Почти все современные тракты звуковоспроизведения содержат активные полупроводниковые приборы, но их использование в УМЗЧ вызывает массу нареканий. В чем причина? Из-за обогащения спектра выходного сигнала гармониками высокого порядка. Да, но многие из тех УМЗЧ, в которых этот недостаток устранен, звучат все равно не так, как нам бы хотелось.
Низкая устойчивость к пульсациям напряжения источников питания (ИП), “отягощенная” тем, что плечи выходного каскада транзисторного УМЗЧ, в отличие от лампового, питаются от отдельных источников [1]. Да, но есть немало свидетельств того, что при питании выходного каскада от высококачественных стабилизированных источников звучание УМЗЧ даже ухудшается.
Негативное влияние петли глубокой общей ООС. Не та величина выходного сопротивления. Жесткое ограничение при перегрузках. Тепловые эффекты. Да, все это в транзисторных усилителей звука может иметь место. Но возникает вопрос, на какие именно параметры звукового сигнала оказывают влияние, например, тепловые эффекты. Ответив на этот вопрос, мы сможем ответить и на многие другие, выработать инструментальную методику измерения этого влияния и методы борьбы с ним.
Ни для кого не является секретом тот факт, что ныне используемые стандартные методики измерения нелинейности, увы, не выявляют медленно протекающие нелинейные эффекты. Конечно, “следы” проявления тепловых и других “медленных” эффектов можно обнаружить при односигнальных испытаниях на низших частотах, но даже на частоте 20 Гц это проявление невелико и не играет решающей роли в ухудшении качества звучания.
В то же время, в [2] приведены сведения о том, что плохо маскируются не только далеко отстоящие от маскирующего сигнала гармоники и другие паразитные спектральные составляющие, но и расположенные близко к основным сигналам и их гармоникам комбинированные составляющие.
Вызвано это наличием в органе слуха эффекта биений — два или несколько близко расположенных по частоте сигналов, попадающих в одну критическую полосу слуха (с увеличением частоты ее ширина изменяется от 0,3 до 0,05 октавы, а всего таких полос у среднестатистического человека насчитывают около 200), воспринимаются как один амплитудно-модулированный сигнал.
Хотя чувствительность слуха к инфранизкочастотной паразитной амплитудной модуляции сигнала в несколько раз выше, чем ко второй гармонике, этот параметр до сих пор не измеряют. И вовсе не потому, что это трудно сделать, а просто в силу исторически сложившихся причин — выпускавшиеся ранее промышленностью измерители нелинейных искажений и анализаторы спектра не приспособлены для таких измерений.
Так сформировался “джентльменский набор” доступных исследователям первой половины XX века методик измерения нелинейности, коими мы пользуемся и поныне. В результате такие медленно протекающие явления как тепловые, которые в полупроводниковых приборах проявляются значительно сильнее, чем в лампах, низкая устойчивость многих транзисторных УМЗЧ к инфранизкочастотным колебаниям напряжения ИП, стали относить к разряду “эзотерических” эффектов.
В работе, посвященной изучению направленных свойств слуха [3], приводятся сведения о том, что положение в пространстве кажущегося источника звука со спектральными составляющими выше 1,6 кГц определяется слухом преимущественно по огибающей сигнала. Наличие в спектре огибающей такого сигнала паразитной инфранизкочастотной составляющей даже небольшой величины приводит к “размыванию” (качанию) кажущегося источника звука в пространстве.
Это является свидетельством того, что повышенная инфранизкочастотная нелинейность проходной характеристики входящих в ЗВУ устройств приводит к переходным искажениям звукового сигнала, влияние которых на качество звуковоспроизведения резко возрастет при воссоздании звукового образа с помощью многоканальных ЗВУ. При измерении амплитудной нелинейности звуковоспроизводящего тракта реальный звуковой сигнал обычно заменяют одной, двумя или тремя синусоидами.
При проведении многосигнальных испытаний разнос между частотами выбирается достаточно большим. Оно и понятно — разрешающая способность аналоговых анализаторов спектра, коими пользовались исследователи прошлых лет, составляет несколько герц, поэтому вряд ли кому-то из них приходила в голову идея разнести частоты входных сигналов, например, на 0,5 Гц.
А как поведет себя УМЗЧ, если на его вход подать амплитудно-модулированный (AM) сигнал с частотой огибающей F, равной 0,3…5 Гц.
При столь низкой частоте огибающей температура многих элементов УМЗЧ, работающего в двухтактном режиме, например, силовых транзисторов выходного каскада, будет заметно изменяться, причем тем сильнее, чем ниже F и меньше ток покоя каскада. При частоте несущей АМ-сигнала выше 100 Гц температура используемых в плечах симметричного УМЗЧ элементов изменяется синхронно. Синхронное изменение параметров обоих плеч УМЗЧ приводит к образованию нечетных гармоник, что проявляется в появлении инфранизкочастотной паразитной АМ-несущей f.
Кроме того, образуется паразитная AM и на частоте 3f (5f), а как уже упоминалось, чувствительность слуха к AM высока и в области гармоник основного сигнала. При наличии в схеме УМЗЧ асимметрии тепловые эффекты приводят к появлению на его выходе инфранизкочастотных спектральных составляющих, что может отрицательно сказаться на работе громкоговорителя (ГГ).
Но правомерна ли замена реального звукового сигнала АМ-сигналом со столь низкой частотой огибающей. Если представить реальный звуковой сигнал в виде АМ-сигнала, то мы обнаружим, что максимум спектральной плотности огибающей этого сигнала, представляющего собой и речь, и музыку, лежит в области 1…5 Гц, т.е. именно в той области частот, где чувствительность слуха к AM максимальна (повторяется ситуация с несущей звукового сигнала).
Эта огибающая образуется всеми действующими в определенный момент времени спектральными составляющими сигнала, но поскольку их частота превышает частоту наиболее вероятной огибающей, то при измерении инфранизко-частотных эффектов реальный звуковой сигнал можно заменить обычным АМ-сигналом.
Тепловые и иные медленно протекающие эффекты проявляются тем сильнее, чем ниже частота огибающей, поэтому оптимальным следует считать выбор частоты F тестового АМ-сигнала, равной 0,3… 1 Гц. При этом на нелинейностях третьего и пятого порядков образуются комбинационные составляющие, вызывающие паразитную АМ-модуляцию сигнала в области максимальной чувствительности слуха.
На выбор частоты несущей тестового АМ-сигнала оказывают влияние следующие факторы. Если АЧХ исходного УМЗЧ (до охвата его петлей ООС) в области рабочих частот горизонтальна, а потребляемый УМЗЧ ток при максимальной амплитуде сигнала с ростом частоты до 20 кГц не увеличивается, то величина частоты f при подключении к УМЗЧ активного эквивалента нагрузки особого значения не имеет, и ее можно выбрать, например, равной 1 кГц.
Если же первый полюс АЧХ петлевого усиления исходного УМЗЧ лежит ниже 20 кГц, то измерения следует проводить как при f=1 кГц, так и при f=16 (10…20) кГц. В таких УМЗЧ “инфранизкочастотная” нелинейность на верхних частотах увеличивается не только из-за снижения глубины ООС, но еще и из-за увеличения тепловых эффектов, что зависит от конкретной схемы УМЗЧ.
Свидетельством наличия в УМЗЧ последнего эффекта является рост (с повышением частоты f) отношения “инфранизкочастотной” нелинейности к “стационарной”, измеренного при частоте F, равной 0,3…0,5 Гц и 20…50 Гц соответственно. При работе УМЗЧ на нагрузку, содержащую реактивную составляющую, рекомендуется дополнительно провести измерения на частоте f, на которой УМЗЧ работает в наиболее тяжелых условиях.
Для решения поставленной задачи АМ-сигнал можно с успехом заменить двумя синусоидальными сигналами равной амплитуды, разнесенными по частоте на 0,5 Гц. При этом образуются биения с частотой 1 Гц, внешне напоминающие сигнал со 100% амплитудной модуляцией. На эти биения и будет реагировать схема, на элементах которой будет рассеиваться разное количество тепла.
Для регистрации вносимых устройством искажений наилучшим образом подходит популярный в среде радиолюбителей измеритель нелинейных искажений компенсационного типа. Традиционная измерительная схема дополняется при этом вторым генератором синусоидального сигнала, выходной сигнал которого суммируется с сигналом первого генератора (для этого выходы генераторов можно включить последовательно).
К линейности сигналов обоих генераторов высоких требований не предъявляется, т.к. линейность симметричного устройства можно оценить по комбинационным составляющим, образующимся в области первой гармоники этих генераторов. Поскольку разнос частот генераторов в ходе измерений не превышает десятков герц, то первые гармоники обоих генераторов на выходе измерителя будут полностью скомпенсированы
(на выходе простейшего компенсационного измерителя полностью, те с точностью до фазы, можно скомпенсировать лишь одну гармонику генераторов, в нашем случае первую), а некомпенсированные гармоники генераторов и гармоники, вносимые исследуемым устройством, как и более высокочастотные комбинационные составляющие, можно существенно ослабить установкой на выходе измерителя двух-трех последовательно включенных ФНЧ (второго порядка) с частотой среза, равной f, и добротностью, равной 3 5.
[info]Это рекомендуется сделать для облегчения регистрации и распознования образующихся в области частоты f комбинационных составляющих Для этого обычно используется осциллограф THS3000.[/info]
Методика проведения измерений мало отличается от традиционной. Оба генератора настраивают на одну частоту, например, на 1 кГц, а амплитуду выходного сигнала каждого генератора устанавливают вдвое меньшей, чем при проведении односигнальных измерений.
Частоту и амплитуду одного из генераторов уточняют по осциллографу — частоту биений устанавливают равной 1 Гц, а глубину модуляции — 100%, что свидетельствует о равенстве амплитуд генераторов и их расстройке по частоте на 0,5 Гц.
После этого второй генератор отключают и балансируют компенсатор Отключив первый генератор и включив второй, убеждаются, что сигнал с частотой f на выходе компенсатора отсутствует.
Теперь включают оба генератора. Для облегчения интерпретации полученных результатов частоту одного из генераторов плавно изменяют в обе стороны, наблюдая при этом за происходящими с выходным сигналом изменениями. При разносе частот генераторов в несколько десятков герц тепловые эффекты практически перестают появляться, а наблюдающиеся при этом биения (при питании УМЗЧ от стабилизированного источника) возникают лишь из-за стационарной нелинейности амплитудной характеристики УМЗЧ (во многих УМЗЧ “инфранизко- частотная” нелинейность превышает стационарную более чем на порядок).
Для получения более полной картины рекомендуется проводить две серии измерений — при максимальной амплитуде биений выходного напряжения УМЗЧ, примерно равной половине напряжения питания, и при близкой к максимальной. В первом случае обычно преобладает порожденная тепловыми эффектами нелинейность третьего порядка, а во втором — пятого.
Часто можно наблюдать и более высокочастотные биения, возникающие из-за взаимодействия сигналов с пульсациями напряжения ИП, что свидетельствует о низкой к ним устойчивости испытуемого УМЗЧ (тогда эти биения наблюдаются и при односигнальных испытаниях). В [1] было указано, что “просачивающиеся” через плечи работающего в режиме “А” симметричного каскада пульсации ИП частично компенсируются при усилении им сигнала частотой 500 Гц и выше.
Если же каскад работает в режиме “В” с запиранием транзисторов неработающего плеча, то эффект компенсации отсутствует При грамотной реализации в УМЗЧ экономичного режима “А” (режима со сквозным током покоя и тп ) также происходит компенсация пульсаций напряжения питания, а заодно и львиной доли комбинационных составляющих, порожденных тепловыми эффектами.
При замене стабилизированного ИП выходного каскада УМЗЧ на нестабилизированный очень часто наблюдается снижение уровня паразитной AM. Это может происходить по двум причинам. Во-первых, фаза инфранизко-частотных колебаний питающего напряжения обычно такова, что их наличие приводит к снижению амплитуды температурных изменений в элементах схемы, а просочившиеся через плечи УМЗЧ пульсации часто оказываются в противофазе с паразитным сигналом, порожденным тепловыми эффектами.
Одновременное проявление описанных инфранизкочастотных эффектов усложняет интерпретацию результатов, полученных в ходе реализации описанной выше методики измерений. При конструировании или доработке УМЗЧ все-таки не следует возлагать большие надежды на благоприятное взаимодействие вышеуказанных эффектов — они часто имеют разные постоянные времени, по-разному проявляют себя при изменении амплитуды сигнала и тд.
Поэтому необходимо одновременно повышать устойчивость УМЗЧ и к пульсациям напряжения ИП, и к изменению температуры элементов схемы. Данная задача облегчается тем, что многие технические решения, увеличивающие устойчивость. УМЗЧ к пульсациям напряжения ИП, одновременно приводят и к снижению температурных эффектов. Это происходит, например, при замене простых активных элементов составными на разнополярных структурах [1, 4], при включении составных транзисторов по каскодной схеме.
Поскольку параметры составного транзистора зависят в основном от температуры первого транзистора, то при отработке схемы следует добиваться снижения ее изменения (изменение рассеиваемой на транзисторе мощности на 0,01 Ртах приводит к изменению температуры кристалла транзистора примерно на 1°С). Мощность рассеяния тех резисторов, от которых зависят коэффициенты усиления каскадов УМЗЧ, а в особенности резисторов петли общей ОС, следует выбирать с большим запасом — к заметному увеличению габаритов УМЗЧ это не приведет.
Широкому кругу радиолюбителей судить о качестве того или иного устройства по одному интегральному параметру, характеризующему в сущности линейность его амплитудной характеристики, гораздо проще, нежели разобраться в хитросплетениях нескольких параметров, поэтому результаты многосигнальных измерений исследуемого УМЗЧ (они могут проводиться и по другой методике) разумно объединить с односигнальным параметром в единый интегральный параметр Кн.
Если “весовой эффект” двухсигнального параметра, измеренного по приведенной выше методике, окажется равным 10 20 (интуиция подсказывает, что он может оказаться и больше, ведь по описанной методике измеряются не все образующиеся комбинационные составляющие), то становится очевидной причина низкого качества звучания многих транзисторных УМЗЧ, имеющих прекрасные “стандартные технические характеристики.
Хотя приведенная выше простейшая двухсигнальная методика измерений и позволяет выявить проявление различных инфранизкочастотных эффектов, однако для проведения исследований, например при отработке схемы УМЗЧ, пользоваться ею неудобно. Для этой цели лучше воспользоваться тоже достаточно простой, но более наглядной многосигнальной методикой испытаний.
Для их проведения необходимо изготовить простейший генератор пакетов (ГП) импульсов (на логических элементах), содержащий генератор прямоугольных импульсов с частотой следования 100 200 Гц (генератор несущей fгп) и генератор прямоугольного инфранизкочастотного сигнала с диапазоном перестройки 0,2 20 Гц (генератор огибающей F), управляющий генератором несущей.
Снимаемые с выхода ГП пакеты импульсов следует отфильтровать хотя бы простейшим полосовым фильтром, настроенным на частоту fгп. Снимаемый с выхода ГП сигнал суммируется с синусоидальным сигналом (ГС) частотой 16 20 кГц, а затем эта смесь подается на вход исследуемого устройства. Амплитуду выходного сигнала ГС устанавливают такой, при которой на эквиваленте нагрузки получается напряжение величиной 0,05 0,1 Uвых. макс.
В ходе дальнейших измерений амплитуду сигнала ГС не изменяют, а максимальную амплитуду сигнала ГП, измеренную на выходе устройства, варьируют в диапазоне 0,3 0,9Uвых. макс. Сигнал с выхода исследуемого устройства подают на ПФ (ФВЧ), настроенный на частоту ГС, а с него — на вход компенсатора искажений. На другой вход компенсатора подают с выхода ГС сигнал такой величины, при которой амплитуда снимаемого с выхода компенсатора сигнала снижается в 5 20 раз, те компенсатор используется в этом случае для облегчения регистрации паразитной AM с помощью осциллографа.
Изменяя амплитуду выходного сигнала ГП и частоту следования пакетов импульсов, наблюдают за происходящими с выходным сигналом изменениями. Данная измерительная схема позволяет измерить преобладающую постоянную времени тепловых эффектов при питании исследуемого устройства от стабилизированного источника, оценить влияние на инфранизкочастотные эффекты нестабилизированного ИП при разной амплитуде АМ- сигнала и др.
Пропустив сигнал с выхода исследуемого устройства через ФНЧ с частотой среза 10 20 Гц, измеряют уровень инфранизкочастотной составляющей (это измерение лучше проводить при выключенном ГС и частоте fгп=16 20 кГц).
