт с пиковым выходом амплитудой 40 В не будет требоваться обеспечить выходной сигнал на частоте 20 кГц амплитудой намного выше 5 В (пиковых). Всегда будут исключения и безопаснее принимать и планировать, как минимум, пиковые 10 В на частоте 20 кГц. Больше не повредит, но, как правило, различия на слух не слышимы (при условии, конечно, двойного слепого теста).

Как видно из изложенного выше, для усилителя (любой конфигурации), способного воспроизвести 28 В RMS на частоте 20 кГц (около 100 Вт/8 Ом) требуется скорость нарастания 4,4 В/мкс. Это означает, что выходное напряжение может изменяться (в любом направлении) со скоростью 8 В за одну микросекунду. Это не особенно быстро и, как должно быть, очевидно, зависит от выходного напряжения. От маломощного усилителя не требуется такой же скорости нарастания, как от усилителя более высокой мощности. Нет никаких реальных требований к тому, чтобы любой усилитель был способен к скорости нарастания большей, чем отмеченная, поскольку уже она значительно больше необходимой. Всё это можно рассчитать или измерить.

Удвоение выходного напряжения усилителя (учетверение мощности) требует, чтобы скорость нарастания удваивалась и наоборот, поэтому усилителю мощностью 400 Вт требуется скорость нарастания 8,8 В/мкс, в то время, как усилителю мощностью 25 Вт требуется только 2,2 В/мкс. Это очень хорошая причина использовать в трехканальной системе усилитель меньшей мощности для ВЧ-динамиков (твитеров), т.к. гораздо проще добиться приемлемой скорости нарастания, если не требуется большого количества выходных транзисторов.

По сути, если выходной сигнал усилителя неспособен реагировать на быстро изменяющийся входной сигнал, то на транзисторах входного дифференциального каскада возникает напряжение ошибки, которую он пытается исправить. Дифференциальный каскад является усилителем, но, что более важно, усилителем ошибки, единственной целью которого является поддержание одинакового напряжения на обоих своих входах. Этот принцип имеет решающее значение для работы твердотельного усилителя. На выходе дифференциальной пары будет сигнал, имеющий, как правило, сильно искаженную кривую напряжения и тока, полностью противоположную по полярности всем искажениям, накопленным в остальных каскадах усилителя (это применимо также к операционным усилителям).

Результатом является (или предполагается) то, что сигнал, поступающий на инвертирующий вход, представляет собой точную инвертированную копию входного сигнала. Если бы такое было достижимо в реальности, то усилитель вообще не имел бы никаких искажений. На самом деле всегда есть небольшая разница и, если каскад усиления напряжения или какой-либо другой каскад входит в зону работы с ограничением скорости нарастания (или приближается к ней), то усилитель ошибки (дифференциальный каскад) больше не может компенсировать эту ошибку.

Как только такое происходит, искажения нарастают, но, что более важно, входной сигнал превосходит возможности усилителя, а продукты интермодуляции резко возрастают. Интермодуляционныые искажения характеризуются тем, что низкочастотный сигнал модулирует амплитуду (и/или форму) высокочастотного сигнала, генерируя дополнительные частоты, отсутствующие в исходном сигнале. Это также происходит, когда усилитель входит в ограничение (клиппирует) или если имеет измеримые искажения типа «ступенька».

Звучит, как обычные искажения, не так ли? При этом также создаются частоты, которых не было в исходном источнике сигнала, но разница в том, что гармонические искажения создают гармоники (отсюда и название), тогда как интермодуляционные искажения — частоты, не имеющие гармонического отношения к любой из исходных частот. Скорее, новые частоты — это сумма и разность двух исходных частот. (Этот эффект широко используется в радио для создания промежуточной частоты, из которой можно извлечь аудио-, видео- или другой желаемый сигнал). Термин «гармонический», в принципе может иметь синонимом «музыкальный», а «негармонический» — выведенный математически, но не связанный с музыкой ... если вы понимаете, что я имею в виду.

Продукты интермодуляции будут генерироваться всякий раз, когда дифференциальная пара (усилитель погрешности) теряет контроль над сигналом, поэтому полоса пропускания усилителя должна быть достаточно широкой для гарантии, что такого не может случиться с любым нормальным входным аудиосигналом. Нет ничего плохого или сложного в этом подходе, и он вполне может быть реализован в любой современной конструкции. Несмотря на нереалистичность с музыкальной точки зрения, лучше, если усилитель способен воспроизвести полную мощность на максимальной слышимой частоте (20 кГц), нежели в нем начнется ограничение скорости нарастания на некоторой более низкой частоте.

Причина, по которой я говорю, что в музыке такое нереально — просто та, что нет известного инструмента (кроме плохо настроенного синтезатора), который был бы способен воспроизвести любую гармонику полной мощности на частоте 20 кГц, поэтому, теоретически, усилитель не должен иметь способности её воспроизвести. В действительности же невозможность воспроизведения полной мощности при 20 кГц означает, что усилитель может быть в некоторой степени подвержен преходящим интермодуляционным искажениям при воспроизведении некоторых фонограмм. Или же нет.

Это не является проблемой, затрагивающей простые усилители с неглубокой обратной связью или вообще без нее — они генерируют достаточно гармонических искажений, а не компенсируют недостатки более сложных схем с большим количеством общих обратных связей. Этот факт, как правило, раздражает минималистов, которые часто фанатично верят в отсутствие необходимости в обратной связи в любых обстоятельствах, что заставляет их слушать оборудование, которое считалось бы плохим еще в 1950-х годах.

Частотный отклик и прочее

Немногие разумные люди будут утверждать, что измерения частотной характеристики несущественны или неактуальны и такое измерение является одним из самых простых, которое требуется для успешного усилителя. Опять же, субъективисты желали бы не учитывать какую-то загадочную область нашего мозга, компенсирующую ограниченный ответ и позволяющую просто наслаждаться звуком аудиосистемы. Это верно — мы компенсируем уменьшенный (или нарушенный) частотный отклик, но так быть не должно.

Если достаточно долго слушать радиочасы, то мозг будет полагать, что так и должно быть и соответствующим образом будет себя корректировать. Представьте себе свое удивление, когда Вы услышите что-то, действительно имеющее настоящие низкие и высокие частоты. Первой реакцией будет ощущение, что всего слишком много, но опять же, мозг будет принимать необходимые допущения и через какое-то время это будет звучать уже нормально.

Для усилителей существует множество стандартных измерений, необходимых для того, чтобы можно было принять обоснованное решение (стоит ли вообще слушать этот усилитель?). Я действительно возражаю против мнения, что «Неважно, что показывают измерения — зато это звучит здорово!». В реальности такое случается редко — если измерения усилителя отвратительны, то он почти всегда звучит отвратительно. Нет места hi-fi оборудованию, которое просто не соответствует каким-то элементарным стандартам и я никогда не слышал усилителя, сигнал которого выглядел бы ужасно на осциллографе, измерения на моем измерителе искажений были бы ужасными, но хорошо звучавшего — точка! Я слышал некоторые усилители, попадавшие в категорию звучащих «интересно» — не обязательно плохо, но определенно не hi-fi ни с какой точки зрения. Для «махрового» субъективиста кажется, что «другое» означает «лучшее», независимо от каких-либо доказательств той или иной стороны.

Конструкции, которых следует избегать

Есть несколько проектов, которых следует просто избегать. Здесь, в частности, показаны два, но это не означает, что нет других. Два из приведенных ниже параметров страдают от ряда проблем, причем самой большой из них является термостабильность. Первая схема, которой следует избегать, показана на рис. 14 слева, в сравнении с комплементарной парой Шиклаи (справа), хотя она ни в коем случае и не единственная такая. Как можно видеть, «выходной каскад с усилением» (выход 1) просто разрушает цепь обратной связи в составной паре и добавляет лишние резисторы. Коэффициент усиления прямо пропорционален отношению сопротивлений резистивного делителя, поэтому, с резисторами, показанными на рисунке, номиналами 220 и 100 Ом, он равен 3,2,. Проблема заключается в том, что оно применимо к усилению как постоянного, так и переменного тока, поэтому каскад усиливает собственную тепловую нестабильность. Из-за относительно высокого выходного импеданса фактический коэффициент усиления будет меньше расчетного.

Рис. 15 Выходной каскад с усилением (для сравнения пара Шиклаи)

Зачем кому-то беспокоиться? Каскад имеет то преимущество, что он с усилением, поэтому может управляться непосредственно операционным усилителем, выходной сигнал которого обычно будет слишком низким, чтобы быть достаточным для этого. За прошедшие годы были построены несколько усилителей с таким выходным каскадом и все, которые я видел, были термически неустойчивыми, а некоторые имели также проблемы с высокочастотной стабильностью. Поскольку местная обратная связь в выходном каскаде уменьшается на величину применяемого коэффициента усиления, искажения значительно выше, чем у обычной комплементарной пары (к примеру). В приведенных выше схемах каскад с усилением при разомкнутой обратной связи имеет 4% искажений, тогда, как каскад на комплементарной паре имеет искажения менее 0,1%. Это было смоделировано на нагрузке 8 Ом. На самом деле разница в уровне искажений обычно больше указанной, причем каскад с усилением демонстрирует еще и более высокие искажения. Для того, чтобы сделать схему достаточно линейной, дабы ее можно было вообще использовать, требуется огромная глубина отрицательной обратной связи. Как отмечено выше, выходной импеданс также намного выше, чем для комплементарной пары.

Если схема управляется операционным усилителем, высокий коэффициент усиления последнего обеспечивает линеаризацию выходного каскада, но проблема с высокочастотной нестабильностью остается. Ее можно решить, но обычно требуется несколько контуров стабилизации по ВЧ. Такие устройства, как правило, легко срываются в самовозбуждение, потому что имеют плохой запас по фазе (разница между фактическим сдвигом фазы и 180°, при котором усилитель начнет самовозбуждаться).

Не существует, однако, простого лечения тепловой неустойчивости. Единственный транзистор неспособен полностью скомпенсировать сдвиг тока покоя, а пара Дарлингтона дает сверхкомпенсацию. Хотя, безусловно, и возможно создать составную работоспособную схему, но её сложность не оправдана для выходного каскада, не работающего наилучшим образом даже в лучшие времена.

Еще одна пародия была выпущена много лет назад и, к счастью, я её повторно не видел в течение многих последних лет. Я почти не имел желания публиковать эту схему, чтобы кто-то не подумал, что это хорошая идея. Это не очень хорошая идея и никогда ею не была. Опять же, серьезной проблемой была тепловая неустойчивость, а кроме нее была также и высокочастотная неустойчивость. Идея заключалась в использовании выводов питания операционного усилителя для управления выходными транзисторами. При работе операционного усилителя на нагрузку, ток его питания вариирует от нескольких миллиампер на холостом ходу до 20-30 мА (в зависимости от операционного усилителя). Пример схемы этого несчастья показан ниже.

Рис. 16 Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Если Вам повезло увидеть эту схему (или любые ее варианты) в любом месте, немедленно отвратите от нее свои глаза :-). Я помню, как возился с ней около 30 или более лет назад и, хотя можно было сделать ее достаточно стабильной (за исключением высокочастотной нестабильности), единственным способом достижения термической стабильности является использование резисторов в эмиттерах выходных транзисторов относительно больших номиналов. Это ограничивает выходную мощность схемы, но она остается способной раскачивать наушники. Поскольку существует множество схем, превосходящих эту (в том числе дешевые и веселые мощные операционные усилители), нет оснований считать её чем-то иным, кроме как казусом, пригодным для собственного развлечения.

Обратите внимание, что значения, показанные на этих схемах, приведены только для примера. Я не могу гарантировать, что усилитель на базе операционного усилителя будет работать, как показано — схема существует только для того, чтобы можно было видеть общую концепцию. Поскольку я настоятельно рекомендую оставаться в стороне от этой топологии, я не предлагаю тратить время, лишь бы убедиться, что схема будет работать, как показано.

Вход на сайт
Корзина
Ваша корзина пуста
Поиск
Календарь
«  Ноябрь 2018  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • База знаний uCoz
  • RadiodesignMyCorp © 2018uCoz
    Яндекс.Метрика