ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Современные усилители, применяемые для высококачественного зву­ковоспроизведения, представляют собой сложное радиоэлектронное устройство, состоящее из последовательно включенных функционально завершенных узлов. Структурную схему современного усилителя высококачественного звуковоспро­изведения (УВЗ) можно представить в виде совокупности различных модулей, представляющих собой функционально законченные части усилительного уст­ройства (рис. 1). К ним относятся селекторы входных сигналов, предусилите-лн-корректоры, микрофонные усилители, фильтры, регуляторы громкости и ба­ланса, шумоподавители, регуляторы тембра, квадрапреобразователи, усилители мощности, источники питания и различные узлы автоматики. В дальнейшем эти модули условимся называть функциональными узлами (ФУ). Они обеспечи­вают селекцию сигналов многих первичных источников (микрофонов, электро­фонов, магнитофонов, тюнеров и т. п.), корректируют частотные характеристи­ки отдельных источников звуковых сигналов, нормируют уровни сигналов, от­деляют полезный сигнал от сопутствующих мешающих составляющих, регули­руют уровень и тембр звука, усиливают мощность сигналов, а также выполня­ют ряд других функций.

Рис. 1. Структурная схема усилителя высококачественного звуковоспроизведения

В настоящее время под УВЗ понимают двухканальную стереофоническую или четырехканальную квадрафоническую систему звуковоспроизведения, кото­рая обеспечивает восприятие звуковых колебаний источников сигналов ориги­нала, расположенных в пространстве, а в случае квадрафонической системы — а сигналов вторичных акустических источников — отражений от стен и других объектов в студии, создавая ощущение «атмосферы зала», т. е. эффект объемно­го звучания. Это, в свою очередь, заставляет вводить в усилитель новые элемен­ты, такие как регуляторы баланса уровня громкости тыловых акустических си­стем, квадрапреобразователи.

Разделение УВЗ на ряд функциональных узлов позволяет унифицировать связи между ними и тем самым создавать различную по качеству и техниче­ским возможностям звуковоспроизводящую аппаратуру [1].

На рис. 1 приведена структурная схема составленного из ФУ современного стереофонического звуковоспроизводящего тракта, дополненного квадрапреобра-зователем и двумя каналами усилителей мощности для тыловых акустических систем (для псевдоквадрафонического звуковоспроизведения). Этот вид УВЗ сейчас является наиболее распространенным по двум причинам. С одной сто­роны, он выгоден из экономических соображений (четырехканальные источни­ки звуковых сигналов весьма дороги), а с другой — он создает хорошую иллю­зию объемного звучания, оказывающую сильное эмоциональное воздействие на слушателя.

Усилитель высококачественного звуковоспроизведения (см. рис. 1) состоит из девяти автономных ФУ: предусилителей-корректоров сигнала магнитного зву­коснимателя 1А1, 2А1 (ФУ1); фильтров верхних и нижних частот 1Z1, 2Z1 и !Z2, 2Z2 (ФУ2); регулятора стереобаланса А1, тонкомпенсированных регуляторов громкости 1А2, 2А2, нормирующих усилителей 1АЗ и 2АЗ (ФУЗ); шумоподави-телей 1А4 и 2А4 )(ФУ4); темброблоков 1А5 и 2А5 (ФУ5); синтезатора псевдо­квадрафонического сигнала А2 |(ФУ6); усилителей мощности 1А6, 2А6, ЗА6, 4А6 (ФУ7); индикаторов выходной мощности 1Р1, 2Р1, ЗР1, 4Р1 (ФУ8); устройства защиты усилителей мощности и громкоговорителей 1А7, 2А7, ЗА7, 4А7 (ФУ9); источника питания G1.

Переключателем S1 выбирают источник сигнала, S2 и S3 коммутируют фильтры верхних и нижних частот, S4 переключает тракт из монофонического режима в стереофонический и наоборот, S5, S6, S7 коммутируют соответствен­но цепи тоюшмпенсации, шумоподавителя и регулятора тембра, S8 устанавли­вает псевдоквадрафонический режим работы УВЗ. Технические показатели усилителей, определяемые ГОСТом, ОСТом или другими специальными руково­дящими материалами, обычно касаются сквозных характеристик всего усили­тельного тракта. Поэтому для оценки качества каждого ФУ установим само­стоятельные технические характеристики.

Примерные нормы на технические характеристики основных ФУ усилитель­ного тракта, разработанные авторами с учетом возможностей современной эле­ментной базы, приведены в табл. I. Для каждого ФУ предлагаются три уров­ня параметров: начальный — для простых массовых конструкций, средний — для относительно недорогих конструкций достаточно высокого качества и высший — для уникальных конструкций, обеспечивающих весьма высокое качество зву­чания.

Таблица 1

1 На частоте 1 кГц при коэффициенте гармоник не более 0,5%.

2. При номинальном входном напряжении.

3. При максимальном подъеме АЧХ в коэффициенте гармоник не более 0,5%.

4 При заданном коэффициенте гармоник.

5. При номинальной выходной мощности.

6. По отношению к собственным шумам усилителя.

Сквозные характеристики аппаратуры, построенной из ФУ начального уров­ня, удовлетворяют минимальным требованиям к системам высококачественного воспроизведения звука по стандарту DIN 45500; параметры ФУ среднего уров­ня обеспечивают сквозные характеристики, свойственные лучшим образцам сов­ременной отечественной и зарубежной аппаратуры класса Hi — Fi; нормы на па­раметры ФУ высшего уровня установлены исходя из анализа современного сос­тояния и перспектив совершенствования звуковоспроизводящей техники в будущем. Значения параметров выбраны таким образом, чтобы ни один ФУ в пределах своего уровня не ограничивал характеристики тракта в целом. Ис­пользование ФУ с разными уровнями параметров в одном устройстве нежела­тельно, так как это приведет к снижению характеристик усилителя, которые будут определяться параметрами ФУ худшего качества.

Рис. 2. Схема соединения ФУ при объеди­нении их в звуковоспроизводящий тракт

Рис. 3. Схема соединения мон­тажных плат ФУ при объеди­нении их в звуковоспроизводя­щий тракт

Схемы соединений ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт показаны на рис. 2 и рис. 3 (нумерация выводов ФУ на первом из них соответствует нумерации контактов на торцах монтажных плат на втором). Здесьвыход ФУ1 соединен непосредственно с входом ФУ2, выход ФУ2 — с входом ФУЗ и т. д. Питание на каждый ФУ подается с соответствующих шин по отдель­ным проводам. Чтобы уменьшить помехи (фона и шумов), общие провода сиг­нальных цепей и питания (средняя точка источника двухполярного питания) разделены. С отдельной шиной (корпусом) соединяют и экраны, в которые по­мещают чувствительные к наводкам ФУ (см. с. 130).

В предлагаемом исполнении звуковоспроизводящего тракта некоторые ФУ (например, фильтры, нормирующие усилители, темброблоки и т. п.) можно по­менять местами, а также исключить отдельные узлы (в этом случае на их место устанавливают короткозамыкающие перемычки, соединяющие выводы входа и выхода исключаемого узла). Это открывает широкие возможности для иссле­дований и оптимального построения разрабатываемого устройства.

Конструкция, построенная на базе модулей ФУ, оказывается весьма рабо­тоспособной: вышедший из строя ФУ можно заменять запасным или заглушкой с короткозамыкающими (вход с выходом) перемычками. При этом некоторые параметры ухудшаются, и теряются отдельные эксплуатационные удобства (на­пример, возможность регулирования тембра при выходе из строя темброблока), однако работоспособность тракта сохраняется. Далее будет приведено описание банка испытанных схем различных ФУ, удовлетворяющих перечисленным тре­бованиям. Все ФУ совместимы информационно, электрически и конструктивно,

Под информационной совместимостью подразумевается совместимость сиг-валов, несущих информацию (например, по номинальному диапазону частот, скорости нарастания выходного сигнала, динамическому диапазону и т. п.), под электрической — совместимость по номинальным уровням входных и выходных сигналов соседних по тракту ФУ и по входным и выходным сопротивлениям, под конструктивной — возможность непосредственного конструктивного объеди­нения ФУ в результате одинаковой прокладки линий связи, применения одно­типных разъемов и единого порядка соединения контактов с соответствующими цепями ФУ.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

Усилители высококачественного звуковоспроизведения должны удовлет­ворять определенным объективным и субъективным требованиям.

На сегодняшний день не существует полной объективной количественной системы оценок качества звучания, однозначно совпадающих с субъективным впечатлением. Такие характеристики качества звучания, как прозрачность, чис­тота звука, эффект присутствия, мягкость и естественность звука, до сих пор не имеют объективных оценок. Однако существующие методы объективной оценки технических параметров позволяют во многом количественно измерить и пред­сказать достижимое качество звучания при субъективном восприятии. Доста­точно полные сведения о технических характеристиках усилителя позволяют без электрических испытаний выяснить степень применимости усилителя для конкретного потребителя, быстро и правильно выбрать и спроектировать весь звуковоспроизводящий комплекс с учетом определенных условий эксплуатации, а также оценить предполагаемое качество звучания.

К основным техническим показателям УВЗ относятся входные и выходные ноказатели, коэффициент усиления, потребляемая мощность и КПД, линейные и нелинейные искажения, уровень собственных помех и шумов, амплитудная характеристика, динамический диапазон, стабильность показателей и др. Мы рас­смотрим те из них, которые непосредственно отражаются на субъективном вос­приятии качества звучания, а именно уровни линейных и нелинейных искаже­ний, собственных помех и шумов и динамический диапазон усилителя.

Для количественной оценки этих показателей важным является выбор фор-мы испытательных сигналов. В большинстве случаев напряжение на входе уси­лителя изменяется по периодическому закону. Форма кривой сигнала при этом может быть весьма разнообразной; она полностью зависит от характера сигна­лов усиливаемого напряжения.

Периодическое колебание может быть представлено в виде ряда Фурье:

Согласно этому выражению спектр входного сигнала представляется в виде бес­конечного ряда гармоник с кратными частотами от w=2пf до оо. Реально же при звукоусилении имеют дело с конечным диапазоном частот, что означает, что за пределами некоторой полосы, ограниченной верхней частотой f_в, амплитуды гар­моник равны нулю, т. е. U_k — 0 при kw>2пf_B.

В общем случае форма напряжения звукового сигнала не является перио­дической функцией времени и ее можно представить с помощью интеграла Фурье, являющегося распространением ряда Фурье на бесконечно большой пе­риод повторения функции. Для звуковых сигналов интервал между частотами гармоник стремится к нулю, и прерывистый спектр сигнала превращается в спло­шной. А это значит, что напряжение звукового сигнала имеет непрерывный спектр.

На практике при анализе и испытаниях усилителей звуковой частоты (34) в установившемся режиме часто используют в качестве входного сигнала на­пряжение синусоидальной формы, что является весьма условной и грубой мо­делью реальных сигналов, оправданной только с точки зрения методической про­стоты. Такая идеализация дает практически удовлетворительные результаты для грубой оценки качества усилителей 34.

Виды искажений, вносимых усилителем ЗЧ. Основным качественным по­казателем усилителя ЗЧ является степень неискаженного воспроизведения сиг­налов на выходе, подведенных ко входу. Под искажением понимается всякое изменение формы сигнала на выходе u_вых по сравнению с формой сигнала на входе u_вх. В идеальном случае выходное напряжение должно быть точно такой же функцией времени, как и входное, т. е.

u_вых(t) = K_вх(t).

где К — постоянный коэффициент, не зависящий от u_вх и t.

Обычно при прохождении сигнала через усилитель всегда возможен сдвнв сигнала во времени М, что не является искажением сигнала. Тогда условие не­искаженной работы усилителя имеет вид:

u_вых(t) = Кu_вх(t — Дt).

Для его выполнения необходимо, чтобы в усилителе отсутствовали линейные и нелинейные искажения.

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 линейньим 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 K к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:

М = К/К₆.

В логарифмических единицах он равен G[дБ]=201gM.

Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (на рис. 4 от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней f_a и верх­ней f_B граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения G_ДOП относительно коэффициента уси­ления на средних частотах. Область частот от f_н до f_B — рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.

Коэффициенты частотных искажений на низших G_H и высших G_B ча­стотах:

G_н = 20 lg [К (f_н)/Ko], G_B = 20 Ig [K (f_в)/K₀]

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

G_0БЩ=G₁ + G₂+... + G_N.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ

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

На практике усилители 34, 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 34 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.

Для борьбы с этими явлениями на входе усилителя включают специальные низкочастотные и высокочастотные фильтры. Этим обеспечивается эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала. Оптимальная крутизна спада у таких фильтров — 12 дБ на октаву. Фильтры часто делают переключаемыми, что позволяет выбирать ширину воспроизводимых частот в соответствии с качеством музыкальной программы. Искусственно ограничи­вать полосы отдельных ФУ, особенно усилителей мощности, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению линейных искажений, особенно фазо-частотныя и переходных.

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сиг­нала, вследствие чего искажается его форма. В качестве примера рассмотрим гармонический сигнал, состоящий из основной и третьей гармоник (рис. 5, а). Если в результате прохождения через усилитель третья гармоника получит сдвиг на 90° по отношению к первой, то, как видно из рис. 5,6, форма сигнала изменится. Если же и первая гармоника будет иметь сдвиг фазы 30° (рио. 5, в), то сигнал только сдвинется во времени, но форма его не изменится.

Фазо-частотные искажения будут отсутствовать, когда усилитель на всех частотах полосы пропускания не вносит фазовых сдвигов и если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, пропорционален частоте сигнала.

Рис. 5. Искажения формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его со­ставляющих

Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазо-частотной характери­стике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дф выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При ДФ>0 выходное напряжение опережает входное, при Дф<0 — отстает. Не соз­дающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависи­мость фазового сдвига от частоты:

Д_Ф(f)= — 2пt₃(f — f₀),

где t_a — групповое время запаздывания.

Групповое время запаздывания представляет собой производную по часто­те ФЧХ, т. е. t₃=dф>(t)/(2пdf). При линейной ФЧХ все спектральные составля­ющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время ta, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейна, 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. 6 отмечены цифрами 1, 2, 3).

Принято считать, что в широком диапазоне звуков человеческое ухо не ре­агирует на изменение фазовых соотношений между отдельными гармонически­ми составляющими спектра сигнала. Отчасти это верно при монофоническом воспроизведении. Однако в высококачественных стереофонических и особенно в квадрафонических системах фазо-частотные искажения существенно влияют на верность воспроизведения музыкальной программы, поэтому эти искажения должны быть нормированы. Следует отметить, что в активных псевдоквадра­фонических системах эффект объемности звукового образа достигается фор­мированием специальных фазовых характеристик усилителей тыловых каналов.

Рис. 6. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ

По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дф_н и высшей Дф_в частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В вы­сококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения бф 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 исчезающе малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8... 50 000 Гц.

Как отмечалось, 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. 7) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя u_вых(t) от времени при скачкообраз­ном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцени­ваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилите­лях 34 искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями в низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности t_ф и выбросу б_ф (см. рис. 7). Они приводят к динамиче­ским искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких пере­падов уровня реального музыкального 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. 7. Переходная характеристика усилителя ЗЧ

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

u_mаx = 2 п f_mаx U_{0 mах},

где f_maх — максимальная частота, передаваемая усилителем без искажений; U_{о mах} — максимальная неискаженная амплитуда выходного синусоидального сигнала.

Однако оконечный усилитель очень редко можно считать достаточно близ­ким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтому ы_тах для уси­лителей мощности 34 оценивают по ПХ.

Значение «max определяют по ПХ (см. рис. 7) как максимальную произ­водную h (t), т. е.

Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение u_max для высокока­чественных усилителей мощности составляет 8... 80 В/мкс. Именно такие уси­лители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении каче­ства звуковоспроизведения [2].

Выброс фронта бф (см. рис. 7) есть относительная разность между макси­мальным значением выходного напряжения U_max и его установившимся значе­нием U_у:

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

Между АЧХ, ФЧХ и ПХ усилителя существует сложная зависимость, связанная с тем, что все три характеристики обусловлены наличием одних и тех же реактивных элементов. Однако существующие графические методы, позво­ляющие по известным АЧХ и ФЧХ определить ПХ, довольно громоздки и не наглядны. На практике проще получить ПХ на экране осциллографа, при необ­ходимости подкорректировать ее и оценить параметры.

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 Р_г — суммарная мощность гармоник; pi — 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 ка-

скаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:

K_р.общ ⁼ K_г1 + K_г2 + ...+ K_гn,

Однако коэффициент Кгдает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образу­ющиеся в результате интерференции между отдельными составляющими слож­ного колебания. 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 K_им.и. При измерении K_им.и на вход усилителя подают два гармониче­ских колебания с частотами: f₁=50... 100 Гц и f2=5... 10 кГц при отношении амплитуд U_BX(f₁)/U_BX(f₂)=4/l. Коэффициент K_им., равен отношению амплиту­ды выходного напряжения разностной частоты fz — fi к амплитуде выходного на­пряжения частоты f₁:

Допустимое значение K_им.и<0,1 ... 1%. Исследования авторов показывают, что K_им.и= (3... 5) Кг. Учитывая это и сложность измерения коэффициента интер­модуляционных искажений, авторы не измеряли K_им.к в усилителях, схемы ко­торых приведены в книге.

Нелинейные искажения значительно зависят от амплитуды подаваемого на вход сигнала. На рис. 8 показан характер зависимости коэффициента Kг от мощности на выходе усилителя. Эта кривая является основной характеристикой для оценки нелинейных искажений. Она служит также для определения макси­мальной полезной мощности усилителя по заданному K_г.

Коэффициент гармоник задается, как правило, для большого уровня вход­ного сигнала. Для транзисторных усилителей мощности характерно увеличение нелинейных искажений при весьма малых уровнях входного сигнала, что выз­вано искажениями типа «ступенька» или «центральная отсечка». Поэтому для полной оценки качества усилителя целесообразно контролировать Кг также при малых уровнях входных сигналов. В устройствах, схемы ко­торых даны в книге, коэффициент гармоник измерялся на малых уровнях входного сигна­ла при выходной мощности 50 мВт.

Рис. 8. Зависимость коэффици­ента нелинейных искажений от мощности на выходе усилите­ля ЗЧ

В основном нелинейные искажения воз­никают в оконечном и предоконечном каска­дах. Для оконечных усилителей вносимые не­линейные искажения различны на разных частотах. В области граничных частот поло­сы пропускания они возрастают (при неиз­менной амплитуде входного сигнала). Это объясняется реактивным характером сопротивления нагрузки оконечных тран­зисторов и связанным с этим изменением формы динамической характеристики на крайних частотах полосы пропускания.

Допустимые нелинейные искажения зависят от назначения усилителя. Так, в усилителях 34, используемых в радиовещании и бытовой звуковоспроизво­дящей аппаратуре, коэффициент гармоник по ГОСТ 11157 — 74 должен состав­лять 1... 2%. В высококачественной профессиональной аппаратуре K_г<0,05%.

В последние годы резко улучшились параметры высококлассной звуковос­производящей аппаратуры. Особенно заметна тенденция к снижению нелиней­ных искажений. Появились усилители 34, у которых коэффициент Kг< 0,0005%. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого количества транзисторов с высоким коэффициентом усиления и уста­новлением глубокой ООС. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе. Это приводит к «жесткому», «транзисторному» звучанию, исчезает мягкость, бархатистость звука при субъективном восприятии музыкаль­ной программы.

Проблема заметности коэффициента гармоник в диапазоне 1... 0,0005% не имеет однозначного толкования. Можно лишь утверждать, что если получены малые нелинейные искажения, и они достигнуты не за счет ухудшения других параметров усилителя, то это говорит о совершенстве усилительного тракта.

Однако следует отметить, что испытание усилителей со сверхмалыми не­линейными искажениями предъявляет весьма высокие требования к нелиней­ным искажениям источника испытательных сигналов. Лучшие отечественные звуковые генераторы типа ГЗ-102 обеспечивают Кг не менее 0,05%, т. е. имеют тот же порядок, что и нелинейные искажения, вносимые самим усилителем. Разрешающая способность измерителей нелинейных искажений С6-5 также со­ставляет от 0,02 до 0,03%. Поэтому точные измерения сверхмалых нелинейных искажений весьма затруднительны.

Для испытаний сверхлинейных усилителей следует пользоваться прецизи­онными звуковыми генераторами и анализаторами спектра. Хорошие результаты при оценке сверхмалых нелинейных искажений дает метод компенсации [4].

При испытании описанных в книге усилителей использовался генератор ГЗ-102, предварительно испытанный анализатором спектра и обеспечивающий Кг <0,02%, и измеритель нелинейных искажений С6-5 с разрешающей спо­собностью 0,02%. Если иногда указывается значение Kг, меньшее или равное разрешающей способности измерений, то значит К_т усилителя и входного ис­пытательного сигнала не отличались друг от друга.

При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе действует не­которое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено в оо« новном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов в активными потерями, шумы усилительных элементов.

Фон обычно появляется в результате недостаточной фильтрации пульси­рующего напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.

Наводки образуются из-за паразитных электрических, магнитных, гальва­нических или электромагнитных связей цепей усилителя с источниками помех.

Микрофонный эффект представляет собой результат преобразования меха­нических колебаний элементов усилителя в электрические, проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1 — 10000 Гц. Он за­метно проявляется у интегральных усилителей с большим коэффициентом уси­ления, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его, используют ра­циональную конструкцию элементов усилителя, более надежное их крепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.

Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движе­нием в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей заря­дов (например, электронов). В результате на концах проводника, обладающе­го некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС, на­зываемая ЭДС шума Е_ш. Поскольку она периодическая функция времени, то ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.

Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, в принципе, умень­шить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумы усилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишь минимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами [5]. Практические спосо­бы подавления помех и снижения шумов в усилителях 34 будут описаны далее.

Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя Р_Ном к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. В усилите­лях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60... 110 дБ.

Динамический диапазон усилителя — это отношение максимального и мини­мального входного сигнала усилителя при заданном уровне K_г:

D_у = U_{вх max}/U_{вх min}.

Для высококачественного усилителя максимальное значение входного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики и принимается рав-вым номинальному входному напряжению U_вх.ном, обеспечивающему номинала ную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.

U_{вх max}= U_вх.ном.

Минимальное входное напряжение U_{Вх min} должно выбираться таким обра­зом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскировали выходной сигнал.

В предельном случае основными помехами в усилителе являются шумы, при этом

U_{вх min} ⁼ Kп U_{Z ш.вх}, где K_n = U_Bxmin/U_Zш.вх>1 — коэффициент помехозащищенности.

Отсюда динамический диапазон усилителя

D_у ⁼ U_вх.ном/(K_пU_{Z ш.вх}).

Видно, что отношение сигнал-шум, равное U_Вх.ном/U_Zш-В1, определяет дости­жимый динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для луч­ших высококачественных усилителей Dy>110 дБ. Источники звуковых сигна­лов имеют собственный динамический диапазон, равный отношению максимального E_{и max} и минимального Е_{л min} ЭДС источника сигнала; D_С=Е_{И mах}/E_{и min} и в логарифмических единицах D_c [дБ] = 201gD_c.

Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превы­шать 80 дБ, художественного чтения — 30 дБ.

Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и поме­хозащищенностью необходимо, чтобы D_y>D_c.

Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительные элементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощные выходные тран­зисторы) и применять ручную или автоматическую регулировку усиления.

В приведенных в книге показателях для динамического диапазона коэффи­циент помехозащищенности K_п принят равным единице. Поэтому в технических характеристиках описанных функциональных узлов приводятся только значе­ния отношения сигнал-шум.