Для чего в усилителях применяют обратную связь

Обратная связь в усилителях

Вы будете перенаправлены на Автор24

Виды обратной связи в усилителях

Обратная связь — это связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передается на вход (то есть из цепи с высоким уровнем сигнала в цепи с более низким).

Обратная связь оказывает заметное воздействие на характеристики и свойства усилителя. Данную связь вводят в схему усилителя с целью изменение ее свойств в необходимом направлении — внешняя обратная связь. Иногда обратная связь может возникнуть самопроизвольно. Например, причиной этого может быть физические особенности усилительного элемента — внутренняя обратная связь. Паразитная обратная связь появляется из-за паразитных связей (индуктивных, емкостных и т.п.).

Усилитель — это устройство, которое предназначено для усиления интенсивности (мощности) сигнала, без изменения его вида.

Часть схемы усилителя и обратная связь при соединении между собой образуют замкнутый контур, который называется петлей обратной связи. Пример схемы такой связи изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Петля обратной связи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

K – коэффициент усиления усилителя; В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

При конструировании и проектировании принимают ряд мер, направленных на ликвидацию или ослабление паразитной обратной связи. К основным способам относятся:

Готовые работы на аналогичную тему

По количеству петель различают многопетлевые и однопетлевые обратные связи. Если в петле обратной связи, которая охватывает весь усилитель, присутствуют петли, охватывающие отдельные части и каскады усилителя, то данные цепи называются местными петлями обратной связи. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей изображены на рисунке ниже.

Рисунок 3. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению и нестабильность усиления

Для оценки и анализа воздействия обратной связи на коэффициент усиления по напряжению будет рассмотрен последовательный способ введения сигнала, изображенный на рисунке ниже.

Рисунок 4. Последовательный способ введения сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для начала предполагается, что входное сопротивление (Zвх) бесконечно велико, поэтому:

Uвх. ист — Uвх. ос + Uсв = 0

Uвх. ист — сигнал источника; Uвх. ос — результирующий сигнал на входе усилителя; Ucв — выходное напряжение.

Таким образом результирующий сигнал на входе усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Uвх. ос = Uвх. ист + Ucв.

Выходное напряжение усилителя вычисляется по формуле:

Uвых. ос = К • Uвх. ос,

где, К — коэффициент усиления по напряжению.

Из данного уравнения понятно, что коэффициент усиления не изменяется, однако, по отношению к сигналу источника видоизменяется:

Uвых. ос = Кос • Uвх. ист.

Так как левые части двух выше представленных уравнений равны, то можно записать:

К / Кос. = Uвх. Ист / Uвх. ос. = F

И становится понятно, что коэффициент усиления по напряжению изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Учитывая, что:

Uвх. Ист = Uвх. ос – Uсв. и К /Кос. = Uвх. ист. / Uвх.ос. = F

где Т — возвратное отношение.

Возвратное отношение является комплексной величиной, которая равна (после преобразования предыдущего уравнения):

где В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Модуль возвратного отношения характеризует изменение сигнала при прохождении им цепи обратной связи. Если возвратная разность больше единицы, то цепь называют отрицательной, а если меньше — положительной. Если цепь обратной связи отрицательная, то коэффициент усилителя с обратной связью будет уменьшаться:

Kос. = К /|F|= К / (1 + В • К)

Если цепь обратной связи положительная, то коэффициент усиления усилителя будет расти:

Кос. = К / |F|= К / (1 – В • К)

В групповых усилителях используется комбинированная глубокая отрицательная обратная связь (возвратная разность намного больше единицы), в таком случае коэффициент усиления усилителя будет равен:

Кос. = К / (1 + В • К) = 1 / В

Заметное влияние на коэффициент усиления оказывают дестабилизирующие факторы, к которым относятся:

Количественное изменение коэффициента усиления из-за воздействия дестабилизирующих факторов характеризуют величину без обратной связи:

где, dK – дифференциал коэффициента усиления усилителя.

Нестабильность с обратной связью вычисляется по формуле:

Подставляя в формулу для расчета коэффициент усиления при отрицательной обратной связи и продифференцировав его, получаем:

Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, ясно, что отрицательная обратная связь стабилизирует усиление усилителя, снижая его нестабильность.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 18 02 2021

Источник

Обратная связь. Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств

Обратная связь предполагает передачу части энергии выходного сигнала на вход электронного устройства или усилителя. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью

Первоначально обратная связь использовалась для увеличения коэффициента усиления. В этом случае напряжение или ток с выхода усилителя подается на его вход синфазно с входным колебанием (сдвиг фаз в петле обратной связи должен быть равен 0° или 2π×n). Такая обратная связь получила название положительная обратная связь. Однако скоро выяснилось, что положительная обратная связь приводит к нестабильности работы усилителя и ее стали избегать.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. В начале двадцатого века это было крупным недостатком, однако в настоящее время это легко компенсируется добавлением одного или нескольких каскадов усиления. В то же самое время отрицательная обратная связь в усилителях приводит к улучшению многих его параметров, поэтому она нашла широкое применение.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

Определим коэффициент усиления усилителя охваченного обратной связью. Для этого запишем напряжение на входе усилительного элемента:

Напряжение на выходе усилителя, не охваченного отрицательной обратной связью, можно определить следующим образом:

Из этих двух выражений можно выразить коэффициент усиления услителя охваченного отрицательной обратной связью.

С одной стороны уменьшение коэффициента усиления может привести к усложнению схемы. С другой стороны если коэффициент усиления будет меняться в зависимости от конкретного экземпляра транзистора или при изменении температуры, то при помощи выражения (3) при достаточно большом первоначальном коэффициенте усиления K можно можно обеспечить стабильность коэффициента усиления блока в целом. Его коэффициент усиления будет зависеть от коэффициента β или другими словами от соотношения номиналов резисторов в четырёхполюснике обратной связи.

Влияние обратной связи на нелинейные искажения усилителя

Одним из важнейших характеристик усилителя является его линейность. Именно отрицательная обратная связь позволяет добиться высокой линейности амплитудной характеристики. Принцип работы отрицательной обратной связи в этом случае не отличается от принципа стабилизации коэффициента усиления. В качестве примера можно привести влияние обратной связи на самый распространенный параметр, позволяющий оценить уровень нелинейных искажений — коэффициент гармоник:

Влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя

В зависимости от способа получения сигнала обратной связи на выходе усилителя она может быть по напряжению и по току. Структурная схема отрицательной обратной связи по напряжению приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по напряжению

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению можно определить по следующей формуле:

Напряжение обратной связи в схемах отрицательной обратной связи по току выделяется на сопротивлении обратной связи, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по току

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току можно определить по следующей формуле:

Влияние обратной связи на входное сопротивление усилителя

По входу отрицательная обратная связь может быть последовательной и параллельной. Структурная схема параллельной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 4. На этом рисунке не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 4. Структурная схема усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью

Параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Следующий вид обратной связи, который мы рассмотрим, это последовательная отрицательная обратная связь. Структурная схема последовательной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 5. На этом рисунке, также как на предыдущем, не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 5. Структурная схема усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью

Последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств» читают:

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Обратная связь. Часть 1. Виды обратной связи

Как я уже говорил в одном из предыдущих постов я начал публиковать цикл статей об операционных усилителях. В прошлой статье я рассмотрел две основные схемы включения (инвертирующую и неинвертирующую) и некоторые схемы с применением операционных усилителей. В данной статье я буду рассматривать такую тему как обратная связь.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Зачем нужна обратная связь

В отличие от идеальных операционных усилителей (ОУ), имеющих равномерную АЧХ, то есть их коэффициент усиления не изменяется в зависимости от частоты входного сигнала, реальные ОУ имеют коэффициент усиления, который с ростом частоты усиливаемого сигнала уменьшается. Кроме того в ОУ с увеличением частоты сигнала происходит фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, вследствие этого на некоторых частотах усиливаемого сигнала происходит самовозбуждение схемы, то есть усилитель превращается в генератор. Это всё приводит к уменьшению качественных показателей электронных схем.

Одним из наиболее распространённых и эффективных способов влияния на качественные параметры электронных схем с ОУ является применение обратной связи (ОС). Стоит отметить, что ОС широко применяется не только с ОУ, но и со многими другими электронными схемами, поэтому всё, что будет сказано про использование ОС с ОУ, относится и ко всем другим схемам с ОС.

Обратная связь определяется, как связь выходной цепи усилителя с его входной цепью, то есть когда усиленный сигнал с выхода усилителя передается на его вход через цепи, которые специально вводятся для этой цели (внешняя ОС) или через цепи, которые имеются в усилителе для выполнения других функций (внутренняя ОС). На рисунке ниже показана структурная схема усилителя с обратной связью

Структурная схема усилителя с обратной связью.

На рисунке выше показана структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, который охвачен внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Стрелки на схеме показывают направление прохождения сигнала. Таким образом, часть усиленного сигнала с выхода усилителя поступает через цепь ОС на вход усилителя, где складывается с внешним сигналом. В результате на входе усилителя возникает суммарный входной сигнал, который может быть больше или меньше внешнего сигнала.

Виды обратной связи

Если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается больше амплитуды внешнего сигнала, то данная цепь ОС называется положительной обратной связью (ПОС), а в случае если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается меньше амплитуды внешнего сигнала, то такая ОС называется отрицательной обратной связью (ООС).

Путём введения ОС удаётся достаточно сильно изменить процесс работы и свойства усилителя, которые определяются как свойством усилителя, так и свойством цепи ОС. На свойства цепи ОС существенное влияние оказывает её вид, то есть принцип её действия, зависящий в общем случае от полярности и фазы напряжения ОС, а также способа её соединения с входными и выходными цепями усилителя.

Различают четыре вида обратных связей:

Кроме того существует также смешанная обратная связь, но из-за сложности в изготовлении и настройке данный вид обратной связи большого распространения не получил.

Рассмотрим, как образуется каждый вид обратной связи.

Параллельная обратная связь по напряжению

Параллельная обратная связь по напряжению образуется подключением входа цепи ОС параллельно сопротивлению нагрузки R_H, а выход цепи ОС – параллельно входу усилителя.

Структурная схема параллельной обратной связи по напряжению.

Таким образом, входное напряжение цепи ОС U_СВ равно выходному напряжению на нагрузке U_Н, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС пропорционально сумме токов входного сигнала I_СИГ и цепи ОС I_OC на общем входном сопротивлении усилительной схемы.

То есть данная ОС образуется при параллельном соединении входа и выхода усилителя через цепь ОС. Данный вид ОС характеризуется тем, что действие ОС уменьшается при уменьшении сопротивления нагрузки и источника сигнала, а при коротком замыкании входа или выхода действие данного вида ОС прекращается.

Параллельная обратная связь по току

Параллельная обратная связь по току образуется подключением входа цепи ОС параллельно резистору R_T, а выход цепи ОС подключён параллельно входу усилителя.

Структурная схема параллельной обратной связи по току.

Данный вид ОС характеризуется следующими параметрами: входное напряжение ОС U_OC пропорционально выходному току усилителя протекающего через резисторы R_T и R_H, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС пропорционально сумме токов входного сигнала I_СИГ и цепи ОС I_OC на общем входном сопротивлении усилительной схемы.

Действие данного вида ОС уменьшается при уменьшении сопротивления источника сигнала, входного сопротивления усилителя, а также при уменьшении сопротивления резистора R_T или увеличении сопротивления нагрузки. То есть при коротком замыкании на входе схемы и отсутствии нагрузки данная ОС не действует.

Последовательная обратная связь по напряжению

Последовательная обратная связь по напряжению образуется подключением входа цепи ОС параллельно сопротивлению нагрузки R_H, а выхода цепи ОС – последовательно с входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной цепью ОС по напряжению.

В последовательной обратной связи по напряжению входное напряжение U_СВ равно выходному напряжению на нагрузке U_Н. В тоже время сумма выходного напряжения цепи ОС U_ОС и напряжения источника сигнала U_СИГ равна входному напряжению усилителя U_ВХ.

Таким образом, последовательная ОС по напряжению уменьшает своё действие при увеличении сопротивлению источника сигнала и уменьшении сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилителя. В случае, когда на выходе короткое замыкание, а также в режиме холостого хода на входе данный вид ОС перестаёт действовать.

Последовательная обратная связь по току

Последовательная обратная связь по току образуется путём подключения входа цепи ОС параллельно резистору R_T, а выход цепи ОС подключен последовательно с источником сигнала и входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току.

Последовательная обратная связь по току имеет следующие характеристики. Входное напряжение цепи ОС U_CB пропорционально выходному току усилителя I_CB, который протекает через резисторы R_H, R_T и R_ВЫХ, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС совместно с напряжением источника сигнала U_СИГ составляет входное напряжение усилителя U_ВХ.

Из вышеизложенного следует, что при уменьшении сопротивлений R_H, R_T и R_ВЫХ, а также при увеличении входного сопротивления усилителя и источника сигнала действие последовательной ОС по току уменьшается. А при отсутствии нагрузки и холостом ходу на входе схемы данный вид ОС сводится к нулю.

Данная статья не может вместить все сведении об обратной связи, поэтому в ней рассмотрены только схемы различных видов обратных связей. О влиянии ОС на параметры усилительных устройств будет рассказано в следующей статье.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Интермодуляционные искажения в усилителях звуковой частоты и ООС — осторожно, опасные связи

На аудиофильских сайтах принято пугать посетителей интермодуляционными искажениями, однако поскольку большинство публикаций на эту тему широко использую технологию копипаста, понять почему эти искажения возникают и чем так страшны очень сложно. Сегодня я постараюсь в меру своих способностей и объёма статьи отразить именно природу этих стрРрашных ИМИ.

Тема искажений сигнала в УМЗЧ была поднята в моей предыдущей статье, но в прошлый раз мы лишь слегка коснулись линейных и нелинейных искажений. Сегодня попробуем разобраться в наиболее неприятных на слух, трудноуловимых для анализа и сложноустранимых для проектировщиков УНЧ интермодуляционных искажениях. Причинах их возникновения и взаимосвязи с обратной связью сорри за каламбур.

Операционный усилитель как белый треугольник

Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.

Назначение выводов операционного усилителя

Неинвертирующий вход:

Инвертирующий вход:

Плюс источника питания:

Минус источника питания:

Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.

Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:

Где — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Поскольку наша цель не усиление постоянных напряжений, а звуковых колебаний давайте для примера рассмотрим зависимость недорогого ОУ LM324 от частоты входных синусоидальных колебаний.

На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом — ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой — 10 000 раз на постоянном токе!

Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход — ввести обратную связь.

Обратная связь — просто и сердито! Панацея от всех бед?

В данной статье не будем касаться основ теории операционных усилителей, при желании в интернете можно найти много информации на эту тему, например в цикле статей Игоря Петрова KriegeR

Ввести обратную связь в схему усилителя не просто, а очень просто. Давайте чтобы далеко не ходить рассмотрим как это можно сделать на примере из моей прошлой статьи про маленькие хитрости трассировки схем на Операционных усилителях.

Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.

Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением — индуктивную и ёмкостную.

Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?

К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.

Полученные частоты по амплитуде меньше родительских гармоник и как правило их уровень быстро убывает с увеличением целочисленных коэффициентов m и n.

Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:

и частотами гармоник третьего порядка :

В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора — гетеродина.

На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:

ИМИ (IMD) — интермодуляционные искажения

Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.

Борются с данным эффектом применяя более совершенные транзисторы, работающие в линейном режиме и с помощью местной в пределах одного каскада усиления или глубокой общей обратной связи — мастере на все руки! Однако всё хорошо в меру — если частоты паразитных гармоник сигнала лежат в области быстрого спада АЧХ усилителя, то обратная связь может не успеть компенсировать искажение сигнала и даже сама послужить источником дополнительных искажений.

Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи

Тёмная сторона обратной связи

Для того, чтобы её обнаружить соберём усилитель по представленной выше схеме на ОУ LM324, но с немного другими номиналами резисторов обратной связи так, чтобы получить единичное усиление.

А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.

Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель — весьма сложное устройство.

Он содержит массу паразитных ёмкостей, расположенных как внутри интегральных транзисторов, его составляющих, так и в межкаскадных связях. Природа паразитных ёмкостей очень разная, например обусловленная временем рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводнике. Сами транзисторы, на которых построен наш ОУ, являются усилительными приборами с большой нелинейностью. Более того, свою ёмкость имеют и элементы печатной платы, особенно если при трассировке не учитывались рекомендации, изложенные в моей предыдущей статье.

В момент прихода отрицательного фронта сигнала обратная связь обнаруживает что напряжение на входе не соответствует выходному. Она резко увеличивает потенциал инвертирующего входа относительно неинвертирующего, чтобы как можно быстрее передать скачок напряжения на входе усилителя, но не успевает этого сделать поскольку ей необходимо сначала зарядить паразитные ёмкости всего тракта усиления и мы получаем завал фронта сигнала на выходе. Далее, когда входной сигнал так же резко перестаёт меняться обратная связь вынуждена эти ёмкости разряжать. Как следствие мы получаем выброс на выходе, в дальнейшем переходящий в затухающий колебательный процесс. В особо печальных случаях этот колебательный процесс может затянуться на достаточно долгое время — усилитель перейдёт в состояние самовозбуждения. В итоге в сигнале на выходе усилителя появляются новые гармоники не присутствующие на входе — нелинейные искажения.

Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты

В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:

Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя

Перегрузочная способность усилителя это параметр, который описывает на сколько децибел номинальное выходное напряжение или мощность отличается от максимальной, когда начинаются ограничения выходного сигнала по питанию — clipping

У транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.

Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V₁ может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V₂ для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.

Напряжение на входе усилителя мощности V₂ имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V₃, действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой V_max

Выброс в сигнале V₃ может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.

В показанной схеме наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет ОУ, тем не менее он имеет неплохую перегрузочную способность — сохраняет небольшие нелинейные искажения при размахе напряжения на выходе близком к напряжению питания. Гораздо хуже дело обстоит с каскадом на транзисторах T1 и T2 — это усилители тока, которые достаточно просто вывести из нормального режима работы, а для его восстановления может потребоваться сравнительно большое время. Выбросы напряжения обратной связи усиленные ОУ и поданные на вход этих транзисторов могут иметь очень большие значения. Они приводят к перегрузке второго каскада усиления. Т1 и Т2 могут войти в режим насыщения, потерять свои усилительные свойства, причём оставаться в нём некоторое время даже после пропадания резкого фронта входного сигнала, пока не рассосётся заряд на разного рода паразитных ёмкостях. Паразитные ёмкости и возможные элементы коррекции АЧХ тут показаны с помощью элементов R и С.

Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними

Согласно стандартной методике для измерения интермодуляционных искажений на вход изме­ряемого объекта одновременно подаются два сигнала: низкой f₁ и высокой f₂ частот. К сожалению, в различных странах пользу­ются различными измерительными частотами. Разные стандарты предусматривают разные частоты — 100 и 5000 Гц, 50 и 1000 Гц…

Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f₁ на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f₂. В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f₂ образуются разностные и сум­марные комбинационные колебания f₂ ± f₁, и f₂ ± 2f₁ более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго поряд­ка с частотами f₂ ± f₁ характеризуют квадратичные, а третьего по­рядка с частотами f₂ ± 2f₁ — кубические искажения объекта изме­рения.

Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.

Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.

Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:

Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма — когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному — без прослушивания перед покупкой не обойтись.

Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.

На методах борьбы с интермодуляционными искажениями мы остановимся также очень кратко:

Источник