Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений, могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих.

Поскольку линейные искажения обычно вызывают нарушения амплитудно-частотной характеристики - как правило, их величина определяется именно способом исследования этой характеристики усилителя. Тем не менее, как уже было сказано выше, линейные искажения могут вызываться и нарушением линейности фазо-частотной характеристики усилителя, что проявляется в неодинаковости времени распространения различных частотных составляющих усиливаемого сигнала. Громкоговоритель с системой разделения спектра звукового сигнала и аналоговые магнитофоны хорошо демонстрируют это явление.

Нелинейные искажения – изменения формы колебания, обусловленные нелинейным ходом сквозной передаточной характеристики. Степень проявления этих искажений в первую очередь зависит от уровня сигнала, при этом искажения, как правило, тем больше, чем больше этот уровень. Главным отличием нелинейных искажений от линейных (частотно-переходных и фазочастотных) является то, что возникновение нелинейных искажений сопровождается появлением в спектре выходного сигнала новых дополнительных составляющих.

Одной из важнейших хар-к звукотехнических трактов являются данные о предельном значении выходного сигнальной мощности, при котором нелинейные искажения не превышают допустимого уровня.

Искажения амплитудной характеристики усилителя приводят к существенным искажениям амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале и могут вызывать значительные изменения его формы. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения всегда приводят к появлению в выходном сигнале дополнительных спектральных (частотных) составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Если линейные искажения изменяют основном окраску звука, то проявление нелинейных искажений еще более пагубно, поскольку они приводят к существенным изменениям усиливаемого сигнала. Пример умышленного использования нелинейных искажений – устройства обработки сигнала distortion, overdrive, fuzz.

3.Методы измерений линейных искажений в АС: АЧХ, ФЧХ. Основные параметры(эффективно воспроизводимый диапазон частот, характеристическая чувствительность,неравномерность и др.)

При передаче сигналов через все звенья звукозаписывающих и звукопередающих трактов (в том числе и через громкоговорители) в них вносятся различные виды искажений, обусловленные особенностями электромеханических, механоакустических и других процессов преобразования сигналов.

Эти искажения можно разделить на линейные и нелинейные.

Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между отдельными спектральными составляющими сигнала, и за счет этого могут менять его временнУю форму, но они не вносят новых спектральных составляющих и не зависят от уровня входного сигнала.

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре выходного сигнала новых спектральных составляющих, которые изменяют временнУю структуру сигнала в зависимости от его уровня.

Во всех громкоговорителях происходят как линейные, так и нелинейные искажения музыкальных и речевых сигналов.

Т.к. линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между отдельными спектральными составляющими сигнала, то для определения величины линейных искажения используют понятия АЧХ (Амплитудно-частотная характеристика) и ФЧХ (Фазо-частотная характеристика).

Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) называется зависимость от частоты разности фаз входного и выходного сигналов.

ФЧХ показывает, как с изменением частоты от нуля до бесконечности изменяется сдвиг фаз между входным и выходным гармоническими сигналами.

Один из методов определения фазо-частотных характеристик - экспериментальный:

1. На вход системы подаётся гармонический синусоидальный сигнал, частота (омега итое) которого изменяется в заданном диапазоне;

2. Измеряется для каждой частоты сдвиг фаз (фи итое) между входным и выходным сигналами

3. Изменяя частоту от нуля до наибольшего значения, строят график :

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость уровня звукового давления от частоты. Обычно измерения АЧХ производятся в специальных заглушенных камерах, обработка поверхностей которых позволяет значительно уменьшить влияние отражений. В качестве измерительного используется синусоидальный или шумовой сигнал. Однако в настоящее время широко используются цифровые методы измерения в незаглушенных помещениях на импульсных сигналах, позволяющих получить трехмерный спектр (если вдруг спросят (а так лучше не упоминать) : спектр (по научному он называется «амплитудный спектр», потому что есть еще «фазовый спектр») – это совокупность собственных частот и амплитуд колебаний, которые возбуждаются в данном теле при воздействии на него внешней силы);

- эффективно воспроизводимый диапазон частот - диапазон, в пределах которого уровень звукового давления снижается на некоторую заданную величину по отношению к уровню среднего звукового давления, усредненному в некотором диапазоне частот (в лучших моделях контрольных агрегатов он достигает 20...20000 Гц при спаде 3 дБ на низких и высоких частотах);

- характеристическая чувствительность - отношение среднего звукового давления, развиваемого головкой громкоговорителя в заданном диапазоне частот (обычно 100...8000 Гц) на рабочей оси на расстоянии 1 м при подводимой электрической мощности 1 Вт (в зависимости от области применения находится в следующих пределах: головки громкоговорителя для бытовых акустических систем - 86...89 дБ/Вт/м, для студийных агрегатов - 92...94 дБ/Вт/м, для концертно-театральной аппаратуры - 98...102 дБ/Вт/м).

- неравномерность АЧХ - разница между максимальным значением уровня звукового давления и минимальным, или между максимальным и средним внутри эффективно воспроизводимого диапазона частот (в современных акустических системах эта величина составляет +/-1 дБ);

Лекция 9.

Основные параметры и характеристики усилителя:

1. R вх =U 1 /I 1. – входное сопротивление.

На низких частотах – активное. Зависит от частоты.

На высоких частотах – комплексное.

2. R вых =U 2 xx/I 2 кз. (хх-холостой ход, кз-короткое замыкание).

3. К – коэффициент усиления, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

а) К u =U 2 m /U 1 m – по напряжению.

б) K I =I 2 m /I 1 m – по току.

в) K p =P 2 /P 1 – по мощности.

Коэффициент усиления – величина безразмерная, иногда его выражают в относительных логарифмических единицах, которые называют децибелами.

При воздействии на усилитель гармонического сигнала, его коэффициент усиления оказывается частотно-зависимым и аналитически выражается комплексной функцией коэффициента передачи, которая называется частотной характеристикой.

Комплексный коэффициент передачи.

4. Зависимость коэффициента передачи от частоты – частотная характеристика.

АЧХ: K (j w) = (0

ФЧХ: j (j w) =j 2 -j 1 (0

Графики усилителя:

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент усиления К 0 на всем диапазоне частот, в реальном же усилителе коэффициент меняется.

ФЧХ говорит о том, что на низких частотах фазовый сдвиг положителен, а на высоких частотах происходит запаздывание (т.е. отрицателен).

Амплитудная характеристика усилителя.

U вых =f(U вх.м);

Амплитудная характеристика.

1.Отличия в области малых амплитуд входного сигнала состоят в том, что при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторый сигнал. Он возникает из-за наличия электромагнитных наводок и собственных шумов на вход усилителя

2.В области больших амплитуд отличия связаны с нелинейностью ВАХ активных элементов.

Из ВАХ вытекают основные параметры определяемые по амплитудной характеристике:

а. - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем он качественнее.

Б.Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда:

Искажения сигналов в усилителях.

Для идеального линейного усилителя форма входного и выходного сигналов должны совпадать. В реальных усилителях этого не происходит. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы его на входе есть искажение создаваемое усилителем.

Искажения бывают:

1.Линейное;

2.Нелинейное.

Нелинейное искажение – это изменения формы сигнала на выходе, которые возникаютза счет нелинейности ВАХ активных металлов. Количественно нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).

Линейное искажение бывает двух видов:

а. Частотное;

б. Фазовое;

Частотное искажение связано с наличием в схеме усилителя реактивных элементов и возникающих за счет неодинакового усиления различных гармонических составляющих.

Фазовое искажение возникает за счет неодинакового фазового сдвига различных гармонических составляющих. Причина этого - наличие реактивных элементов в схеме усилителя.

КПД усилителя.

КПД играет существенную роль в усилителях мощности.

Классификация усилителей.

Классификация усилителей может быть произведена по различным признакам:

1.По полосе пропускания и абсолютному значению усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Усилители переменного тока в свою очередь делятся на усилители низких частот, широкополосные усилители и на избирательные усилители.

а. Усилители постоянного тока – способны усиливать как переменные, так и постоянные составляющие сигнала. У них f н =0;

б. Усилители переменного тока – способны усиливать только переменные составляющие сигнала. F н >0.

в. Усилители низких частот – усилители звуковой частоты - f н »50 Гц,f в »20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них

2.По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3.По виду используемых активных элементов:

а. Ламповые;

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

а. Однокаскадные;

б. Многокаскадные.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

Б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

В. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

Г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Обеспечивает гальваническую развязку между каскадами и в то же время обеспечивает полную передачу сигнала от одного каскада к другому по переменной и постоянной составляющей.

Многокаскадные усилители.

Реальный сигнал звуковой частоты является сложным и содержит гармонические составляющие, т.е. синусоидальные колебания различной частоты, амплитуды, фазы. Если форма кривой на выходе усилителя отличается от формы кривой на его входе, то это отразится на качестве звука.

Причины появления искажений различны, и также различно их влияние на качество звука. Различают искажения:

Частотные;

Фазовые;

Нелинейные.

Частотные – это изменение формы кривой сигнала в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Причиной появления этих искажений являются реактивные элементы – индуктивности катушек и емкости конденсаторов, сопротивления которых зависят от частоты (вспомнить формулы Х с и Х L).

В результате частотных искажений нарушается соотношение между амплитудами составляющих сигналов разной частоты. Это воспринимается на слух как изменение тембра: если недостаточное усиление верхних частот, то звук становится глухим, а нижних - металлическим.

Численно частотные искажение определяются по частотной характеристике, т.е. зависимости коэффициента усиления от частоты сигнала, т.е. K дБ = f(f).

Рис. 5

На этой характеристике частоту следует откладывать в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления - как в логарифмическом масштабе, так и в относительных величинах или в дБ.

Частотный диапазон делится на отдельные области:

а) область средних частот - 300- 3000гЦ, в этой области мало сказывается влияние реактивных элементов;

б) область верхних частот - свыше 3000гЦ;

в) область нижних частот - ниже 300гЦ.

Частота 400гЦ (иногда 1000гЦ) называется средней (f о),

f н - нижняя граничная частота, f в - верхняя граничная частота.

При отсутствии частотных искажений характеристика имеет вид горизонтальной прямой. Если коэффициент усиления на граничных частотах уменьшается или увеличивается, то в характеристике будет некоторый спад или подъем вершин (рис. 5б). Оцениваются частотные искажения коэффициентом частотных искажений (М), который определяется: М = К 0 /К,

где K o - коэффициент усиления на средней частоте,

K- коэффициент усиления на данной частоте.

Обычно его определяют на граничных частотах, где он имеет максимальную величину

М н = К 0 /К н М в = К 0 /К в

Или его выражают в дБ по формулам:

М ндБ = 20 lg М н = K o дБ - K ндБ

М в дБ = 20 lg М в = K o дБ - K вдБ

Указанные формулы имеют одно неудобство: подъему характеристики соответствует знак минус, а спаду - плюс, что нарушает привычное представление о том, что положительные величины откладываются выше нулевого уровня, а отрицательные - ниже.

Поэтому при построении частотной характеристики используют стандартный бланк, на котором по оси ординат откладывается относительное усиление (Y) в дБ, и это есть величина, обратная коэффициенту частотных искажений, т.е.

Y = К/К 0 = 1/М или Y дБ = - М дБ

Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений (М) и относительное усиление (Y) определяются как произведение коэффициентов в относительных величинах или как их сумма в дБ.

Поэтому, если на одной частоте в одном каскаде спад, а в другом – такой же подъем, то общая частотная характеристика будет без искажений, что используется для коррекции ЧХ.

Малозаметные на слух частотные искажения составляют -+ 2 дБ, и эта их величина считается допустимой для УАС.

Фазовые - это искажения формы кривой сигнала, вызванные тем, что сдвиг фаз между выходным и входным сигналом не пропорционален частоте. Причина - наличие реактивных элементов. Как и частотные, фазовые искажения сказываются при усилении сложного сигнала, в котором нарушается соотношение между фазами отдельных составляющих. Оценить эти искажения можно по фазовой характеристике, т. е. зависимости угла сдвига фаз от частоты: φ = f(f).

Рис.6 Разложение сложного сигнала и фазовая характеристика

На слух фазовые искажения не воспринимаются, но если в усилителе есть цепь обратной связи, то они могут привести к генерации на высоких частотах.

Нелинейные – это изменение формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов.

Рис.7 Входная характеристика транзистора

По графику видно, что при отсутствии сигнала на базе действует напряжение базы покоя U бс и протекает ток базы покоя I бо - им соответствует точка покоя P. Искажения возникают, так как используется криволинейный участок характеристики P-А.

Причинами появления нелинейных искажений могут быть и нелинейность выходных характеристик, и неравномерность их сдвига при равных изменениях тока базы.

Любая несинусоидальная кривая раскладывается на составляющие: основную - с частотой сигнала и гармоник высшего порядка - с частотами, кратными частоте основного сигнала. И тогда, при подаче сигнала с частотой 400 Гц на выходе можно получить сигналы с частотами 400, 800, 1200, 1600 и т.д. Гц.

Кроме того, могут появиться комбинационные тона - это колебания с частотами, представляющими сумму или разность любой пары составляющих сложного сигнала. Они делают звук хриплым, дребезжащим, а речь - неразборчивой.

Для учета нелинейных искажений вводится понятие коэффициента гармоник К г

К г = √ P 2 + P 3 +…../ Р 1 100% или К г = √ I 2 + I 3 +…../ I 1 100% или

К г = √ U 2 + U 3 +…../ U 1 100%

Коэффициент гармоник выражает долю действующих значений высших гармоник в процентном отношении к основному сигналу.

Если преобладает, какая - либо из гармоник, то формула может быть упрощена:

К г = I 2 / I 1 100% - по второй гармонике;

К г = I 3 / I 1 100% по третьей гармонике.

Следует знать, что в симметричном сигнале преобладает третья гармоника, а в несимметричном - вторая гармоника. Численно коэффициент гармоник не должен превышать 1% на средних частотах.

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U 2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U 2m2 … амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω 0 и 2ω 0 . Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω 0 . будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω 0 . А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

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.